1.概述
在膨胀性地层中开挖隧道、巷道或地下洞室，常常可以见到围岩因开掘而产生变形，或者因浸水而膨胀，或因风化而开裂等现象，使设置在膨胀性围岩中的隧道或地下洞室的洞壁发生位移，导致围岩失稳，衬砌破坏。膨胀性围岩的基本特征，归纳起来表现在以下三个方面。
1.1围岩的应力比高。即P0/Ra，P0—地应力，Ra—围岩的抗压强度。由于膨胀性围岩是有原始地层的超固结特性，使围岩中储存有较高的初始应力，当隧道或地下洞室开掘后，引起围岩应力释放，强度降低，产生卸载膨胀，因此围岩常常具有明显的塑性流变特征，开掘后将产生较大的塑性变形。
1.3胀缩效应的力学特性。膨胀围岩因吸水而膨胀，失水而收缩，岩体干湿循环产生胀缩效应。一是使围岩体结构破坏，由块间联结变为裂隙结合，甚至成为散结构，强度完全丧失，导致围岩压力增大；二是造成围岩应力变化，无论膨胀压力或收缩应力，都将破坏围岩的稳定性，特别是膨胀产生的膨胀压力将对增大围岩压力起叠加作用。
2．施工方法
膨胀性围岩隧道施工，首先查明膨胀产生的原因，测定围岩贮存的应力大来确定相应的施工方法及支护参数。
膨胀性围岩的施工原则为“加固围岩，改善洞形，先柔后刚，先放后抗，变形留够，底部加强”24字方针。
2.1加固围岩。加固围岩最有效的措施是支护的锚杆，锚杆长度应大于塑性半径。锚杆长度越长，支护效果愈好，但锚杆太长时，工程造价加大，施工难度高，且局部锚杆强度难以充分发挥；而锚杆太短则加固围岩效果不好。当锚杆长度大于塑性区厚度时，可抑制塑性区围岩的承载力，并把塑性区围岩同弹性区稳定围岩连接起来。此时锚杆两端相对位移较大，使锚杆充分受拉，从而提高锚杆对围岩径向支护的作用；反之当锚杆长度小于塑性区时，即全位于塑性区内，锚杆将随着围岩整体移动，围岩仍有剪切滑移破坏的可能，锚杆两端相对位移较小，削减锚杆对围岩的支护作用。锚杆长度应大于塑性区厚度。（L1/L2=K=2/3，L1—围岩塑性区厚度，L2—锚杆长度），围岩塑性区通过岩石力学的卡斯特纳公式，即多点位移计和声波测式法对围岩松动范围来确定塑性区。
2.1.1选用自进式锚杆对膨胀性围岩施工较为理想。常用进口迈式锚杆和国产GMC锚杆，其规格型号见下表。
" B; A8 d5 M, b' x
3 J' x+ h! r( p* N3 ]3 |
品 种 7 v5 _: V7 V. a
| & C% _, g3 _/ Y# R0 |
" y0 C# y; |! b
迈 式 Q0 k6 C, {1 w% Q/ _
: _- ]- k+ L4 @+ s5 f
| GMC |
| 型号 | R25N | R32N | R32S | R38N | 8 m+ P% a# L# e6 R8 V [
9 M& h6 @# x: c3 s
R25
2 J% |7 q6 l1 Y- ]* W" i8 r1 j9 d3 F4 l1 ~
| R27 |
?: n0 W1 Y: O1 z2 V5 G: K( z
$ g7 V$ ?! q! H' H. tR32
7 J4 f R% P2 p8 a o- H
! {! b* ~0 ~8 ^: \ |
| 内/外径(mm) | 4 u) R" M. E' t5 y
14/25 , H) x) |' k6 s9 d/ Z
|
' U9 G8 r$ L9 v! F* |7 M20/32
& |9 H e+ t+ D |
' O D: Z- m' c: j5 y x& w15/32
. F: @1 Q/ m: l5 k+ z7 ? |
2 g: f+ k+ ?1 z% A- }14/38
9 v1 {+ p$ [" H+ e; `/ r" A | ) o( B+ x2 r; z; `2 p6 q: K8 R/ Z
13/25 ) i" I# k1 V8 F8 c! y
| ( ?5 ]: \& J, d9 _0 c1 t ~
15/27
& e6 }, A5 _$ l$ }; J | / o$ c& }7 t3 {" w3 \8 x
18/32
$ T" p1 e6 X/ G! ? |
| 重量(kg/m) | 2 Z E6 x' e9 C, y* \+ M
# x @: f6 N+ J1 D/ D
2.5 * \) m$ K# _; T' E
3 X2 W2 Q3 S5 e, I8 m |
# ? D$ i7 f" s5 X
9 D" b" N+ z, n' b/ F# Q3.6
$ m8 H8 @, }7 p6 ~4 c. d: W* d- u x) a( n6 P9 b
|
) Q5 E# e: f5 b% q
$ g1 w9 u2 p" ]0 P( G) y3.9 , i% i! W; M: M; J4 h% r, W! k2 x1 K
0 `4 w. ], _5 G& Z% R3 ^) V
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6.4 8 e; J9 ~; E7 |" o! x
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8 j2 R4 I" M& O7 `% D2.8 5 T2 ?$ n, t3 T& o' _; |
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3.1
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|
| 规格(m) | ; Z) [* R3 Q' ?( ^7 t
2 、 3 、 4 、 6
& c0 ~ ~0 f2 d |
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: Y- W0 ^) G9 K% R根据工程要求 9 J0 ~1 E; \, e9 j
) A, P* q$ t! t |
; g! Q N5 M1 T0 q7 i6 V8 a
2.1.2采用预应力锚杆，为了使长锚杆施工后没有足够的时间让围岩变形收敛，施作外衬，充分发挥长锚杆的作用，让其充分受力。用一块18×18cm，厚8mm的钢板代替拱形垫板，在锚杆末端预留1m长的自由端，由自由端施加预应力张拉。
2.2改善洞形。通过增大边墙和仰拱曲率，使开挖断面轮廓形状接近成园形，并表面圆顺，开挖后支护形成环状封闭结构。
2.3先柔后刚。先放后抗，变形留足。采用长锚杆为主，辅以留纵缝的喷砼以及可缩式钢架的柔性初期支护，并预留25~45cm的预留变形量，待围岩收敛到一定值后，施作厚度50cm以上的钢纤维砼外衬，对围岩进行刚性支护。
2.4底部加强。底部仰拱加大曲率，并施作足够强度，参数与拱墙一致，与拱墙衬砌的时差要短，要在一个月内施作。
3．施工工艺
3.1长锚杆施工工艺
拱墙部分选用T×U—75A型水平钻机，边墙下部和底部选用YG40型凿岩机。采用自进式锚杆。其工艺流程见下页：
3.2膨胀性围岩施工流程图见下页：
4.劳动力组织及进度指挥
膨胀性围岩隧道施工，与一般隧道作业比较，支护量增加，每个工班增加长锚杆作业人员约20人，其余与常规隧道一样。
5 ~) g: M1 s+ s. L3 b/ Q$ J质量要点
6.1在钻杆的尾部接上水泵的送水管，利用钻杆的中空部分将水送到钻杆前面，从钻头的喷水孔喷出，将钻孔中的碴子冲出，从钻杆与孔壁之间返回孔口，排出。在钻孔过程中，钻孔的速率跟排碴有着很密切的联系，如钻仰角孔时，钻孔的碴子能顺利排出，钻孔的速率就高，钻俯角孔时，碴子排出困难，钻孔速率低。
6.2由于膨胀围岩软弱、破碎，钻孔与送锚杆的间隔时间不宜太长，防止坍孔。宜钻杆退出后，立即插入锚杆。若遇坍孔，锚杆采用钻机送入，锚杆前面安装钻头，重新钻开坍孔部分，不再取出钻头。
6.3锚杆注浆，待锚杆与输出管连接好后先往注浆孔送水冲孔，待水由里向外返回孔口后即开始注浆，浆液由锚杆中心进入孔底，从孔底返回孔口，待浆液流出后，封堵孔口，待注浆泵的压力达到2MPa后，注浆才结束。
6.4开挖后，应在较短的时间内，加固围岩。配备较多的钻机和劳动力，在较短的时间做完长锚杆。
6.5分部开挖，在上半断面开挖后，为使上半断面初期支护形成封闭结构。加设φ108钢管横撑以取代临时仰拱，以克服下断面开挖后临时仰拱失去底部围岩的支撑，受力状态恶化，对拱脚形成有效支撑。
6.6二次衬砌与开挖面距离尽量缩短，衬砌应尽快形成环形封闭结构。
7.安全措施
7.1在膨胀性岩层中施工，要特别注意排水工作，避免水漫流；拱脚及墙脚应采取措施，不使积水，凡水流通过的土、石暴露地段应设置管道、木槽或浆砌片石水沟。
7.2砼全部灌抵岩壁，对拱顶部位应特别注意捣固密实。
7.3不要向开挖面洒水，以保持围岩干燥。
7.4要加强通风，以降低洞内湿度和温度。
7.5在长锚杆施工中，每台钻机必须间隔一定的距离，防止施工向岩体内大量注水，引起边墙及拱脚塌方。
7.6钻机的司钻人员必须经过培训，能熟练地处理顶钻、卡钻、顶水、喷孔等现象。
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