土質(zhì)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施

10土質(zhì)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施摘要：我國(guó)已建成的隧道工程中有很大一局部屬于土質(zhì)隧道，土質(zhì)隧道由于其介質(zhì)的特別性及施工過(guò)程易于發(fā)生塌方等緣由，使建成的土質(zhì)隧道或多或少都存在大大小小的裂縫，給正常的運(yùn)營(yíng)治理帶來(lái)很大的困難。如何預(yù)防或削減土質(zhì)隧道的裂縫是寬闊隧道工作者的責(zé)任，本文從土質(zhì)隧道受力變化及設(shè)計(jì)施工等各個(gè)方面分析了土質(zhì)隧道產(chǎn)生裂縫法。主題詞：土質(zhì)隧道裂縫分析及預(yù)防前言近幾十年來(lái)我國(guó)在各種工程中修建了數(shù)以千計(jì)的隧道工程，其中土質(zhì)隧道占了很大的比重。本文所說(shuō)的土質(zhì)隧道包含大路、鐵路、地下鐵道工程中在土質(zhì)圍巖中修建的隧道工程。經(jīng)過(guò)國(guó)家有關(guān)部門對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的調(diào)查，覺(jué)察大局部已建成運(yùn)營(yíng)的土質(zhì)隧道或多或少都存在襯砌開(kāi)裂的現(xiàn)象，嚴(yán)峻的經(jīng)常影響到運(yùn)營(yíng)安全。很多工程剛剛完工還未交付使用就已經(jīng)消滅裂縫，這一現(xiàn)象在鐵路隧道中尤為常見(jiàn)。假設(shè)是個(gè)別土質(zhì)隧道消滅一些襯砌開(kāi)裂的現(xiàn)象，也不值得大驚小怪，現(xiàn)象。神木至延安鐵路的十幾座土質(zhì)隧道在施工過(guò)程中都曾消滅大大小小的裂縫，陜西境內(nèi)的多座大路隧道在投入使用后幾年時(shí)間都曾進(jìn)展過(guò)裂縫防水整治。全國(guó)其它地方關(guān)于土質(zhì)隧道病害的事例更是不勝枚舉，以上實(shí)例充分說(shuō)明，土質(zhì)隧道發(fā)生裂縫已不是個(gè)別現(xiàn)象，隧道工程技術(shù)人員對(duì)此應(yīng)予以足夠的重視。本文從土質(zhì)隧道受力變化機(jī)理、及設(shè)計(jì)施工等方面談一點(diǎn)看法，旨在拋磚引玉。土質(zhì)圍巖中開(kāi)挖洞室后洞周應(yīng)力演化〔風(fēng)化及生物風(fēng)化按成因不同從大的方面可分為殘積土、沉積土〔沉積土可進(jìn)風(fēng)成沉積土、海相沉積土、土壤層。土的構(gòu)造一般有單粒構(gòu)造、蜂窩構(gòu)造、絮狀構(gòu)造等，土的工程性質(zhì)主要取決于土的構(gòu)造構(gòu)造、礦物成分、粒度成分及孔隙中水溶液的性質(zhì)等，另一方面也取決于生成年月的長(zhǎng)短、地理?xiàng)l件的變遷等。土體的固體顆粒之間及顆粒與水之間的相互作用，使土的物理力學(xué)性質(zhì)很簡(jiǎn)單。目前還沒(méi)有一種嚴(yán)格的理論來(lái)表達(dá)土的力學(xué)性質(zhì)，工程上還在把土當(dāng)成簡(jiǎn)潔的彈性體或抱負(fù)的彈塑性體，在土力學(xué)中大量的應(yīng)用彈性理論或彈塑性理論，這種近似的方法不能準(zhǔn)確的反映實(shí)際狀況。土層中開(kāi)挖洞室后洞周應(yīng)力的變化過(guò)程大量的隧道工程就修建在由各種不同構(gòu)造不同性質(zhì)的土層構(gòu)成的土質(zhì)圍巖中，在地下洞室開(kāi)挖以前，土層中的各點(diǎn)均處于三向受力界的地殼運(yùn)動(dòng)，隨著風(fēng)吹日曬，雨水滲透，地層中的應(yīng)力變化無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)展著。當(dāng)?shù)叵露词议_(kāi)挖后，地層中的應(yīng)力平衡就遭到破壞，為了維持的平衡，人們實(shí)行了各種各樣的方法，在多種方法中，奧法〔NATM〕的理論無(wú)非是最穎，最科學(xué)的方法，它徹底轉(zhuǎn)變了很久以來(lái)人們對(duì)地下洞室開(kāi)挖支護(hù)的生疏，把圍巖作為受力構(gòu)造的一局部，這是一個(gè)聰明而又科學(xué)的想法。在我們?yōu)檫@個(gè)科學(xué)的方法而欣喜，以為奧法可以解決地下工程中的全部問(wèn)題時(shí)，我們卻不得不面對(duì)很多完全按奧法原理設(shè)計(jì)施工的隧道工程消滅很多裂縫的事實(shí)。為什么會(huì)消滅這種問(wèn)題呢？設(shè)計(jì)者們翻來(lái)覆去的檢查了他們承受的原始數(shù)據(jù)及計(jì)算過(guò)程，都沒(méi)有覺(jué)察有什么過(guò)失，可就是按此方法設(shè)計(jì)的土質(zhì)隧道越來(lái)越多的消滅裂縫。其實(shí)，這其中最大的緣由就在于我們把自然界動(dòng)態(tài)的過(guò)程當(dāng)成靜態(tài)過(guò)程來(lái)進(jìn)展設(shè)計(jì)。試想一想，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中承受的反映圍巖特性的重要指標(biāo)γ、C、φ 值，是不是從我們?cè)O(shè)計(jì)隧道開(kāi)頭就不會(huì)再有變化？我們?cè)跍\埋隧道設(shè)計(jì)中承受的計(jì)算圍巖壓力的方程中的滑移面是否在我們?cè)O(shè)計(jì)完隧道后就不會(huì)再有變化？由此計(jì)算出的淺埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì)再有變化？我們?cè)谏盥袼淼赖脑O(shè)計(jì)中承受的坍落拱計(jì)算高度是否在我們?cè)O(shè)計(jì)后就不會(huì)再有變化？由此計(jì)算出的深埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì)再有變化？我們?cè)谒淼涝O(shè)計(jì)中承受的各種荷載形式是否就與實(shí)際全都？我們所承受的各種襯砌形式是否適應(yīng)地層中的應(yīng)力變化？假設(shè)我們對(duì)以上問(wèn)題都能有明確確定的回答，我想隧道襯砌確定是不會(huì)產(chǎn)生裂縫的。土質(zhì)圍巖中修建的隧道自從洞室被開(kāi)挖的那一刻起，圍巖中的應(yīng)力重安排就重開(kāi)頭，假設(shè)是按奧法原理設(shè)計(jì)，在初襯到達(dá)變形穩(wěn)定后只能說(shuō)是到達(dá)了一次臨時(shí)的平衡，二襯施工后，不管是設(shè)計(jì)者還是施工者都會(huì)確信工程已經(jīng)高質(zhì)量的完工了。實(shí)際并非如此，在大家毫不關(guān)心的狀況下，在自然界降水的作用下，或在土層被擾動(dòng)后進(jìn)展的長(zhǎng)期的固結(jié)作用下，洞周地層中的應(yīng)力已經(jīng)和隧道設(shè)計(jì)或剛建成時(shí)發(fā)生了很大的變化，初襯和二襯卻還在努力的抵抗著不斷變化的地層應(yīng)力，假設(shè)初襯和二襯的強(qiáng)度足夠大，能夠應(yīng)付后來(lái)發(fā)生的應(yīng)力變化，那末這個(gè)工程在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可以放心地使用。假設(shè)不能夠抵抗后期發(fā)生的應(yīng)力變化，隧道襯砌就會(huì)用各種各樣的裂縫表現(xiàn)出它所患病的各種無(wú)法承受的壓力。以上主要是想說(shuō)明，土質(zhì)圍巖中的洞室開(kāi)挖后，應(yīng)力的變化是始終在進(jìn)展著的，施工過(guò)程中初襯的穩(wěn)定并不表示圍巖變形的完成及應(yīng)力安排的終結(jié)。土層被擾動(dòng)以后的再次固結(jié)是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的過(guò)程，洞室開(kāi)挖后引起地層中水流路徑的變化也是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，洞周地層中的應(yīng)力時(shí)刻都在發(fā)生著變化。因此，對(duì)于很多土質(zhì)隧道建成后多年才消滅裂縫就不難理解了。土質(zhì)隧道裂縫產(chǎn)生緣由分析土質(zhì)隧道中產(chǎn)生的裂縫、滲漏水現(xiàn)象，一方面是由設(shè)計(jì)緣由造成的，另一方面是由于施工治理不當(dāng)造成的。它是構(gòu)造內(nèi)部受到與設(shè)計(jì)狀態(tài)不同的應(yīng)力的反映，同時(shí)也與施工過(guò)程中由于人為的因素轉(zhuǎn)變了洞室的受力狀態(tài)有很大關(guān)系。未能反映在現(xiàn)在的大路鐵路地鐵隧道設(shè)計(jì)中，一般依據(jù)狀況將隧道的設(shè)計(jì)分為淺埋隧道和深埋隧道兩種狀況。淺埋狀況下以洞頂上全部覆土壓力作為設(shè)計(jì)荷載；深埋隧道的設(shè)計(jì)考慮坍落拱效應(yīng)，只計(jì)局部圍巖壓力。在荷載的計(jì)算中承受的是經(jīng)過(guò)調(diào)查或試驗(yàn)得到的土的物理力學(xué)參數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)模式存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題，第一，人為確定的隧道洞室的荷載模式與實(shí)際的洞室受力狀況有很大的區(qū)分，把受力簡(jiǎn)單的地下工程簡(jiǎn)潔的承受類似受力明確的框架進(jìn)展計(jì)算，無(wú)視了土質(zhì)圍巖的特別性，而這些特別性恰恰是引起地下洞室力學(xué)指標(biāo)在洞室開(kāi)挖后都會(huì)發(fā)生變化，但設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程卻無(wú)法反映出以后這方面的變化，以定態(tài)的參數(shù)設(shè)計(jì)的構(gòu)造去適應(yīng)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力變化，是對(duì)構(gòu)造受力的過(guò)程不全面的反映，同時(shí)也是對(duì)土層中洞室開(kāi)挖后的應(yīng)力變化過(guò)程生疏不透徹的表現(xiàn)。構(gòu)造設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期以來(lái)無(wú)視了地下水的影響，在隧道的設(shè)計(jì)中僅僅是考慮在有水的狀況下將圍巖級(jí)別予以降低，在沒(méi)有水的狀況下則對(duì)水的因素不加考慮。先說(shuō)有水時(shí)的狀況其一影響了土的物理力學(xué)指標(biāo)，這點(diǎn)可從圍巖級(jí)別的降低上土質(zhì)圍巖中有水時(shí)，洞室開(kāi)挖后將破壞原來(lái)的賦存環(huán)境及水力路徑，在洞室完成后會(huì)重形成的水力路徑，在這個(gè)過(guò)程中，由于水的影響，必定導(dǎo)致洞室四周土壓力狀態(tài)與設(shè)計(jì)時(shí)有很大的不同，而提高圍巖級(jí)別卻不能反映出這種影響，在勘察未見(jiàn)地下水的狀況下，修成的洞室卻往往存在漏水的狀況，這說(shuō)明土質(zhì)圍巖中的水力路徑會(huì)隨著洞室的開(kāi)挖而變狀態(tài)的不同，導(dǎo)致洞室四周各處受力狀態(tài)的不同，而現(xiàn)在的設(shè)計(jì)卻存在著設(shè)計(jì)粗糙、構(gòu)造形式單一，盲目類比不加深究的現(xiàn)象。從土質(zhì)隧道的病害狀況看，大路隧道的病害比鐵路大路隧道的斷面形式在受力方面比鐵路隧道的斷面合理。大路隧道的斷面一般承受三心圓或割圓，而鐵路隧道的斷面一般承受馬蹄形斷面。三心圓或割圓的斷面形式在圍巖壓力的作用下壓力拱軸線一般比較接近于斷面軸線，而馬蹄形的斷面在圍巖壓力作用下的壓力拱軸線與襯砌斷面的軸線相差較大，由此就會(huì)在襯砌斷面上產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。設(shè)計(jì)中對(duì)于圍巖變化處未做有效的處理，當(dāng)存在不均勻沉降時(shí)導(dǎo)致襯砌的裂開(kāi)；長(zhǎng)大段落的隧道構(gòu)造未按要求設(shè)臵伸縮縫，在長(zhǎng)期的溫度變化作用下導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生裂縫。縫雖然在前文的論述中曾談過(guò)奧法設(shè)計(jì)有其缺乏之處，但從現(xiàn)階段的理論和實(shí)際來(lái)看，奧法理論仍是目前地下洞室設(shè)計(jì)和施工的最好的指導(dǎo)理論。但在大量的土質(zhì)隧道施工過(guò)程中，奧法并未被正確完整的貫徹，大多數(shù)工程的施工并未按奧法的要求進(jìn)展動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)和施工治理。尤其在施工的過(guò)程中沒(méi)有認(rèn)真的對(duì)待量測(cè)環(huán)節(jié)，固然也就不能以量測(cè)資料指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。有的工程在最關(guān)鍵的收斂穩(wěn)定的判別上也往往以人眼觀看代替量測(cè)，這些對(duì)奧法的斷章取義或生疏不清最終導(dǎo)致了各種各樣的工程事故的發(fā)生，也導(dǎo)致了最終的工程質(zhì)量問(wèn)題。嚴(yán)格按國(guó)家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程辦理，具體表現(xiàn)在混凝土協(xié)作比達(dá)不到強(qiáng)度要求；施工振搗不密實(shí)導(dǎo)致襯砌中有蜂窩使混凝土強(qiáng)度降低；坍方處理不當(dāng)襯砌背后留有孔洞；超挖回填不密實(shí)、欠挖不修整導(dǎo)致的襯砌受力與設(shè)計(jì)不符；背棄奧法思想，在初襯變形未收斂的狀況下施做二襯；拆模時(shí)間過(guò)早導(dǎo)致襯砌早期強(qiáng)度缺乏；冬季施工治理不善導(dǎo)致混凝土達(dá)不到強(qiáng)度要求；施工用水治理不善，導(dǎo)致基底被水浸泡，使襯砌產(chǎn)生不均勻沉降等。預(yù)防及削減土質(zhì)隧道裂縫的措施加強(qiáng)土質(zhì)圍巖中洞室開(kāi)挖后初期穩(wěn)定與長(zhǎng)期受力變變化根底方面的爭(zhēng)辯，弄清各類地下構(gòu)造在土層中的受力特點(diǎn)，爭(zhēng)辯土質(zhì)圍巖中地下洞室長(zhǎng)期應(yīng)力的變化狀況及各種不同狀況下土中應(yīng)力的相應(yīng)變化。著重爭(zhēng)辯在奧法后階段土層中應(yīng)力的變化狀況，明確在各種不同的地質(zhì)條件下，土的物理力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的變化狀況，以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)。有針對(duì)性的進(jìn)展精細(xì)設(shè)計(jì)針對(duì)不同的受力特點(diǎn)在斷面外形、局部受力強(qiáng)度等方面進(jìn)展深入細(xì)化設(shè)計(jì)，使構(gòu)造與應(yīng)力到達(dá)協(xié)調(diào)統(tǒng)一。土質(zhì)量治理、量測(cè)把握治理、施工工序等方面加強(qiáng)治理，杜絕塌方事故的發(fā)生，以嚴(yán)格的治理制度保證工程質(zhì)量。結(jié)論土質(zhì)圍巖中開(kāi)挖洞室雖然有很長(zhǎng)的歷史，但我們對(duì)土質(zhì)圍巖中的應(yīng)力變化至今仍不清楚，由此導(dǎo)致的工程設(shè)計(jì)不是太保守就是擔(dān)憂全。今后應(yīng)在這個(gè)方面進(jìn)展廣泛的根底爭(zhēng)辯，特別是應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土質(zhì)圍巖在洞室修成后的長(zhǎng)期應(yīng)力變化的爭(zhēng)辯，加強(qiáng)洞室修成后在自然降水作用下洞周應(yīng)力的爭(zhēng)辯，搞清洞室修成后土中物理、力學(xué)參