二級(jí)建造師輔導(dǎo)資料:隧道襯砌裂拱機(jī)理分析及整治

　　引言

　　1、隧道裂拱是隧道襯砌常見(jiàn)病害之一。神延線(神木-延安)某隧道在施工過(guò)程中于1999年9月發(fā)現(xiàn)已成洞襯砌在距進(jìn)口約27m處發(fā)生沿隧道縱軸方向的裂縫，并向出口方向延伸約24m.裂縫位置大致在兩側(cè)拱腰處，大致對(duì)稱(chēng)于隧道斷面中線，除了兩條主裂縫外，還伴有若干次生斜向小裂縫。裂縫發(fā)現(xiàn)時(shí)的寬度為3.3mm，隨后的裂縫寬度監(jiān)測(cè)表明，兩側(cè)拱腰處的主裂縫仍在發(fā)展。在其后的7天時(shí)間內(nèi)裂縫寬度發(fā)展至5.7mm.如果不及時(shí)整治，很可能會(huì)影響隧道安全。由設(shè)計(jì)、施工單位組成科研小組，對(duì)隧道裂拱原因進(jìn)行分析及提出加固整治措施，以迅速遏制裂縫發(fā)展，確保隧道安全。

　　2、 工程概況該隧道開(kāi)挖高度H=8.26m，開(kāi)挖寬度B=6.30m，發(fā)生裂拱段的隧道最大埋深37m，最小埋深22m.山坡植被覆蓋較少，拱頂?shù)孛娓浇幸凰疁?，流向與隧道走向近似平行。該段隧道穿越地層主要為砂巖、灰黃色泥巖、碳質(zhì)泥巖與煤巖互層。巖層產(chǎn)狀接近水平。圍巖工程地質(zhì)特性描述如下：

　?、?、砂巖：灰白、灰黃色，中細(xì)至粗粒結(jié)構(gòu)，鈣質(zhì)膠結(jié)，中厚至厚層狀，風(fēng)化較為嚴(yán)重，節(jié)理較發(fā)育，節(jié)理間距0.5～1.0m，砂巖屬于Ⅳ類(lèi)圍巖，隧道拱頂侵入砂巖約0.6m.

　　⑵、灰黃色泥巖位于砂巖下方，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，風(fēng)化較為嚴(yán)重，含有大量粘土類(lèi)礦物(如伊利石、蒙脫石)，屬Ⅱ、Ⅲ類(lèi)圍巖。

　?、翘假|(zhì)泥巖與煤巖互層碳質(zhì)泥巖：灰黑、黑色，不能染黑手指，位于泥巖下方，泥質(zhì)、粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育，風(fēng)化較為嚴(yán)重，屬Ⅲ類(lèi)圍巖。

　　煤巖：黑色，節(jié)理較發(fā)育，風(fēng)化較嚴(yán)重，屬Ⅲ類(lèi)圍巖在隧道開(kāi)挖過(guò)程中未見(jiàn)有地下水，但砂巖節(jié)理發(fā)育，砂巖露頭能很好的接受大氣降水的補(bǔ)給，故砂巖裂隙水發(fā)育，在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)拱頂上方地表有水溝，走向近似平行于隧道走向。

　　科研小組選取處于不同施工段的三個(gè)斷面進(jìn)行各種測(cè)試及分析。

　　3、隧道測(cè)量

　　3.1 隧道斷面測(cè)量

　　為了檢測(cè)隧道斷面發(fā)生裂拱后，襯砌變形是否侵入隧道限界，用瑞士產(chǎn)的Profiler4000斷面儀對(duì)三個(gè)選定的典型斷面凈空進(jìn)行了測(cè)量，量測(cè)結(jié)果表明，裂拱段襯砌未侵入隧道限界。

　　3.2 隧道襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)及襯砌厚度

　　為了了解襯砌與圍巖的接觸情況，特別是拱部襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)，對(duì)所選擇的三個(gè)斷面在拱頂、拱腰及拱腳處鉆孔檢查。

　　由于泥巖含有大量粘土礦物，如蒙脫石、伊利石和高嶺石等，前二者都能吸水膨脹，吸水膨脹能力蒙脫石最強(qiáng)，伊利石次之，而高嶺石遇水比較穩(wěn)定。為了弄清該泥巖中各種粘土礦物的含量，對(duì)鉆孔時(shí)取出的泥巖巖芯，對(duì)其所含上述三中礦物的含量及其膨脹物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試.

　　3.4 隧道混凝土當(dāng)前抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度

　　該隧道襯砌混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20，對(duì)鉆孔取下的襯砌混凝土巖芯，將其加工成10cm×10cm×10cm的立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度(已乘以折減系數(shù)1.05)測(cè)試結(jié)果列入表3.表中齡期T1、T2分別指發(fā)現(xiàn)裂縫時(shí)及取樣時(shí)的襯砌混凝土的齡期，齡期為T(mén)1及28d時(shí)的抗壓強(qiáng)度是由強(qiáng)度與齡期的關(guān)系換算出來(lái)的[1].從表中數(shù)據(jù)可以看出，襯砌混凝土強(qiáng)度達(dá)到了設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。

　　4、裂拱機(jī)理分析

　　4.1 水文地質(zhì)環(huán)境的變化來(lái)源

　　裂拱段在施工過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)地下水，但由于地表出露節(jié)理發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重的砂巖，雨季大氣降水便沿著節(jié)理裂隙滲入地下，達(dá)到拱部粘土巖。因而，隨著雨季的來(lái)臨，地表大氣降水的滲入改變了施工時(shí)所描述的“較干燥，無(wú)地下水”的水文地質(zhì)環(huán)境。

　　4.2 粘土巖的膨脹機(jī)理

　　蒙脫石晶格構(gòu)造如圖1所示。它是由兩個(gè)硅片中間夾一鋁片構(gòu)成。其特點(diǎn)是晶包之間由O-2聯(lián)結(jié)，所以聯(lián)結(jié)力很弱，晶體格架具有異常大的活動(dòng)性。水分子可無(wú)限地進(jìn)入晶格之間而產(chǎn)生膨脹。伊利石與蒙脫石一樣，具有三層結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2，只是它在晶包之間是由K+或Na+粒子所聯(lián)結(jié)。因此，伊利石晶格之間的聯(lián)結(jié)作用比蒙脫石強(qiáng)，比高嶺石弱，遇水膨脹，失水收縮等作用不及蒙脫石顯著。高嶺石晶格構(gòu)造如圖3所示，它是由一個(gè)硅片和一個(gè)鋁片上下重疊而成，并以此無(wú)限延伸。其最大特點(diǎn)是晶包之間通過(guò)O-2與OH-1相互聯(lián)結(jié)，其聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，致使晶格不能自由活動(dòng)，不允許水分子進(jìn)入晶包之間，是遇水較為穩(wěn)定的粘土礦物。蒙脫石的比表面積是伊利石的10倍，是高嶺石的80倍，因而蒙脫石具有很強(qiáng)的吸水膨脹作用[3、4].

　　由于泥巖中的粘土礦物(蒙脫石、伊利石)遇水膨脹，而泥巖所處位置又在襯砌拱部?jī)蓚?cè)，所以粘土巖吸水后產(chǎn)生的膨脹力直接作用在拱部?jī)蓚?cè)，致使在兩側(cè)拱腰受到正彎矩的作用，拱腰截面洞內(nèi)側(cè)受拉而產(chǎn)生拉裂縫。由于此段圍巖基本上是水平成層，所以?xún)蓚?cè)拱腰處的拉裂縫能夠沿隧道縱軸方向延伸較長(zhǎng)距離。

　　4.3 隧道裂拱力學(xué)行為分析考試論壇

　　該段裂拱隧道都屬于深埋，隧道穿越部位的構(gòu)造應(yīng)力十分微弱，故隧道襯砌所受?chē)鷰r壓力主要是襯砌自重、圍巖松弛荷載q和圍巖產(chǎn)生的彈性抗力。

　　在正常情況下，三類(lèi)圍巖單線電化隧道襯砌兩側(cè)拱腰承受都是負(fù)彎矩的小偏心受壓，所以能夠充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度很低的性能。而實(shí)際受力情況與圍巖干燥時(shí)相比產(chǎn)生了巨大變化，使兩側(cè)拱腰截面洞內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了較大的切向拉力。整個(gè)隧道襯砌的彈性抗力區(qū)也發(fā)生了很大變化。

　　如前所述，隧道拱頂為砂巖，其彈性抗力系數(shù)依據(jù)Ⅳ類(lèi)圍巖的彈性抗力系數(shù)取值。其它各處的彈性抗力系數(shù)依據(jù)Ⅲ類(lèi)圍巖取值，可根據(jù)所處的圍巖情況適當(dāng)增減。彈性抗力的方向假定沿徑向。圍巖容重γ=20.0kN/m3，對(duì)于Ⅲ類(lèi)圍巖深埋隧道，得到松動(dòng)壓力q=81.4kN/m2 [5].根據(jù)表2中測(cè)得的膨脹壓力Pp=0.34MPa，相當(dāng)于拱部的側(cè)向壓力系數(shù)提高到λ1=Pp/q=4.2.而Ⅲ類(lèi)圍巖隧道側(cè)壓力系數(shù)一般為0.15～0.30[5].邊墻處圍巖為碳質(zhì)泥巖與煤巖互層，可取λ2=0.30.以斷面1為例，對(duì)襯砌進(jìn)行力學(xué)分析，經(jīng)計(jì)算[6，7]，兩側(cè)拱腰承受正彎距(大偏心受壓)，計(jì)算圖式及其N(xiāo)、M圖見(jiàn)圖4所示。拱腰處截面e=M/N=204/584=0.35m，相對(duì)偏心距e/h=0.68.此截面處產(chǎn)生的拉應(yīng)力бl=3.53MPa，是襯砌混凝土抗拉強(qiáng)度的約2倍，因而該處截面首先被拉壞。由于作用于襯砌上荷載及襯砌結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致了拱腰處裂縫走向基本上與隧道軸線平行。

　　5、裂縫的整治在弄清產(chǎn)生裂拱原因后，提出以下治理措施：

　　(1)由于水滲流是泥巖中粘土礦物膨脹的直接誘因，因而應(yīng)首先切斷滲流水的補(bǔ)給。將山坡上的水溝鏟平，用水泥砂漿灌注坡面上的裂縫，最后用砂漿抹平。

　　(2)沿裂縫延伸范圍鑿楔形槽，槽深8cm，里口寬8cm，外口寬5cm，槽內(nèi)沖洗干凈。槽壁涂刷由環(huán)氧樹(shù)脂、磷苯二甲酸二丁脂、丙酮、乙二胺配制成的環(huán)氧基液，其配合比為1：0.1：0.12：0.05，槽內(nèi)嵌補(bǔ)M20膨脹水泥砂漿，配合比為水泥：砂子=1：2.水泥砂漿中摻JP型膨脹劑，其摻量為水泥重量的10%.

　　(3)沿裂縫兩側(cè)施作樹(shù)脂錨桿，距離裂縫35cm，錨桿間距1.0m×1.0m.梅花型布置，錨桿材質(zhì)20MnSi，錨桿直徑Φ22，上排桿長(zhǎng)3.1m，下排桿長(zhǎng)3.9m.錨桿伸入砂巖50～60cm.樹(shù)脂以環(huán)氧樹(shù)脂為主要成分，用作錨桿的桿體粘結(jié)劑，另外摻加石英砂作為粘結(jié)劑填料，摻加聚乙烯聚酰胺作為環(huán)氧樹(shù)脂的固化激發(fā)劑。其配比為(重量比)：環(huán)氧樹(shù)脂：石英砂：聚乙烯聚酰胺1：3：0.25～0.30.樹(shù)脂藥包分兩個(gè)塑膜袋，外袋裝環(huán)氧樹(shù)脂與填料的膠泥狀混合物，內(nèi)袋裝聚乙烯聚酰胺。

　　樹(shù)脂錨桿的安裝應(yīng)注意：①先將藥包送入孔內(nèi)，再把桿體插入孔中將藥包送到孔底捅破腰包攪拌，同時(shí)把桿體均勻推至孔底，攪拌時(shí)間為30Sec左右。攪拌時(shí)間過(guò)長(zhǎng)反而會(huì)破壞膠凝，時(shí)間過(guò)短，則攪拌不均勻影響膠凝固化。

　　②安裝完畢后，為避免在膠凝期間因桿體自重滑落，可用木楔在孔口楔緊桿體。

　　③安裝后15min，樹(shù)脂固化程度可達(dá)80%~90%的最終強(qiáng)度，此時(shí)再在桿體下端安設(shè)墊板。

　　這種樹(shù)脂錨桿安裝容易、膠凝固結(jié)快，起效塊。其一天齡期的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50~60MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到20~25MPa.襯砌加固后，裂縫發(fā)展很快被阻止，又經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季的檢驗(yàn)，效果良好。

　　6、結(jié)論

　　(1)隧道裂拱是圍巖工程地質(zhì)水文地質(zhì)環(huán)境的改變所造成的，泥巖中的粘土礦物遇水膨脹產(chǎn)生巨大的水平側(cè)壓力作用在隧道拱部?jī)蓚?cè)是發(fā)生裂拱的物質(zhì)基礎(chǔ)，水滲流是誘因。

　　(2)裂拱產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理為：因襯砌拱部?jī)蓚?cè)作用很大的側(cè)向壓力，致使拱腰截面出現(xiàn)大偏心受壓，截面內(nèi)側(cè)產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，因而拉裂縫出現(xiàn)在拱腰附近。

　　(3)裂拱整治采用截?cái)嗟乇硭c襯砌加固相結(jié)合。樹(shù)脂錨桿錨固力大、起作用快，能夠及時(shí)遏止襯砌裂縫的繼續(xù)發(fā)展。

　　(4)采用本文所述的裂拱整治措施，收到很好的效果，不僅很快阻止了裂縫的繼續(xù)發(fā)展，而且經(jīng)過(guò)了2000年雨季的檢驗(yàn)，此段襯砌狀況良好，說(shuō)明所采取的治理措施是合理正確的。

　　參考文獻(xiàn)

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