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      土質隧道襯砌裂縫產生原因分析及預防措施
      發布時間:2014-08-05

      土質隧道襯砌裂縫產生原因分析及預防措施近幾十年來我國在各種工程中修建了數以千計的隧道工程,其中土質隧道占了很大的比重。本文所說的土質隧道包含公路、鐵路、地下鐵道工程中在土質圍巖中修建的隧道工程。經過國家有關部門對運營隧道的調查,發現大部分已建成運營的土質隧道或多或少都存在襯砌開裂的現象,嚴重的經常影響到運營安全。許多工程剛剛完工還未交付使用就已經出現裂縫,這一現象在鐵路隧道中尤為常見。如果是個別土質隧道出現一些襯砌開裂的現象,也不值得大驚小怪,問題是,近年來土質隧道襯砌發生襯砌裂縫幾乎已成了普遍現象。神木至延安鐵路的十幾座土質隧道在施工過程中都曾出現大大小小的裂縫,陜西境內的多座公路隧道在投入使用后幾年時間都曾進行過裂縫防水整治。全國其它地方關于土質隧道病害的事例更是不勝枚舉,以上實例充分說明,土質隧道發生裂縫已不是個別現象,隧道工程技術人員對此應予以足夠的重視。本文從土質隧道受力變化機理、及設計施工等方面談一點看法,旨在拋磚引玉。

        2.土質圍巖中開挖洞室后洞周應力演變

        2.1土的認識土是巖石經風化作用(包括物理風化、化學風化及生物風化),然后以不同的搬運方式在不同的地點堆積下開的歷史產物。土是多相介質的堆積物,它的種類繁多,按成因不同從大的方面可分為殘積土、沉積土(沉積土可進一步細分為陸地流水沉積土、陸地靜水沉積土、冰川沉積土、風成沉積土、海相沉積土)、土壤層。土的結構一般有單粒結構、蜂窩結構、絮狀結構等,土的工程性質主要取決于土的結構構造、礦物成分、粒度成分及孔隙中水溶液的性質等,另一方面也取決于生成年代的長短、地理條件的變遷等。土體的固體顆粒之間及顆粒與水之間的相互作用,使土的物理力學性質很復雜。目前還沒有一種嚴格的理論來表達土的力學性質,工程上還在把土當成簡單的彈性體或理想的彈塑性體,在土力學中大量的應用彈性理論或彈塑性理論,這種近似的方法不能準確的反映實際情況。

        2.2土層中開挖洞室后洞周應力的變化過程大量的隧道工程就修建在由各種不同結構不同性質的土層構成的土質圍巖中,在地下洞室開挖以前,土層中的各點均處于三向受力的平衡狀態,但這種平衡狀態并不是一成不變的,隨著自然界的地殼運動,隨著風吹日曬,雨水滲透,地層中的應力變化無時無刻不在進行著。當地下洞室開挖后,地層中的應力平衡就遭到破壞,為了維持新的平衡,人們采取了各種各樣的方法,在多種方法中,新奧法(NATM)的理論無非是最新穎,最科學的方法,它徹底改變了很久以來人們對地下洞室開挖支護的認識,把圍巖作為受力結構的一部分,這是一個聰明而又科學的想法。

        在我們為這個科學的方法而欣喜,以為新奧法可以解決地下工程中的所有問題時,我們卻不得不面對許多完全按新奧法原理設計施工的隧道工程出現許多裂縫的事實。為什么會出現這種問題呢?設計者們翻來覆去的檢查了他們采用的原始數據及計算過程,都沒有發現有什么差錯,可就是按此方法設計的土質隧道越來越多的出現裂縫。其實,這其中最大的原因就在于我們把自然界動態的過程當成靜態過程來進行設計。試想一想,我們在設計中采用的反映圍巖特性的重要指標γ、C、φ值,是不是從我們設計隧道開始就不會再有變化?我們在淺埋隧道設計中采用的計算圍巖壓力的方程中的滑移面是否在我們設計完隧道后就不會再有變化?由此計算出的淺埋隧道的圍巖壓力是否就不會再有變化?我們在深埋隧道的設計中采用的坍落拱計算高度是否在我們設計后就不會再有變化?由此計算出的深埋隧道的圍巖壓力是否就不會再有變化?我們在隧道設計中采用的各種荷載形式是否就與實際一致?我們所采用的各種襯砌形式是否適應地層中的應力變化?如果我們對以上問題都能有明確肯定的回答,我想隧道襯砌肯定是不會產生裂縫的。

        土質圍巖中修建的隧道自從洞室被開挖的那一刻起,圍巖中的應力重分配就重新開始,如果是按新奧法原理設計,在初襯達到變形穩定后只能說是達到了一次暫時的平衡,二襯施工后,不論是設計者還是施工者都會確信工程已經高質量的完工了。實際并非如此,在大家毫不關心的情況下,在自然界降水的作用下,或在土層被擾動后進行的長期的固結作用下,洞周地層中的應力已經和隧道設計或剛建成時發生了很大的變化,初襯和二襯卻還在努力的抵抗著不斷變化的地層應力,如果初襯和二襯的強度足夠大,能夠應付后來發生的應力變化,那末這個工程在很長的時間內可以放心地使用。如果不能夠抵抗后期發生的應力變化,隧道襯砌就會用各種各樣的裂縫表現出它所遭受的各種無法承受的壓力。以上主要是想說明,土質圍巖中的洞室開挖后,應力的變化是一直在進行著的,施工過程中初襯的穩定并不表示圍巖變形的完成及應力分配的終結。土層被擾動以后的再次固結是一個相當漫長的過程,洞室開挖后引起地層中水流路徑的變化也是一個相當長的過程,在這個過程中,洞周地層中的應力時刻都在發生著變化。因此,對于許多土質隧道建成后多

         

      年才出現裂縫就不難理解了。

        3.土質隧道裂縫產生原因分析土質隧道中產生的裂縫、滲漏水現象,一方面是由設計原因造成的,另一方面是由于施工管理不當造成的。

        它是結構內部受到與設計狀態不同的應力的反映,同時也與施工過程中由于人為的因素改變了洞室的受力狀態有很大關系。

        3.1結構設計計算與實際不符,后期變形應力在設計中未能反映在現在的公路鐵路地鐵隧道設計中,一般根據情況將隧道的設計分為淺埋隧道和深埋隧道兩種情況。淺埋情況下以洞頂上所有覆土壓力作為設計荷載;深埋隧道的設計考慮坍落拱效應,只計部分圍巖壓力。在荷載的計算中采用的是經過調查或試驗得到的土的物理力學參數。這樣的設計模式存在以下幾個方面的問題,第一,人為確定的隧道洞室的荷載模式與實際的洞室受力狀況有很大的區別,把受力復雜的地下工程簡單的采用類似受力明確的框架進行計算,忽略了土質圍巖的特殊性,而這些特殊性恰恰是引起地下洞室日后病害的主要原因。第二,設計中采用的許多土層的物理、力學指標在洞室開挖后都會發生變化,但設計計算的過程卻無法反映出以后這方面的變化,以定態的參數設計的結構去適應動態的應力變化,是對結構受力的過程不全面的反映,同時也是對土層中洞室開挖后的應力變化過程認識不透徹的表現。結構設計中長期以來忽略了地下水的影響,在隧道的設計中僅僅是考慮在有水的情況下將圍巖級別予以降低,在沒有水的情況下則對水的因素不加考慮。先說有水時的情況,對土質隧道來說,地下水對工程的影響體現在以下方面,其一影響了土的物理力學指標,這點可從圍巖級別的降低上得到部分的反映,其二影響了土層中洞室開挖后的應力狀態。土質圍巖中有水時,洞室開挖后將破壞原來的賦存環境及水力路徑,在洞室完成后會重新形成新的水力路徑,在這個過程中,由于水的影響,必然導致洞室周圍土壓力狀態與設計時有很大的不同,而提高圍巖級別卻不能反映出這種影響,故從根本上說,設計時對土質圍巖中水的因素是沒有考慮的。在勘察未見地下水的情況下,修成的洞室卻往往存在漏水的情況,這說明土質圍巖中的水力路徑會隨著洞室的開挖而變化,從而使開挖時干燥的洞室在運營后數年出現漏水的現象。

        3.2設計粗糙,結構形式與受力不協調由于土質圍巖組成狀態的不同,導致洞室周圍各處受力狀態的不同,而現在的設計卻存在著設計粗糙、結構形式單一,盲目類比不加深究的現象。從土質隧道的病害情況看,公路隧道的病害比鐵路隧道的病害少,病害的程度也比較輕。其中很重要的原因是,公路隧道的斷面形式在受力方面比鐵路隧道的斷面合理。公路隧道的斷面一般采用三心圓或割圓,而鐵路隧道的斷面一般采用馬蹄形斷面。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,由此就會在襯砌斷面上產生很大的附加應力。

        設計中對于圍巖變化處未做有效的處理,當存在不均勻沉降時導致襯砌的破裂;長大段落的隧道結構未按要求設置伸縮縫,在長期的溫度變化作用下導致襯砌產生裂縫。

        3.3施工過程中未嚴格按新奧法要求施工,使襯砌產生裂縫雖然在前文的論述中曾談過新奧法設計有其不足之處,但從現階段的理論和實際來看,新奧法理論仍是目前地下洞室設計和施工的最好的指導理論。但在大量的土質隧道施工過程中,新奧法并未被正確完整的貫徹,大多數工程的施工并未按新奧法的要求進行動態的設計和施工管理。尤其在施工的過程中沒有認真的對待量測環節,當然也就不能以量測資料指導設計和施工。有的工程在最關鍵的收斂穩定的判別上也往往以人眼觀察代替量測,這些對新奧法的斷章取義或認識不清最終導致了各種各樣的工程事故的發生,也導致了最終的工程質量問題。

        3.4施工管理方面不善,工程質量不高施工過程的管理未嚴格按國家的有關規范規程辦理,具體表現在混凝土配合比達不到強度要求;施工振搗不密實導致襯砌中有蜂窩使混凝土強度降低;坍方處理不當襯砌背后留有孔洞;超挖回填不密實、欠挖不修整導致的襯砌受力與設計不符;背棄新奧法思想,在初襯變形未收斂的情況下施做二襯;拆模時間過早導致襯砌早期強度不足;冬季施工管理不善導致混凝土達不到強度要求;施工用水管理不善,導致基底被水浸泡,使襯砌產生不均勻沉降等。

        4.預防及減少土質隧道裂縫的措施

        4.1加強土質圍巖中洞室開挖后初期穩定與長期受力變化特點的研究,更好的指導設計與施工加強地下洞室應力變化基礎方面的研究,弄清各類地下結構在土層中的受力特點,研究土質圍巖中地下洞室長期應力的變化情況及各種不同情況下土中應力的相應變化。著重研究在新奧法后階段土層中應力的變化情況,明確在各種不同的地質條件下,土的物理力學參數隨時間的變化情況,以此指導設計。

        4.2有針對性的進行精細設計針對不同的受力特點在斷面形狀、局部受力強度等方面進行深入細化設計,使結構與應力達到協調統一。

        4.3加強施工管理,保證工程質量在洞室開挖管理、混凝土質量管理、量測控制管理、施工工序等方面加強管理,杜絕塌方事故的發生,以嚴格的管理制度保證工程質量。

        5.結論土質圍巖中開挖洞室雖然有很長的歷史,但我們對土質圍巖中的應力變化至今仍不清楚,由此導致的工程設計不是太保守就是不安全。今后應在這個方面進行廣泛的基礎研究,特別是應加強對土質圍巖在洞室修成后的長期應力變化的研究,加強洞室修成后在自然降水作用下洞周應力的研究,搞清洞室修成后土中物理、力學參數的變化規律,對現行的設計進行指導。在設計中一定要針對不同的地層情況、不同的地層參數進行細化設計,使結構能適應應力的變化;加強施工管理,實現信息化施工?傊,應采取各種措施減少地下洞室產生裂縫,減少財產的浪費,改善地下洞室的應用環境。



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