隧道衬砌裂拱机理分析及整治

　　引言
　　１、隧道裂拱是隧道衬砌常见病害之一。神延线（神木－延安）某隧道在施工过程中于1999年9月发现已成洞衬砌在距进口约27m处发生沿隧道纵轴方向的裂缝，并向出口方向延伸约24m.裂缝位置大致在两侧拱腰处，大致对称于隧道断面中线，除了两条主裂缝外，还伴有若干次生斜向小裂缝。裂缝发现时的宽度为3.3mm，随后的裂缝宽度监测表明，两侧拱腰处的主裂缝仍在发展。在其后的7天时间内裂缝宽度发展至5.7mm.如果不及时整治，很可能会影响隧道安全。由设计、施工单位组成科研小组，对隧道裂拱原因进行分析及提出加固整治措施，以迅速遏制裂缝发展，确保隧道安全。
　　2、 工程概况该隧道开挖高度H=8.26m，开挖宽度B=6.30m，发生裂拱段的隧道最大埋深37m，最小埋深22m.山坡植被覆盖较少，拱顶地面附近有一水沟，流向与隧道走向近似平行。该段隧道穿越地层主要为砂岩、灰黄色泥岩、碳质泥岩与煤岩互层。岩层产状接近水平。围岩工程地质特性描述如下：
　　⑴、砂岩：灰白、灰黄色，中细至粗粒结构，钙质胶结，中厚至厚层状，风化较为严重，节理较发育，节理间距0.5～1.0m，砂岩属于Ⅳ类围岩，隧道拱顶侵入砂岩约0.6m.
　　⑵、灰黄色泥岩位于砂岩下方，泥质、粉砂质结构，节理较发育，风化较为严重，含有大量粘土类矿物（如伊利石、蒙脱石），属Ⅱ、Ⅲ类围岩。
　　⑶碳质泥岩与煤岩互层碳质泥岩：灰黑、黑色，不能染黑手指，位于泥岩下方，泥质、粉砂质结构，节理较发育，风化较为严重，属Ⅲ类围岩。
　　煤岩：黑色，节理较发育，风化较严重，属Ⅲ类围岩在隧道开挖过程中未见有地下水，但砂岩节理发育，砂岩露头能很好的接受大气降水的补给，故砂岩裂隙水发育，在现场发现拱顶上方地表有水沟，走向近似平行于隧道走向。
　　科研小组选取处于不同施工段的三个断面进行各种测试及分析。
　　3、隧道测量
　　3.1 隧道断面测量
　　为了检测隧道断面发生裂拱后，衬砌变形是否侵入隧道限界，用瑞士产的Profiler4000断面仪对三个选定的典型断面净空进行了测量，量测结果表明，裂拱段衬砌未侵入隧道限界。
　　3.2 隧道衬砌与围岩的接触状态及衬砌厚度
　　为了了解衬砌与围岩的接触情况，特别是拱部衬砌与围岩的接触状态，对所选择的三个断面在拱顶、拱腰及拱脚处钻孔检查。
　　由于泥岩含有大量粘土矿物，如蒙脱石、伊利石和高岭石等，前二者都能吸水膨胀，吸水膨胀能力蒙脱石最强，伊利石次之，而高岭石遇水比较稳定。为了弄清该泥岩中各种粘土矿物的含量，对钻孔时取出的泥岩岩芯，对其所含上述三中矿物的含量及其膨胀物理力学性质进行了测试．
　　3.4 隧道混凝土当前抗压强度及抗拉强度
　　该隧道衬砌混凝土的设计强度等级为C20，对钻孔取下的衬砌混凝土岩芯，将其加工成10cm×10cm×10cm的立方体试件进行抗压强度测试，抗压强度（已乘以折减系数1.05）测试结果列入表3.表中龄期T1、T2分别指发现裂缝时及取样时的衬砌混凝土的龄期，龄期为T1及28d时的抗压强度是由强度与龄期的关系换算出来的[1].从表中数据可以看出，衬砌混凝土强度达到了设计强度等级。
　　4、裂拱机理分析
　　4.1 水文地质环境的变化
　　裂拱段在施工过程中未发现地下水，但由于地表出露节理发育、风化严重的砂岩，雨季大气降水便沿着节理裂隙渗入地下，达到拱部粘土岩。因而，随着雨季的来临，地表大气降水的渗入改变了施工时所描述的“较干燥，无地下水”的水文地质环境。
　　4.2 粘土岩的膨胀机理
　　蒙脱石晶格构造如图1所示。它是由两个硅片中间夹一铝片构成。其特点是晶包之间由O-2联结，所以联结力很弱，晶体格架具有异常大的活动性。水分子可无限地进入晶格之间而产生膨胀。伊利石与蒙脱石一样，具有三层结构，见图2，只是它在晶包之间是由K+或Na+粒子所联结。因此，伊利石晶格之间的联结作用比蒙脱石强，比高岭石弱，遇水膨胀，失水收缩等作用不及蒙脱石显著。高岭石晶格构造如图3所示，它是由一个硅片和一个铝片上下重叠而成，并以此无限延伸。其最大特点是晶包之间通过O-2与OH-1相互联结，其联结力很强，致使晶格不能自由活动，不允许水分子进入晶包之间，是遇水较为稳定的粘土矿物。蒙脱石的比表面积是伊利石的10倍，是高岭石的80倍，因而蒙脱石具有很强的吸水膨胀作用[3、4].
　　由于泥岩中的粘土矿物（蒙脱石、伊利石）遇水膨胀，而泥岩所处位置又在衬砌拱部两侧，所以粘土岩吸水后产生的膨胀力直接作用在拱部两侧，致使在两侧拱腰受到正弯矩的作用，拱腰截面洞内侧受拉而产生拉裂缝。由于此段围岩基本上是水平成层，所以两侧拱腰处的拉裂缝能够沿隧道纵轴方向延伸较长距离。
　　4.3 隧道裂拱力学行为分析
　　该段裂拱隧道都属于深埋，隧道穿越部位的构造应力十分微弱，故隧道衬砌所受围岩压力主要是衬砌自重、围岩松弛荷载q和围岩产生的弹性抗力。
　　在正常情况下，三类围岩单线电化隧道衬砌两侧拱腰承受都是负弯矩的小偏心受压，所以能够充分发挥混凝土抗压强度高而抗拉强度很低的性能。而实际受力情况与围岩干燥时相比产生了巨大变化，使两侧拱腰截面洞内侧产生了较大的切向拉力。整个隧道衬砌的弹性抗力区也发生了很大变化。
　　如前所述，隧道拱顶为砂岩，其弹性抗力系数依据Ⅳ类围岩的弹性抗力系数取值。其它各处的弹性抗力系数依据Ⅲ类围岩取值，可根据所处的围岩情况适当增减。弹性抗力的方向假定沿径向。围岩容重γ=20.0kN/m3，对于Ⅲ类围岩深埋隧道，得到松动压力q=81.4kN/m2 [5].根据表2中测得的膨胀压力Pp=0.34MPa，相当于拱部的侧向压力系数提高到λ1=Pp/q=4.2.而Ⅲ类围岩隧道侧压力系数一般为0.15～0.30[5].边墙处围岩为碳质泥岩与煤岩互层，可取λ2=0.30.以断面1为例，对衬砌进行力学分析，经计算[6，7]，两侧拱腰承受正弯距（大偏心受压），计算图式及其N、M图见图4所示。拱腰处截面e=M/N=204/584=0.35m，相对偏心距e/h=0.68.此截面处产生的拉应力бl=3.53MPa，是衬砌混凝土抗拉强度的约2倍，因而该处截面首先被拉坏。由于作用于衬砌上荷载及衬砌结构的对称性，导致了拱腰处裂缝走向基本上与隧道轴线平行。
　　5、裂缝的整治在弄清产生裂拱原因后，提出以下治理措施：
　　（1）由于水渗流是泥岩中粘土矿物膨胀的直接诱因，因而应首先切断渗流水的补给。将山坡上的水沟铲平，用水泥砂浆灌注坡面上的裂缝，最后用砂浆抹平。
　　（2）沿裂缝延伸范围凿楔形槽，槽深8cm，里口宽8cm，外口宽5cm，槽内冲洗干净。槽壁涂刷由环氧树脂、磷苯二甲酸二丁脂、丙酮、乙二胺配制成的环氧基液，其配合比为1：0.1：0.12：0.05，槽内嵌补M20膨胀水泥砂浆，配合比为水泥：砂子=1：2.水泥砂浆中掺JP型膨胀剂，其掺量为水泥重量的10%.
　　（3）沿裂缝两侧施作树脂锚杆，距离裂缝35cm，锚杆间距1.0m×1.0m.梅花型布置，锚杆材质20MnSi，锚杆直径Φ22，上排杆长3.1m，下排杆长3.9m.锚杆伸入砂岩50～60cm.树脂以环氧树脂为主要成分，用作锚杆的杆体粘结剂，另外掺加石英砂作为粘结剂填料，掺加聚乙烯聚酰胺作为环氧树脂的固化激发剂。其配比为（重量比）：环氧树脂：石英砂：聚乙烯聚酰胺1：3：0.25～0.30.树脂药包分两个塑膜袋，外袋装环氧树脂与填料的胶泥状混合物，内袋装聚乙烯聚酰胺。
　　树脂锚杆的安装应注意：①先将药包送入孔内，再把杆体插入孔中将药包送到孔底捅破腰包搅拌，同时把杆体均匀推至孔底，搅拌时间为30Sec左右。搅拌时间过长反而会破坏胶凝，时间过短，则搅拌不均匀影响胶凝固化。
　　②安装完毕后，为避免在胶凝期间因杆体自重滑落，可用木楔在孔口楔紧杆体。
　　③安装后15min，树脂固化程度可达80%~90%的最终强度，此时再在杆体下端安设垫板。
　　这种树脂锚杆安装容易、胶凝固结快，起效块。其一天龄期的抗压强度可达到50~60MPa，抗拉强度达到20~25MPa.衬砌加固后，裂缝发展很快被阻止，又经过一个雨季的检验，效果良好。
　　6、结论
　　（1）隧道裂拱是围岩工程地质水文地质环境的改变所造成的，泥岩中的粘土矿物遇水膨胀产生巨大的水平侧压力作用在隧道拱部两侧是发生裂拱的物质基础，水渗流是诱因。
　　（2）裂拱产生的力学机理为：因衬砌拱部两侧作用很大的侧向压力，致使拱腰截面出现大偏心受压，截面内侧产生很大拉应力，因而拉裂缝出现在拱腰附近。
　　（3）裂拱整治采用截断地表水与衬砌加固相结合。树脂锚杆锚固力大、起作用快，能够及时遏止衬砌裂缝的继续发展。
　　（4）采用本文所述的裂拱整治措施，收到很好的效果，不仅很快阻止了裂缝的继续发展，而且经过了2000年雨季的检验，此段衬砌状况良好，说明所采取的治理措施是合理正确的。
　　参考文献
　　[1] 湖南大学，天津大学，同济大学等合编，建筑材料，北京：中国建筑工业出版社，1989，63-80
　　[2] 车宏亚。 钢筋混凝土结构原理。 天津：天津大学出版社。 1990，17～36
　　[3] 廖世文。 膨胀土与铁路工程。 北京：中国铁道出版社，1984，322～330
　　[4] 胡仲雄。 土力学与环境土工学。 上海：同济大学出版社1997，1～5
　　[5] 铁道部第二勘测设计院编， 中华人民共和国行业标准。 铁路隧道设计规范TBJ3-96（1996年局部修订版）
　　[6] 陈豪雄。 铁路隧道。 石家庄：石家庄铁道学院1984，123～213 [7] 孙钧，侯学渊。 地下结构（上册）。 科学出版社，1987，32～118