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土质隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防措施(二)

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  3.土质隧道裂缝产生原因分析土质隧道中产生的裂缝、渗漏水现象,一方面是由设计原因造成的,另一方面是由于施工管理不当造成的。

  它是结构内部受到与设计状态不同的应力的反映,同时也与施工过程中由于人为的因素改变了洞室的受力状态有很大关系。

  3.1结构设计计算与实际不符,后期变形应力在设计中未能反映在现在的公路铁路地铁隧道设计中,一般根据情况将隧道的设计分为浅埋隧道和深埋隧道两种情况。浅埋情况下以洞顶上所有覆土压力作为设计荷载;深埋隧道的设计考虑坍落拱效应,只计部分围岩压力。在荷载的计算中采用的是经过调查或试验得到的土的物理力学参数。这样的设计模式存在以下几个方面的问题,第一,人为确定的隧道洞室的荷载模式与实际的洞室受力状况有很大的区别,把受力复杂的地下工程简单的采用类似受力明确的框架进行计算,忽略了土质围岩的特殊性,而这些特殊性恰恰是引起地下洞室日后病害的主要原因。第二,设计中采用的许多土层的物理、力学指标在洞室开挖后都会发生变化,但设计计算的过程却无法反映出以后这方面的变化,以定态的参数设计的结构去适应动态的应力变化,是对结构受力的过程不全面的反映,同时也是对土层中洞室开挖后的应力变化过程认识不透彻的表现。结构设计中长期以来忽略了地下水的影响,在隧道的设计中仅仅是考虑在有水的情况下将围岩级别予以降低,在没有水的情况下则对水的因素不加考虑。先说有水时的情况,对土质隧道来说,地下水对工程的影响体现在以下方面,其一影响了土的物理力学指标,这点可从围岩级别的降低上得到部分的反映,其二影响了土层中洞室开挖后的应力状态。土质围岩中有水时,洞室开挖后将破坏原来的赋存环境及水力路径,在洞室完成后会重新形成新的水力路径,在这个过程中,由于水的影响,必然导致洞室周围土压力状态与设计时有很大的不同,而提高围岩级别却不能反映出这种影响,故从根本上说,设计时对土质围岩中水的因素是没有考虑的。在勘察未见地下水的情况下,修成的洞室却往往存在漏水的情况,这说明土质围岩中的水力路径会随着洞室的开挖而变化,从而使开挖时干燥的洞室在运营后数年出现漏水的现象。

  3.2设计粗糙,结构形式与受力不协调由于土质围岩组成状态的不同,导致洞室周围各处受力状态的不同,而现在的设计却存在着设计粗糙、结构形式单一,盲目类比不加深究的现象。从土质隧道的病害情况看,公路隧道的病害比铁路隧道的病害少,病害的程度也比较轻。其中很重要的原因是,公路隧道的断面形式在受力方面比铁路隧道的断面合理。公路隧道的断面一般采用三心圆或割圆,而铁路隧道的断面一般采用马蹄形断面。三心圆或割圆的断面形式在围岩压力的作用下压力拱轴线一般比较接近于断面轴线,而马蹄形的断面在围岩压力作用下的压力拱轴线与衬砌断面的轴线相差较大,由此就会在衬砌断面上产生很大的附加应力。

  设计中对于围岩变化处未做有效的处理,当存在不均匀沉降时导致衬砌的破裂;长大段落的隧道结构未按要求设置伸缩缝,在长期的温度变化作用下导致衬砌产生裂缝。

  3.3施工过程中未严格按新奥法要求施工,使衬砌产生裂缝虽然在前文的论述中曾谈过新奥法设计有其不足之处,但从现阶段的理论和实际来看,新奥法理论仍是目前地下洞室设计和施工的最好的指导理论。但在大量的土质隧道施工过程中,新奥法并未被正确完整的贯彻,大多数工程的施工并未按新奥法的要求进行动态的设计和施工管理。尤其在施工的过程中没有认真的对待量测环节,当然也就不能以量测资料指导设计和施工。有的工程在最关键的收敛稳定的判别上也往往以人眼观察代替量测,这些对新奥法的断章取义或认识不清最终导致了各种各样的工程事故的发生,也导致了最终的工程质量问题。

  3.4施工管理方面不善,工程质量不高施工过程的管理未严格按国家的有关规范规程办理,具体表现在混凝土配合比达不到强度要求;施工振捣不密实导致衬砌中有蜂窝使混凝土强度降低;坍方处理不当衬砌背后留有孔洞;超挖回填不密实、欠挖不修整导致的衬砌受力与设计不符;背弃新奥法思想,在初衬变形未收敛的情况下施做二衬;拆模时间过早导致衬砌早期强度不足;冬季施工管理不善导致混凝土达不到强度要求;施工用水管理不善,导致基底被水浸泡,使衬砌产生不均匀沉降等。

  4.预防及减少土质隧道裂缝的措施

  4.1加强土质围岩中洞室开挖后初期稳定与长期受力变化特点的研究,更好的指导设计与施工加强地下洞室应力变化基础方面的研究,弄清各类地下结构在土层中的受力特点,研究土质围岩中地下洞室长期应力的变化情况及各种不同情况下土中应力的相应变化。着重研究在新奥法后阶段土层中应力的变化情况,明确在各种不同的地质条件下,土的物理力学参数随时间的变化情况,以此指导设计。

  4.2有针对性的进行精细设计针对不同的受力特点在断面形状、局部受力强度等方面进行深入细化设计,使结构与应力达到协调统一。

  4.3加强施工管理,保证工程质量在洞室开挖管理、混凝土质量管理、量测控制管理、施工工序等方面加强管理,杜绝塌方事故的发生,以严格的管理制度保证工程质量。

  5.结论

  土质围岩中开挖洞室虽然有很长的历史,但我们对土质围岩中的应力变化至今仍不清楚,由此导致的工程设计不是太保守就是不安全。今后应在这个方面进行广泛的基础研究,特别是应加强对土质围岩在洞室修成后的长期应力变化的研究,加强洞室修成后在自然降水作用下洞周应力的研究,搞清洞室修成后土中物理、力学参数的变化规律,对现行的设计进行指导。在设计中一定要针对不同的地层情况、不同的地层参数进行细化设计,使结构能适应应力的变化;加强施工管理,实现信息化施工。总之,应采取各种措施减少地下洞室产生裂缝,减少财产的浪费,改善地下洞室的应用环境。

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