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土质隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防措施(一)

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  摘要:我国已建成的隧道工程中有很大一部分属于土质隧道,土质隧道由于其介质的特殊性及施工过程易于发生塌方等原因,使建成的土质隧道或多或少都存在大大小小的裂缝,给正常的运营管理带来很大的困难。如何预防或减少土质隧道的裂缝是广大隧道工作者的责任,本文从土质隧道受力变化及设计施工等各个方面分析了土质隧道产生裂缝的原因,并在此基础上提出了预防或减少土质隧道裂缝的方法。 

  主题词:土质隧道,裂缝分析及预防 

  1.前言 

  近几十年来我国在各种工程中修建了数以千计的隧道工程,其中土质隧道占了很大的比重。本文所说的土质隧道包含公路、铁路、地下铁道工程中在土质围岩中修建的隧道工程。经过国家有关部门对运营隧道的调查,发现大部分已建成运营的土质隧道或多或少都存在衬砌开裂的现象,严重的经常影响到运营安全。许多工程刚刚完工还未交付使用就已经出现裂缝,这一现象在铁路隧道中尤为常见。如果是个别土质隧道出现一些衬砌开裂的现象,也不值得大惊小怪,问题是,近年来土质隧道衬砌发生衬砌裂缝几乎已成了普遍现象。神木至延安铁路的十几座土质隧道在施工过程中都曾出现大大小小的裂缝,陕西境内的多座公路隧道在投入使用后几年时间都曾进行过裂缝防水整治。全国其它地方关于土质隧道病害的事例更是不胜枚举,以上实例充分说明,土质隧道发生裂缝已不是个别现象,隧道工程技术人员对此应予以足够的重视。本文从土质隧道受力变化机理、及设计施工等方面谈一点看法,旨在抛砖引玉。 

  2.土质围岩中开挖洞室后洞周应力演变 

  2.1土的认识土是岩石经风化作用(包括物理风化、化学风化及生物风化),然后以不同的搬运方式在不同的地点堆积下开的历史产物。土是多相介质的堆积物,它的种类繁多,按成因不同从大的方面可分为残积土、沉积土(沉积土可进一步细分为陆地流水沉积土、陆地静水沉积土、冰川沉积土、风成沉积土、海相沉积土)、土壤层。土的结构一般有单粒结构、蜂窝结构、絮状结构等,土的工程性质主要取决于土的结构构造、矿物成分、粒度成分及孔隙中水溶液的性质等,另一方面也取决于生成年代的长短、地理条件的变迁等。土体的固体颗粒之间及颗粒与水之间的相互作用,使土的物理力学性质很复杂。目前还没有一种严格的理论来表达土的力学性质,工程上还在把土当成简单的弹性体或理想的弹塑性体,在土力学中大量的应用弹性理论或弹塑性理论,这种近似的方法不能准确的反映实际情况。 

  2.2土层中开挖洞室后洞周应力的变化过程大量的隧道工程就修建在由各种不同结构不同性质的土层构成的土质围岩中,在地下洞室开挖以前,土层中的各点均处于三向受力的平衡状态,但这种平衡状态并不是一成不变的,随着自然界的地壳运动,随着风吹日晒,雨水渗透,地层中的应力变化无时无刻不在进行着。当地下洞室开挖后,地层中的应力平衡就遭到破坏,为了维持新的平衡,人们采取了各种各样的方法,在多种方法中,新奥法(NATM)的理论无非是最新颖,最科学的方法,它彻底改变了很久以来人们对地下洞室开挖支护的认识,把围岩作为受力结构的一部分,这是一个聪明而又科学的想法。 

  在我们为这个科学的方法而欣喜,以为新奥法可以解决地下工程中的所有问题时,我们却不得不面对许多完全按新奥法原理设计施工的隧道工程出现许多裂缝的事实。为什么会出现这种问题呢?设计者们翻来覆去的检查了他们采用的原始数据及计算过程,都没有发现有什么差错,可就是按此方法设计的土质隧道越来越多的出现裂缝。其实,这其中最大的原因就在于我们把自然界动态的过程当成静态过程来进行设计。试想一想,我们在设计中采用的反映围岩特性的重要指标γ、C、φ值,是不是从我们设计隧道开始就不会再有变化,我们在浅埋隧道设计中采用的计算围岩压力的方程中的滑移面是否在我们设计完隧道后就不会再有变化,由此计算出的浅埋隧道的围岩压力是否就不会再有变化,我们在深埋隧道的设计中采用的坍落拱计算高度是否在我们设计后就不会再有变化,由此计算出的深埋隧道的围岩压力是否就不会再有变化,我们在隧道设计中采用的各种荷载形式是否就与实际一致?我们所采用的各种衬砌形式是否适应地层中的应力变化,如果我们对以上问题都能有明确肯定的回答,我想隧道衬砌肯定是不会产生裂缝的。 

  土质围岩中修建的隧道自从洞室被开挖的那一刻起,围岩中的应力重分配就重新开始,如果是按新奥法原理设计,在初衬达到变形稳定后只能说是达到了一次暂时的平衡,二衬施工后,不论是设计者还是施工者都会确信工程已经高质量的完工了。实际并非如此,在大家毫不关心的情况下,在自然界降水的作用下,或在土层被扰动后进行的长期的固结作用下,洞周地层中的应力已经和隧道设计或刚建成时发生了很大的变化,初衬和二衬却还在努力的抵抗着不断变化的地层应力,如果初衬和二衬的强度足够大,能够应付后来发生的应力变化,那末这个工程在很长的时间内可以放心地使用。如果不能够抵抗后期发生的应力变化,隧道衬砌就会用各种各样的裂缝表现出它所遭受的各种无法承受的压力。以上主要是想说明,土质围岩中的洞室开挖后,应力的变化是一直在进行着的,施工过程中初衬的稳定并不表示围岩变形的完成及应力分配的终结。土层被扰动以后的再次固结是一个相当漫长的过程,洞室开挖后引起地层中水流路径的变化也是一个相当长的过程,在这个过程中,洞周地层中的应力时刻都在发生着变化。因此,对于许多土质隧道建成后多年才出现裂缝就不难理解了。

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