陳 詠 明

(湖南城市學(xué)院規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，湖南 益陽 413000)

·橋梁·隧道·

隧道圍巖大變形及二次襯砌裂縫穩(wěn)定性分析★

陳 詠 明

(湖南城市學(xué)院規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，湖南 益陽 413000)

對隧道圍巖大變形發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了研究，并對隧道圍巖大變形進(jìn)行了重新定義，在對二次襯砌作用機(jī)理進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對襯砌裂縫的穩(wěn)定性展開了分析研究，并得到一系列研究結(jié)論，能夠?yàn)橐r砌病害的研究提供一定的理論支撐。

隧道，圍巖大變形，二次襯砌，裂縫穩(wěn)定性

0 引言

隧道工程中，圍巖大變形問題往往是諸多工程災(zāi)害的根源，它不僅影響了工程建設(shè)進(jìn)度，同時(shí)給現(xiàn)場施工安全帶來了極大隱患[1]。當(dāng)圍巖大變形持續(xù)發(fā)展，隧道二次襯砌的安全儲備強(qiáng)度逐漸被抵消，進(jìn)而使得二次襯砌出現(xiàn)裂縫病害，并隨著裂縫的持續(xù)擴(kuò)展，最終失穩(wěn)破壞[2]。

為保證隧道施工的高效性、安全性，工程人員通過大量的現(xiàn)場試驗(yàn)和工程資料類比，對圍巖大變形機(jī)理進(jìn)行了深入研究，而對圍巖大變形機(jī)理進(jìn)行研究，也是研究隧道二次襯砌裂縫穩(wěn)定性必不可少的步驟[3-6]。圖1為典型隧道圍巖大變形引起的襯砌侵限變形，圖2為隧道圍巖大變形引發(fā)的襯砌裂縫。

1 隧道圍巖大變形發(fā)生機(jī)制

眾多研究成果表明，隧道圍巖發(fā)生大變形的機(jī)制主要有兩類：一類是圍巖的擠出作用，另一類是圍巖的膨脹作用，且多數(shù)大變形災(zāi)害屬于第一類。

Aydan O.等人(1993)對巖石變形的力學(xué)機(jī)制進(jìn)行過深入研究，認(rèn)為圍巖擠出的力學(xué)機(jī)制可分為以下三大類[7]：

1)純剪切破壞。裂隙張開度較大的非連續(xù)巖體或連續(xù)的塑性巖體易發(fā)生純剪切破壞。

2)彎曲破壞。彎曲破壞發(fā)生于特定圍巖中，諸如千枚巖、云母片巖等變質(zhì)巖，或薄層狀塑性沉積巖，如泥巖、油頁巖、泥質(zhì)砂巖等圍巖。

3)剪切和滑動破壞。剪切和滑動破壞主要發(fā)生于厚層沉積巖中，其破壞形式分為沿層面的滑動和完整巖石的剪切兩種。

事實(shí)上，很多圍巖大變形研究成果主要從隧道圍巖方向闡述了大變形機(jī)理，而在實(shí)際隧道工程中，這類成果有參考性但具有一定偏差[8]。因?yàn)樗淼澜Y(jié)構(gòu)是由圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)共同組成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，其大變形機(jī)理研究應(yīng)綜合考慮隧道圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用。

2 隧道圍巖大變形分級

隧道圍巖大變形是多種影響因素綜合作用的結(jié)果，諸如地應(yīng)力組合狀態(tài)、圍巖特性、埋深、地下水條件等都對圍巖大變形產(chǎn)生具有影響。不同隧道工程的圍巖特征和工程環(huán)境各有差異，隧道大變形統(tǒng)一分級標(biāo)準(zhǔn)若以大變形產(chǎn)生原因?yàn)橐罁?jù)制定，則需參考多影響因素的綜合作用，這種方法難以確定、量化實(shí)際工程中各種影響因素的主、次要地位及其相對影響程度，不利于隧道施工的實(shí)際應(yīng)用。

本文通過查閱TB 10003-2005鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，并借鑒交通部第一公路設(shè)計(jì)院、鐵二院等單位對大變形分級進(jìn)行的研究和王泰典等學(xué)者的相關(guān)科研成果[9]，將初期支護(hù)的變形量和發(fā)展趨勢并結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞特征作為新的圍巖分級指標(biāo)對隧道圍巖大變形進(jìn)行了定義。同時(shí)，在Hoek及Marlinos的理論基礎(chǔ)上[10]，以相對位移Ua/a為主要參數(shù)，參考支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞特征對雙線鐵路隧道圍巖大變形進(jìn)行了等級劃分，見表1。

表1 圍巖大變形等級劃分

3 二次襯砌的作用機(jī)理

二次襯砌通常作為隧道安全儲備結(jié)構(gòu)使用，一般在隧道圍巖變形穩(wěn)定后進(jìn)行施作，但其具體作用機(jī)理需根據(jù)圍巖特性及施工情況差異而定。從隧道圍巖等級方面出發(fā)，對于 Ⅰ 級圍巖，隧道圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形值很小，圍巖變形持續(xù)周期短，二次襯砌主要具有防水、輔助通風(fēng)、隧道面層美觀等用途，此時(shí)二次襯砌結(jié)構(gòu)不承受圍巖壓力； Ⅱ 級圍巖隧道工程中，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形相對較小，二次襯砌相應(yīng)承受的圍巖壓力較小，二次襯砌主要用于消除隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)錨桿鋼筋腐蝕、圍巖松動區(qū)波動、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定等因素造成的影響，從而提高隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全度；Ⅲ級～Ⅴ級圍巖隧道工程中，巖土體的不良地質(zhì)條件以及多種不利力學(xué)因素產(chǎn)生耦合作用，此時(shí)應(yīng)在圍巖大變形出現(xiàn)前施作二次襯砌，用以保證隧道安全施工，此時(shí)二次襯砌對后期較大圍巖變形壓力起到了承載作用，同時(shí)還起到結(jié)構(gòu)防水作用。

4 二次襯砌裂縫穩(wěn)定性分析

4.1 襯砌開裂病害形式

襯砌開裂是指襯砌表面出現(xiàn)裂紋(或龜裂)和裂縫(寬度較大)或貫通襯砌全部厚度的裂紋的總稱，是襯砌變形的結(jié)果。襯砌開裂包括張裂、壓潰和錯臺三種。

彎曲受拉和偏心受拉引起的裂損，其特征是裂紋、裂面與應(yīng)力方向正交，縫寬由表及里逐漸變窄，如圖3所示。

襯砌壓潰是指彎曲或偏心受壓引起的襯砌裂損。裂紋邊緣呈壓碎狀，嚴(yán)重時(shí)受壓區(qū)表面產(chǎn)生碎片剝落掉塊等現(xiàn)象，如圖4所示。

襯砌錯臺是由剪切力引起的裂縫，裂縫寬度在表面至深處大致相同，襯砌在裂縫兩側(cè)沿剪切方向有錯動，即形成錯臺，如圖5所示。

4.2 襯砌裂縫穩(wěn)定性分析

完整的隧道襯砌是以隧道全長或一個(gè)節(jié)段為整體，屬于空間結(jié)構(gòu)。因此，分析隧道襯砌裂縫的穩(wěn)定性時(shí)，要對整個(gè)節(jié)段作全面分析。一般認(rèn)為襯砌裂縫的穩(wěn)定性總是與已經(jīng)開裂的截面的應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性相聯(lián)系的。

4.2.1 裂縫面的應(yīng)力狀態(tài)與穩(wěn)定性分析

已經(jīng)開裂的襯砌截面的應(yīng)力狀態(tài)與穩(wěn)定性，依其開裂的基本形態(tài)和開裂的程度而異。

1)張裂。彎曲受拉或者偏心受拉時(shí)，無論襯砌裂縫面是否貫通襯砌全厚，另一邊緣必有受壓應(yīng)力，因?yàn)橐r砌混凝土的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，所以當(dāng)受拉邊緣部分截面強(qiáng)度已失去承受拉應(yīng)力的能力時(shí)，受壓邊緣的部分截面強(qiáng)度仍能承受一定的壓應(yīng)力，該截面可以形成塑性鉸。因此，當(dāng)裂縫繼續(xù)發(fā)展而受壓邊緣的壓應(yīng)力未超過圬工體的彎曲抗壓極限強(qiáng)度以前，該截面仍有一定的承載能力，裂面不會失去穩(wěn)定。

當(dāng)襯砌混凝土軸向受拉時(shí)，全部截面發(fā)生應(yīng)力超過圬工體抗拉強(qiáng)度極限，截面沒有承受拉應(yīng)力的能力，如裂縫繼續(xù)發(fā)展，該裂縫面即會喪失穩(wěn)定。如，邊墻下部被拉斷而隨著下沉。

2)壓裂。當(dāng)襯砌混凝土彎曲受拉或者偏心受壓開裂時(shí)，襯砌內(nèi)緣受壓，外緣受拉，往往是外緣先出現(xiàn)張裂，當(dāng)張裂即將貫通襯砌全厚時(shí)，受壓邊緣也因?yàn)閼?yīng)力已經(jīng)達(dá)到抗壓極限而發(fā)生劈裂，隨著劈裂區(qū)的擴(kuò)張，劈裂區(qū)與外緣拉裂縫連通。該裂面已經(jīng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能承受開裂前出現(xiàn)的最大荷載，并導(dǎo)致襯砌變形加大。襯砌變形加大到一定程度，作用在襯砌上的實(shí)際荷載大小和分布情形隨之發(fā)生暫時(shí)有利的變化，使襯砌暫時(shí)出現(xiàn)新的平衡，這是極限狀態(tài)的平衡。

當(dāng)襯砌混凝土為軸向受壓時(shí)，全截面均系受壓，當(dāng)兩邊緣出現(xiàn)一定的壓劈區(qū)，該裂縫面會立即失去穩(wěn)定，失穩(wěn)后的情形與偏心受壓相同。

3)剪裂。當(dāng)襯砌混凝土彎曲受剪開裂時(shí)，裂面在前述彎曲受拉或變曲受壓的同時(shí)產(chǎn)生錯動，則屬于彎曲受剪。這種情形，裂面已貫通全厚，只要錯距仍在一定限度內(nèi)，截面內(nèi)必有受壓區(qū)存在，當(dāng)受壓區(qū)沒有完全被壓碎也就能夠承受一定的偏心壓應(yīng)力，裂面仍沒有完全失去穩(wěn)定。如裂縫繼續(xù)發(fā)展，受壓區(qū)的壓應(yīng)力已完全超出其抗壓極限時(shí)，該裂面不能再承受任何應(yīng)力而立即失去穩(wěn)定。

當(dāng)襯砌混凝土直接受剪開裂時(shí)，這種裂面均已貫通襯砌全厚，故其承受直剪能力已經(jīng)喪失，但當(dāng)錯距不大、裂縫寬度微小時(shí)，如果裂縫面同時(shí)有較大的軸向力作用時(shí)，仍存在一定摩擦抗力，未必完全失去穩(wěn)定。

4.2.2 已碎襯砌混凝土塊體的穩(wěn)定性分析

一個(gè)裂縫面的失穩(wěn)，只能表示該截面已失去承受外力和抵抗變形的能力。如果襯砌是整體灌注，則不會引起襯砌掉塊。只有多個(gè)裂面相互交叉才能把一個(gè)整體的襯砌分割成大小不同的塊體。要判斷已碎的混凝土塊體能否在自重和外力作用下產(chǎn)生滑移、錯動、墜落，可用隧道爆破后微石鑒定的方法。

4.2.3 裂縫襯砌的整體穩(wěn)定性分析

一個(gè)塊體的塌落可以使襯砌留下一個(gè)空洞，但不一定能使整個(gè)襯砌坍塌。然而，襯砌被分割為碎裂的塊體，因?yàn)槌霈F(xiàn)了一定數(shù)量和產(chǎn)狀的失穩(wěn)裂面，一定數(shù)量和部位的塊體脫落，會導(dǎo)致襯砌的一部分失穩(wěn)，繼而引起整體失穩(wěn)。

5 結(jié)語

隧道圍巖大變形災(zāi)害與二次襯砌裂縫發(fā)生是緊密聯(lián)系的，因此，在對二次襯砌裂縫進(jìn)行分析研究時(shí)，應(yīng)注重把握隧道賦存的地質(zhì)環(huán)境對隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，以此為分析的切入點(diǎn)，才能找到隧道襯砌裂縫病害發(fā)生的原因，接下來將如何發(fā)展以及采取何種防治措施。

[1] 李永林,馮學(xué)鋼,姜 云,等.隧道工程圍巖大變形及預(yù)測預(yù)報(bào)研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2005(5):49-54，62.

[2] 徐 琳.隧道二次襯砌裂縫分析與治理[J].公路交通科技,2003(6):66-68.

[3] 姜 云,李永林,李天斌,等.隧道工程圍巖大變形類型與機(jī)制研究[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2004(4):46-51.

[4] 張志紅.隧道二次襯砌砼裂縫原因分析和治理措施[J].西部探礦工程,2005(1):109-110.

[5] 姜 云.隧道工程圍巖大變形問題研究現(xiàn)狀[J].西南公路,2003(3):50-55.

[6] 王成虎,沙 鵬,胡元芳,等.隧道圍巖擠壓變形問題探究[J].巖土力學(xué),2011(S2):143-147.

[7] Aydan O.,Akagi T.,Kawamoto T..The squeezing potential of rocks around tunnels: theoryand prediction[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,1993,26(2):137-163.

[8] 毛金龍.某鐵路隧道偏壓段二次襯砌裂縫的成因和整治方案[J].施工技術(shù),2011(S2):99-101.

[9] 趙富家.談隧道二次襯砌裂縫處理措施[J].山西建筑,2012,38(31):207-208.

[10] 梁展凡.公路隧道二次襯砌裂縫的成因與處治分析[J].西部交通科技,2009(6):108-111,122.

Large deformation of tunnel surroundingrock and the secondary lining crack stability analysis★

CHEN Yong-ming

(CollegeofUrbanPlanningandArchitecturalDesign,HunanCityUniversity,Yiyang413000,China)

This paper first studied the mechanism of big deformation of surrounding rock in the tunnel, and to redefine the large deformation of tunnel surrounding rock. Based on the analysis of the secondary lining mechanism, we had emphasizes on the stability of lining crack, and get a series of research conclusion that can provide certain theoretical support for the research on lining disease.

tunnel, large deformation of surrounding rock, secondary lining, crack stability

2014-07-11★：湖南省教育廳一般研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：11C0256)

陳詠明(1971- )，男，高級工程師

1009-6825(2014)27-0162-03

U452.12

A