淺談隧道圍巖病害及處治
2013-01-22 來源：作者：何志富 來源：中國論文網(wǎng)
1、前言
隨著隧道工程的大量增多，特長隧道、大斷面隧道、連拱隧道、深埋隧道、軟弱圍巖隧道等典型隧道不斷出現(xiàn)，促使隧道施工技術(shù)不斷提高和完善。但是，由于隧道工程的特殊性，受地質(zhì)、設(shè)計、施工、運營及運營管理和維修等因素的影響，出現(xiàn)的隧道病害也越來越多，有些隧道的病害已影響車輛的正常行使，甚至危及行車安全。為了使出現(xiàn)病害的隧道減少，有必要研究隧道出現(xiàn)病害的原因及相應(yīng)的措施。在地下工程洞室施工中，對圍巖的認(rèn)識是非常重要的工作之一。只有對圍巖性質(zhì)進(jìn)行清楚和正確的判定，才能在施工中采取行之有效的手段，順利地實現(xiàn)施工的目標(biāo)。
隧道圍巖病害大多出現(xiàn)在軟弱膨脹性圍巖。軟弱膨脹性圍巖是指飽和抗壓極限強(qiáng)度在30MPa以下，完整性系數(shù)在0.4以下的圍巖，其工程性質(zhì)主要表現(xiàn)在圍巖自穩(wěn)性差、節(jié)理發(fā)育、巖石風(fēng)化嚴(yán)重。巖性大部分為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖和松散的碎石土，遇水極易軟化。施工前應(yīng)對軟弱膨脹性圍巖現(xiàn)場做認(rèn)真調(diào)查，認(rèn)真閱讀設(shè)計文件，施工方案的編制應(yīng)嚴(yán)格遵循“重地質(zhì)、管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測、速反饋”的原則，并嚴(yán)格執(zhí)行隧道施工的有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。
2、隧道病害分類
根據(jù)病害的表現(xiàn)形式，隧道病害可分為襯砌開裂、襯砌漏水、隧道基底翻漿冒泥等。在進(jìn)行隧道病害整治前，需對產(chǎn)生隧道病害的原因進(jìn)行調(diào)查、分析，只有在調(diào)查清楚原因后，才能做到有的放矢，根據(jù)病害產(chǎn)生的原因，采取有針對性的工程措施。
如襯砌開裂，其性質(zhì)有的屬于受彎拉引起的，有的屬于受剪切引起的，有的屬于受壓引起的，至于為何會出現(xiàn)開裂，既可能是施工質(zhì)量問題，也可能是設(shè)計存在缺陷，或多種因素綜合造成的，只有具體問題具體分析，很難一概而論。同樣，針對產(chǎn)生原因的不同，相應(yīng)的處理措施也不盡相同。從產(chǎn)生的原因出發(fā)，隧道病害一般可分為選線不當(dāng)引起的病害、設(shè)計不合理可能預(yù)留的病害、施工不當(dāng)預(yù)留的病害及維護(hù)不當(dāng)引起的病害
3、隧道圍巖病害情況及影響
（1）初期支護(hù)變形、破壞。結(jié)構(gòu)下沉,噴射混凝土開裂掉塊剝落。變形多數(shù)出現(xiàn)在起拱線以上的拱圈范圍;變形嚴(yán)重地段變形量達(dá)幾十公分以上,侵占二次襯砌的結(jié)構(gòu)范圍,致使二次襯砌結(jié)構(gòu)斷面尺寸不夠,只好拆除初期支護(hù)重做。
?。?）二次襯砌破壞。主要表現(xiàn)為:拱頂混凝土縱向劈裂,明顯的擠壓剪切破壞,表面混凝土剝落,鋼筋外露;拱腳墻接合處變形呈錯臺等。
?。?）坍方頻繁,有初期支護(hù)完成之前的裸洞坍方,還有最為嚴(yán)重,損失最大的初期支護(hù)完成后發(fā)生的坍方。
隧道圍巖病害除受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件影響外，還有形成病害的其他原因，例如，施工處治不當(dāng)、不及時;支護(hù)結(jié)構(gòu)弱等原因。由于施工方法上存在著缺陷，施工程序不合理，使病害在最后的混凝土面上表現(xiàn)出沉落、變形、侵限。隧道地質(zhì)構(gòu)造破碎軟弱，開挖后要盡快形成一個高強(qiáng)度的封閉結(jié)構(gòu)環(huán)，來抑制圍巖的過量變形、松弛，這就是初支應(yīng)達(dá)到的功效及最終目的。
4、如何有效處治隧道圍巖病害
?。?）優(yōu)化開挖方法
在開挖方法上不宜過多地劃分開挖區(qū)域,這樣會不利于初支的盡快形成,難以保證結(jié)構(gòu)的整體性。上部開挖完成后,利用下部高度,實施頂拱初支,如遇圍巖極為破碎軟弱時,可采取保留上部核心土,順開挖輪廓線用風(fēng)鎬鑿槽,形成上部初支,保留中部核心土,既避免了過多暴露開挖掌子面,又可起到抵抗體及施工平臺的雙重功效。下部開挖采取的措施:a.防止上部初期支護(hù)沉落、變形,如上部鋼支腳加設(shè)深孔鎖腳錨桿長（L≥5 m）;b.設(shè)置臨時縱向托梁與臨時支撐等;c.盡量避免擾動上部圍巖,特別在靠近開挖面處要采取“預(yù)留保護(hù)層”和人工鑿?fù)诘霓k法
（2）采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)
軟弱膨脹性圍巖隧道,宜設(shè)計采用復(fù)合式帶仰拱的襯砌結(jié)構(gòu)型式。這是因為,當(dāng)隧道有合理支護(hù)條件的情況下,巖層會逐步釋放能量,調(diào)整各層支護(hù)襯砌內(nèi)力,充分發(fā)揮外層支護(hù)在三維應(yīng)力作用下的抗壓強(qiáng)度,鋼拱架及時提供抗力,限制圍巖變形,減少內(nèi)層襯砌所承受的接觸應(yīng)力。內(nèi)層襯砌主要承受后期繼續(xù)增加的不均勻的膨脹圍巖壓力,使襯砌結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定。據(jù)有關(guān)實驗研究和對全國鐵路運營隧道裂損襯砌調(diào)查證明,在松散破碎地層和軟弱膨脹性圍巖隧道中,底壓力經(jīng)常接近或大于垂直地壓力,常使底板裂斷,隧底上鼓,邊墻下部內(nèi)移,使襯砌失穩(wěn)破壞。因此仰拱是結(jié)構(gòu)的受力關(guān)鍵部位,設(shè)計和施工應(yīng)予以足夠的重視。
（3）襯砌斷面內(nèi)輪廓型式的影響
國內(nèi)外對軟弱膨脹性圍巖隧道的研究發(fā)現(xiàn),隧道斷面內(nèi)輪廓形狀,對巖石的膨脹性有很大的影響。德國學(xué)者根據(jù)膨脹規(guī)律和有限元計算的研究,結(jié)果表明,馬蹄形斷面輪廓底鼓幾乎是圓形的四倍。根據(jù)國內(nèi)外268組實測地應(yīng)力的數(shù)據(jù)得出結(jié)論,在地殼一定深度的水平應(yīng)力往往大于垂直地應(yīng)力,有時甚至大3~5倍,故圓形輪廓和接近圓形的橢圓形輪廓適宜軟弱的軟弱膨脹性圍巖隧道。
從調(diào)研資料看,由于滿足凈空限界的需要,國內(nèi)外隧道大多采用馬蹄形斷面,少數(shù)采用圓形。近些年來,我國學(xué)者對隧道支護(hù)襯砌受力特性和仰拱作用的實驗研究證明,馬蹄型斷面在承受不同方向主應(yīng)力時的破壞形態(tài)結(jié)論是,仰拱及其與邊墻連接處是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),因此,在膨脹性圍巖設(shè)計和施工中,宜在現(xiàn)有單、雙線馬蹄型斷面基礎(chǔ)上,采取邊墻與仰拱圓順連接,以減小應(yīng)力集中,發(fā)揮仰拱的最大作用。我國關(guān)角隧道、崔家溝隧道等設(shè)計的直墻無仰拱襯砌,病害嚴(yán)重。香爐山水工隧洞在膨脹性圍巖地層中施工時,將直墻斷面改為馬蹄形帶仰拱斷面,受力條件得到改善。
?。?）二次襯砌混凝土施工
就隧道圍巖施工而言,“先拱后墻”,由上至下的混凝土施作次序是極為不可取的,弊端表現(xiàn)為：
1）上部懸空會造成構(gòu)造物變形、下沉;2）在一個完整的斷面未全部進(jìn)行完初支的情況下,插入混凝土施工,工序相互干擾大,不符合新奧法施工原理的高效、及時性;3）造成結(jié)構(gòu)配筋,施工縫難以處理。
可以實施底部仰拱超前澆筑,可建立底部約束條件,形成一封閉環(huán),底部混凝土的超前,還可達(dá)到幾個功效:a.封閉地基,防止地基被水浸泡軟化。b.使已完成的墻、拱初支建立起底部約束條件,以墻、拱初支結(jié)構(gòu)共同形成一封閉環(huán)。c.底部仰拱超前,使作用在二襯混凝土上的荷載,在基底面上按剛度比進(jìn)行傳遞分布從而改善提高地基承載力。
5、結(jié)語
由于軟弱膨脹性圍巖地質(zhì)較為復(fù)雜,變化頻繁,要成功地渡過軟弱膨脹性圍巖的前提就是地質(zhì)工作,只有做好地質(zhì)工作,掌握準(zhǔn)確的圍巖情況,才能正確選擇好施工方案和有效的處治方案。
