隧道衬砌裂拱机理分析及整治

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1、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、。　　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），

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、的弹性抗力