土质隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防措施 - 52监测网

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。

　　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。