土質(zhì)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因分析及預(yù)防措施(一)

　　摘要：我國(guó)已建成的隧道工程中有很大一部分屬于土質(zhì)隧道，土質(zhì)隧道由于其介質(zhì)的特殊性及施工過(guò)程易于發(fā)生塌方等原因，使建成的土質(zhì)隧道或多或少都存在大大小小的裂縫，給正常的運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)很大的困難。如何預(yù)防或減少土質(zhì)隧道的裂縫是廣大隧道工作者的責(zé)任，本文從土質(zhì)隧道受力變化及設(shè)計(jì)施工等各個(gè)方面分析了土質(zhì)隧道產(chǎn)生裂縫的原因，并在此基礎(chǔ)上提出了預(yù)防或減少土質(zhì)隧道裂縫的方法。 
　　主題詞：土質(zhì)隧道，裂縫分析及預(yù)防 
　　1．前言 
　　近幾十年來(lái)我國(guó)在各種工程中修建了數(shù)以千計(jì)的隧道工程，其中土質(zhì)隧道占了很大的比重。本文所說(shuō)的土質(zhì)隧道包含公路、鐵路、地下鐵道工程中在土質(zhì)圍巖中修建的隧道工程。經(jīng)過(guò)國(guó)家有關(guān)部門對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分已建成運(yùn)營(yíng)的土質(zhì)隧道或多或少都存在襯砌開(kāi)裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重的經(jīng)常影響到運(yùn)營(yíng)安全。許多工程剛剛完工還未交付使用就已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，這一現(xiàn)象在鐵路隧道中尤為常見(jiàn)。如果是個(gè)別土質(zhì)隧道出現(xiàn)一些襯砌開(kāi)裂的現(xiàn)象，也不值得大驚小怪，問(wèn)題是，近年來(lái)土質(zhì)隧道襯砌發(fā)生襯砌裂縫幾乎已成了普遍現(xiàn)象。神木至延安鐵路的十幾座土質(zhì)隧道在施工過(guò)程中都曾出現(xiàn)大大小小的裂縫，陜西境內(nèi)的多座公路隧道在投入使用后幾年時(shí)間都曾進(jìn)行過(guò)裂縫防水整治。全國(guó)其它地方關(guān)于土質(zhì)隧道病害的事例更是不勝枚舉，以上實(shí)例充分說(shuō)明，土質(zhì)隧道發(fā)生裂縫已不是個(gè)別現(xiàn)象，隧道工程技術(shù)人員對(duì)此應(yīng)予以足夠的重視。本文從土質(zhì)隧道受力變化機(jī)理、及設(shè)計(jì)施工等方面談一點(diǎn)看法，旨在拋磚引玉。 
　　2．土質(zhì)圍巖中開(kāi)挖洞室后洞周應(yīng)力演變 
　　2.1土的認(rèn)識(shí)土是巖石經(jīng)風(fēng)化作用（包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化及生物風(fēng)化），然后以不同的搬運(yùn)方式在不同的地點(diǎn)堆積下開(kāi)的歷史產(chǎn)物。土是多相介質(zhì)的堆積物，它的種類繁多，按成因不同從大的方面可分為殘積土、沉積土（沉積土可進(jìn)一步細(xì)分為陸地流水沉積土、陸地靜水沉積土、冰川沉積土、風(fēng)成沉積土、海相沉積土）、土壤層。土的結(jié)構(gòu)一般有單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)等，土的工程性質(zhì)主要取決于土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、粒度成分及孔隙中水溶液的性質(zhì)等，另一方面也取決于生成年代的長(zhǎng)短、地理?xiàng)l件的變遷等。土體的固體顆粒之間及顆粒與水之間的相互作用，使土的物理力學(xué)性質(zhì)很復(fù)雜。目前還沒(méi)有一種嚴(yán)格的理論來(lái)表達(dá)土的力學(xué)性質(zhì)，工程上還在把土當(dāng)成簡(jiǎn)單的彈性體或理想的彈塑性體，在土力學(xué)中大量的應(yīng)用彈性理論或彈塑性理論，這種近似的方法不能準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況。 
　　2.2土層中開(kāi)挖洞室后洞周應(yīng)力的變化過(guò)程大量的隧道工程就修建在由各種不同結(jié)構(gòu)不同性質(zhì)的土層構(gòu)成的土質(zhì)圍巖中，在地下洞室開(kāi)挖以前，土層中的各點(diǎn)均處于三向受力的平衡狀態(tài)，但這種平衡狀態(tài)并不是一成不變的，隨著自然界的地殼運(yùn)動(dòng)，隨著風(fēng)吹日曬，雨水滲透，地層中的應(yīng)力變化無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著。當(dāng)?shù)叵露词议_(kāi)挖后，地層中的應(yīng)力平衡就遭到破壞，為了維持新的平衡，人們采取了各種各樣的方法，在多種方法中，新奧法（NATM）的理論無(wú)非是最新穎，最科學(xué)的方法，它徹底改變了很久以來(lái)人們對(duì)地下洞室開(kāi)挖支護(hù)的認(rèn)識(shí)，把圍巖作為受力結(jié)構(gòu)的一部分，這是一個(gè)聰明而又科學(xué)的想法。 
　　在我們?yōu)檫@個(gè)科學(xué)的方法而欣喜，以為新奧法可以解決地下工程中的所有問(wèn)題時(shí)，我們卻不得不面對(duì)許多完全按新奧法原理設(shè)計(jì)施工的隧道工程出現(xiàn)許多裂縫的事實(shí)。為什么會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題呢？設(shè)計(jì)者們翻來(lái)覆去的檢查了他們采用的原始數(shù)據(jù)及計(jì)算過(guò)程，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有什么差錯(cuò)，可就是按此方法設(shè)計(jì)的土質(zhì)隧道越來(lái)越多的出現(xiàn)裂縫。其實(shí)，這其中最大的原因就在于我們把自然界動(dòng)態(tài)的過(guò)程當(dāng)成靜態(tài)過(guò)程來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。試想一想，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用的反映圍巖特性的重要指標(biāo)γ、C、φ值，是不是從我們?cè)O(shè)計(jì)隧道開(kāi)始就不會(huì)再有變化，我們?cè)跍\埋隧道設(shè)計(jì)中采用的計(jì)算圍巖壓力的方程中的滑移面是否在我們?cè)O(shè)計(jì)完隧道后就不會(huì)再有變化，由此計(jì)算出的淺埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì)再有變化，我們?cè)谏盥袼淼赖脑O(shè)計(jì)中采用的坍落拱計(jì)算高度是否在我們?cè)O(shè)計(jì)后就不會(huì)再有變化，由此計(jì)算出的深埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì)再有變化，我們?cè)谒淼涝O(shè)計(jì)中采用的各種荷載形式是否就與實(shí)際一致？我們所采用的各種襯砌形式是否適應(yīng)地層中的應(yīng)力變化，如果我們對(duì)以上問(wèn)題都能有明確肯定的回答，我想隧道襯砌肯定是不會(huì)產(chǎn)生裂縫的。 
　　土質(zhì)圍巖中修建的隧道自從洞室被開(kāi)挖的那一刻起，圍巖中的應(yīng)力重分配就重新開(kāi)始，如果是按新奧法原理設(shè)計(jì)，在初襯達(dá)到變形穩(wěn)定后只能說(shuō)是達(dá)到了一次暫時(shí)的平衡，二襯施工后，不論是設(shè)計(jì)者還是施工者都會(huì)確信工程已經(jīng)高質(zhì)量的完工了。實(shí)際并非如此，在大家毫不關(guān)心的情況下，在自然界降水的作用下，或在土層被擾動(dòng)后進(jìn)行的長(zhǎng)期的固結(jié)作用下，洞周地層中的應(yīng)力已經(jīng)和隧道設(shè)計(jì)或剛建成時(shí)發(fā)生了很大的變化，初襯和二襯卻還在努力的抵抗著不斷變化的地層應(yīng)力，如果初襯和二襯的強(qiáng)度足夠大，能夠應(yīng)付后來(lái)發(fā)生的應(yīng)力變化，那末這個(gè)工程在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可以放心地使用。如果不能夠抵抗后期發(fā)生的應(yīng)力變化，隧道襯砌就會(huì)用各種各樣的裂縫表現(xiàn)出它所遭受的各種無(wú)法承受的壓力。以上主要是想說(shuō)明，土質(zhì)圍巖中的洞室開(kāi)挖后，應(yīng)力的變化是一直在進(jìn)行著的，施工過(guò)程中初襯的穩(wěn)定并不表示圍巖變形的完成及應(yīng)力分配的終結(jié)。土層被擾動(dòng)以后的再次固結(jié)是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的過(guò)程，洞室開(kāi)挖后引起地層中水流路徑的變化也是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，洞周地層中的應(yīng)力時(shí)刻都在發(fā)生著變化。因此，對(duì)于許多土質(zhì)隧道建成后多年才出現(xiàn)裂縫就不難理解了。

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