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            淺談隧道圍巖病害及處治
            發布時間:2014-08-05

             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,促使隧道施工技術不斷提高和完善。但是,由于隧道工程的特殊性,受地質、設計、施工、運營及運營管理和維修等因素的影響,出現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。為了使出現病害的隧道減少,有必要研究隧道出現病害的原因及相應的措施。在地下工程洞室施工中,對圍巖的認識是非常重要的工作之一。只有對圍巖性質進行清楚和正確的判定,才能在施工中采取行之有效的手段,順利地實現施工的目標。

              隧道圍巖病害大多出現在軟弱膨脹性圍巖。軟弱膨脹性圍巖是指飽和抗壓極限強度在30MPa以下,完整性系數在0.4以下的圍巖,其工程性質主要表現在圍巖自穩性差、節理發育、巖石風化嚴重。巖性大部分為泥巖、泥質粉砂巖和松散的碎石土,遇水極易軟化。施工前應對軟弱膨脹性圍巖現場做認真調查,認真閱讀設計文件,施工方案的編制應嚴格遵循“重地質、管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測、速反饋”的原則,并嚴格執行隧道施工的有關規范和標準。

              2、隧道病害分類

              根據病害的表現形式,隧道病害可分為襯砌開裂、襯砌漏水、隧道基底翻漿冒泥等。在進行隧道病害整治前,需對產生隧道病害的原因進行調查、分析,只有在調查清楚原因后,才能做到有的放矢,根據病害產生的原因,采取有針對性的工程措施。

              如襯砌開裂,其性質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,至于為何會出現開裂,既可能是施工質量問題,也可能是設計存在缺陷,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,針對產生原因的不同,相應的處理措施也不盡相同。從產生的原因出發,隧道病害一般可分為選線不當引起的病害、設計不合理可能預留的病害、施工不當預留的病害及維護不當引起的病害

              3、隧道圍巖病害情況及影響

              (1)初期支護變形、破壞。結構下沉,噴射混凝土開裂掉塊剝落。變形多數出現在起拱線以上的拱圈范圍;變形嚴重地段變形量達幾十公分以上,侵占二次襯砌的結構范圍,致使二次襯砌結構斷面尺寸不夠,只好拆除初期支護重做。

              (2)二次襯砌破壞。主要表現為: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。

              (3)坍方頻繁,有初期支護完成之前的裸洞坍方,還有最為嚴重,損失最大的初期支護完成后發生的坍方。

              隧道圍巖病害除受工程地質和水文地質條件影響外,還有形成病害的其他原因,例如,施工處治不當、不及時;支護結構弱等原因。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出沉落、變形、侵限。隧道地質構造破碎軟弱,開挖后要盡快形成一個高強度的封閉結構環,來抑制圍巖的過量變形、松弛,這就是初支應達到的功效及最終目的。

              4、如何有效處治隧道圍巖病害

              (1)優化開挖方法

              在開挖方法上不宜過多地劃分開挖區域,這樣會不利于初支的盡快形成,難以保證結構的整體性。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.防止上部初期支護沉落、變形,如上部鋼支腳加設深孔鎖腳錨桿長(L≥5 m);b.設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“預留保護層”和人工鑿挖的辦法

              (2)采用復合式襯砌結構

              軟弱膨脹性圍巖隧道,宜設計采用復合式帶仰拱的襯砌結構型式。這是因為,當隧道有合理支護條件的情況下,巖層會逐步釋放能量,調整各層支護襯砌內力,充分發揮外層支護在三維應力作用下的抗壓強度,鋼拱架及時提供抗力,限制圍巖變形,減少內層襯砌所承受的接觸應力。內層襯砌主要承受后期繼續增加的不均勻的膨脹圍巖壓力,使襯砌結構長期穩定。據有關實驗研究和對全國鐵路運營隧道裂損襯砌調查證明,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,邊墻下部內移,使襯砌失穩破壞。因此仰拱是結構的受力關鍵部位,設計和施工應予以足夠的重視。

              (3)襯砌斷面內輪廓型式的影響

              國內外對軟弱膨脹性圍巖隧道的研究發現,隧道斷面內輪廓形狀,對巖石的膨脹性有很大的影響。德國學者根據膨脹規律和有限元計算的研究,結果表明,馬蹄形斷面輪廓底鼓幾乎是圓形的四倍。根據國內外268組實測地應力的數據得出結論,在地殼一定深度的水平應力往往大于垂直地應力,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。

              從調研資料看,由于滿足凈空限界的需要,國內外隧道大多采用馬蹄形斷面,少數采用圓形。近些年來,我國學者對隧道支護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力時的破壞形態結論是,仰拱及其與邊墻連接處是結構的薄弱環節,因此,在膨脹性圍巖設計和施工中,宜在現有單、雙線馬蹄型斷面基礎上,采取邊墻與仰拱圓順連接,以減小應力集中,發揮仰拱的最大作用。我國關角隧道、崔家溝隧道等設計的直墻無仰拱襯砌,病害嚴重。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。

              (4)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,弊端表現為:

              1)上部懸空會造成構造物變形、下沉;2)在一個完整的斷面未全部進行完初支的情況下,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)造成結構配筋,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,底部混凝土的超前,還可達到幾個功效: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、拱初支結構共同形成一封閉環。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行傳遞分布從而改善提高地基承載力。

              5、結語

              由于軟弱膨脹性圍巖地質較為復雜,變化頻繁,要成功地渡過軟弱膨脹性圍巖的前提就是地質工作,只有做好地質工作,掌握準確的圍巖情況,才能正確選擇好施工方案和有效的處治方案。



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