关于隧道衬砌裂拱机理分析与整治.docx

关于隧道衬砌裂拱机理分析与整治HYPERLINK"//www.cbi360.net/hyjd/1zt661.html"\h1、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、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),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。HYPERLINK"//www.cbi360.net/hyjd/20160425/36812.html"\h3、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,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着。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