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隧道衬砌裂拱机理分析及整治 1、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、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。 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[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。