隧道衬砌裂拱机理分析及整治

隧道衬砌裂拱机理分析及整治隧道衬砌裂拱机理分析及整治 1 引言 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 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 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 类围岩 隧道拱顶侵入砂岩约 0 6m 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 类围岩 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 类围岩 煤岩 黑色 节理较发育 风化较严重 属 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 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 4 裂拱机理分析 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著 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 隧道穿越部位的构造应力十分 微弱 故隧道衬砌所受围岩压力主要是衬砌自重 围岩松弛荷 载 q 和围岩产生的弹性抗力 在正常情况下 三类围岩单线电化隧道衬砌两侧拱腰承受 都是负弯矩的小偏心受压 所以能够充分发挥混凝土抗压强度 高而抗拉强度很低的性能 而实际受力情况与围岩干燥时相比 产生了巨大变化 使两侧拱腰截面洞内侧产生了较大的切向拉 力 整个隧道衬砌的弹性抗力区也发生了很大变化 如前所述 隧道拱顶为砂岩 其弹性抗力系数依据 类围 岩的弹性抗力系数取值 其它各处的弹性抗力系数依据 类围 岩取值 可根据所处的围岩情况适当增减 弹性抗力的方向假 定沿径向 围岩容重 20 0kn m3 对于 类围岩深埋隧道 得到松动压力 q 81 4kn m2 5 根据表 2 中测得的膨胀压力 pp 0 34mpa 相当于拱部的侧向压力系数提高到 1 pp q 4 2 而 类围岩隧道侧压力系数一般为 0 15 0 30 5 边墙处围岩为 碳质泥岩与煤岩互层 可取 2 0 30 以断面 1 为例 对衬砌进 行力学分析 经计算 6 7 两侧拱腰承受正弯距 大偏心受压 计算图式及其 n m 图见图 4 所示 拱腰处截面 e m n 204 584 0 35m 相对偏心距 e h 0 68 此截面处产生的 拉应力 l 3 53mpa 是衬砌混凝土抗拉强度的约 2 倍 因而该 处截面首先被拉坏 由于作用于衬砌上荷载及衬砌结构的对称 性 导致了拱腰处裂缝走向基本上与隧道轴线平行 5 裂缝的整治在弄清产生裂拱原因后 提出以下治理措施 裂缝的整治在弄清产生裂拱原因后 提出以下治理措施 1 由于水渗流是泥岩中粘土矿物膨胀的直接诱因 因而 应首先切断渗流水的补给 将山坡上的水沟铲平 用水泥砂浆 灌注坡面上的裂缝 最后用砂浆抹平 2 沿裂缝延伸范围凿楔形槽 槽深 8cm 里口宽 8cm 外口宽 5cm 槽内冲洗干净 槽壁涂刷由环氧树脂 磷苯二甲 酸二丁脂 丙酮 乙二胺配制成的环氧基液 其配合比为 1 0 1 0 12 0 05 槽内嵌补 m20 膨胀水泥砂浆 配合比为 水泥 砂子 1 2 水泥砂浆中掺 jp 型膨胀剂 其掺量为水泥重 量的 10 3 沿裂缝两侧施作树脂锚杆 距离裂缝 35cm 锚杆间 距 1 0m 1 0m 梅花型布置 锚杆材质 20mnsi 锚杆直径 22 上排杆长 3 1m 下排杆长 3 9m 锚杆伸入砂岩 50 60cm 树脂以 环氧树脂为主要成分 用作锚杆的杆体粘结剂 另外掺加石英 砂作为粘结剂填料 掺加聚乙烯聚酰胺作为环氧树脂的固化激 发剂 其配比为 重量比 环氧树脂 石英砂 聚乙烯聚酰 胺 1 3 0 25 0 30 树脂药包分两个塑膜袋 外袋装环氧树脂 与填料的胶泥状混合物 内袋装聚乙烯聚酰胺 树脂锚杆的安装应注意 先将药包送入孔内 再把杆体 插入孔中将药包送到孔底捅破腰包搅拌 同时把杆体均匀推至 孔底 搅拌时间为 30sec 左右 搅拌时间过长反而会破坏胶凝 时间过短 则搅拌不均匀影响胶凝固化 安装完毕后 为避免在胶凝期间因杆体自重滑落 可用 木楔在孔口楔紧杆体 安装后 15min 树脂固化程度可达 80 90 的最终强度 此时再在杆体下端安设垫板 这种树脂锚杆安装容易 胶凝固结快 起效块 其一天龄 期的抗压强度可达到 50 60mpa 抗拉强度达到 20 25mpa 衬砌 加固后 裂缝发展很快被阻止 又经过一个雨季的检验 效果 良好 6 结论 结论 1 隧道裂拱是围岩工程地质水文地质环境的改变所造成 的 泥岩中的粘土矿物遇水膨胀产生巨大的水平侧压力作用在 隧道拱部两侧是发生裂拱的物质基础 水渗流是诱因 2 裂拱产生的力学机理为 因衬砌拱部两