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        淺埋隧道拱部裂紋產(chǎn)生機(jī)理及處理技術(shù)

        2016-03-13 07:03:39雷東婁
        工程技術(shù)研究 2016年12期
        關(guān)鍵詞:裂紋圍巖

        雷東婁

        (中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司,江蘇 南京 210019)

        淺埋隧道拱部裂紋產(chǎn)生機(jī)理及處理技術(shù)

        雷東婁

        (中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司,江蘇 南京 210019)

        文章介紹云桂鐵路云南段董弄隧道地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、圍巖類(lèi)型、拱部及地表裂紋產(chǎn)狀,分析該隧道地表及拱部裂紋的產(chǎn)生機(jī)理,最后介紹了其處置措施,可為類(lèi)似工程提供參考。

        淺埋隧道;拱部裂紋;產(chǎn)生機(jī)理;處置

        隨著我國(guó)交通事業(yè)的高速發(fā)展,隧道施工面臨各類(lèi)復(fù)雜惡劣的施工條件,淺埋隧道施工難度相對(duì)較小,出現(xiàn)的問(wèn)題較少。但出現(xiàn)的問(wèn)題往往缺少類(lèi)似工程的解決方案參考,需要專(zhuān)題研究。

        1 工程概況

        董弄隧道位于白臘寨~廣南區(qū)間,進(jìn)口里程DK414+809,出口里程DK415+554,全長(zhǎng)745m。

        1.1 地形地貌

        屬構(gòu)造剝蝕、侵蝕低中山地貌,地形起伏較大,地面高程1220~1305m。DK415+200~DK415+554段地面橫坡陡峻,自然坡度15~40°,局部較陡,地形等高線與線路中線近平行,為傍山隧道。該段坡面植被發(fā)育,橫向沖溝發(fā)育,基巖零星出露,隧道拱頂以上最大埋深約58m。

        1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

        隧道穿越地層為三疊系中統(tǒng)板納組下段(T[2]b(b))泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖、細(xì)砂巖及板納組上段(T[2]b(a))砂巖夾泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。

        1.3 圍巖級(jí)別

        本段采用V級(jí)B型復(fù)合式襯砌,采用全環(huán)I22b型鋼鋼架加強(qiáng)支護(hù)并輔以拱部Ф60中管棚/!108大管棚超前支護(hù),鋼架間距0.6m,大拱腳臺(tái)階法開(kāi)挖。

        2 產(chǎn)生機(jī)理

        2.1 出現(xiàn)的問(wèn)題

        (1)地表裂縫特征。根據(jù)地表裂縫調(diào)查及實(shí)測(cè),其主要特征如下:地表裂縫縱向主要分布于線路左側(cè)(靠山側(cè)),裂縫走向近平行于線路;裂縫橫向位于隧道左線線路中線左側(cè)10~30m,并隨著隧道埋深增大逐漸遠(yuǎn)離隧道中線。其中DK415+430~DK415+532段最遠(yuǎn)離線路方向裂縫縱向連續(xù),為地表主裂縫。主裂縫最大寬度約25cm,最大寬度位于DK415+460~+480段,平均寬度約10~15cm,裂縫可見(jiàn)錯(cuò)臺(tái),錯(cuò)臺(tái)最大高度約20cm;其余裂縫寬度約3~5cm。地表裂縫新老不一,少量裂縫內(nèi)可見(jiàn)青苔。從地表裂縫內(nèi)青苔情況分析,部分裂縫可能為隧道開(kāi)挖期間形成的。

        (2)洞內(nèi)裂紋特征。裂紋縱向分布范圍為DK415+200~DK415+554段共354m,隧道二襯拱部襯砌開(kāi)裂,以縱向“V”字形外張形態(tài)裂紋為主。局部存在環(huán)、斜向裂紋,裂紋主要分布于隧道拱部偏左側(cè)位置,且呈現(xiàn)越向大里程方向其分布越居中的跡象。裂紋深度未貫通隧道襯砌結(jié)構(gòu),裂紋最大寬度約2mm,一般0.2~1mm,裂紋最大深度約20~25cm,總體上拱部左側(cè)裂紋寬度大于右側(cè)。

        2.2 結(jié)構(gòu)檢算及反分析

        針對(duì)董弄隧道DK415+200~DK415+554段二襯拱部開(kāi)裂情況,為進(jìn)一步分析變形原因,確定襯砌結(jié)構(gòu)安全性、分析現(xiàn)狀地形地質(zhì)條件下襯砌結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)展了數(shù)值模擬分析。

        隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力分析采用荷載-結(jié)構(gòu)模型、平面桿系有限元位移法。隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧?,圍巖采用平面桿系進(jìn)行模擬。結(jié)構(gòu)模型采用主動(dòng)荷載加圍巖彈性約束。計(jì)算中考慮復(fù)合襯砌背后完全回填密實(shí),考慮仰拱與襯砌共同作用,并假定襯砌背后圍巖能提供徑向彈性反力。圍巖荷載按《隧規(guī)》附錄B偏壓隧道襯砌計(jì)算方法取值,二襯承受?chē)鷰r荷載比例按70%考慮。根據(jù)上述計(jì)算模型,采用有限元軟件對(duì)董弄隧道的V級(jí)B型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)按破損階段法進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算,對(duì)裂縫寬度按正常使用極限狀態(tài)法進(jìn)行驗(yàn)算,結(jié)果如下:現(xiàn)狀襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后其安全系數(shù)降低,安全系數(shù)1~2,不滿足《隧規(guī)》的要求。

        淺埋偏壓隧道在開(kāi)挖過(guò)程中洞內(nèi)初期支護(hù)變形引起隧道兩側(cè)形成破裂面,襯砌結(jié)構(gòu)主要承受破裂面范圍土柱的垂直荷載。其垂直荷載大小主要由隧道埋深及土柱兩側(cè)的摩擦角控制,隨著摩擦角的減小襯砌結(jié)構(gòu)承受的垂直荷載明顯增加造成襯砌結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)開(kāi)裂,同時(shí)地面橫坡及土體側(cè)向約束力對(duì)其有一定影響。

        綜合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪、位移監(jiān)測(cè)、地質(zhì)核查及補(bǔ)充勘測(cè)、結(jié)構(gòu)檢算及反分析的結(jié)論,分析董弄隧道DK415+200~DK415+554段襯砌開(kāi)裂的原因如下:

        (1)董弄隧道處于嶺南巨型復(fù)雜緯向構(gòu)造帶的西段與滇越巨型旋扭構(gòu)造體系的復(fù)合(疊加)部位,區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。隧道處于區(qū)域性斷裂小寨逆斷層的下盤(pán),開(kāi)裂段處于董弄向斜NW翼,受斷裂及褶皺影響,隧道區(qū)節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎。隧道洞身圍巖為泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖,風(fēng)化差異較大,多呈強(qiáng)風(fēng)化狀,局部呈弱風(fēng)化、全風(fēng)化,結(jié)合力差,圍巖強(qiáng)度很低。開(kāi)裂段斜坡左高又低,自然坡度約30°,為傍山隧道。從地形上看,存在偏壓現(xiàn)象,對(duì)隧道變形具有一定的影響。地表裂紋主要分布于左側(cè),是隧道地形偏壓的表現(xiàn)。隧道穿越地層巖性為砂泥巖,以強(qiáng)風(fēng)化為主,遇水易軟化。近幾年該區(qū)雨季降雨豐富,降雨沿自然斜坡漫流后進(jìn)入早期形成的裂紋,使得拱頂圍巖含水量增大,巖土體重量增加,進(jìn)一步惡化拱頂圍巖強(qiáng)度,加大拱頂荷載。根據(jù)洞內(nèi)及地表裂縫的分布、襯砌裂紋鉆孔取芯的情況分析,襯砌開(kāi)裂是由于其承受的豎向荷載過(guò)大造成的,同時(shí)地面橫坡對(duì)裂紋的分布有一定的影響。

        (2)隧道開(kāi)挖使得洞身圍巖松弛,存在松動(dòng)圈,工序轉(zhuǎn)換時(shí)。特別是洞內(nèi)初支過(guò)度變形使得松動(dòng)圈范圍擴(kuò)大,延伸至地表導(dǎo)致地表出現(xiàn)裂紋。根據(jù)結(jié)構(gòu)檢算及反分析并結(jié)合地質(zhì)補(bǔ)勘情況,由于開(kāi)挖過(guò)程中初期支護(hù)變形較大引起隧道周邊一定范圍形成松動(dòng)圈,松動(dòng)圈內(nèi)土柱摩擦力減小造成豎向荷載增大。隨著隧道埋深的減小,松動(dòng)圈引起地表開(kāi)裂后地表降雨下滲降低了土柱的摩擦力,同時(shí)巖土體重量增加,拱頂荷載加大導(dǎo)致拱部出現(xiàn)順線路方向?yàn)橹鞯膹埿粤鸭y并引起地面產(chǎn)生新的錯(cuò)臺(tái),同時(shí)地形偏壓也加劇了隧道拱頂?shù)淖冃巍?/p>

        (3)根據(jù)地質(zhì)補(bǔ)勘情況,隧道兩側(cè)分布豎向節(jié)理密集帶。根據(jù)物探結(jié)論推測(cè)該節(jié)理密集帶,節(jié)理密集帶與線路小角度相交,于DK415+320~DK415+420段從線路右側(cè)穿越至線路左側(cè)。豎向節(jié)理密集帶的存在消弱了地形偏壓引起的水平荷載,增加了豎向荷載。這與DK415+380~DK415+440段襯砌裂紋拱部分布范圍較大,橫向分布相對(duì)居中的情況相吻合。結(jié)合洞內(nèi)二村裂紋發(fā)育的部位、延伸方向分析,該裂紋為拱拱頂垂直荷載作用形成的張性裂紋。

        (4)根據(jù)施工過(guò)程中監(jiān)控量測(cè)顯示,該段初期支護(hù)變形以沉降為主,印證了隧道拱部豎向荷載過(guò)大。

        3 處理措施

        3.1 注漿加固圍巖

        對(duì)隧道襯砌周邊圍巖進(jìn)行注漿加固,以提高圍巖力學(xué)指標(biāo)及自承載能力,避免地表水下滲惡化襯砌周邊圍巖環(huán)境,并結(jié)合隧道埋深其加固措施如下:

        (1)洞內(nèi)注漿加固。隧道埋深超過(guò)40m,采用洞內(nèi)注漿加固圍巖。具體如下:拱墻180°以上范圍采用Ф42×3.5徑向鋼花管注漿加固襯砌周邊圍巖,鋼花管間距1.2m(環(huán))×1.2m(縱),長(zhǎng)5.0m。注漿材料宜采用早強(qiáng)、流動(dòng)性好的水泥漿液,水泥漿水灰比1∶1,注漿壓力控制在0.3~0.5MPa。當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)終壓并穩(wěn)定5min以上、吸漿量很少或不吸漿時(shí)即可結(jié)束該孔注漿。

        (2)地表注漿加固。隧道埋深小于等于40m,采用地表注漿加固圍巖。具體如下:①加固范圍:拱頂及邊墻兩側(cè)進(jìn)行袖閥管注漿加固,其中邊墻范圍為隧道兩側(cè)開(kāi)挖輪廓線外7m,注漿深度范圍為仰拱頂面至拱頂以上16m;拱部范圍注漿深度為拱頂以上2~16m,拱頂以上高度不足16m時(shí)加固至地表;②注漿方式:采用袖閥管注漿,鉆孔采用Ф89mm,閥管材料采用外徑Ф76mm無(wú)縫鋼管加工制成,壁厚6mm,每米均勻環(huán)向設(shè)置溢漿孔3個(gè),溢漿孔直徑6mm。袖閥管采用水囊式止?jié){塞分段進(jìn)行注漿,由孔底逐段向孔口分段式注漿,不得采用鋼管樁孔口直接連接絲扣連接注漿管的一次性注漿方式。袖閥管套殼料采用膨潤(rùn)土摻水泥漿,膨潤(rùn)土、水泥、水的比例為1.5∶2∶2;③注漿孔布置:為保障注漿效果,注漿孔布置按中間稀、邊緣密的方式進(jìn)行布孔。漿液擴(kuò)散半徑不小于1.5m,隧道兩側(cè)范圍注漿孔間距1.5m×1.5m,兩側(cè)各布置4排;拱部范圍注漿孔間距2.0m×2.0m,共布置9排,注漿孔均按梅花形布置;④注漿壓力及漿液參數(shù):注漿過(guò)程中應(yīng)按先兩側(cè)后中間的順序,邊緣部位注濃漿,水灰比0.8∶1,中間部位注稀漿水灰比1∶1,注漿壓力0.8MPa,注漿終壓1.2MPa;注漿材料宜采用早強(qiáng)、流動(dòng)性好的水泥漿液。

        (3)洞內(nèi)結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。拱部襯砌拆換范圍:結(jié)合襯砌拱部裂紋分布特征,拆換范圍應(yīng)覆蓋裂紋分布范圍。同時(shí)為確保拆換范圍新筑襯砌具備自成拱能力,并結(jié)合結(jié)構(gòu)計(jì)算襯砌彎矩分布情況,拆換界面盡量設(shè)置在彎矩較小處,本次確定拆換橫向范圍為隧道中線兩側(cè)各60°。

        3.2 拱部襯砌拆換

        拱部襯砌拆換措施:①拆除:拆除前,應(yīng)先完成圍巖注漿加固。拆除時(shí)應(yīng)預(yù)留拱部環(huán)向鋼筋作為新舊砼搭接鋼筋用。拆除應(yīng)采用分段跳拆的方式,每次拆除長(zhǎng)度不得大于2.0m。為保證拆除安全,拆除拱腳利用注漿鋼花管與既有襯砌鋼筋焊接作為鎖腳錨管;②防排水:拆除原襯砌后應(yīng)重新鋪設(shè)防水板及無(wú)紡布,并確保新舊防水板搭接、焊接滿足規(guī)范要求,對(duì)新舊砼界面處采用鑿毛并高壓水沖洗,并涂刷界面劑,接縫處設(shè)置1道遇水膨脹橡膠止水條;③重筑:一次性澆筑拱部拆除范圍二襯及套襯,新建二襯及套襯采用C35鋼筋砼,拱部二襯內(nèi)環(huán)向鋼筋采用Ф25@200mm雙層螺紋鋼筋,縱向鋼筋采用Ф14@250mm,箍筋采用Ф8鋼筋。

        3.3 拱墻套襯補(bǔ)強(qiáng)

        套襯施作前應(yīng)嚴(yán)格按要求完成圍巖注漿加固。將原有襯砌內(nèi)表面鑿除2cm,完成后將鑿毛面清理干凈,以保證新舊混凝土連接良好。原有襯砌植入Ф18定位鋼筋釬釘,釬釘長(zhǎng)40cm,釬釘間距0.5m(環(huán))×0.5m(縱),梅花形布置,伸入原有襯砌內(nèi)20cm,并涂抹植筋膠。墻腳處打設(shè)Ф42鎖腳錨管,每處2根,每根長(zhǎng)3.0m,縱向間距0.5m,并注1∶1水泥漿。施作套襯鋼筋混凝土,套襯施工環(huán)向施工縫設(shè)置一道遇水膨脹橡膠止水條。

        3.4 其他措施

        (1)明洞裂紋處理措施。對(duì)明洞段襯砌裂紋采用注環(huán)氧樹(shù)脂封閉的措施,注漿封堵完成后,于襯砌拱部120°范圍內(nèi)緣涂刷防碳化層。

        (2)防排水措施。為避免地表水大量下滲進(jìn)一步惡化圍巖環(huán)境,同時(shí)減小地下水對(duì)結(jié)構(gòu)的危害,對(duì)地表水采用截排措施。具體如下:對(duì)地表裂縫對(duì)地表裂縫采用鑿槽灌漿設(shè)置防水板封堵,鑿槽尺寸0.5m(寬)×0.5m(深),并對(duì)裂縫采用M7.5水泥砂漿灌填,灌漿后表層鋪設(shè)防水板并回填黏土隔水層。同時(shí)于該段線路左側(cè)設(shè)置2道縱向截水天溝,線路右側(cè)設(shè)置1道截水天溝,縱向截水天溝之間設(shè)置6道橫向截水溝,將地表水截引排至將線路右側(cè)河道,截水溝截面尺寸60cm(寬)×60cm(高)。

        4 結(jié)束語(yǔ)

        通過(guò)一年來(lái)對(duì)董弄隧道的地表及洞內(nèi)收斂位移和拱頂下沉量觀測(cè)定量分析,得出的結(jié)論是:該處理方案對(duì)于穩(wěn)定性較差的淺埋隧道偏壓產(chǎn)生的地表裂紋和拱頂裂紋處理起到了很好的處理效果。

        [1]鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].TB10003-2005.

        [2]建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].JGJ79-2012.

        U45

        A

        2096-2789(2016)12-0041-02

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