王江勝

(神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 010300)

隧道作為鐵路建設(shè)工程中的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)物，因其在改善線路線型、縮短里程和行車時(shí)間、提高運(yùn)營(yíng)效益以及減少耕地占用面積等方面具有獨(dú)特的、難以替代的優(yōu)勢(shì)，尤其對(duì)地處西部、西南多山、丘陵地區(qū)的線路，隧道更是發(fā)揮了重要的作用。神華集團(tuán)所屬朔黃、神朔、包神、大準(zhǔn)、準(zhǔn)池鐵路均處在西部山區(qū)，途經(jīng)地區(qū)地形地貌復(fù)雜、溝壑叢生，隧道成為跨越山嶺、河流等障礙物的首選方式，個(gè)別線路橋隧占線路全長(zhǎng)比例達(dá)到將近一半。

隧道結(jié)構(gòu)物在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，由于受到地質(zhì)條件、鋼筋、混凝土材質(zhì)、設(shè)計(jì)及施工技術(shù)水平、地下水及氣候變化、列車荷載及震動(dòng)等諸多因素的疊加影響，不同程度地產(chǎn)生了各種各樣的病害，如隧道襯砌開(kāi)裂、拱頂空洞、隧道滲漏水、襯砌腐蝕、隧道凍害、仰拱裂損等。這些隧道病害一般不是單獨(dú)存在的，而是相互影響、相互作用的，其中襯砌裂縫和滲漏水是兩種最為常見(jiàn)、也是影響最廣的病害形式。而滲漏水大多是由于前期襯砌開(kāi)裂以致基巖裂隙水滲入進(jìn)而引起滲漏水病害，同時(shí)滲漏水會(huì)引起襯砌的進(jìn)一步開(kāi)裂、變形。如果在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)襯砌裂縫病害處理不當(dāng)，襯砌就會(huì)產(chǎn)生滲漏水病害，進(jìn)而造成基床凍害、翻漿冒泥等線路病害。

1 隧道襯砌裂縫主要類型

國(guó)內(nèi)外對(duì)隧道襯砌裂縫的分類主要有按裂縫與隧道的走向關(guān)系、按襯砌受力變形形態(tài)和裂口變形特征及按裂縫成因等分類方法，其中最常用、最直觀的為按裂縫與隧道軸線的走向關(guān)系分類法。

1.1 縱向裂縫

隧道混凝土襯砌裂縫平行或基本平行于隧道軸線稱為縱向裂縫(圖1)。縱向裂縫危害性最大，繼續(xù)發(fā)展可引起隧道掉塊、邊墻斷裂甚至整個(gè)隧道塌方，破壞襯砌斷面的整體性。產(chǎn)生縱向裂縫的原因主要是隧道地質(zhì)條件存在偏壓、設(shè)計(jì)承載力不夠、隧道周邊欠挖部位未進(jìn)行處理，使襯砌的厚度不足或施工時(shí)墻頂與拱部回填不密實(shí)等。

1.2 橫向裂縫

橫向裂縫(即環(huán)向裂縫)平行或基本平行于隧道橫斷面，如圖2所示。主要是由于圍巖壓力變化、地基不均勻沉降、溫度應(yīng)力或變形縫處理不當(dāng)?shù)纫蛩匾?，大多?shù)發(fā)生在洞口、存在不良地質(zhì)地段及軟、硬巖層接觸地帶。

圖2 隧道縱向裂縫示意

1.3 斜向裂縫

斜向裂縫屬于結(jié)構(gòu)裂縫(圖3)，隧道斜裂縫一般延伸較長(zhǎng)，當(dāng)幾條斜向裂縫互相交叉時(shí)容易引起襯砌掉塊。斜向裂縫一般是由于混凝土斜截面上的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉或抗剪強(qiáng)度所致，其危害性較大。

圖3 隧道縱向裂縫示意

2 隧道襯砌裂縫的評(píng)定

目前美國(guó)、日本對(duì)隧道襯砌裂縫的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要是以襯砌裂縫的長(zhǎng)度和寬度為主，輔以襯砌裂縫的發(fā)展變化來(lái)綜合評(píng)定。韓國(guó)規(guī)范對(duì)隧道襯砌裂縫的評(píng)定是綜合考慮寬度、長(zhǎng)度、透水、剝落、分離、風(fēng)化程度等因素進(jìn)行評(píng)定。目前我國(guó)規(guī)范對(duì)于鐵路隧道襯砌裂縫的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要有定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)與定性和定量相結(jié)合的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，也有學(xué)者提出在評(píng)定時(shí)考慮裂縫處滲漏水情況及水質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)物有無(wú)腐蝕性等因素，以便更為全面、客觀地作出評(píng)價(jià)。

2.1 定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

隧道襯砌裂縫的定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)主要基于襯砌裂縫的寬度值劃分裂縫等級(jí)。據(jù)《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)— 隧道》，將襯砌裂縫按寬度定量分為四級(jí)(表1)。

表1 襯砌裂縫定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) mm

2.2 定量與定性相結(jié)合的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)TB/T 2820.2-1997《鐵路橋隧道建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)—隧道》，給出了定量和定性相結(jié)合的評(píng)定方法，綜合考慮襯砌裂縫的長(zhǎng)度和寬度，將襯砌裂縫分為五個(gè)等級(jí)，并給出了建議性措施(表2)。

表2 襯砌裂縫定性定量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)—隧道》依據(jù)裂縫寬度劃分裂縫等級(jí)，TB/T 2820.2-1997《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)—隧道》中，依據(jù)裂縫長(zhǎng)度及寬度，并綜合考慮了結(jié)構(gòu)開(kāi)裂外觀特征、襯砌變形情況及裂縫變形發(fā)展情況劃分裂縫等級(jí)，其劃分方法相比前者更加全面及細(xì)致。

3 大準(zhǔn)鐵路石壁橋隧道襯砌裂縫分布及評(píng)定

3.1 大準(zhǔn)鐵路及石壁橋隧道概述

大準(zhǔn)鐵路東起山西大同市境內(nèi)的燕莊車站(與國(guó)鐵大同樞紐大同東站接軌)，西至內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗薛家灣站，途徑兩省(區(qū))六縣市(旗)。正線全長(zhǎng)264 km，為國(guó)家“八五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目“準(zhǔn)格爾項(xiàng)目一期工程”三大主體工程之一，是“西煤東運(yùn)”大通道大秦線的向西延伸，是鄂爾多斯東部地區(qū)煤炭外運(yùn)的主干線，也是神華鐵路網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。全線共有5個(gè)交接口，其中上游2個(gè)，一是與巴準(zhǔn)鐵路在點(diǎn)岱溝站接軌，二是與準(zhǔn)東鐵路在薛家灣站接軌；下游3個(gè)，一是與大秦線在大同東站接軌，二是與京包線在呼和浩特鐵路局豐鎮(zhèn)站接軌，三是與神華準(zhǔn)池鐵路在外西溝站接軌。大準(zhǔn)鐵路為Ⅰ級(jí)電氣化重載鐵路(部分雙線)，初期設(shè)計(jì)能力為1 500×104t，2006年開(kāi)行萬(wàn)噸列車，到2015年運(yùn)量已突破億噸。

石壁橋隧道位于渾河右岸低中山區(qū)，全長(zhǎng)837 m。最大埋深約62.8 m，隧道位于直線段上，整個(gè)隧道約為3 ‰的下坡。隧道圍巖級(jí)別為Ⅲ-V級(jí)，出口端采用了V級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌，局部使用V級(jí)加強(qiáng)圍巖復(fù)合式襯砌。隧道地形起伏較大，進(jìn)口端山坡地形較平緩，地表覆蓋薄層新黃土；出口端山坡坡度較大，大部分基巖裸露，出口兩側(cè)為厚層新黃土覆蓋。

石壁橋隧道隧址區(qū)地層巖性主要為寒武系中統(tǒng)灰?guī)r，寒武系下統(tǒng)泥巖，第四系全新統(tǒng)風(fēng)積層，沖風(fēng)積層新黃土及坡積層粗角礫土。隧道所經(jīng)地段寒武系中統(tǒng)石灰?guī)r，巖層走向約60°，傾向西北，傾角3°～6°，走向與線路基本垂直。隧道區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造單一，呈單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀平緩，有兩組主要節(jié)理，產(chǎn)狀分別為270°∠70°、335°∠80°。大部分為密閉節(jié)理，局部為微張～張開(kāi)節(jié)理。場(chǎng)地區(qū)地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35 s，動(dòng)峰加速度0.15g，設(shè)防烈度為Ⅵ度，土壤最大凍結(jié)深度1.61 m。

3.2 襯砌裂縫的分布及評(píng)定

3.2.1 裂縫分布特征

石壁橋隧道裂縫主要形態(tài)表現(xiàn)為縱向裂縫和橫向裂縫，縱向裂縫基本分布在邊墻中部及中下部，一般延伸0.5～5 m，局部長(zhǎng)達(dá)14 m，裂縫寬度1～5 mm。橫向裂縫多自邊墻中下部延伸至拱肩，部分橫向裂縫沿施工縫發(fā)育，少數(shù)沿著施工縫發(fā)育的橫向裂縫橫跨拱頂和邊墻。斜向裂縫也有一定發(fā)育，且多伴隨縱向、橫向裂縫，形成樹枝狀裂縫。裂縫在出口段和隧道中段發(fā)育較多，主要為橫向裂縫和縱向裂縫。隧道入口段裂縫較少。

從對(duì)裂縫的統(tǒng)計(jì)看，橫向裂縫和縱向裂縫占總裂縫數(shù)75 %。斜向裂縫也有一定的發(fā)育，占總裂縫數(shù)25 %。

3.2.2 裂縫評(píng)定

基于TB/T 2820.2-1997《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)—隧道》對(duì)裂縫等級(jí)的劃分方法，統(tǒng)計(jì)石壁橋隧道裂縫情況如表3所示。

由上述統(tǒng)計(jì)可見(jiàn)：裂損等級(jí)為B類的裂縫所占比例最大，為50.4 %，C類占31.9 %，D類較少，為17.7 %，A類為0 %。隧道裂損等級(jí)主要為B類，大部分裂縫應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，必要時(shí)采取措施。

4 裂縫成因分析

4.1 理論分析

石壁橋隧道所處地層結(jié)構(gòu)為典型的二元體結(jié)構(gòu)，上部以厚層灰?guī)r為主，可見(jiàn)薄層灰?guī)r和泥巖互層，風(fēng)化剖面上此現(xiàn)象明顯，未風(fēng)化層呈巨厚層狀；下部為軟弱基座，巖性為紫紅色泥巖夾砂巖，局部可見(jiàn)薄層灰?guī)r，未見(jiàn)層底，此層局部風(fēng)化嚴(yán)重，呈碎片狀，強(qiáng)度較低。

從變形角度分析來(lái)看，隧道襯砌與下伏泥巖共同承擔(dān)上覆灰?guī)r的荷載，由于襯砌與泥巖的強(qiáng)度與變形模量差異較大，二者變形不協(xié)調(diào)，所以主要由隧道襯砌承擔(dān)了上部巖體帶來(lái)的自重應(yīng)力；同時(shí)在后續(xù)長(zhǎng)期使用過(guò)程中，降雨期會(huì)有雨水沿裂隙入滲，而下部泥巖層透水性差，雨水滲透致泥巖層受到阻礙滯留，泥巖受滯水浸泡軟化，導(dǎo)致強(qiáng)度進(jìn)一步降低，從而襯砌所承擔(dān)的荷載進(jìn)一步加大，導(dǎo)致襯砌所受應(yīng)力超出其承載極限而發(fā)生破壞，產(chǎn)生裂縫。同時(shí)，由于在巖層分界處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)一步加重了襯砌的破壞速度。

石壁橋隧道變形主要表現(xiàn)為襯砌裂縫。其中襯砌裂縫以橫向裂縫和縱向裂縫為主，分布在邊墻上1.5～2.5 m高處。裂縫分布高程與軟弱基座高程分布基本一致。因此，初步推斷石壁橋隧道裂縫成因與隧道圍巖二元結(jié)構(gòu)有關(guān)，軟弱基座的存在，是導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂的主要原因。

4.2 數(shù)值模擬分析

理論分析表明，軟弱基座的存在是導(dǎo)致隧道襯砌產(chǎn)生裂縫的主要原因，為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析結(jié)果，采用有限元分析軟件—MIDAS/GTS，分別模擬無(wú)軟弱基座工況與有軟弱基座工況，對(duì)比二者模擬結(jié)果，確定軟弱基座的存在是否是產(chǎn)生裂縫的主要原因。

4.2.1 模型建立

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，模擬選取V級(jí)圍巖段，基于新奧法施工原理，采用短臺(tái)階法施工，襯砌設(shè)計(jì)為V級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌。根據(jù)隧道縱斷面圖，模型上部取25 m，兩側(cè)取30 m，下部取45 m。邊界條件為橫向左右邊界水平方向(X方向)約束，底邊界全約束，重力加速度取10 m/s2。

根據(jù)數(shù)值模擬原理和平面應(yīng)變?cè)?，?xì)長(zhǎng)的地下工程(如隧道)的圍巖穩(wěn)定性的模擬研究，通常采用二維的數(shù)值模型，按平面應(yīng)變問(wèn)題研究。此處隧道出口端數(shù)值模擬研究即采用二維平面模型分析。隧道圍巖為二維平面單元，本構(gòu)模型為Mohr-Coulomb模型。噴射混凝土和錨桿采用線單元，本構(gòu)模型為線彈性模型，結(jié)合實(shí)際物理力學(xué)性質(zhì)，各參數(shù)取值見(jiàn)表4，數(shù)值模擬后劃分網(wǎng)格的模型見(jiàn)圖4。

4.2.2 襯砌強(qiáng)度檢算

石壁橋隧道圍巖級(jí)別為Ⅲ-V級(jí)，隧道地形起伏較大，進(jìn)口端山坡地形較平緩，地表覆蓋薄層新黃土；出口端山坡坡度較大，根據(jù)TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》判斷，隧道結(jié)構(gòu)處于偏壓狀態(tài)，因此對(duì)襯砌強(qiáng)度采用混凝土偏心受壓構(gòu)件進(jìn)行檢算。

表4 數(shù)值模擬參數(shù)

圖4 劃分網(wǎng)格后的石壁橋隧道數(shù)值模擬模型

TB 10003-2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于當(dāng)隧道或明洞按破損階段檢算截面強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)在不同荷載組合下選用的安全系數(shù)為：混凝土受抗壓極限強(qiáng)度控制時(shí)，安全系數(shù)取值為2.4；混凝土受抗拉極限強(qiáng)度控制時(shí)，安全系數(shù)取值為3.6。當(dāng)檢算系數(shù)K大于安全系數(shù)時(shí)，混凝土處于彈性變形階段，此時(shí)，襯砌內(nèi)部原本存在微裂縫擴(kuò)展、壓縮，襯砌總體安全；當(dāng)K=安全系數(shù)時(shí)，混凝土達(dá)到臨界荷載；當(dāng)1

根據(jù)兩種工況下數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，選取具有代表性的，同時(shí)也是石壁橋隧道實(shí)際裂縫較為發(fā)育的邊墻位置的左、右側(cè)各兩個(gè)單元進(jìn)行對(duì)比分析(從計(jì)算結(jié)果看，其余部位的襯砌安全系數(shù)均滿足要求)，檢算結(jié)果見(jiàn)表5。

從檢算結(jié)果可見(jiàn)，在無(wú)軟弱基座條件下，隧道開(kāi)挖后，襯砌承載力受抗壓強(qiáng)度控制，且安全系數(shù)遠(yuǎn)大于2.4，襯砌安全，滿足安全性要求，不會(huì)出現(xiàn)裂縫；與無(wú)軟弱基座情況相比，在有軟弱基座時(shí)，隧道開(kāi)挖后，隧道左右側(cè)各2個(gè)單元的承載力由抗拉強(qiáng)度控制，且安全系數(shù)均小于3.6，不能滿足襯砌安全需求。由于其安全系數(shù)K均在1～1.5之間，較靠近K=1時(shí)的極限狀態(tài)，因此，襯砌表面會(huì)出現(xiàn)一些明顯的開(kāi)裂。結(jié)合選取的4個(gè)單元位于泥巖與頁(yè)巖分界面下，即位于軟弱基座下方，與實(shí)際隧道襯砌開(kāi)裂的主要位置相對(duì)應(yīng)，由此可見(jiàn)，軟弱基座是石壁橋隧道裂縫形成的主要原因，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與變形理論分析結(jié)果一致。

表5 檢算結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論及建議

從理論分析與數(shù)值模擬計(jì)算得出：圍巖體軟弱基座的存在，是隧道產(chǎn)生變形與開(kāi)裂的主要原因。目前情況下，襯砌出現(xiàn)的裂縫屬混凝土達(dá)到臨界荷載后出現(xiàn)的裂縫，只局限于襯砌表面，后續(xù)使用過(guò)程中，裂縫有進(jìn)一步發(fā)展的可能，因此建議：

(1)加強(qiáng)對(duì)襯砌裂縫的觀測(cè)，掌握裂縫的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)較長(zhǎng)、較寬的裂縫及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ)。

(2)加強(qiáng)隧道變形的監(jiān)控量測(cè)，特別是邊墻的變形監(jiān)測(cè)，確定隧道變形趨勢(shì)，以便進(jìn)一步分析隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。