崔 童，杜守繼，張武國，楊書宇

(1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.中建鐵路建設有限公司，北京 100053)

隨著我國鐵路工程建設的飛速發(fā)展，隧道越來越多。截至2016年底，我國已投入運營的鐵路隧道有 14 100座，總里程達到 14 120 km。其中，穿越軟巖地區(qū)的鐵路隧道工程也越來越多。軟巖因為其強度低、易風化、孔隙比大、重度小、易滲水，具有顯著的膨脹性和時效性。若處理不當，往往對隧道結構造成不利影響，甚至引發(fā)隧道的整體破壞。

許多學者在隧道縱向開裂特點、產生原因、治理等方面已做了大量工作。裴濤濤等[1]通過對隧道襯砌裂縫病害統(tǒng)計分析，指出隧道襯砌縱向裂縫是隧道工程中最常見，也是危害最大的病害。李勇峰等[2]以軟土地區(qū)竹山隧道為背景，從圍巖巖性和層理結構角度分析了隧道二次襯砌結構產生裂縫的原因，指出優(yōu)勢片理面的力學特性與產狀會加劇偏壓，使二次襯砌產生縱向裂縫。李駿等[3]分析了軟巖地區(qū)地面滲水對襯砌結構的影響，指出隧道成洞過程中滲水會導致圍巖軟化，致使隧道側向壓力增大，發(fā)生不均勻沉降，二次襯砌產生縱向裂縫。劉學增等[4]通過室內試驗和理論分析，指出隧道拱頂安全系數隨裂縫深度增加呈線性降低。王華牢等[5]根據裂縫判斷標準對縱向裂縫對隧道的影響進行了安全性評價，證實了采用剛度退化模型來評價帶裂縫襯砌的剛度和承載力是可行的，提出了襯砌縱向裂縫的加固方法。

不同隧道所處的地質環(huán)境不同，產生裂縫的原因也不同。對軟巖地區(qū)隧道二次襯砌開裂原因的研究還較少。本文基于準朔鐵路哈鎮(zhèn)隧道二次襯砌產生縱向裂縫的情況，研究二次襯砌開裂機理，為軟巖地區(qū)鐵路隧道二次襯砌開裂的治理提供依據。

1 工程概況

1)地質情況

準朔鐵路哈鎮(zhèn)隧道位于內蒙古自治區(qū)準格爾旗境內，起訖里程為DK173+935—DK178+013，全長 4 078 m，為單線鐵路隧道，隧道穿越中低山脈，最大埋深174 m。上覆地層為第四系上更新統(tǒng)沖風積新黃土、粉砂、細砂，沖積砂礫；第三系上新統(tǒng)棕紅色黏土，含鈣質結構層。下伏地層為三疊系中統(tǒng)及侏羅系下統(tǒng)灰白色中粗粒砂巖、紫紅色泥質粉砂巖、紫紅色泥巖、灰綠色泥巖等。隧道穿越地層以V級圍巖為主，大多為紫紅色或灰白色砂巖夾紫紅色泥巖條帶，隧道周圍地質情況如圖1所示。隧道內含少量基巖裂隙水，水量隨季節(jié)變化，施工過程中未見地下水。

圖1 隧道周圍地質情況

2)隧道支護情況

V級圍巖段復合式襯砌最大開挖跨度6.2 m，內軌頂面以上7.4 m采用復合式襯砌結構，初期支護為20 cm 厚C25噴射混凝土，鋪設鋼筋網規(guī)格為水平φ6@200 mm，豎向φ8@200 mm，采用φ22砂漿錨桿，格柵鋼拱架，二次襯砌和仰拱采用C35混凝土，厚度35 cm。

3)開裂情況

2014年6月隧道完成二次襯砌施工后，在高度方向距內軌頂面2～4 m邊墻出現縱向裂縫。2017年8月和10月采用CK101裂縫測寬儀進行了測量，結果顯示隧道兩側邊墻共有8段裂縫，分布在DK174+350—DK177+370，累計長度405.1 m，裂縫主要集中在隧道最大開挖跨度處下方2 m范圍內，少數裂縫分布在最大開挖跨度處上方，裂縫寬度最大6.0 mm，平均2.13 mm。2次測量值基本相同，說明裂縫停止擴展。開裂段地下水水位位于仰拱處，邊墻開裂處有水滲出。

2 邊墻縱向裂縫產生原因分析

在裂縫發(fā)展嚴重的里程段鉆孔取芯。結果顯示：圍巖結構破碎，節(jié)理發(fā)育，完整性差；兩側邊墻內軌頂面上方1～2 m普遍存在厚約1 m的紫紅色泥巖條帶；隧道仰拱底部至下方1 m為飽水的全風化砂巖夾泥巖。隧址區(qū)位于黃土高原，地下水主要由大氣降水補給。該地區(qū)降雨集中，年降水量約380 mm，7—8月降水量占全年降水量的50%以上。

隧道二次襯砌出現縱向裂縫產生的原因(如圖2)：位于內軌頂面上方的紫紅色泥巖條帶具有遇水膨脹的性質，仰拱底部的砂巖夾泥巖遇水易發(fā)生崩解和軟化；隧道施工完成后由于新的滲流通道形成，裂隙相互連通，造成地下水滯留，形成飽水帶，導致邊墻局部受到圍巖的膨脹壓力，以及隧底圍巖崩解、軟化，對二次襯砌結構產生了不利的影響。

圖2 二次襯砌縱向裂縫產生原因分析

為驗證上述開裂分析結果，對圍巖巖芯進行了礦物成分、膨脹性、耐崩解性和力學特性試驗研究。

1)X射線衍射分析

使用D8 Advance Da Vinci X射線衍射儀對巖樣進行試驗。結果顯示：隧道開裂段DK177+250和DK174+350處含有石英、塊磷鋁礦、正長石、方解石、高嶺石等礦物成分，2個里程處巖樣方解石含量分別為7.8%和5.7%，高嶺石含量分別為10.4%和7.5%，方解石和高嶺石都具有遇水膨脹特性，因此邊墻圍巖中的泥巖條帶遇水后發(fā)生膨脹變形，產生了膨脹壓力。

2)膨脹性試驗

2個里程處巖樣在試驗中均表現出了明顯的遇水膨脹特性。圖3為巖樣的膨脹力和側限膨脹率隨時間變化曲線。可見：DK174+350處紫紅色泥巖試樣遇水后膨脹力急劇增大，220 min即達到最大值 1 047.11 kPa，側限膨脹率達到9.59%，遇水后不僅產生膨脹力，而且膨脹力的增長速度也很快。DK177+250處紫紅色泥巖遇水后，在前30～50 min內膨脹力快速增大，然后穩(wěn)定增加，至 1 200 min 左右達到最大值170.10 kPa，側限膨脹率為7.11%。隧道邊墻處紫紅色泥巖條帶顯著的膨脹性會使二次襯砌結構局部承受一定的膨脹壓力。

圖3 巖樣膨脹力和側限膨脹率隨時間變化曲線

3)耐崩解性試驗

采用SCL-1型巖石耐崩解試驗儀對開裂段巖樣進行耐崩解性試驗。結果顯示：DK174+350和DK177+250處隧底巖樣耐崩解性指數分別為20.88%和15.22%，根據甘布爾崩解耐久性分類標準，2個里程處巖樣均屬于極低耐久性巖石，在積水環(huán)境中極易發(fā)生崩解。

4)軟化試驗

對開裂段隧底巖樣進行軟化試驗。DK174+350處巖樣飽和單軸抗壓強度為3.59 MPa，屬于極軟巖[6]，軟化系數為0.53。DK177+250處巖樣飽和單軸抗壓強度為9.12 MPa，屬于軟巖，軟化系數為0.59。2處 巖樣軟化系數均小于0.75，屬于易軟化巖石[7]。開裂段隧底圍巖遇水將發(fā)生軟化，承載力大幅度降低。

由上述巖樣的試驗結果可知：開裂段邊墻處的紫紅色泥巖條帶具有遇水膨脹的特性，隧底圍巖遇水后會發(fā)生崩解和軟化。

3 數值模擬

采用ABAQUS有限元軟件建立數值模型，對以上分析的邊墻縱向裂縫原因進行驗證。

3.1 計算模型的建立和參數的選取

圖4 數值模型

圍巖與混凝土密度/(kg/m3)彈性模量/GPa黏聚力/MPa內摩擦角/(°)泊松比圍巖2 0000.580.15250.35C35混凝土2 50031.50.20

根據現場勘測及邊墻取芯結果，在內軌頂面上方1～2 m二次襯砌范圍內施加均布荷載，模擬實際工程中紫紅色泥巖條帶的膨脹對襯砌結構產生的影響。根據隧底圍巖取芯結果，在仰拱底面下方1.1 m范圍內設置軟化層，以彈性模量的變化來模擬圍巖遇水軟化。

3.2 模擬工況

為研究圍巖軟化及膨脹在二次襯砌縱向裂縫中所起的作用，分2種工況進行模擬：①僅存在圍巖軟化作用，膨脹壓力為0，軟化系數為40%～100%(以10%遞增)時二次襯砌的內力分布；②圍巖軟化及膨脹壓力共同作用，膨脹壓力為0～700 kPa(以100 kPa遞增)、軟化系數為40%～100%(以10%遞增)時二次襯砌的內力分布。

3.3 模擬結果與分析

3.3.1 隧底圍巖軟化對襯砌內力的影響

僅存在圍巖軟化作用時最大拉應力出現在二次襯砌內側最大開挖跨度處，隨著軟化系數的減小最大拉應力逐漸增大，軟化系數達到40%時最大拉應力為0.55 MPa，小于C35混凝土的抗拉強度標準值2.2 MPa。襯砌結構最大壓應力為5.6 MPa，出現在拱腰處，小于C35混凝土的抗壓強度標準值23.4 MPa。

仰拱下部1.1 m范圍內積水圍巖軟化會使最大開挖跨度處拉應力增大。但考慮到1.1 m軟化范圍相對較小，對襯砌內力影響有限，僅存在圍巖軟化作用并不足以使隧道產生裂縫。

3.3.2 圍巖軟化與膨脹共同作用對襯砌內力的影響

軟化系數為80%和40%時不同膨脹壓力作用下襯砌內側應力狀態(tài)見表2?？芍阂r砌結構在拱腰處出現最大壓應力，軟化系數為80%時最大壓應力為8.28 MPa，軟化系數為40%時最大壓應力為8.31 MPa，均小于C35混凝土抗壓強度標準值23.4 MPa。最大拉應力出現在最大開挖跨度處和內軌頂面上方1 m處，軟化系數為80%時最大拉應力為2.84 MPa，軟化系數為40%時最大拉應力為2.97 MPa，大于C35混凝土的抗拉強度標準值2.2 MPa。

表2 圍巖軟化與膨脹共同作用時襯砌內側應力狀態(tài)

不同圍巖軟化系數時邊墻內軌頂面上方1 m 處應力隨膨脹壓力的變化見圖5。

圖5 二次襯砌內軌頂面上方1 m處應力隨膨脹壓力的變化

由表2和圖5可知：膨脹壓力對二次襯砌結構內力產生了較大影響，膨脹壓力越大邊墻所受最大拉應力越大。當膨脹壓力達到700 MPa時，不同軟化系數下最大拉應力均達到3.00 MPa,出現在內軌頂面上方1 m處。在隧底圍巖軟化以及邊墻泥巖條帶遇水膨脹共同作用下，從襯砌內側最大開挖跨度處到內軌頂面處于受拉狀態(tài)，當膨脹壓力超過一定值后邊墻會產生縱向張拉裂縫。

4 結論

本文以軟巖地區(qū)準朔鐵路哈鎮(zhèn)隧道為工程背景，根據現場勘測情況，采用室內試驗和數值模擬的方法對隧道二次襯砌邊墻開裂原因進行了研究，得出如下結論：

1)開裂段隧道邊墻外側的紫紅色泥巖條帶含有膨脹性礦物成分，遇水會發(fā)生膨脹，產生膨脹壓力；隧底圍巖遇水易崩解和軟化。

2)圍巖軟化會使襯砌內側最大開挖跨度處拉應力增大；圍巖側向膨脹壓力越大，邊墻所受拉應力越大；當圍巖軟化與膨脹共同作用且膨脹壓力達到一定值時，二次襯砌結構內軌頂面上方1 m處拉應力超過混凝土抗拉強度標準值，襯砌內側將產生縱向裂縫。

3)二次襯砌從內軌頂面至最大開挖跨度處出現縱向裂縫的原因是季節(jié)性降雨造成圍巖膨脹產生側向膨脹壓力，圍巖裂隙發(fā)育，隧道底部積水使圍巖發(fā)生軟化。