软岩隧道衬砌开裂机理分析及预防措施

引言
衬砌开裂是高速公路隧道主要病害之一，对隧道的施工和运营影响重大，一直是研究的重点。Asakura和Kojima对衬砌的变形机理进行了描述;王铁梦对工程结构裂缝进行了详细的研究，从工程结构物裂缝的基本概念、温度对裂缝的影响、应力松弛和各种条件下对各种工程结构裂缝的控制等方面进行了系统的研究。方利成、杜彬、张晓峰等结合现场裂缝实际，通过图文形式直观地描述了隧道裂缝，为全面认识和防治裂缝做了铺垫。何远祥通过实验室试验，对隧道裂缝漏水情况进行了研究，并应用于工程施工防水处理中。
鄂西北地区，存在大量的软弱片岩地层，近年湖北省诸多高速公路隧道穿越这一区域，部分隧道出现了大量衬砌开裂现象，严重地影响了隧道的安全施工与运营，而针对软弱片岩区的高速公路隧道衬砌开裂的研究却较少涉及，且鲜有结合软岩区的围岩特点进行探讨，基于此本文以片岩区某隧道为研究对象，结合软岩蠕变和软岩强度受地下水影响严重等特点，从软弱片岩区的地形、水文地质、工程地质条件入手，分析了导致软弱片岩区高速公路隧道衬砌开裂的主要因素，并提出了相应的防治措施，以期为类似条件下的隧道施工提供参考。
1工程概况
所研究隧道洞轴线走向方位角为240°～260°。左幅隧道长1017m，最大埋深159.2m;右幅隧道长1014m，最大埋深143.4m。
隧址区属构造剥蚀低山地貌，岩性主要为绢云母片岩。受区域性断层F1及其次及小断层F17，F18影响，岩体极破碎，矿物成分蚀变深度较大，造成洞身段局部围岩级别低、自稳性差。该高速公路在施工过程中，多个隧道出现了衬砌开裂现象，且裂缝分布范围广、数量多，裂缝长度和宽度相差很大。该高速公路某隧道进口右线衬砌开裂统计数据如表1所示，在21个监测编号中，拱顶开裂5处，边墙开裂5处，拱腰开裂11处，可见拱腰最易开裂;环向开裂4处，轴向开裂10处，斜向开裂7处;靠近洞口段裂缝的长度较短，但宽度较大，随着桩号增大，裂缝变得细长。


《地下工程防水技术规范》GB50108—2008中规定，当混凝土开裂宽度＞0.2mm时，便超过防水的要求。现场观测发现，所研究隧道洞口段衬砌裂缝宽度最小为0.3mm，最大达1.6mm，皆超过规范中的防水要求，但基本没有出现贯通现象，因此，这些裂缝就现场观测时来看对隧道防水和衬砌结构的影响不是很大，但如果隧道开裂的机理不明，不能对此采取相应的预防、处理措施，衬砌裂缝将进一步发展，甚至贯通衬砌，就可能会导致较大的灾害。
2衬砌开裂的成因分析
2.1软岩蠕变对衬砌开裂的影响
所研究隧道的围岩主要为绢云母片岩。在恒定应力的作用下，软岩变形随时间逐渐增长，产生蠕变现象，蠕变是软岩流变特性的一个重要方面，表现为围岩变形长时间不趋于稳定。软岩中黏土矿物含量越多，软岩的蠕变特征越明显。强风化绢云母片的X粉晶射线衍射试验结果显示，片岩中的黏土矿物含量高达52%，在遇水情况下，极易发生软化，出现蠕变现象。隧道右线洞口段YK153+262—285(洞口桩号YK153+262)自2012年5月13日开始，变形速率就较大，且有增加的趋势。5月20日连续3d降雨后，变形速率增加明显，单日周边收敛值最高达153.69mm，拱顶单日下沉量最高达157.72mm。截至5月23日初衬侵入二衬界限247mm，初衬混凝土明显开裂(见图1)。由此可知，软岩的特性导致衬砌混凝土所受应力随时间的增长而变大，变形达不到收敛，当持续变形量过大，超过衬砌的承受极限，就会导致衬砌开裂。通过对上述实例分析可知，软岩对隧道的衬砌开裂具有重要影响。


2.2地下水对衬砌开裂的影响
隧址区降雨量丰富，雨季地下水较发育，隧道一些衬砌裂缝中有明显的渗水现象，由此推知，地下水很可能是导致软岩隧道衬砌开裂的一个重要因素。地下水对隧道衬砌开裂一方面通过地下水自身体现，主要包括作为附加荷载和对结构面、裂隙的冲刷作用;另外通过对围岩的作用体现。
2.2.1地下水自身的作用
当岩体裂隙中的水存在渗流状态时，位于地下水面以下的岩体将受到静水压力和渗流动水压力的作用。地下水自身对衬砌的影响通过静水压力和动水压力体现。静水压力作为附加荷载作用在衬砌上，促使衬砌发生破坏;动水压力是一种动态附加荷载，但地下水流速一般较低，动能小，所以起的作用有限;动水压力还能促使水流动，对裂隙、结构面产生冲刷作用，降低岩体的完整性和稳定性，进而通过岩体的破坏影响衬砌。
2.2.2地下水对软弱围岩的作用
研究区地下水对围岩的作用表现为软化作用和膨胀作用2方面。研究区隧道围岩绢云母和黏土矿物含量很高，这些矿物遇水发生化学反应，产生软化和膨胀等现象，导致围岩恶化，促使衬砌开裂。
1)软化作用
通过室内岩体物理力学性质试验，得出岩体单轴抗压强度与含水量的关系:当含水量由0.34%增加到2.15%时，绢云母片岩抗压强度由28.5MPa减小到3.21MPa，强度大大降低。通过研究隧道所在高速公路原状片岩抗剪强度的水敏性研究得到以下结论:①片岩饱水后剪切刚度变小，达到承载力极限时的剪切位移明显大于天然状态。②水对片岩抗剪强度特别是残余抗剪强度具有显著的弱化效应。片岩饱水软化后，黏聚力降低36.7%，内摩擦角降低4.6%，残余黏聚力降低66.7%，残余内摩擦角降低11.3%。由上述结果可知，研究区隧道围岩在地下水的软化作用下，抗压和抗剪强度下降，岩石性质恶化，促进衬砌开裂。
2)膨胀作用
岩石膨胀的必要条件是膨胀性岩石、水和应力。膨胀性岩石含有大量的蒙脱石、绿泥石和高岭石等矿物，研究区雨季地下水丰富，隧道强风化绢云母片X粉晶射线衍射试验结果显示黏土矿物含量高达52%;对于膨胀岩地区的地下工程，开挖后洞壁应力σr=0，即在洞壁附近，达到围岩膨胀的应力条件(σ＜σ0，σ0为初始应力);另外，爆破产生的裂隙、原有裂隙张开滑移甚至应力调整过程新产生的裂隙均为水的进入提供了必要的通道。在这两方面作用下，膨胀性围岩随即发生膨胀变形，产生膨胀应力，导致作用在支护上的荷载缓慢增加，进而可能促进衬砌的开裂。
2.3偏压对衬砌开裂的影响
偏压是产生隧道结构性裂缝的主要原因，偏压可能是由地质和地形条件不对称、结构不对称、衬砌回填不密实等引起。所研究隧道进口仰坡地形上为左厚右薄。纵向(走向)坡坡度最大可达35°，存在地形偏压(见图2)。
对于地形偏压隧道，开挖后，围岩应力发生了较大改变，在开挖扰动前，主应力(σ1)方向平行于山坡面，其在水平方向的分力产生偏压;当隧道开挖以后，岩体中应力重分布导致主应力方向偏转至σ1'方向，隧道断面右上角应力最大。开挖前后主应力方向及开挖后断面上应力分布情况如图3所示。偏压还会导致切向应力在岩壁附近出现局部集中，使岩土体发生剪切破坏。




所研究隧道进口段围岩受偏压影响产生应力集中，过渡到支护结构上，支护受偏压荷载的影响，在左侧的拱顶和拱腰部位产生局部应力集中，促使衬砌变形、开裂。现场激光隧道断面仪的测量结果显示，所研究隧道右线进口偏压段隧道衬砌的变形主要集中在左侧拱腰及拱顶，右侧变形量明显较小，衬砌裂缝也主要出现在左侧拱顶和拱腰。通过对所研究隧道偏压段裂缝的分析，推知偏压很可能是导致衬砌开裂的一个重要因素。
2.4其他因素对衬砌开裂的影响
衬砌开裂是多因素综合作用的产物。除上述3种重要客观因素外，场地工程地质和水文地质条件差，隧道纵向沉降差;混凝土收缩膨胀;施工方法不当，设计、施工管理不合理等都可能导致衬砌开裂的产生，应结合实际情况进行分析。
3衬砌开裂的相应防治措施
3.1裂缝防治原则
1)在保证隧道结构稳定性及防渗等要求的情况下，裂缝治理应以加固为主，拆换为辅。
2)应认真分析裂缝产生的原因和性质，根据不同受力情况，分别采取不同的治理措施。
3)裂缝处理后应能保证结构原有的承载能力、整体性及防水、抗渗性能。
4)处理方法力求简单易行，以符合经济合理原则。
3.2裂缝的防治措施
对于已产生的裂缝，处理以加固为主，拆换为辅。常用的整治措施有:衬砌外侧回填、压浆;凿槽嵌钢拱架;立模灌注混凝土;裂缝压注环氧树脂浆等。在实际施工中，更重要的是分析衬砌产生的原因，提前采取防治措施，杜绝或减少开裂的产生，对此，下面结合实例详细论述。
1)针对地下水的作用，在所研究隧道施工过程中，首先利用地质雷达和红外探水方法等物探方法，结合地质分析和勘察资料以及超前钻探，查明地下水的富集区域和径流路径，对于水量不大区段，采用钻孔疏导，将地下水排出，对于水量较大区段，考虑到排水疏导对施工的影响，采用注浆切断地下水的补给路径。通过这些措施，衬砌开裂伴有渗水的现象明显改善。
2)软弱片岩遇水软化和膨胀是导致软岩蠕变的重要原因，对地下水的处理亦能缓解软岩蠕变;所研究隧道衬砌开裂后，利用监控量测和超前地质预报资料，结合现场掌子面巡查，开挖前预测可能产生蠕变的围岩区段，在预测的软弱围岩段拱顶埋设超前注浆小导管，开挖后周围洞壁加设注浆锚喷支护，强化围岩;此外，考虑到软岩蠕变的特性，不能照搬新奥法的模式去充分利用围岩自稳能力，开挖后尽快施作初期支护。通过这些措施，衬砌开裂现象明显减少。
3)地形偏压现象出现在所研究隧道的洞口段;偏压促进隧道洞口衬砌开裂和侵限，对于这种严重开裂和侵限段，首先将初期支护钢拱架置换，因为偏压使隧道一侧受力较大，所以受力较大一侧置换成强度较大、间距较密的拱架，加厚初喷混凝土，并布置扇形注浆喷锚支护，且在拱脚处设计锁脚锚杆。经过这些处理措施，洞口段的开裂和侵限得到了很好的控制。
此外，要加强施工管理监理工作，建立有效的监督机制，严格按照设计要求施工，要做好开挖后现场工程地质、水文地质状况的补充调查工作，在施工开挖过程中，当发现现场条件与设计有出入时，应根据实际地质条件及时调整设计参数，必要时应改变原设计支护衬砌方案及施工方法;这些措施都将能减少衬砌开裂的发生，控制裂缝的发展。
4结语
1)鄂西北软弱片岩地区，因其不良地质条件和地层岩性，穿越该区的高速公路隧道衬砌开裂现象严重，需采取有效防治措施。
2)导致片岩区衬砌开裂的主要因素为:地下水、软岩蠕变和地形偏压。在这几种主要客观因素的作用下，再加上设计、施工等方面的原因，综合作用导致衬砌开裂。
3)对于已经产生的裂缝，处理要以加固为主、拆换为辅。对于易产生裂缝的地段应在施工前采取预测和防治措施，做到杜绝或减少裂缝的产生。