浅谈隧道围岩病害及处治
摘要：由于隧道工程的特殊性，受地质、设计、施工、运营及运营管理和维修等因素的影响，出现的隧道病害也越来越多，有些隧道的病害已影响车辆的正常行使，甚至危及行车安全。为了使出现病害的隧道减少，有必要研究隧道出现病害的原因及相应的措施。本文首先阐述了隧道病害分类，其次，分析了隧道围岩病害情况及影响，同时，就如何有效处治隧道围岩病害进行了深入的探讨，具有一定的参考价值。
关键词：隧道,围岩病害,处治
1. 前言
随着隧道工程的大量增多，特长隧道、大断面隧道、连拱隧道、深埋隧道、软弱围岩隧道等典型隧道不断出现，促使隧道施工技术不断提高和完善。但是，由于隧道工程的特殊性，受地质、设计、施工、运营及运营管理和维修等因素的影响，出现的隧道病害也越来越多，有些隧道的病害已影响车辆的正常行使，甚至危及行车安全。为了使出现病害的隧道减少，有必要研究隧道出现病害的原因及相应的措施。在地下工程洞室施工中，对围岩的认识是非常重要的工作之一。只有对围岩性质进行清楚和正确的判定，才能在施工中采取行之有效的手段，顺利地实现施工的目标。
隧道围岩病害大多出现在软弱膨胀性围岩。软弱膨胀性围岩是指饱和抗压极限强度在30MPa以下，完整性系数在0.4以下的围岩，其工程性质主要表现在围岩自稳性差、节理发育、岩石风化严重。岩性大部分为泥岩、泥质粉砂岩和松散的碎石土，遇水极易软化。施工前应对软弱膨胀性围岩现场做认真调查，认真阅读设计文件，施工方案的编制应严格遵循“重地质、管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测、速反馈”的原则，并严格执行隧道施工的有关规范和标准。
2.隧道病害分类
根据病害的表现形式，隧道病害可分为衬砌开裂、衬砌漏水、隧道基底翻浆冒泥等。在进行隧道病害整治前，需对产生隧道病害的原因进行调查、分析，只有在调查清楚原因后，才能做到有的放矢，根据病害产生的原因，采取有针对性的工程措施。
如衬砌开裂，其性质有的属于受弯拉引起的，有的属于受剪切引起的，有的属于受压引起的，至于为何会出现开裂，既可能是施工质量问题，也可能是设计存在缺陷，或多种因素综合造成的，只有具体问题具体分析，很难一概而论。同样，针对产生原因的不同，相应的处理措施也不尽相同。从产生的原因出发，隧道病害一般可分为选线不当引起的病害、设计不合理可能预留的病害、施工不当预留的病害及维护不当引起的病害
3.隧道围岩病害情况及影响
(1)初期支护变形、破坏。结构下沉,喷射混凝土开裂掉块剥落。变形多数出现在起拱线以上的拱圈范围;变形严重地段变形量达几十公分以上,侵占二次衬砌的结构范围,致使二次衬砌结构断面尺寸不够,只好拆除初期支护重做。
(2)二次衬砌破坏。主要表现为:拱顶混凝土纵向劈裂,明显的挤压剪切破坏,表面混凝土剥落,钢筋外露;拱脚墙接合处变形呈错台等。
(3)坍方频繁,有初期支护完成之前的裸洞坍方,还有最为严重,损失最大的初期支护完成后发生的坍方。
隧道围岩病害除受工程地质和水文地质条件影响外，还有形成病害的其他原因，例如，施工处治不当、不及时;支护结构弱等原因。由于施工方法上存在着缺陷，施工程序不合理，使病害在最后的混凝土面上表现出沉落、变形、侵限。隧道地质构造破碎软弱，开挖后要尽快形成一个高强度的封闭结构环，来抑制围岩的过量变形、松弛，这就是初支应达到的功效及最终目的。
4.如何有效处治隧道围岩病害
(1)优化开挖方法
在开挖方法上不宜过多地划分开挖区域,这样会不利于初支的尽快形成,难以保证结构的整体性。上部开挖完成后,利用下部高度,实施顶拱初支,如遇围岩极为破碎软弱时,可采取保留上部核心土,顺开挖轮廓线用风镐凿槽,形成上部初支,保留中部核心土,既避免了过多暴露开挖掌子面,又可起到抵抗体及施工平台的双重功效。下部开挖采取的措施:a.防止上部初期支护沉落、变形,如上部钢支脚加设深孔锁脚锚杆长(L≥5 m);b.设置临时纵向托梁与临时支撑等;c.尽量避免扰动上部围岩,特别在靠近开挖面处要采取“预留保护层”和人工凿挖的办法
(2)采用复合式衬砌结构
软弱膨胀性围岩隧道,宜设计采用复合式带仰拱的衬砌结构型式。这是因为,当隧道有合理支护条件的情况下,岩层会逐步释放能量,调整各层支护衬砌内力,充分发挥外层支护在三维应力作用下的抗压强度,钢拱架及时提供抗力,限制围岩变形,减少内层衬砌所承受的接触应力。内层衬砌主要承受后期继续增加的不均匀的膨胀围岩压力,使衬砌结构长期稳定。据有关实验研究和对全国铁路运营隧道裂损衬砌调查证明,在松散破碎地层和软弱膨胀性围岩隧道中,底压力经常接近或大于垂直地压力,常使底板裂断,隧底上鼓,边墙下部内移,使衬砌失稳破坏。因此仰拱是结构的受力关键部位,设计和施工应予以足够的重视。
(3)衬砌断面内轮廓型式的影响
国内外对软弱膨胀性围岩隧道的研究发现,隧道断面内轮廓形状,对岩石的膨胀性有很大的影响。德国学者根据膨胀规律和有限元计算的研究,结果表明,马蹄形断面轮廓底鼓几乎是圆形的四倍。根据国内外268组实测地应力的数据得出结论,在地壳一定深度的水平应力往往大于垂直地应力,有时甚至大3~5倍,故圆形轮廓和接近圆形的椭圆形轮廓适宜软弱的软弱膨胀性围岩隧道。
从调研资料看,由于满足净空限界的需要,国内外隧道大多采用马蹄形断面,少数采用圆形。近些年来,我国学者对隧道支护衬砌受力特性和仰拱作用的实验研究证明,马蹄型断面在承受不同方向主应力时的破坏形态结论是,仰拱及其与边墙连接处是结构的薄弱环节,因此,在膨胀性围岩设计和施工中,宜在现有单、双线马蹄型断面基础上,采取边墙与仰拱圆顺连接,以减小应力集中,发挥仰拱的最大作用。我国关角隧道、崔家沟隧道等设计的直墙无仰拱衬砌,病害严重。香炉山水工隧洞在膨胀性围岩地层中施工时,将直墙断面改为马蹄形带仰拱断面,受力条件得到改善。
(4)二次衬砌混凝土施工
就隧道围岩施工而言,“先拱后墙”,由上至下的混凝土施作次序是极为不可取的,弊端表现为：
1)上部悬空会造成构造物变形、下沉;2)在一个完整的断面未全部进行完初支的情况下,插入混凝土施工,工序相互干扰大,不符合新奥法施工原理的高效、及时性;3)造成结构配筋,施工缝难以处理。
可以实施底部仰拱超前浇筑,可建立底部约束条件,形成一封闭环,底部混凝土的超前,还可达到几个功效:a.封闭地基,防止地基被水浸泡软化。b.使已完成的墙、拱初支建立起底部约束条件,以墙、拱初支结构共同形成一封闭环。c.底部仰拱超前,使作用在二衬混凝土上的荷载,在基底面上按刚度比进行传递分布从而改善提高地基承载力。
5.结语
由于软弱膨胀性围岩地质较为复杂,变化频繁,要成功地渡过软弱膨胀性围岩的前提就是地质工作,只有做好地质工作,掌握准确的围岩情况,才能正确选择好施工方案和有效的处治方案。
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