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摘要：某铁路客专隧道衬砌左边墙出现长距离的纵向裂缝。根据现场踏勘情况,采用室内试验和数值模拟的方法分析了隧道衬砌产生纵向裂缝的主要原因:山坡地表线路左侧的陷坑有利于地表大气降雨大量渗人地层到达隧道左侧围岩;此时软(弱)板岩便会浸泡于水中，因为受到膨胀力作用的影响，从而导致衬砌形成极大的拉应力。在整治这类裂缝时，通过灌胶抑或是在两侧打骑缝锚杆就能够达到整治目的。整治后裂缝状态稳定。在隧道衬砌出现裂缝后,应根据裂缝的形态及位置分析和找出裂缝的诱因,并据此确定针对性的整治技术借施,才能达到较好的治理效果。本文针对某铁路客专隧道衬砌左边墙出现纵向裂缝的问题,分析衬砌裂缝产生的原因,制定相应的整治技术措施,以保证隧道运营安全。
关键词：隧道衬砌；纵向裂缝；软板岩；裂缝整治
一、工程概况
在设计某客运专线之时，隧道属于单洞双线形式，同时专线速度达到每小时两百千米。在隧道的衬砌裂缝部分，隧道埋深不低于六十一米，不超过七十二米。其上覆盖的是呈褐黄色的粘土，这类粘土中有一些碎石存在，同时表层聚集着大量的腐殖质，这类粘土通常在山坡表层最为常见，其厚度不低于0.7米，不超过2.2米。然后是呈灰绿以及褐黄色的强风化板岩，这类板岩为板状构造，岩芯为破碎的块状，裂隙处存在许多铁锰质氧化物;而泥质以及砂纸板岩的局部则有千枚岩存在。另外还有颜色为青灰以及灰绿色的弱风化板岩，其构造和强风化板岩相同，其岩层倾角不低于十五度，不超过二十度。而地下水主要由两部分构成，一个是渗入的地表水；一个是裂隙水。在施工期间并未发现地下水。
该段隧道衬砌结构属于开挖跨度达到13.32米的IVa级围岩复合式衬砌。四十厘米厚度的C30混凝土是其二次衬砌，而二十三厘米的C25混凝土则喷到了初期支护拱墙上，此处， 三台阶法是此隧道的施工手段，1 m/榀是其钢拱架的纵向间隔距离。拱墙衬砌每次浇筑长度为12m。
二、衬砌裂缝情况
隧道施工完成后在建设方检查拱部空洞时发现衬砌左边墙处在总计连续90m范围二衬出现纵向裂缝。裂缝位置主要出现在隧道左侧边墙最大跨以上约0.5~1.2m处,裂缝基本呈水平方向,在环向施工缝处错开,发现衬砌裂缝后立即对裂缝扩展情况进行了两个月余的现场监测,并采用超声波测缝仪对裂缝深度进行测定,最后对衬砌裂缝较宽处钻取岩芯验证裂缝深度。监测结果表明:裂缝已经停止发展。裂缝宽度0.1~0.5 mm,深度5~15 cm。
三、裂缝产生原因分析
3.1 围岩取芯探查情况
在裂缝宽度较大的里程段验证衬砌裂缝深度时继续向围岩钻取岩芯,结果显示:钻孔中有裂隙水渗出,这表示围岩已经破碎，同时其缝隙水已饱和，其并不够完整，在岩性方面，主要包括两类岩石，这两类岩石一个是砂质岩；一个是泥质板岩，同时泥质板岩主要分布在裂隙上下1.2~. 1.8m。衬砌边墙后密实无空洞。通过对此隧道工程区进行分析能够发现，该区域拥有温暖多雨的气候，每年四月到七月是其多雨季。同时它的山顶坡度并不陡峭,植被发育,线路走向左侧距隧道中线约20m处存在一不规则长条形陷坑,宽度6~10 m,长约80 m,最深处约2.3m。
3.2 裂缝产生机理
由于地表植被条件较好、低洼地形的存在及降雨量丰沛等原因,为大气降雨入渗进入地层提供了有利条件,另外上层岩层风化严重导致节理裂隙极其发育而形成较为通畅的地下水渗流通道。虽然在隧道施工阶段并未见到地下水,但由于隧道开挖爆破作用导致隧道周边围岩中裂隙数量增加并使原生裂隙扩展,从而导通了从地表到隧道周边的渗流通道,最终使衬砌裂缝处岩层受地下水浸泡而饱和。板岩在受水浸泡后发生膨胀而产生不均匀的侧向膨胀压力,围岩侧向压力也相应增加,使衬砌内侧拉应力大于C30混凝土的极限抗拉强度而产生开裂,但由于板岩的膨胀力已发挥至极限,所以裂缝处于停止状态。关于板岩受水浸泡产生膨胀特性,已经有相应的研究成果予以证实。
3.3板岩膨胀特性
为验证板岩的膨胀性,选择没有被水浸泡过岩芯在实验室进行膨胀力试验。
在体积受约束条件下,在软板岩浸水的初期,膨胀力迅速增加,10 h后逐步趋于平稳,3个软板岩试件膨胀力平均值为289.1 kPa,最大膨胀力达到321.2 kPa,由此可见,在地表降雨入渗进入地层、渗流沿着裂隙到达隧道边缘的泥质板岩时,发生体积膨胀。当软板岩浸水之后便会出现膨胀变形这一状况。因为在刚度方面，衬砌混凝土比围岩高得多。因此当软板岩变形时，其旁边的围岩便是第一个受到挤压的，然而因为隧道和膨胀源距离并不远，所以在受到初支作用的影响下，隧道边墙便会受到膨胀力的影响,此时衬砌内侧会出现较大拉应力,混凝土表面便会有裂缝出现。
四、衬砌裂缝整治
在建设方发现隧道衬砌裂缝后,施工单位立即对裂缝状态进行了两个月余的监测,结果表明裂纹长度及宽度均未进一步发展,裂缝已处于停止状态。由于隧道建成后已经历了一个雨季,因而可以认为衬砌裂缝外的软板岩已经达到了其极限膨胀力,裂缝发展的可能性很小。据此可根据裂缝宽度和深度的不同,制定相应的裂缝整治方案。
4.1隧道山坡陷坑整治
隧址区降雨量丰沛,为尽可能减少衬砌裂缝段隧道地表大气降雨入渗地层的水量,在隧道山坡左侧的陷坑下游开挖排水沟,将大气降雨汇流后尽快排走,避免陷坑中出现积水入渗地层。
4.2衬砌裂缝灌注
衬砌裂缝的出现,使得混凝土暴露在空气中的表面积增大,有利于混凝土的碳化,从而对结构的耐久性产生不利影响,为此对所有裂缝均采用流动性及力学性能较好的瑞士生产的Araldite 111 A/B型双组分混凝土结构修补胶进行灌缝封闭,避免空气进入裂缝,保证衬砌结构的耐久性。该双组分胶体室温固化触变性环氧胶,在25 ℃时混合后25min可以凝固,用专用的针管注射装置对裂缝进行灌注。该加固胶的主要力学参数:抗弯、抗拉以及抗压强度分别达到54、33以及81MPa,抗拉弹性模量4 800 MPa,与混凝土粘结抗拉强度3.32 MPa.
4.3 深裂缝整治
对于裂缝深度不大于衬砌厚度25%(10cm)的裂缝,除了对裂缝灌注高分子胶之外,不再对结构补强。对于裂缝深度大于10cm而小于衬砌厚度30%(12cm),且裂缝连续长度不超过6m的裂缝除了对裂缝灌注高分子胶之外,不再进行结构补强;裂缝连续长度超过6m的裂缝,在裂缝两侧50cm打设骑缝Ф25mm树脂锚杆,纵向间距3m对于裂缝深度大于衬砌厚度30%(12cm),在裂缝两侧50cm打设骑缝Ф25mm树脂锚杆,纵向间距2m。由于打设锚杆需要穿透防水板破坏原来的防水体系,因而需要在锚杆端部设置止水装置并加装垫板。
五、结论
以南方某客专隧道为工程背景,采用现场踏勘、室内试验和数值模拟等方法对隧道衬砌边墙产生连续纵向裂缝的原因进行了分析,并针对裂缝状态给出了相应的整治措施。所得主要结论如下:
(1)隧道山坡坡度平缓,线路左侧存在长条形的陷坑,大气降雨后形成水坑,为大气降雨大量入渗地层创造了有利条件。
(2)隧道衬砌开裂处的围岩为具有浸水膨胀特性的软板岩。考虑侧向膨胀压力作用下的隧道衬砌结构力学分析表明,在软板岩浸水膨胀后,衬砌安全系数迅速诚小及内表面拉应力快速增大并大于其极限抗拉强度而出现拉裂缝。
(3)根据衬砌裂缝的状态,采用裂缝灌胶和在深长裂缝两侧打设骑缝锚杆对裂缝进行整治。裂缝整治后已有1.5 年余,裂缝状态稳定。
参考文献
[1]张建平.铁路隧道衬砌纵向裂缝产生原因分析及整治[J].国防交通工程与技术,2019,17(04):14-17.