摘　要：我國(guó)已建成的隧道工程中有很大一部分屬于土質(zhì)隧道，土質(zhì)隧道由于其介質(zhì)的特殊性及施工過(guò)程易于發(fā)生塌方等原因，使建成的土質(zhì)隧道或多或少都存在大大小小的裂縫，給正常的運(yùn)營(yíng)管理帶來(lái)很大的困難。如何預(yù)防或減少土質(zhì)隧道的裂縫是廣大隧道工作者的責(zé)任，本文從土質(zhì)隧道受力變化及設(shè)計(jì)施工等各個(gè)方面分析了土質(zhì)隧道產(chǎn)生裂縫的原因，并在此基礎(chǔ)上提出了預(yù)防或減少土質(zhì)隧道裂縫的方法。
　　主題詞：土質(zhì)隧道　裂縫分析及預(yù)防
　　
　　1.前言
　　近幾十年來(lái)我國(guó)在各種工程中修建了數(shù)以千計(jì)的隧道工程，其中土質(zhì)隧道占了很大的比重。本文所說(shuō)的土質(zhì)隧道包含公路、鐵路、地下鐵道工程中在土質(zhì)圍巖中修建的隧道工程。經(jīng)過(guò)國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)大部分已建成運(yùn)營(yíng)的土質(zhì)隧道或多或少都存在襯砌開(kāi)裂的現(xiàn)象，嚴(yán)重的經(jīng)常影響到運(yùn)營(yíng)安全。許多工程剛剛完工還未交付使用就已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，這一現(xiàn)象在鐵路隧道中尤為常見(jiàn)。如果是個(gè)別土質(zhì)隧道出現(xiàn)一些襯砌開(kāi)裂的現(xiàn)象，也不值得大驚小怪，問(wèn)題是，近年來(lái)土質(zhì)隧道襯砌發(fā)生襯砌裂縫幾乎已成了普遍現(xiàn)象。神木至延安鐵路的十幾座土質(zhì)隧道在施工過(guò)程中都曾出現(xiàn)大大小小的裂縫，陜西境內(nèi)的多座公路隧道在投入使用后幾年時(shí)間都曾進(jìn)行過(guò)裂縫防水整治。全國(guó)其它地方關(guān)于土質(zhì)隧道病害的事例更是不勝枚舉，以上實(shí)例充分說(shuō)明，土質(zhì)隧道發(fā)生裂縫已不是個(gè)別現(xiàn)象，隧道工程技術(shù)人員對(duì)此應(yīng)予以足夠的重視。本文從土質(zhì)隧道受力變化機(jī)理、及設(shè)計(jì)施工等方面談一點(diǎn)看法，旨在拋磚引玉。
　　
　　2.土質(zhì)圍巖中開(kāi)挖洞室后洞周應(yīng)力演變
　　2.1土的認(rèn)識(shí)
　　土是巖石經(jīng)風(fēng)化作用（包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化及生物風(fēng)化），然后以不同的搬運(yùn)方式在不同的地點(diǎn)堆積下開(kāi)的歷史產(chǎn)物。土是多相介質(zhì)的堆積物，它的種類繁多，按成因不同從大的方面可分為殘積土、沉積土（沉積土可進(jìn)一步細(xì)分為陸地流水沉積土、陸地靜水沉積土、冰川沉積土、風(fēng)成沉積土、海相沉積土）、土壤層。土的結(jié)構(gòu)一般有單粒結(jié)構(gòu)、蜂窩結(jié)構(gòu)、絮狀結(jié)構(gòu)等，土的工程性質(zhì)主要取決于土的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、礦物成分、粒度成分及孔隙中水溶液的性質(zhì)等，另一方面也取決于生成年代的長(zhǎng)短、地理?xiàng)l件的變遷等。土體的固體顆粒之間及顆粒與水之間的相互作用，使土的物理力學(xué)性質(zhì)很復(fù)雜。目前還沒(méi)有一種嚴(yán)格的理論來(lái)表達(dá)土的力學(xué)性質(zhì)，工程上還在把土當(dāng)成簡(jiǎn)單的彈性體或理想的彈塑性體，在土力學(xué)中大量的應(yīng)用彈性理論或彈塑性理論，這種近似的方法不能準(zhǔn)確的反映實(shí)際情況。
　　2.2土層中開(kāi)挖洞室后洞周應(yīng)力的變化過(guò)程
　　大量的隧道工程就修建在由各種不同結(jié)構(gòu)不同性質(zhì)的土層構(gòu)成的土質(zhì)圍巖中，在地下洞室開(kāi)挖以前，土層中的各點(diǎn)均處于三向受力的平衡狀態(tài)，但這種平衡狀態(tài)并不是一成不變的，隨著自然界的地殼運(yùn)動(dòng)，隨著風(fēng)吹日曬，雨水滲透，地層中的應(yīng)力變化無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著。當(dāng)?shù)叵露词议_(kāi)挖后，地層中的應(yīng)力平衡就遭到破壞，為了維持新的平衡，人們采取了各種各樣的方法，在多種方法中，新奧法（NATM）的理論無(wú)非是最新穎，最科學(xué)的方法，它徹底改變了很久以來(lái)人們對(duì)地下洞室開(kāi)挖支護(hù)的認(rèn)識(shí)，把圍巖作為受力結(jié)構(gòu)的一部分，這是一個(gè)聰明而又科學(xué)的想法。
　　在我們?yōu)檫@個(gè)科學(xué)的方法而欣喜，以為新奧法可以解決地下工程中的所有問(wèn)題時(shí)，我們卻不得不面對(duì)許多完全按新奧法原理設(shè)計(jì)施工的隧道工程出現(xiàn)許多裂縫的事實(shí)。為什么會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題呢？設(shè)計(jì)者們翻來(lái)覆去的檢查了他們采用的原始數(shù)據(jù)及計(jì)算過(guò)程，都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有什么差錯(cuò)，可就是按此方法設(shè)計(jì)的土質(zhì)隧道越來(lái)越多的出現(xiàn)裂縫。其實(shí)，這其中最大的原因就在于我們把自然界動(dòng)態(tài)的過(guò)程當(dāng)成靜態(tài)過(guò)程來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。試想一想，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用的反映圍巖特性的重要指標(biāo)γ、C、φ值，是不是從我們?cè)O(shè)計(jì)隧道開(kāi)始就不會(huì)再有變化？我們?cè)跍\埋隧道設(shè)計(jì)中采用的計(jì)算圍巖壓力的方程中的滑移面是否在我們?cè)O(shè)計(jì)完隧道后就不會(huì)再有變化？由此計(jì)算出的淺埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì)再有變化？我們?cè)谏盥袼淼赖脑O(shè)計(jì)中采用的坍落拱計(jì)算高度是否在我們?cè)O(shè)計(jì)后就不會(huì)再有變化？由此計(jì)算出的深埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì)再有變化？我們?cè)谒淼涝O(shè)計(jì)中采用的各種荷載形式是否就與實(shí)際一致？我們所采用的各種襯砌形式是否適應(yīng)地層中的應(yīng)力變化？如果我們對(duì)以上問(wèn)題都能有明確肯定的回答，我想隧道襯砌肯定是不會(huì)產(chǎn)生裂縫的。
　　土質(zhì)圍巖中修建的隧道自從洞室被開(kāi)挖的那一刻起，圍巖中的應(yīng)力重分配就重新開(kāi)始，如果是按新奧法原理設(shè)計(jì)，在初襯達(dá)到變形穩(wěn)定后只能說(shuō)是達(dá)到了一次暫時(shí)的平衡，二襯施工后，不論是設(shè)計(jì)者還是施工者都會(huì)確信工程已經(jīng)高質(zhì)量的完工了。實(shí)際并非如此，在大家毫不關(guān)心的情況下，在自然界降水的作用下，或在土層被擾動(dòng)后進(jìn)行的長(zhǎng)期的固結(jié)作用下，洞周地層中的應(yīng)力已經(jīng)和隧道設(shè)計(jì)或剛建成時(shí)發(fā)生了很大的變化，初襯和二襯卻還在努力的抵抗著不斷變化的地層應(yīng)力，如果初襯和二襯的強(qiáng)度足夠大，能夠應(yīng)付后來(lái)發(fā)生的應(yīng)力變化，那末這個(gè)工程在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)可以放心地使用。如果不能夠抵抗后期發(fā)生的應(yīng)力變化，隧道襯砌就會(huì)用各種各樣的裂縫表現(xiàn)出它所遭受的各種無(wú)法承受的壓力。以上主要是想說(shuō)明，土質(zhì)圍巖中的洞室開(kāi)挖后，應(yīng)力的變化是一直在進(jìn)行著的，施工過(guò)程中初襯的穩(wěn)定并不表示圍巖變形的完成及應(yīng)力分配的終結(jié)。土層被擾動(dòng)以后的再次固結(jié)是一個(gè)相當(dāng)漫長(zhǎng)的過(guò)程，洞室開(kāi)挖后引起地層中水流路徑的變化也是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，洞周地層中的應(yīng)力時(shí)刻都在發(fā)生著變化。因此，對(duì)于許多土質(zhì)隧道建成后多年才出現(xiàn)裂縫就不難理解了。
　　
　　3.土質(zhì)隧道裂縫產(chǎn)生原因分析
　　土質(zhì)隧道中產(chǎn)生的裂縫、滲漏水現(xiàn)象，一方面是由設(shè)計(jì)原因造成的，另一方面是由于施工管理不當(dāng)造成的。它是結(jié)構(gòu)內(nèi)部受到與設(shè)計(jì)狀態(tài)不同的應(yīng)力的反映，同時(shí)也與施工過(guò)程中由于人為的因素改變了洞室的受力狀態(tài)有很大關(guān)系。
　　3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算與實(shí)際不符，后期變形應(yīng)力在設(shè)計(jì)中未能反映
　　在現(xiàn)在的公路鐵路地鐵隧道設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)情況將隧道的設(shè)計(jì)分為淺埋隧道和深埋隧道兩種情況。淺埋情況下以洞頂上所有覆土壓力作為設(shè)計(jì)荷載；深埋隧道的設(shè)計(jì)考慮坍落拱效應(yīng)，只計(jì)部分圍巖壓力。在荷載的計(jì)算中采用的是經(jīng)過(guò)調(diào)查或試驗(yàn)得到的土的物理力學(xué)參數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)模式存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題，第一，人為確定的隧道洞室的荷載模式與實(shí)際的洞室受力狀況有很大的區(qū)別，把受力復(fù)雜的地下工程簡(jiǎn)單的采用類似受力明確的框架進(jìn)行計(jì)算，忽略了土質(zhì)圍巖的特殊性，而這些特殊性恰恰是引起地下洞室日后病害的主要原因。第二，設(shè)計(jì)中采用的許多土層的物理、力學(xué)指標(biāo)在洞室開(kāi)挖后都會(huì)發(fā)生變化，但設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程卻無(wú)法反映出以后這方面的變化，以定態(tài)的參數(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)去適應(yīng)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力變化，是對(duì)結(jié)構(gòu)受力的過(guò)程不全面的反映，同時(shí)也是對(duì)土層中洞室開(kāi)挖后的應(yīng)力變化過(guò)程認(rèn)識(shí)不透徹的表現(xiàn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中長(zhǎng)期以來(lái)忽略了地下水的影響，在隧道的設(shè)計(jì)中僅僅是考慮在有水的情況下將圍巖級(jí)別予以降低，在沒(méi)有水的情況下則對(duì)水的因素不加考慮。先說(shuō)有水時(shí)的情況，對(duì)土質(zhì)隧道來(lái)說(shuō)，地下水對(duì)工程的影響體現(xiàn)在以下方面，其一影響了土的物理力學(xué)指標(biāo)，這點(diǎn)可從圍巖級(jí)別的降低上得到部分的反映，其二影響了土層中洞室開(kāi)挖后的應(yīng)力狀態(tài)。土質(zhì)圍巖中有水時(shí)，洞室開(kāi)挖后將破壞原來(lái)的賦存環(huán)境及水力路徑，在洞室完成后會(huì)重新形成新的水力路徑，在這個(gè)過(guò)程中，由于水的影響，必然導(dǎo)致洞室周?chē)翂毫顟B(tài)與設(shè)計(jì)時(shí)有很大的不同，而提高圍巖級(jí)別卻不能反映出這種影響，故從根本上說(shuō)，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)土質(zhì)圍巖中水的因素是沒(méi)有考慮的。在勘察未見(jiàn)地下水的情況下，修成的洞室卻往往存在漏水的情況，這說(shuō)明土質(zhì)圍巖中的水力路徑會(huì)隨著洞室的開(kāi)挖而變化，從而使開(kāi)挖時(shí)干燥的洞室在運(yùn)營(yíng)后數(shù)年出現(xiàn)漏水的現(xiàn)象。
　　3.2設(shè)計(jì)粗糙，結(jié)構(gòu)形式與受力不協(xié)調(diào)
　　由于土質(zhì)圍巖組成狀態(tài)的不同，導(dǎo)致洞室周?chē)魈幨芰顟B(tài)的不同，而現(xiàn)在的設(shè)計(jì)卻存在著設(shè)計(jì)粗糙、結(jié)構(gòu)形式單一，盲目類比不加深究的現(xiàn)象。從土質(zhì)隧道的病害情況看，公路隧道的病害比鐵路隧道的病害少，病害的程度也比較輕。其中很重要的原因是，公路隧道的斷面形式在受力方面比鐵路隧道的斷面合理。公路隧道的斷面一般采用三心圓或割圓，而鐵路隧道的斷面一般采用馬蹄形斷面。三心圓或割圓的斷面形式在圍巖壓力的作用下壓力拱軸線一般比較接近于斷面軸線，而馬蹄形的斷面在圍巖壓力作用下的壓力拱軸線與襯砌斷面的軸線相差較大，由此就會(huì)在襯砌斷面上產(chǎn)生很大的附加應(yīng)力。
　　設(shè)計(jì)中對(duì)于圍巖變化處未做有效的處理，當(dāng)存在不均勻沉降時(shí)導(dǎo)致襯砌的破裂；長(zhǎng)大段落的隧道結(jié)構(gòu)未按要求設(shè)置伸縮縫，在長(zhǎng)期的溫度變化作用下導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生裂縫。
　　3.3施工過(guò)程中未嚴(yán)格按新奧法要求施工，使襯砌產(chǎn)生裂縫
　　雖然在前文的論述中曾談過(guò)新奧法設(shè)計(jì)有其不足之處，但從現(xiàn)階段的理論和實(shí)際來(lái)看，新奧法理論仍是目前地下洞室設(shè)計(jì)和施工的最好的指導(dǎo)理論。但在大量的土質(zhì)隧道施工過(guò)程中，新奧法并未被正確完整的貫徹，大多數(shù)工程的施工并未按新奧法的要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)和施工管理。尤其在施工的過(guò)程中沒(méi)有認(rèn)真的對(duì)待量測(cè)環(huán)節(jié)，當(dāng)然也就不能以量測(cè)資料指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。有的工程在最關(guān)鍵的收斂穩(wěn)定的判別上也往往以人眼觀察代替量測(cè)，這些對(duì)新奧法的斷章取義或認(rèn)識(shí)不清最終導(dǎo)致了各種各樣的工程事故的發(fā)生，也導(dǎo)致了最終的工程質(zhì)量問(wèn)題。
　　3.4施工管理方面不善，工程質(zhì)量不高
　　施工過(guò)程的管理未嚴(yán)格按國(guó)家的有關(guān)規(guī)范規(guī)程辦理，具體表現(xiàn)在混凝土配合比達(dá)不到強(qiáng)度要求；施工振搗不密實(shí)導(dǎo)致襯砌中有蜂窩使混凝土強(qiáng)度降低；坍方處理不當(dāng)襯砌背后留有孔洞；超挖回填不密實(shí)、欠挖不修整導(dǎo)致的襯砌受力與設(shè)計(jì)不符；背棄新奧法思想，在初襯變形未收斂的情況下施做二襯；拆模時(shí)間過(guò)早導(dǎo)致襯砌早期強(qiáng)度不足；冬季施工管理不善導(dǎo)致混凝土達(dá)不到強(qiáng)度要求；施工用水管理不善，導(dǎo)致基底被水浸泡，使襯砌產(chǎn)生不均勻沉降等。
　　
　　4.預(yù)防及減少土質(zhì)隧道裂縫的措施
　　4.1加強(qiáng)土質(zhì)圍巖中洞室開(kāi)挖后初期穩(wěn)定與長(zhǎng)期受力變化特點(diǎn)的研究，更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工
　　加強(qiáng)地下洞室應(yīng)力變化基礎(chǔ)方面的研究，弄清各類地下結(jié)構(gòu)在土層中的受力特點(diǎn)，研究土質(zhì)圍巖中地下洞室長(zhǎng)期應(yīng)力的變化情況及各種不同情況下土中應(yīng)力的相應(yīng)變化。著重研究在新奧法后階段土層中應(yīng)力的變化情況，明確在各種不同的地質(zhì)條件下，土的物理力學(xué)參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，以此指導(dǎo)設(shè)計(jì)。
　　4.2有針對(duì)性的進(jìn)行精細(xì)設(shè)計(jì)
　　針對(duì)不同的受力特點(diǎn)在斷面形狀、局部受力強(qiáng)度等方面進(jìn)行深入細(xì)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)與應(yīng)力達(dá)到協(xié)調(diào)統(tǒng)一。
　　4.3加強(qiáng)施工管理，保證工程質(zhì)量
　　在洞室開(kāi)挖管理、混凝土質(zhì)量管理、量測(cè)控制管理、施工工序等方面加強(qiáng)管理，杜絕塌方事故的發(fā)生，以嚴(yán)格的管理制度保證工程質(zhì)量。
　　
　　5.結(jié)論
　　土質(zhì)圍巖中開(kāi)挖洞室雖然有很長(zhǎng)的歷史，但我們對(duì)土質(zhì)圍巖中的應(yīng)力變化至今仍不清楚，由此導(dǎo)致的工程設(shè)計(jì)不是太保守就是不安全。今后應(yīng)在這個(gè)方面進(jìn)行廣泛的基礎(chǔ)研究，特別是應(yīng)加強(qiáng)對(duì)土質(zhì)圍巖在洞室修成后的長(zhǎng)期應(yīng)力變化的研究，加強(qiáng)洞室修成后在自然降水作用下洞周應(yīng)力的研究，搞清洞室修成后土中物理、力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。在設(shè)計(jì)中一定要針對(duì)不同的地層情況、不同的地層參數(shù)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)能適應(yīng)應(yīng)力的變化；加強(qiáng)施工管理，實(shí)現(xiàn)信息化施工?？傊?，應(yīng)采取各種措施減少地下洞室產(chǎn)生裂縫，減少財(cái)產(chǎn)的浪費(fèi)，改善地下洞室的應(yīng)用環(huán)境。
　　
　　參考文獻(xiàn)
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