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(lèi)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(lèi)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(lèi)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(xiàn)一般比較接近于斷面軸線(xiàn)，而馬蹄形的斷面在圍巖壓力作用下的壓力拱軸線(xiàn)與襯砌斷面的軸線(xiàn)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(guān)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(lèi)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。
　　
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