4、裂拱機(jī)理分析
　　
　　4.1水文地質(zhì)環(huán)境的變化
　　
　　裂拱段在施工過程中未發(fā)現(xiàn)地下水，但由于地表出露節(jié)理發(fā)育、風(fēng)化嚴(yán)重的砂巖，雨季大氣降水便沿著節(jié)理裂隙滲入地下，達(dá)到拱部粘土巖。因而，隨著雨季的來臨，地表大氣降水的滲入改變了施工時所描述的“較干燥，無地下水”的水文地質(zhì)環(huán)境。
　　
　　4.2粘土巖的膨脹機(jī)理
　　
　　蒙脫石晶格構(gòu)造如圖1所示。它是由兩個硅片中間夾一鋁片構(gòu)成。其特點是晶包之間由O-2聯(lián)結(jié)，所以聯(lián)結(jié)力很弱，晶體格架具有異常大的活動性。水分子可無限地進(jìn)入晶格之間而產(chǎn)生膨脹。伊利石與蒙脫石一樣，具有三層結(jié)構(gòu)，見圖2，只是它在晶包之間是由K+或Na+粒子所聯(lián)結(jié)。因此，伊利石晶格之間的聯(lián)結(jié)作用比蒙脫石強(qiáng)，比高嶺石弱，遇水膨脹，失水收縮等作用不及蒙脫石顯著。高嶺石晶格構(gòu)造如圖3所示，它是由一個硅片和一個鋁片上下重疊而成，并以此無限延伸。其最大特點是晶包之間通過O-2與OH-1相互聯(lián)結(jié)，其聯(lián)結(jié)力很強(qiáng)，致使晶格不能自由活動，不允許水分子進(jìn)入晶包之間，是遇水較為穩(wěn)定的粘土礦物。蒙脫石的比表面積是伊利石的10倍，是高嶺石的80倍，因而蒙脫石具有很強(qiáng)的吸水膨脹作用[3、4].
　　
　　由于泥巖中的粘土礦物（蒙脫石、伊利石）遇水膨脹，而泥巖所處位置又在襯砌拱部兩側(cè)，所以粘土巖吸水后產(chǎn)生的膨脹力直接作用在拱部兩側(cè)，致使在兩側(cè)拱腰受到正彎矩的作用，拱腰截面洞內(nèi)側(cè)受拉而產(chǎn)生拉裂縫。由于此段圍巖基本上是水平成層，所以兩側(cè)拱腰處的拉裂縫能夠沿隧道縱軸方向延伸較長距離。
　　
　　4.3隧道裂拱力學(xué)行為分析
　　
　　該段裂拱隧道都屬于深埋，隧道穿越部位的構(gòu)造應(yīng)力十分微弱，故隧道襯砌所受圍巖壓力主要是襯砌自重、圍巖松弛荷載q和圍巖產(chǎn)生的彈性抗力。
　　
　　在正常情況下，三類圍巖單線電化隧道襯砌兩側(cè)拱腰承受都是負(fù)彎矩的小偏心受壓，所以能夠充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度很低的性能。而實際受力情況與圍巖干燥時相比產(chǎn)生了巨大變化，使兩側(cè)拱腰截面洞內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了較大的切向拉力。整個隧道襯砌的彈性抗力區(qū)也發(fā)生了很大變化。
　　
　　如前所述，隧道拱頂為砂巖，其彈性抗力系數(shù)依據(jù)Ⅳ類圍巖的彈性抗力系數(shù)取值。其它各處的彈性抗力系數(shù)依據(jù)Ⅲ類圍巖取值，可根據(jù)所處的圍巖情況適當(dāng)增減。彈性抗力的方向假定沿徑向。圍巖容重γ=20.0kN/m3，對于Ⅲ類圍巖深埋隧道，得到松動壓力q=81.4kN/m2[5].根據(jù)表2中測得的膨脹壓力Pp=0.34MPa，相當(dāng)于拱部的側(cè)向壓力系數(shù)提高到λ1=Pp/q=4.2.而Ⅲ類圍巖隧道側(cè)壓力系數(shù)一般為0.15～0.30[5].邊墻處圍巖為碳質(zhì)泥巖與煤巖互層，可取λ2=0.30.以斷面1為例，對襯砌進(jìn)行力學(xué)分析，經(jīng)計算[6，7]，兩側(cè)拱腰承受正彎距（大偏心受壓），計算圖式及其N、M圖見圖4所示。拱腰處截面e=M/N=204/584=0.35m，相對偏心距e/h=0.68.此截面處產(chǎn)生的拉應(yīng)力бl=3.53MPa，是襯砌混凝土抗拉強(qiáng)度的約2倍，因而該處截面首先被拉壞。由于作用于襯砌上荷載及襯砌結(jié)構(gòu)的對稱性，導(dǎo)致了拱腰處裂縫走向基本上與隧道軸線平行。
　　
　　5、裂縫的整治在弄清產(chǎn)生裂拱原因后，提出以下治理措施：
　　
　?。?）由于水滲流是泥巖中粘土礦物膨脹的直接誘因，因而應(yīng)首先切斷滲流水的補給。將山坡上的水溝鏟平，用水泥砂漿灌注坡面上的裂縫，最后用砂漿抹平。
　　
　?。?）沿裂縫延伸范圍鑿楔形槽，槽深8cm，里口寬8cm，外口寬5cm，槽內(nèi)沖洗干凈。槽壁涂刷由環(huán)氧樹脂、磷苯二甲酸二丁脂、丙酮、乙二胺配制成的環(huán)氧基液，其配合比為1：0.1：0.12：0.05，槽內(nèi)嵌補M20膨脹水泥砂漿，配合比為水泥：砂子=1：2.水泥砂漿中摻JP型膨脹劑，其摻量為水泥重量的10%.
　　
　?。?）沿裂縫兩側(cè)施作樹脂錨桿，距離裂縫35cm，錨桿間距1.0m×1.0m.梅花型布置，錨桿材質(zhì)20MnSi，錨桿直徑Φ22，上排桿長3.1m，下排桿長3.9m.錨桿伸入砂巖50～60cm.樹脂以環(huán)氧樹脂為主要成分，用作錨桿的桿體粘結(jié)劑，另外摻加石英砂作為粘結(jié)劑填料，摻加聚乙烯聚酰胺作為環(huán)氧樹脂的固化激發(fā)劑。其配比為（重量比）：環(huán)氧樹脂：石英砂：聚乙烯聚酰胺1：3：0.25～0.30.樹脂藥包分兩個塑膜袋，外袋裝環(huán)氧樹脂與填料的膠泥狀混合物，內(nèi)袋裝聚乙烯聚酰胺。
　　
　　樹脂錨桿的安裝應(yīng)注意：①先將藥包送入孔內(nèi)，再把桿體插入孔中將藥包送到孔底捅破腰包攪拌，同時把桿體均勻推至孔底，攪拌時間為30Sec左右。攪拌時間過長反而會破壞膠凝，時間過短，則攪拌不均勻影響膠凝固化。
　　
　　②安裝完畢后，為避免在膠凝期間因桿體自重滑落，可用木楔在孔口楔緊桿體。
　　
　?、郯惭b后15min，樹脂固化程度可達(dá)80%~90%的最終強(qiáng)度，此時再在桿體下端安設(shè)墊板。
　　
　　這種樹脂錨桿安裝容易、膠凝固結(jié)快，起效塊。其一天齡期的抗壓強(qiáng)度可達(dá)到50~60MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到20~25MPa.襯砌加固后，裂縫發(fā)展很快被阻止，又經(jīng)過一個雨季的檢驗，效果良好。
　　
　　6、結(jié)論
　　
　　（1）隧道裂拱是圍巖工程地質(zhì)水文地質(zhì)環(huán)境的改變所造成的，泥巖中的粘土礦物遇水膨脹產(chǎn)生巨大的水平側(cè)壓力作用在隧道拱部兩側(cè)是發(fā)生裂拱的物質(zhì)基礎(chǔ)，水滲流是誘因。
　　
　?。?）裂拱產(chǎn)生的力學(xué)機(jī)理為：因襯砌拱部兩側(cè)作用很大的側(cè)向壓力，致使拱腰截面出現(xiàn)大偏心受壓，截面內(nèi)側(cè)產(chǎn)生很大拉應(yīng)力，因而拉裂縫出現(xiàn)在拱腰附近。
　　
　?。?）裂拱整治采用截斷地表水與襯砌加固相結(jié)合。樹脂錨桿錨固力大、起作用快，能夠及時遏止襯砌裂縫的繼續(xù)發(fā)展。
　　
　?。?）采用本文所述的裂拱整治措施，收到很好的效果，不僅很快阻止了裂縫的繼續(xù)發(fā)展，而且經(jīng)過了2000年雨季的檢驗，此段襯砌狀況良好，說明所采取的治理措施是合理正確的。