江海浪-試引入桿系結構理論分析界牌坳隧道病害機理及補救、預防.

1、試引入桿系結構理論分析界牌坳隧道病害機理及補救、預防措施作者：江海浪（中交二公局三公司武罐 13標項目部）摘要：橋梁、涵洞、擋土墻和隧道一樣都是公路工程中的構造物，都是通過承重 骨架來承受各種外荷載的作用。所以他們的結構設計原理必然有它們相通的地 方。下面就通過橋梁工程中桿系結構理論對由于偏壓嚴重，圍巖裂隙發(fā)育引起襯 砌及中墻開裂、混凝土剝落的界牌坳隧道進行分析。關鍵詞：淺埋偏壓圍巖破碎無鉸超靜定拱中墻小偏心受壓拱軸線位移 界牌坳隧道出口偏壓段立面示意圖（圖1）1.簡介界牌坳隧道位于上瑞高速公路湖南懷化至新晃段 K58+440K58+835處，靠近出 口段洞身圍巖為強風化硅化砂質板巖，大多節(jié)理

2、裂隙十分發(fā)育，屬U類圍巖。出 口段左洞外側山體正好相交于一條地質斷裂帶上，且覆蓋較薄引起偏壓，使圍巖 結構承受顯著不對稱的圍巖壓力（見圖 1）。在右洞貫通，開挖左洞出口段時， 出現(xiàn)了右洞出口段襯砌及中墻裂縫、左洞出口段襯砌局部少量裂縫、左洞邊墻下 臺階開挖時圍巖極易碎落等病害現(xiàn)象。現(xiàn)在，試將隧道襯砌輪廓斷面看做桿系結 構中的壓彎構件，為便于分析，將襯砌簡化為兩拱腳位于中墻頂及中墻頂正截面水平線上某一點的無鉸超靜定平拱（見 圖），然后通過桿系結構理論對病害機理進行分析，并提出補救及預防措施。左洞曲梁）計算簡圖，從而通過簡圖一一對荷載作用于構件上，在結構內產生的軸 力、彎矩、剪力以及撓度和轉角進行

3、分析。（見圖 3）左洞右洞（圖3）2.1中墻病害機理分析界牌坳隧道在右洞貫通直到左洞開挖之前從未出現(xiàn)中墻裂縫，當左洞進口偏壓斷 掘進時出現(xiàn)了中墻開裂。拱結構在中墻支座處的軸向力將產生水平推力和豎向分 力（圖3中X2、X3）在開挖左洞之前，右洞支承于中墻拱腳截面的水平推力與 未開挖的左洞覆蓋山體的主動土壓力抵消達到平衡狀態(tài)。豎向分力通過中墻傳遞 到基礎，即由中墻提供反力抵消豎向分力。拱結構各截面應力分布情況與簡支曲 梁截面應力分布情況相似。2X= 0 X = 0當左洞出口處開挖后，抵消右洞中墻支座處 X2的山體主動土壓力被左洞襯砌中 墻支座處相應的X2所取代，而山體荷載由于覆蓋高度的不同使q L

4、< q R,所以左 右洞襯砌在中墻支座處的反力便是 RLvRR,，左右動拱腳在中墻上的安裝角度相 同，由此推出左洞中墻側支座的水平推力及豎向分力均小于右洞該處的相應力， 即左洞X2，X3分別小于右洞X2，X3。此時由平衡條件可知：右洞中墻側支座 水平推力大于左洞相應力將向左產生位移做功，此時中墻頂處的凸起部分和支座 構造設計將克服X2的作功趨勢，保持平衡。所以右洞的 X2右洞拱肋將發(fā)生應力 重分布，由力的合成及分解知識可知，右洞的 X3方向上的合力將迅速增大，使 右洞X3遠遠大于左洞X3，中墻實際形成由兩者的合力 N位于中墻受壓軸線偏向 右洞方向偏心距為eO位置的偏心受壓構件，此時的中墻

5、受力見下圖： 左洞右洞中 墻 軸 線（圖4）通過施工觀測，左洞中墻是在右洞中墻出現(xiàn)裂縫、剝落后再出現(xiàn)少量裂縫的，且 并不明顯，說明左洞側中墻混凝土或者鋼筋抗拉并未屈服，說明中墻為小偏心受壓 構件，即：靠近偏心壓力 N的右洞中墻（鋼筋Ag）受到的壓力很大，而左洞中 墻很小的拉力（或者很小的壓力，受壓或者受拉由偏心距或者配筋決定，本處假 設左側中墻是受拉力），在開挖左洞的過程中,N逐漸增大，中墻應力也增大，右 洞中墻的混凝土壓應變達到其極限壓應變時，壓區(qū)邊緣混凝土出現(xiàn)裂縫、壓碎剝 落，同時該側的受壓鋼筋 Ag也達到屈服，但是破壞時，左洞中墻混凝土和鋼筋 Ag的應力都很小，臨近破壞時才出現(xiàn)短小的裂縫

6、。見（圖5）左洞右洞左洞右洞o中墻截面受壓應力圖中墻偏壓破壞示意圖（圖5）2. 2襯砌裂縫機理分析由于中墻的偏壓受力形式，根據力的平移法則，中墻承受偏心距e0的偏心壓力N相當于承受軸心壓力N和彎矩M=NeO的共同作用，所以中墻實則為一個壓彎構 件，將產生縱向彎曲，即中墻會產生生一個的側向撓度，再加上右洞側中墻混凝 土已經產生了極限壓應變，所以，右洞中墻上的支座位置實際發(fā)生了位移，從而 使整個右洞拱肋曲線線性發(fā)生了變化見下圖 左洞右洞 虛線為破壞后的拱軸曲線（圖6）由無鉸拱任意截面K力計算法則：MK=MKP+X1 + X2yk+X3xk QK=QKP+X2Sia k + X3CosakNK=NK

7、P+X2 Coa k + X3 Sin a式中：MKP，QKP，NKP為基本結構（懸臂曲梁）相同荷載作用下的 K截面的內力， al為K截面面切線與水平線的夾角 xk，yk為K截面在彈性中心坐標系中的坐標由上式可知，當拱軸線變化后 MKP，QKP，NKP，a及xk，yk均發(fā)生了變化， 即在襯砌內部產生應力重分布。通過對懸臂曲梁的分析可知此時拱肋 QKP增大最為明顯，所以QK增大，參照 （圖3）可知，在拱肋最不利抗剪的襯砌位置將會產生了很多縱向剪切裂縫。a及xk，yk的變化使拱肋MK某些位置增大，某些位置減小，參照（圖 3）可 知，增大的的位置正好位于在最不利抗彎段混凝土將受拉屈服，產生縱向局部彎

8、 拉裂縫，且推測在襯砌結構與圍巖結合面負彎矩區(qū)也應該出現(xiàn)我們現(xiàn)在無法從外 部觀測到的裂縫。又由于圍巖偏壓段偏壓情況分布不均勻，每個斷面拱軸線發(fā)生位移量不一致，襯 砌隨即發(fā)生劈裂破壞，產生環(huán)向裂縫，出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象。k2.3左洞邊墻圍巖碎落及襯砌局部少量裂縫病害機理左洞開挖下臺階時，左洞邊墻受力形式與中墻受力形式類似，即邊墻側X2由于左洞外側山體土壓力小，X2有做功的趨勢，隨即左洞 X3迅速增大，邊墻土體抗 壓強度不足，開挖下臺階時邊墻土體極易碎落破壞。左洞拱肋位于外側支座產生 撓度，襯砌開裂，由于左洞的q L不大，拱肋曲線變形后，內力增量沒有右洞內 力增量大，所以左洞襯砌裂縫只局部少量存在。2.4

9、圖示小結通過以上分析，通過桿系結構理論分析界牌坳隧道各種病害產生的主要原因及流 程可見（圖7）山體淺埋偏壓中墻偏壓產生極限應變破壞右洞襯砌及型鋼位于中 墻上支座發(fā)生撓度，引起拱肋曲線變形不利荷載位置抗剪、抗彎屈服地質斷裂帶壓屈失穩(wěn)左洞襯砌及型鋼位于邊墻上支座發(fā)生撓度，引起拱肋曲線變形左洞拱肋 曲線變形，襯砌應力重分布，但內力增量較小，不利荷載位置出現(xiàn)局部少量裂縫 圍巖破碎邊墻受壓破壞，開挖下臺階時極易碎落（圖7）3補救措施由以上得機理的分析得出，引起襯砌開裂的原因為中墻的偏壓變形破壞；而引起 中墻病害的主要原因為圍巖破碎，山體淺埋偏壓。所以首先要解決山體偏壓和圍 巖破碎問題。3.1偏壓段的襯砌

10、頂上山體采用豎向鉆孔，裝入鋼花管，灌入化學管漿（見圖8）通過水泥漿的填塞裂隙，及水泥漿水化反應產生的大量鈣離子和硅酸根隨著山體 內部游離水的流動使山體土壤鈣化和硅化的辦法來解決圍巖破碎問題，減小下方 隧道襯砌的荷載。根據灌漿需要，可在水泥漿液中加入下列外加劑：3.1.1速凝劑，水玻璃、氯化鈣等3.1.2減水劑，萘系高效減水劑、木質素磺酸鹽類減水劑等 .3.1.3穩(wěn)定劑，膨潤土及其它高塑性黏土等.3.1.4其它外加劑。所有外加劑凡能溶于水的應以水溶液狀態(tài)加入。各類漿液中加入摻合料和外加 劑的種類及數(shù)量，應通過室內漿材試驗和現(xiàn)場灌漿試驗確定。質量檢驗可采用測量巖體波速和（或）巖體靜彈性模量的方法。

11、檢測時間分別在灌漿結束14d和28d以后?；虿捎勉@孔壓水試驗的方法，檢查孔數(shù)量不宜少于灌漿孔總數(shù)的5%,檢查時間在灌漿結束3d或7d以后。3.2對山體偏壓段進行回填返壓，并對填土進行夯實，并對反壓區(qū)土體表面進行 人工植草綠化（見圖8）,以次來解決隧道左洞側淺埋偏壓問題。鋼花管化學管漿區(qū)界牌坳隧道出口偏壓段處治示意圖（圖8）3.3在左洞中墻頂上方橫向設置注漿管棚，用于右洞加強拱周圍巖，增強圍巖的 自穩(wěn)能力，減小下方右洞襯砌的荷載。3.4對破碎的中墻混凝土及襯砌寬大裂縫，需鑿除中墻破碎混凝土及襯砌裂縫周 邊一定范圍內的混凝土，加強內部鋼筋后重新筑微膨脹高標號混凝土，針對短小 裂縫，可鑿槽嵌補環(huán)氧樹

12、脂漿液。4.預防措施由于山區(qū)高速公路的蓬勃發(fā)展，就不可避免地遇到很多類似界牌坳隧道淺埋、偏 壓，圍巖破碎的隧道工程，而隧道的地質情況復雜多變，不可能在圖紙設計階段 就考慮到開挖每一延米地質情況變化的方方面面，就需要我們施工單位在施工工 程當中每掘進一米都要仔細的分析研究，并提出預防病害措施，以保征結構具有足夠的可靠度。4.1若判斷出某一斷內圍巖較破碎，或者偏壓較嚴重，可以通過仔細計算出初支 及型鋼在中墻的偏心壓力及偏心距，然后通過調整型鋼與中墻頂預埋鋼板的連接 位置，消除或者減小偏心距，使中墻盡量軸心受壓，避免或者減弱中墻的偏壓破 壞現(xiàn)象。4.2適當提高中墻的混凝土標號，或者根據偏壓的形式，增

13、加偏壓段中墻靠近偏 心壓力線側的受壓鋼筋數(shù)量，如通過計算另一側有可能受拉屈服，也可在受拉側 增加受拉鋼筋數(shù)量。4.3中墻基礎是一個很重要的部位，如果中墻底部可能會引起基礎沉陷時，可采 用軟基處理的眾多辦法中較經濟，滿足施工條件的方法加固偏壓段中隔墻基礎。4.4根據情況調整襯砌厚度或者計算出襯砌的實計受力情況，適當增加內力較大 處的布筋。4.5通過各種試驗及量測手段，及時了解圍巖周邊的位移量、拱頂下沉量、地表 下沉量、圍巖內部位移量、錨桿軸力量、鋼支撐壓力量、襯砌應力量等等數(shù)據， 為預防病害和積累經驗做好第一手資料。4.7優(yōu)化襯砌及中墻混凝土配合比設計，盡量采用低水灰比，防止混凝土收縮變 形引起

14、的結構應力變化。由于襯砌采用的是泵送混凝土，坍落度控制一定要嚴格 按照設計進行，需要時可摻入適量抗剪效果明顯的外加劑。4.8若偏壓破碎帶較長，在開挖時可先縱向打入足夠數(shù)量的超前注漿小導管，以 防止圍巖擾動坍落，按設計進度開挖出拱頂輪廓后，立即由垂直于拱圈切線方向 打入環(huán)向固結注漿小導管，見（圖 9）環(huán)向固 結小導管 環(huán)向固 結小導管縱向超 前小導管 縱向超 前小導管（圖9）5.總結隧道工程與橋梁工程等其它結構工程有很多相通的地方，相比較，由于隧道工程 發(fā)展歷史并不很長，橋梁工程等其它結構工程理論和經驗較隧道工程理論和經驗 相比要豐富許多，我們完全可以邊學習邊借鑒，從而為隧道施工的發(fā)展積累寶貴 的經驗。參考文獻：葉見曙.?結構設計原理？.人民交通出版社 楊茀康.