某黄土隧道病害原因分析及处治措施

Jou rnal of Engineering Geology 工程地质学报 1004-9665/2009/17(1)20138207　

某黄土隧道病害原因分析及处治措施3

丁兆民①②　杨晓华①

(①长安大学公路学院　西安　710064)

(②甘肃省交通科学研究所有限公司　兰州　730050)

摘　要　某黄土公路隧道在通车运营几年后出现了衬砌开裂及隧道沉降病害。通过对该黄土公路隧道病害的监测及其发展过程的分析,得出黄土工程特性、地表水及黄土隧道埋深是造成隧道病害的主要影响因素。针对上述隧道病害,本文提出用有限元计算分析方法对4种不同工况下的加固方案进行分析,结果表明对结构的局部补强和对地表水的处理,结构与土体之间应力的传递和消散作用使得应力逐步得到调整与改善,最后对拱脚的加固使得隧道结构的整体性进一步加强,应力分布更加合理,承受荷载的能力进一步提高。故而本文提出,该隧道衬砌裂缝应进行修补加固,同时对拱脚地基采用树根桩和夯扩桩加固的方法可以提高隧道安全通行能力。

关键词　黄土隧道　衬砌开裂　隧道沉降　处治措施

中图分类号:U452.1+1 文献标识码:A

ANALY S I S O F D I SEASE CAUSES AN D TREAT M ENT M EASURES O F H I GH W AY TUNNEL IN LO ESS

D ING Zhaom in①②　Y ANG Xiaohua①

(①School of H ighw ay,Chang′an U niversity,X i′an710064)

(②Transportation Research Institute of Gansu Province,L anzhou730050)

Abstract　After having been operated for several years,a high way tunnel p r oduces the diseases of lining cracks and tunnel settle ment in l oess area.Analysis of the devel opment p r ocess of the diseases indicates that the main cau2 ses are l oess characteristics,surface water and the dep th of l oess tunnel.I n res ponse t o the diseases,a finite ele2 ment analysis is conducted f or four different conditi ons of the reinf orce ment measures.The numerical results show that the l ocal structural reinf orce ment,surface water treat m ent,and the s oil-structure interacti on can reduce stress concentrati on and i m p r ove the tunnel stress distributi on.The reinforce ment at the bott om corners of tunnel arch structures can strengthen the overall stress distributi on more reas onable and enhance the tunnel ability t o undertake external l oading.Hence,the tunnel lining cracks should be repaired and strengthened.A t the sa me ti m e,the arch foot f oundati on should be reinf orced with r oot p ile and ra mmed-pedestal p ile.These measures would i m p r ove the safety of the tunnel capacity.

Key words　Loess,H ighway tunnel,L ining cracks,Tunnel settle ment,Treating measure ment

3收稿日期:2008-10-17;收到修改稿日期:2008-12-10.

第一作者简介:丁兆民,主要从事道路工程和岩土工程研究.Email:dingz mkys@https://www.360docs.net/doc/2418402058.html,

1引　言

随着国家高速公路网的规划完成,西部地区的高等级公路得以迅猛发展,在湿陷性黄土地区修建了大量的公路隧道。由于湿陷性黄土具有强度低,变形大,自承载能力小,遇水后强度明显降低等特性,加之公路隧道大跨径、大断面、扁担状等特点[1,2],很多修筑好的黄土公路隧道在投入运营过程中出现了衬砌开裂、拱脚下沉、基底沉降等病害。本文以甘肃省某高速公路黄土隧道在通车运营几年后的病害检测调查情况为背景,通过对该黄土公路隧道的病害发展过程分析及结构体系受力变形发展的有限元计算[3],为保证隧道的安全运营,提出了相应有效的病害处治措施。为今后在黄土地区修筑高等级公路隧道提供设计及施工参考。

2　工程概况

某黄土公路隧道是上下行线分离式长隧道。上行线全长1455m,纵坡+1.62%;下行线全长1422m,纵坡+1.348%。该隧道穿越两山,在两山间“V”形冲沟处隧道埋深仅为17m,隧道埋深最高为110m。该隧道穿越地层为第四系中更新冲积老黄土,灰黄、褐黄色,为粉质亚粘土,土质均匀,结构局部较疏松,层理和柱状节理发育。山顶为水浇地,隧道洞身土体含水量较大,结构稳定性较差。洞口浅埋段覆盖层为第四系上更新统风积黄土,层厚15～35m,浅黄色,土质较松散,大孔隙、垂直节理发育,其中自重湿陷性黄土层厚24m。

3　病害类型及原因分析

3.1　病害调查

通过对该黄土隧道病害的详细调查,衬砌开裂和隧道沉降是该黄土隧道的主要病害。

3.1.1　衬砌开裂

该黄土隧道内裂缝主要发生在隧道两侧边墙及拱顶,其中边墙裂缝按竖向裂缝和纵向裂缝进行统计,拱顶裂缝按横向裂缝和纵向裂缝进行统计,并按裂缝的宽度大小对裂缝进行分类(表1)。

由表1可知,双洞拱墙部各类裂缝(不含施工缝)共计1724条,其中上行线墙部各类裂缝共计829条,下行线拱墙部各类裂缝共计895条,双洞裂缝宽度大于0.2mm的结构裂缝共计885条。其中边墙裂缝以竖向裂缝为主,拱顶裂缝以纵向裂缝为主,通过对大于0.2mm深度的裂缝进行抽检,发现裂缝最大深度可达26c m,平均深度在10～15c m。

表1某黄土隧道裂缝统计表

Table1　Cracks of l oess tunnel statistics

裂缝发生位置

裂缝类别

上行线(条)下行线(条)

左

边

墙

右

边

墙

拱

顶

左

边

墙

右

边

墙

拱

顶

竖横

向裂

缝

d≥0.3mm176936019015343

0.3mm>d

≥0.2mm

4910460739743 d﹤0.2mm29202/45124/

纵向裂缝611062108

小计260399170308436151

共计829895

3.1.2隧道沉降

隧道出现下沉范围较大,除洞口附近外其他路段沉降基本上大于2c m,长度在1.2km左右,且上下行隧道基本对应。其中上行线SK61+180～SK61+ 480、SK61+800～SK62+020与下行线XK61+280～XK61+580、XK61+780～XK62+020段沉降大,路线内侧(行驶方向左侧)隧道边墙最大沉降值:上行线11.7c m,下行线13.3c m;路线外侧隧道边墙最大沉降值:上行线9.5c m,下行线11.4c m,隧道内侧边墙沉降大于外侧边墙沉降,隧道断面倾斜。

3.2　原因分析

黄土地区隧道病害是多种因素综合作用的结果。通过对该黄土隧道病害发展的情况调查分析,造成隧道衬砌开裂和沉降的主要原因有:

3.2.1黄土工程特性

该隧道穿越地层为第四系中更新冲积老黄土,灰黄、褐黄色,为粉质亚粘土,土质均匀,结构局部较疏松,层理和柱状节理发育。黄土的孔隙率大,渗透性强,地表水宜下渗,垂直节理的发育,使垂直方向渗透系数远大于水平方向,地表水以垂直入渗为主,水平向围压较小而无竖向摩擦力,黄土将以垂直节理切割的土柱形式完全将其全部自重作用于衬砌上,使衬砌发生竖向开裂。

同样因垂直节理发育以及地表水的迅速下渗,

931

17(1)　丁兆民等:某黄土隧道病害原因分析及处治措施

黄土崩解膨胀,湿陷下沉,造成围岩侧压力增大,导

致支护拱脚收敛变形异常,围岩失去自稳,隧道沉降变化明显。3.2.2地表水

隧址区属黄河流域,调查区内无常年性河流分部,冲沟中的季节性地表水主要为大气降雨、灌溉等形成的短暂性地表水。该隧道山顶为水浇地,在每年春、冬季节水浇地采用大水漫灌的落后方式进行灌溉,常常诱发地表裂缝和黄土陷穴、落水洞等地表灾害。地表裂缝的产生使隧道上部土体沿地表裂缝产生剪切破坏面,隧道上部土体应力重分布;黄土陷穴在隧道顶部形成后,促使地表裂缝向纵深不断扩展,使遂址内地层结构整体性遭到破坏,同时地表水经过发展地表裂缝和暗穴向隧道两侧及底部下渗,隧道基底产生湿陷变形,使隧道发生沉降变形和衬砌开裂破坏

。

图1　地表水、地表裂缝及黄土陷穴对隧道破坏模式

Fig .1　Failure mode of tunnel by Surface W ater 、

surface crack and l oess sinking

3.2.3

隧道埋深

该黄土隧道穿越两山,在两山间“V ”形冲沟处

隧道埋深为17m ,隧道埋深最高达110m 。在黄土隧道浅埋段,考虑隧道轴线位置自重应力不大,黄土在较低的围压下固结程度较差,加之垂直节理发育,承载力较低,自撑能力差的特性,隧道衬砌和仰拱为钢筋混凝土,拱脚与仰拱刚度联结大。而在黄土隧道深埋段,隧道衬砌为素混凝土,仰拱为花拱架钢筋构造,拱脚与仰拱联结刚度差,山顶黄土受地表水(大气降雨、灌溉)的影响,围岩自重增大,且自身承载力减少,使隧道发生沉降变形。黄土隧道深埋段拱脚与仰拱刚度联结较隧道浅埋段差,造成深埋段隧道沉降大于浅埋段。同时由于地裂缝导致围岩整体性破坏,处于深浅埋过渡段的隧道病害较为集中,隧道沉降量极值均处于该段落。

4　黄土隧道病害处治措施

针对黄土隧道发生衬砌开裂和沉降病害的原

因,提出黄土隧道病害处治加固措施。4.1　隧道病害处治措施

鉴于黄土隧道的特性,水的浸入是诱发隧道病害的主要影响因素。地表水(大气降雨、灌溉)的渗入导致该黄土隧道山体发生地表裂缝和黄土陷穴等病害,为了防止黄土隧道衬砌开裂和隧道沉降等病害,提出以下处治措施:

(1)洞顶地表裂缝及陷穴、落水洞应立即抓紧时间处理,防止地表水(农灌水、雨水)灌入对隧道造成危害。对地表裂缝采用“开挖—夯实—铺防渗层—逐层回填夯实”的方法进行处治;对地表陷穴的处治采用由陷穴坑的逐层夯实回填的方法,回填高度应高于地面0.2m ,防止水入渗后再次形成陷穴。

(2)为保护隧址区原有生态环境,在陷穴、裂缝的处理上,尽量少用临时占地,地表土壤作还原处理。

(3)在隧道洞顶建立完善的防排水系统,一方面使地表水迅速排出,减少对黄土斜坡的冲刷;另一方面要避免排水设施的渗漏水。

(4)为确保安全,视地表裂缝和洞内收敛发展情况,必要时采取洞顶土体减载措施。4.2　隧道加固措施

针对黄土隧道发生衬砌开裂和隧道沉降病害,分别提出相应的措施对隧道进行维修加固。

(1)对拱部裂缝进行封闭、修补,重点是拱顶纵向裂缝、环向不规则裂缝和拱部斜裂缝,采用化学浆液或环氧树脂封闭,对由于受力裂缝较宽的,采用表面粘贴碳纤维布或锚粘钢板方法修补加固。拱顶纵向裂缝全部封闭,拱腰重点封闭>0.3mm 横向裂缝和斜裂缝。

对拱顶>0.5mm 以上裂缝封闭后采用表面粘贴碳纤维布的方法加固。

对拱腰>0.5mm 裂缝封闭后采用锚粘钢板方法加固。

(2)对隧道顶部不密实带采用注浆加固;对拱

脚地基采用树根桩[4]

和夯扩桩加固,加固方法如图2所示。

5　治理方案计算分析

该黄土隧道衬砌开裂是由于隧道施工完成后季

041Journal of Engineering Geology 工程地质学报　2009

图2　拱脚加固示意图

Fig .2　A rch f oot of tunnel strengthening

节性降水、农田灌溉用水入渗(即黄土浸水)造成的。为了解浸水后隧道周围土体和衬砌结构受力及

变形特性,将浸水范围确定为隧道上部土体全部浸水的极端情况。为了反映隧道发生病害后及病害处治后结构体系受力变形状况,利用隧道工程专用程序2D -σ软件对隧道加固效果进行数值分析。5.1

计算模型与工况

针对分步设施的治理方案采用有限元方法进行

数值模拟,计算采用隧道工程专用程序2D -σ,将混凝土材料看为弹性体,围岩假定为M -C 弹塑性材料,隧道的受力和变形为平面应变问题;仅考虑岩体的初始应力即自重应力。选取隧道洞径的5倍作为计算区域,然后根据隧道计算区域边界处围岩的实际情况,施加相应的边界条件,左右边界为水平约束,下边界为水平、垂直约束,上边界为自由地表,埋深取为60m 。为保证计算结果的精度,分析的重点区域在应计算模型的中央部位,并增加此部位单元网格的划分精度,使有限元网格得到相应的优化(图3)

。

图3　计算模型网格划分

Fig .3

M esh generati on of computati onal model

为了反映隧道发生病害后及病害处治后结构体

系受力变形状况,采用4种工况进行有限元分析:

工况1:采用隧道施工时的参数模拟隧道结构体系刚施工完的受力变形性状;

工况2:隧道施工完成以后,通过改变土体参数模拟土体浸水(饱和)及仰拱沉降时病害隧道受力变形性状;

工况3:模拟地表裂缝完全封闭及衬砌局部补强后隧道结构体系受力变形性状;

工况4:模拟对拱脚地基加固后隧道结构体系受力变形性状;

计算参数依据表2所示,加固体指拱脚基底处理后参数,参照C10混凝土选取。

表2　主要计算参数

Table 2　Computati onal para meters

项目E /GPa

μ

γ/kN ?m -3

c /kPa φ/(°)

黄土0.120.3318.03023饱和黄土

0.020.3318.01822C20混凝土

23.00.1723.0120055加固体

21.0

0.17

22.0

850

50

5.2　计算结果与分析

主要计算成果见图4～图7所示。

工况1(图4),采用隧道施工时的参数模拟隧道结构体系的结果表明,围岩应力水平较低,由于开挖卸荷作用,主应力虽然接近层状分布,但是在隧道周围出现了一定的扭曲现象,隧道围岩大部分处于受压状态,只有隧道拱底部位出现了局部拉应力,而且应力强度不大,最大值为0.45MPa,主压应力主要集中在隧道下部山体中,最大压应力出现在两侧拱脚处,表明拱脚处的压应力集中与拱底部的拉应力释放对结构的稳定较为不利,结构体系破坏接近度在局部大于1,隧道结构处于安全状态。

工况2(图5),隧道施工完成后季节性降水、农田灌溉用水从贯通至地表的裂缝入渗(即黄土浸水)造成围岩参数恶化,数值模拟表明,围岩应力水平较工况1有很大增加,最大主拉应力由0.45MPa 增加到2.6MPa,最大主压应力由3.5MPa 增加到4.8MPa,拉应力的增加是造成衬砌裂缝及地裂缝扩展的主因。结构破坏接近度最大约为19.1,主要发生在隧道底部,隧道结构处于不安全状态。进一步观察发现:隧道周围土层的应力分层现象减弱,最大主应力变化尤为明显,表明随着地表水的渗入,强度

1

4117(1)　丁兆民等:某黄土隧道病害原因分析及处治措施

图4

工况1

Fig .4

Working conditi on 1

a .最大主应力;

b .最小主应力

相近土体的应力参数在减弱的同时变得更加接近,

说明地表水的渗入对结构局部较疏松,层理和柱状节理发育,孔隙率大,渗透性强的黄土的强度参数影响很大,由于土颗粒之间的连接减弱,导致显著的应力释放现象,而这部分释放的应力中相当一部分将由隧道结构来承担,必将导致隧道的受力增大,对隧道结构的稳定性产生不利影响。

工况3(图6),地表裂缝封闭及拱部衬砌补强后的数值模拟表明,通过处治后,最大主拉应力由2.6MPa 降到1.1MPa,最大主压应力由4.8MPa 增加到5.9MPa,结构破坏接近度由治理前的19.1降为3.1,隧道结构安全性有较大提高。主拉应力下降是由于拱部衬砌补强后,隧道的结构整体性加强,隧道的受力体系得到改善,内部应力的分配更加合理,从最大主应力分布图上可以看到,隧道底部土层中的应力突变现象消失,应力的层数减小,各层之间的应力变化趋势减弱,应力的变化更加平缓,表明由于隧道结构的局部补强作用,隧道结构与周围土层之间发生了明显的应力调整,而且这个调整是朝着对隧道结构有利的方向发展的;主压应力的增加是由于黄土的垂直节理发育,水平向围压较小而无竖向摩擦力,前期地表水的入渗使得垂直节理切割的土柱完全将其自重作用于衬砌上的结果

。

图5

工况2

Fig .5　Working conditi on 2

a .最大主应力;

b .

最小主应力

图6工况3

Fig .6　Working conditi on 3

a .最大主应力;

b .最小主应力

241Journal of Engineering Geology 工程地质学报　2009

工况4(图7),数值模拟表明,拱脚地基加固处理后,隧道结构体系受力进一步改善,最大主拉应力由1.1MPa 降到0.8MPa,最大主压应力基本保持在5.9MPa 左右,表明前期地表水的作用,导致黄土垂直节理的发育在前一阶段已经完全发生,结构破坏接近度由3.1降为1.7,隧道结构处于安全状态

。

图7工况4

Fig .7　Working conditi on 7

a .最大主应力;

b .最小主应力

塑性变形的发展并不意味着围岩和支护体系失去稳定及承载力,在隧道是稳定的前提下,适当迟缓支护,使隧道周边塑性区有一定的发展,以充分发挥围岩的自承能力,减小支护抗力,从而减薄支护厚度,达到既保证隧道稳定性又降低工程造价的目的。但围岩塑性区的发展切忌进入松动破坏,一旦围岩出现松动破坏,围岩压力将大大增加,并可能危及隧道稳定。不同工况围岩塑性区分布如图8,工况1围岩基本不出现塑性破坏区。工况2,隧道施工完成后季节性降水、农田灌溉用水从贯通至地表的裂

缝入渗(即黄土浸水)造成围岩参数恶化,围岩塑性破坏区在仰拱以上联系贯通,围岩可能出现松动破坏,经工况3、工况4处治后塑性破坏区范围明显减小。从图9可以看出,最不利工况下拱顶最终位移值为62mm ,经工况3、工况4处治后位移值明显减小,与设计工况1较接近

。

图8　围岩塑性区分布

Fig .8　Plastic zone of surr ounding r ock

a .工况2;

b .工况3;

c .工况

4

图9　不同工况拱顶沉降

Fig .9　Settle ment of arch cr own

由衬砌结构轴力、弯矩计算结果,按公路隧道设

计规范方法推算的最小安全系数如表3。

表3　安全系数计算结果

Table 3　Safety fact or computati on

计算工况工况1

工况2

工况3

工况4

最小安全系数

4.6

2.8

3.9

4.2

设计工况下最小安全系数为4.6,满足规范要

求;工况2情况下,黄土处于饱和状态,基底产生沉降,隧道结构处于不利状态,最小安全系数为2.8,混凝土达到抗拉极限强度;工况3地表封堵及衬砌局部补强后,最小安全系数为3.9,满足规范要求;工况4进一步在拱脚加固后,最小安全系数为4.2,满足规范要求。

由此可见,在工况1中,由于地表水的入渗,使得黄土颗粒间的连接减弱,应力释放,导致隧道结构的受力明显增加,随着后续工况对结构的局部补强

3

4117(1)　丁兆民等:某黄土隧道病害原因分析及处治措施

和对地表水的处理,结构与土体之间应力的传递和消散作用使得应力逐步得到调整与改善,最后对拱脚的加固使得隧道结构的整体性进一步加强,应力分布更加合理,承受荷载的能力进一步提高,说明对该隧道衬砌裂缝进行修补加固,同时对拱脚地基采用树根桩和夯扩桩加固的方法可以提高隧道安全通行能力。

6　结　论

(1)黄土工程特性、地表水及隧道埋深都是影响黄土隧道运营安全的重要因素,隧道应及时进行地表封水。

(2)对拱部裂缝可采用化学浆液或环氧树脂封闭,对由于受力裂缝较宽的,采用表面粘贴碳纤维布或锚粘钢板方法修补加固。对隧道顶部脱空和不密实带在保证不破坏原设计排水层的基础上采用注浆加固,对拱脚地基可采用树根桩和夯扩桩加固。

(3)此黄土公路隧道深埋浅埋厚度的分界是由设计、施工、工程地质等方面的自然及人为因素决定的,建议对此标准进行深入研究。

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