作者：刘甩利
摘 要:通过资料收集及现场岩土勘察,对晋中某隧道在掘进98 m后,洞顶上覆土体发生沉降变形,洞体出现塑性变形及两侧拱腰处出现裂缝的原因进行了分析,并提出相应的治理措施,以解决隧道开挖过程中的围岩变形和裂缝等问题。
关键词:隧道,围岩变形,裂缝
中图分类号:U455 文献标识码:A 文章编号:1009-6825(2008)11-0318-02
1 工程概况
某隧道为双向双车道,净宽9.5 m,界限高5 m,净高6.75 m,进口桩号K12+385,出口桩号K12+705,隧道全长320 m。隧道采用新奥法设计施工,超前小导管预注浆支护,锚、挂网、钢拱架、格栅支撑、喷混凝土一次衬砌;再采用全断面整体式浇筑25号S6防水混凝土二次衬砌。
2 岩土工程地质条件
2.1 地形、地貌
隧道址区地貌单元属晋西黄土高原区,黄土冲沟和梁、峁丘陵相间分布,地面分割破碎,山坡植被稀少,除部分人工林外,大部分为光山秃岭,山顶以黄土覆盖。隧道出口为V字型沟头,洞口处土体较为直立,向上逐渐变缓。
2.2 水文地质条件
据地质调查及雨季观测,隧道址冲沟雨季汇集有大量地表水,地表水由北向南流;地下水位标高为1 173.87 m;实测稳定水位为1 180.67 m,揭露的地下水类型为孔隙承压水,含水层为亚砂土,属弱透水层。据钻孔资料,在隧道的出口处未发现该含水层,由此说明该含水层分布不稳定。
3 岩土构成及物理力学指标
①亚粘土(Qm3):层厚4.30 m~6.00 m。呈褐黄色,稍湿,中密,土质均匀,坚硬~硬塑状,含云母及钙质结核,粘性小。②亚粘土(Qm3):层厚14.00 m~17.20 m。呈褐黄、灰黄色,稍湿,中密,土质均匀,坚硬~硬塑状,含云母及钙质结核,粘性小、低韧性、低干强度,垂直节理发育。③亚粘土(Qm3):层厚10.10 m~10.80 m。呈黄褐色,稍湿,中密,土质均匀,坚硬~硬塑状,含云母及钙质结核,中等干强度。④亚粘土(Ql2):层厚5.00 m~6.50 m。呈棕红~黄褐色,稍湿,中密,硬塑状,含块状钙质结核,中等韧性、中等干强度。⑤亚粘土(Ql2):层厚21.20 m~27.70 m。呈棕红~黄褐色,稍湿,中密,硬塑状,切面光滑,含块状钙质结核,中等韧性、中等干强度,该层中夹有2层~3层钙质结核层,厚度20 cm~30 cm。⑥亚砂土(Ql2):最大揭露厚度2.7 m。呈浅棕红色,湿,中密,低韧性、低等干强度,含钙质结核,摇振析水。
物理力学指标见表1。
4 施工过程中出现的问题
该隧道4月1日开工。初期衬砌支护施工至K12+663处围岩含水量逐步增大(25%左右),围岩不稳定;仰拱开挖至K12+643开始出现地下水;K12+620~K12+604初期衬砌支护后出现环向渗水。7月下旬通过测量观测,隧道K12+702~K12+658段上下拱架连接处初衬混凝土多处出现裂缝,内敛现象非常明显。K12+665处左侧水沟边墙被挤压断裂;隧道自洞口向进深方向发生沿隧道纵轴方向的裂缝,裂缝对称分布于两侧拱腰处,距洞底高度约2 m;同时在隧道东侧约3 m范围垂直面有一组变形裂缝,裂缝自下至上由窄变宽,下部裂缝宽度约0.1 cm~0.2 cm,上部裂缝宽度约1 cm~2 cm。该裂缝向上延伸至隧道上部小冲沟,沟的垂直面裂缝宽度约2 cm~3 cm,向上延伸,形成弧形地面,弧形地面实测相对高差1.29 m。主裂缝一般在数毫米至1 cm,最大宽度5 cm。隧道围岩裂缝位置见图1,图2。
5 隧道变形原因分析
5.1 地下水对隧道影响
如上所述,地下稳定水位为1 180.67 m,隧道地面高程为1 178.67 m,地下水位高于隧道地面2.00 m,隧道开挖后底板回弹产生的裂缝,使得地下水向隧道及围岩运移,造成隧道积水,使围岩土体力学性变差。含水量逐渐增大的K12+663~K12+643段,拱顶沉降值与设计值比较为-16 cm~-31 cm,开始出现地下水的K12+643~K12+620段,拱顶值与设计值比较为-26 cm~-58 cm。以上数据说明,隧道开挖随着含水量增加到遇到地下水,隧道拱顶下沉量增大。隧道沉降值见图3,图4。
地下水对隧道的影响体现在两方面:1)影响了土的物理力学指标,主要表现为土体重度增大,使得洞室围岩轴向应力、剪应力、塑性区半径相应增加,而围岩抗剪强度降低,使围岩的自稳能力变差;2)影响了洞室开挖后土层中的应力状态,土质围岩中有水时,洞室开挖破坏了原来水的储存环境及水力路径,在洞室完成后重新形成的水力路径,在这个过程中,由于水的影响必然导致洞室周围压力状态与设计时有很大不同。综上所述,地下水的存在是隧道发生变形的主要原因之一。
5.2 山体稳定性对隧道影响
隧道线路紧切西侧山坡,隧道开挖后改变了原山体的应力状态,形成偏压,在偏压作用下使得原维持在平衡状态的山体产生变形位移。这也是造成隧道变形衬砌开裂和拱腰处裂缝的原因之一。
6 隧道治理措施
勘察结论表明:由于地下水作用,改变了洞室围岩的应力状态,同时使得塑性区范围增大,降低了土的抗剪强度。初步估算塑性区为3.3 m。围岩类别为Ⅴ类~Ⅵ类。应采用钢筋网喷射混凝土、系统锚杆及封闭式钢架进行联合初期支护,必要时加早凝剂。喷射混凝土厚度不宜小于100 mm,钢筋网以直径6 mm~8 mm的钢筋焊接而成,钢筋间距为150 mm。锚杆长度按5.0 m,8.0 m间隔套打,间距0.8 m。封闭式钢架间距不宜大于1.2 m,各排钢架间应设置钢拉杆,其直径宜为22 mm。同时在施工过程中应观察渗水量的大小,对渗水量大的地段应及时采用以排为主,堵排结合的方法。
7 结语
隧道开挖改变了原土体应力状态,造成山体开裂,目前处于不稳定状态。隧道变形原因主要为地下水作用使围岩轴向应力、剪应力、塑性区范围增大,土体抗剪强度降低,导致洞室围岩稳定变差,诱发了洞室轴向变形开裂以及山体拉张裂缝、沉陷的地表现象。根据隧址区所处的地质条件应采用钢筋网喷射混凝土,同时加设锚杆及封闭式钢架进行加强支护。
参考文献:
[1]米祥友,徐 前.注册岩土工程师专业考试辅导指南[M].北京:地震出版社,2003.
[2]JTJ 042-94,公路隧道施工技术规范[S].
[3]JTG D70-2004,公路隧道设计规范[S].
[4]倪 彬,徐国元.软岩隧道围岩变形分析及处理[J].山西建筑,2007,33(1):93-94.
工程师专栏
岩土工程师
