浅析隧道衬砌变形开裂的特征及原因 - 福建铁路建设有限公司团委.doc

工程论文肉析隧道衬砌变形开裂的特征及原因作 者： 姚吉江李永茂单 位：福建铁路建设（集团）有限公司第三工程分公司完成日期：2003年11月25日浅析隧道衬砌变形开裂的特征及原因姚古江李永茂福建铁路建设（集团）有限公司第三工程分公司［摘 要］:简要介绍隧道衬砌变形、开裂的特征，并从地质状况、施工方法及力学角度上，进行分析衬 砌产生变形、开裂的原因［关键词］:隧道衬砌 围岩压力 变形 裂缝前言穿山越谷，桥隧相连，是山区铁路的特点隧道——这种“地下长廊”在山区铁路建设中占有十分 重要的地位以某新干线中段为例，线路总长134公里，有隧道114廉，共长90公里，占线路总长的67%o在隧道洞身的衬砌过稈中或衬砌Z后，会由于地质条件不良和施工质量不高等原因产生衬砌变形 变形轻者影响工稈美观；重者造成衬砌破坏，哄至推倒重建对衬砌变形处理得是否及时，措施是否得 当，不但关系着衬砌木身能否成功，而且常涉及防治洞周岩体或山体变形的问题因此 对隧道衬砌变 形的研究具有一定的重要意义1. 衬砌变形的现象特征隧道穿越的地质环境不同，其囤岩压力的大小、方向、性质等也不相同现将常见的衬砌变形现象 及特征分述如下：1.1衬砌开裂主要是指围岩压力超过隧道衬砌强度后产生的不同方向、不同性质的备种变形裂缝。

这些裂缝在方 向上与隧道轴向可呈平行、胃交或斜交分布；在力学上性质上可以为压性的、张性的和扭性的等等裂 缝规模可大可小长度以儿米到百米以上，宽度可以从儿毫米至儿厘米衬砌变形裂缝的性质和特征如 下1.1.1压性变形裂缝主要由压应力作用产生的变形裂隙称Z一般较为少见，其主要特征是：裂缝一 般呈舒缓波状，延伸性较好，在裂缝面一侧或两旁常形成挤压带；在裂缝面上可见有与裂缝走向近于垂 直的压错擦痕，压性变形裂缝常岀现在与压应力垂直的位置上1.1.2张性变形裂缝主要由张应力作用产生的变形裂隙称之其主要特征是：裂缝一般延伸不远， 方向规律性较差；裂缝都有或大或小的张开现象，横断面常呈外大里小的楔形裂口；裂缝血不英整齐， 比较粗糙，形状一般不规则；常出现在与压应力平行的位置上1.1.3扭性变形裂缝主要由剪应力作用产生的变形裂隙称Z其主要特征是：一般较平直，裂面较 光滑；常平行成群地出现，表现为有方向规律性的排列，或为互相交切的两组将衬砌切成菱形或长方形 的块状由于受力条件的改变，乂可以形成压扭性变形裂缝和张扭性变形裂缝，其中以张扭性为多，在 张、剪应力的共同作用下，裂缝可呈“多”字形、弧形等排列扭性变形裂缝，经常出现在拱腰呈45。

角的位置上1 • 2拱顶脱皮指拱顶衬砌受力后，一块块或一层层掉块、剥落的现彖拱顶脱皮是拱顶里侧受的挤压力超过混凝 土衬砌强度的表现1.3拱节错落和下掉在外力作用下，当拱部的衬砌开裂进一步发展时，就会沿变形裂血产生拱节错落或下掉现象1.4边墙的挤出和沉陷、倒塌边墙的变形较拱圈为少，但其变形程度有时也很严重2. 影响衬砌变形因素影响衬砌变形的因素很多，其中主要是衬砌本身的强度及围岩压力大小、作用方向与作用方式等2.1衬砌本身的强度隧道衬砌通常是采用混凝土、钢筋混凝土等结构衬砌材料不同，其结构形式及力学强度也就不同当衬砌产生变形时，衬砌材料就成为影响变形的内在因素譬如，混凝土的抗压强度一般较高，而抗拉 强度仅有抗压强度的1/8~1/17,抗剪应力也只有抗压强度的1/5~1/6因此，混凝土衬砌所容许的剪应 力很低，而拉应力英至是不允许出现的所以，衬砌变形裂缝常出现在拉应力较集中的洞门处拱顶外缘 及剪应力较集中的拱腰呈30 ~60的位置上，而边墙上因承受强度均较高，因此用它作衬砌材料不易产 生变形混凝土衬砌的拱节缝是相对的软弱血，所以衬砌变形常沿它发生此外，衬砌断面结构类型、衬砌厚度及隧道的跨度等不同，其衬砌抗拒变形的强度也有不同。

一般 圆形衬砌断面比矩形断面能承受较大的山岩压力；衬砌厚度愈大，强度愈高；在同样条件下，跨度较大 的三线、双线隧道，常常较单线隧道易产生开裂2. 2围岩压力的作用方向衬砌变形又与外力作用的方向有关按作用于衬砌上的围岩压力方向划分，主耍有以下几种压力：2.2.1顶压力系指来自拱以上的备种岩、土重压力顶压力产的衬砌变形特点是：2. 2.1.1顶压力垂直拱顶时，在拱顶内缘往往产生张性裂缝2.2. 1.2顶压力具有冲击性质时，在拱顶产生放射状张性或张扭性变形裂缝；2. 2.1. 3顶压力斜交拱圈时，可以产生斜切拱圈的扭性变形裂逢；2. 2. 1.4顶压力在边墙上产生的变形不明显，因为拱脚可以把这部分力逐渐传到岩壁上3.1.2. 2.2侧向压力对在侧向压力作用下产生的衬砌变形的研究较为复杂，必须做过细的工作后，才能 区分不同情况下的变形特点通过工作实践，我们有以下儿点初步认识：1单向侧压力或推力此种侧向压力多来白隧道内侧山体在其作用下，于拱顶（内缘）部位 往往产生压性纵向变形裂缝；受压一侧及相对一侧的拱腰，分别产生压扭性纵向裂缝及张性纵向裂缝； 横切拱圈的张性裂缝以及拱顶脱皮、钢筋扭曲等纵向压性变形；边墙部分的纵向或横向扭性与张性裂缝。

2. 2. 2两侧同时受均布压力当隧道衬砌拱圈两侧同时遭遇受挤压后，往往产生：拱顶上仰和拱顶 外缘张性变形裂缝；拱腰扭性纵向变形裂缝；拱顶脱皮、拱节穿袖，侵入净空；横切拱圈与边墙的张性 裂缝等变形现象2. 2. 3扭力主要指山体围岩相对位移时而产生的作用力如隧道通过滑坡体、错落体及层间挤压 破碎带或断层带时，都易遇到这种作用力在扭力作用下，变形可表现为力偶变形带或沿剪力方向的剪 切破裂面等形式在力偶变形带内常见的衬砌变形现象为横向扭性变形裂缝及斜向张性变形裂缝3围岩压力的作用方式隧道的衬砌变形与围岩压力的作用方式也有很大的关系2.3.1突然作用的荷载系指围岩突然坍塌引起的压力当作用力时间短而不大时，衬砌只产生弹性 变形；当作用力很大又突然时，则衬砌不仅有弹性变形，还会产生敎性或破裂变形2.3.2持续性的荷载系指围岩产生的有一定大小的长期作用的压力隧道衬砌受力状况，大多数是 属于这种类型这种压力能使衬砌逐渐产生册性变形和破裂变形在持续力的作用下，衬砌变形是不断 发展的因为力作用的效果可以不断积累，积累到一定稈度，超过衬砌所能抗拒的强度时，就会出现各 种变形现象在一定外力持续作用的条件下，衬砌变形也冇序次问题。

这种序次表明衬砌变形有先、后 Z分，主、次Z分，等级Z分，也表现了衬砌变形的时间顺序和因果关系我们通过工作实践对衬砌变 形的序次问题，初步取得了一些认识现仅将隧道衬砌受水平挤压力作用下的变形序次，做一介绍：3. 2. 1先在拱顶内缘岀现由剪力作用产生的“X”型扭性裂缝进一步受力后，“X”型扭性变形裂 缝继续发展，相互交叉切割，产生拱顶脱皮再继续受力可使混凝土内钢筋发生扭曲2. 3. 2. 2有时先在拱腰岀现由剪应力作用产生的纵向扭性变形裂缝进一步受力后，可以产生拱节下 掉（往往是靠近拱脚一节下掉）再继续发展，就可能产生拱节穿袖或坍落侵入净空；2. 4.3当拱圈上顶压不足时，易沿拱顶外缘产生张性纵向变形裂缝及拱圈上顶等现象再进一步受力 后，拱顶被拉断，沿重力方向产生拱顶下掉；2. 3. 2. 4边墙受挤后，往往先产生纵向扭性裂缝，再进一步受力后，因受墙本身白重影响，可沿扭裂 面破裂而挤出若此扭裂面产生在边墙基底时，则表现为整个边墙侵入净空衬砌变形的序次，在其它外力作用下，反映不共明显例如剪切力过隧道时，发生扭性裂缝，进一步就被切断，产生拱节错移而 侵入净空冲击力作用产生的张扭性裂隙，有时就此为止，或是直接将衬砌砸断，没有明显的序次过程。

衬砌变形的产生原因隧道衬砌的变形原因，大多数都与不良地质环境有关有时也会因衬砌质量不高或施工方法不当等 非地质原因所造成3.1不良地质环境引起的衬砌变形主要指隧道洞周岩体变形造成的或山岩压力过大而引起的衬砌变形在山区容易产生衬砌变形的不 良地质环境，大致有以下几种情况：3. 1. 1地形地貌具体有：3.1.1.1山间缓坡地带、河谷堆积阶地、沟壑发育等地段的浅埋隧道，往往产生具有顶压性质的衬砌 变形现象；3.1.1.2傍河斜坡区，尤其是河流冲刷的凹岸，隧道为浅埋、薄壁时，除易产生顶压衬砌变形现象外, 还往往产生具有侧压力和山体偏压性质的衬砌变形现象；3.1.1.3隧道通过滑坡、错落或在其底下不远通过时，可能产生具有剪切力及侧向推力性质的衬砌变 形现象3. 1.2地质构造具体有：1隧道通过地段，岩层产状平缓，特别是洞顶部位有软弱夹层时，往往产生以顶压力为主的衬 砌变形现象；1.2.2皱地区，岩层产状与洞轴线的不同组合关系，可产生不同性质的压力，而相应出现不同力 学性质的衬砌变形现象1.3断层或破碎带对隧道衬砌变形有较少影响3. 1.4地下水的活动地下水的活动能显著降低岩、土体的力学强度，尤其是对粘十层和基岩中的泥质软弱夹层更有严重 危害。

具体有：1. 45. 1松散堆积层中含有地下水时，能普遍增大对衬砌的顶压和围压；2泥质夹层或断层破碎带，受水软化或有水活动地段，会增大有关部位的定向压力；4. 3岩层裂隙发育且富含地下水地段，能增大山岩压力；4隧道通过地下水位较高、水头压力较大，特别是集中涌水地段时，地下水的静水压力和动水 压力都会对衬砌产生额外负荷3.1.3. 2隧道施工方法不当引起的衬砌变形3.1.3. 1支撑、衬砌不及时，落后于开挖工序，造成岩层长期暴露、悬空，引起山岩压力增加，至超过 衬砌的设计允许承受荷载时而变形3.2.2开挖爆破用药量过多，由于震动破坏引起环境岩层松动而增加山岩压力，使衬砌变形3. 2. 3衬砌背后冋填不密实，或衬砌过程中支撑拆换违反操作规程及方法不当,也会引起衬砌的开裂 变形3. 2. 4施工场地及附属工稈的布置不当，如浅埠洞身上部开挖公路与建立施工机房，不合理地修建水 池，以及水池水管漏水等，都能引起山岩压力的增大而使衬砌变形3. 2. 5采用新奥法施工的隧道，由于盲目追求进度，在围岩和初期支护变形还未相对稳定（拱脚水平 相对净空变化速度小于0. 2mm/d,拱顶相对下沉速度小于0. 15mm/d时）的情况下，就忽忙施作二次衬砌。

使二次衬砌承受过大的围岩压力而开裂3. 2. 6混凝土衬砌拆模过早，衬砌在自重及围岩压力的作用下开裂3.2.7衬砌背后有压浆要求时，由于压力过大，使得已隐含细微裂纹的衬砌裂缝更加明显3. 3衬砌质量不高或强度不够引起的衬砌变形衬砌在浇淋过程中，由于砂、石与水泥搅拌不均，密实程度不一（存在孔隙、空洞），或混凝土衬砌养护不好等，也会使衬砌产生变形综上所述，造成衬砌变形的原因是复杂的，多方面的，而且常常又是诸因索综合作用的结果在衬 砌变形时，应该认真地进行调杳研究首先要掌握发生衬砌变形地段所处的地质环境和丁程地质条件； 其次，要了解施工情况与设计方案;然后,再经过去粗取精,去伪存真,由此及彼,由表及里地分析研 究，透过复杂纷乱的现彖，抓住事物的本质，杏明产生衬砌变形的原因，从而制定出正确的处理措施参考文献：《铁路隧道设计规范》TB10003-2001铁道部第二勘测设计院主编中华人民共和国铁道部发布 《铁路隧道施丁规范》TB10204-2002中铁二局主编 中华人民共和国铁道部发布《山区铁路工稈地质》陕西省地质局第二水文地质工程队。