大準鐵路石壁橋隧道襯砌裂縫成因分析

王江勝

(神華準能集團有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 010300)

隧道作為鐵路建設工程中的一個重要結構物，因其在改善線路線型、縮短里程和行車時間、提高運營效益以及減少耕地占用面積等方面具有獨特的、難以替代的優勢，尤其對地處西部、西南多山、丘陵地區的線路，隧道更是發揮了重要的作用。神華集團所屬朔黃、神朔、包神、大準、準池鐵路均處在西部山區，途經地區地形地貌復雜、溝壑叢生，隧道成為跨越山嶺、河流等障礙物的首選方式，個別線路橋隧占線路全長比例達到將近一半。

隧道結構物在長期的運營過程中，由于受到地質條件、鋼筋、混凝土材質、設計及施工技術水平、地下水及氣候變化、列車荷載及震動等諸多因素的疊加影響，不同程度地產生了各種各樣的病害，如隧道襯砌開裂、拱頂空洞、隧道滲漏水、襯砌腐蝕、隧道凍害、仰拱裂損等。這些隧道病害一般不是單獨存在的，而是相互影響、相互作用的，其中襯砌裂縫和滲漏水是兩種最為常見、也是影響最廣的病害形式。而滲漏水大多是由于前期襯砌開裂以致基巖裂隙水滲入進而引起滲漏水病害，同時滲漏水會引起襯砌的進一步開裂、變形。如果在運營過程中對襯砌裂縫病害處理不當，襯砌就會產生滲漏水病害，進而造成基床凍害、翻漿冒泥等線路病害。

1 隧道襯砌裂縫主要類型

國內外對隧道襯砌裂縫的分類主要有按裂縫與隧道的走向關系、按襯砌受力變形形態和裂口變形特征及按裂縫成因等分類方法，其中最常用、最直觀的為按裂縫與隧道軸線的走向關系分類法。

1.1 縱向裂縫

隧道混凝土襯砌裂縫平行或基本平行于隧道軸線稱為縱向裂縫(圖1)。縱向裂縫危害性最大，繼續發展可引起隧道掉塊、邊墻斷裂甚至整個隧道塌方，破壞襯砌斷面的整體性。產生縱向裂縫的原因主要是隧道地質條件存在偏壓、設計承載力不夠、隧道周邊欠挖部位未進行處理，使襯砌的厚度不足或施工時墻頂與拱部回填不密實等。

1.2 橫向裂縫

橫向裂縫(即環向裂縫)平行或基本平行于隧道橫斷面，如圖2所示。主要是由于圍巖壓力變化、地基不均勻沉降、溫度應力或變形縫處理不當等因素引起，大多數發生在洞口、存在不良地質地段及軟、硬巖層接觸地帶。

圖2 隧道縱向裂縫示意

1.3 斜向裂縫

斜向裂縫屬于結構裂縫(圖3)，隧道斜裂縫一般延伸較長，當幾條斜向裂縫互相交叉時容易引起襯砌掉塊。斜向裂縫一般是由于混凝土斜截面上的拉應力或剪應力超過混凝土的抗拉或抗剪強度所致，其危害性較大。

圖3 隧道縱向裂縫示意

2 隧道襯砌裂縫的評定

目前美國、日本對隧道襯砌裂縫的評定標準主要是以襯砌裂縫的長度和寬度為主，輔以襯砌裂縫的發展變化來綜合評定。韓國規范對隧道襯砌裂縫的評定是綜合考慮寬度、長度、透水、剝落、分離、風化程度等因素進行評定。目前我國規范對于鐵路隧道襯砌裂縫的評定標準主要有定量評定標準與定性和定量相結合的評定標準。近年來，也有學者提出在評定時考慮裂縫處滲漏水情況及水質對結構物有無腐蝕性等因素，以便更為全面、客觀地作出評價。

2.1 定量評定標準

隧道襯砌裂縫的定量評定標準主要基于襯砌裂縫的寬度值劃分裂縫等級。據《鐵路工務技術手冊— 隧道》，將襯砌裂縫按寬度定量分為四級(表1)。

表1 襯砌裂縫定量評定標準 mm

2.2 定量與定性相結合的評定標準

據TB/T 2820.2-1997《鐵路橋隧道建筑物劣化評定標準—隧道》，給出了定量和定性相結合的評定方法，綜合考慮襯砌裂縫的長度和寬度，將襯砌裂縫分為五個等級，并給出了建議性措施(表2)。

表2 襯砌裂縫定性定量評定標準

《鐵路工務技術手冊—隧道》依據裂縫寬度劃分裂縫等級，TB/T 2820.2-1997《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準—隧道》中，依據裂縫長度及寬度，并綜合考慮了結構開裂外觀特征、襯砌變形情況及裂縫變形發展情況劃分裂縫等級，其劃分方法相比前者更加全面及細致。

3 大準鐵路石壁橋隧道襯砌裂縫分布及評定

3.1 大準鐵路及石壁橋隧道概述

大準鐵路東起山西大同市境內的燕莊車站(與國鐵大同樞紐大同東站接軌)，西至內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣站，途徑兩省(區)六縣市(旗)。正線全長264 km，為國家“八五”規劃重點建設項目“準格爾項目一期工程”三大主體工程之一，是“西煤東運”大通道大秦線的向西延伸，是鄂爾多斯東部地區煤炭外運的主干線，也是神華鐵路網絡的重要組成部分。全線共有5個交接口，其中上游2個，一是與巴準鐵路在點岱溝站接軌，二是與準東鐵路在薛家灣站接軌；下游3個，一是與大秦線在大同東站接軌，二是與京包線在呼和浩特鐵路局豐鎮站接軌，三是與神華準池鐵路在外西溝站接軌。大準鐵路為Ⅰ級電氣化重載鐵路(部分雙線)，初期設計能力為1 500×104t，2006年開行萬噸列車，到2015年運量已突破億噸。

石壁橋隧道位于渾河右岸低中山區，全長837 m。最大埋深約62.8 m，隧道位于直線段上，整個隧道約為3 ‰的下坡。隧道圍巖級別為Ⅲ-V級，出口端采用了V級圍巖復合式襯砌，局部使用V級加強圍巖復合式襯砌。隧道地形起伏較大，進口端山坡地形較平緩，地表覆蓋薄層新黃土；出口端山坡坡度較大，大部分基巖裸露，出口兩側為厚層新黃土覆蓋。

石壁橋隧道隧址區地層巖性主要為寒武系中統灰巖，寒武系下統泥巖，第四系全新統風積層，沖風積層新黃土及坡積層粗角礫土。隧道所經地段寒武系中統石灰巖，巖層走向約60°，傾向西北，傾角3°～6°，走向與線路基本垂直。隧道區域地質構造單一，呈單斜構造，巖層產狀平緩，有兩組主要節理，產狀分別為270°∠70°、335°∠80°。大部分為密閉節理，局部為微張～張開節理。場地區地震動反應譜特征周期為0.35 s，動峰加速度0.15g，設防烈度為Ⅵ度，土壤最大凍結深度1.61 m。

3.2 襯砌裂縫的分布及評定

3.2.1 裂縫分布特征

石壁橋隧道裂縫主要形態表現為縱向裂縫和橫向裂縫，縱向裂縫基本分布在邊墻中部及中下部，一般延伸0.5～5 m，局部長達14 m，裂縫寬度1～5 mm。橫向裂縫多自邊墻中下部延伸至拱肩，部分橫向裂縫沿施工縫發育，少數沿著施工縫發育的橫向裂縫橫跨拱頂和邊墻。斜向裂縫也有一定發育，且多伴隨縱向、橫向裂縫，形成樹枝狀裂縫。裂縫在出口段和隧道中段發育較多，主要為橫向裂縫和縱向裂縫。隧道入口段裂縫較少。

從對裂縫的統計看，橫向裂縫和縱向裂縫占總裂縫數75 %。斜向裂縫也有一定的發育，占總裂縫數25 %。

3.2.2 裂縫評定

基于TB/T 2820.2-1997《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準—隧道》對裂縫等級的劃分方法，統計石壁橋隧道裂縫情況如表3所示。

由上述統計可見：裂損等級為B類的裂縫所占比例最大，為50.4 %，C類占31.9 %，D類較少，為17.7 %，A類為0 %。隧道裂損等級主要為B類，大部分裂縫應加強監測，必要時采取措施。

4 裂縫成因分析

4.1 理論分析

石壁橋隧道所處地層結構為典型的二元體結構，上部以厚層灰巖為主，可見薄層灰巖和泥巖互層，風化剖面上此現象明顯，未風化層呈巨厚層狀；下部為軟弱基座，巖性為紫紅色泥巖夾砂巖，局部可見薄層灰巖，未見層底，此層局部風化嚴重，呈碎片狀，強度較低。

從變形角度分析來看，隧道襯砌與下伏泥巖共同承擔上覆灰巖的荷載，由于襯砌與泥巖的強度與變形模量差異較大，二者變形不協調，所以主要由隧道襯砌承擔了上部巖體帶來的自重應力；同時在后續長期使用過程中，降雨期會有雨水沿裂隙入滲，而下部泥巖層透水性差，雨水滲透致泥巖層受到阻礙滯留，泥巖受滯水浸泡軟化，導致強度進一步降低，從而襯砌所承擔的荷載進一步加大，導致襯砌所受應力超出其承載極限而發生破壞，產生裂縫。同時，由于在巖層分界處容易產生應力集中，進一步加重了襯砌的破壞速度。

石壁橋隧道變形主要表現為襯砌裂縫。其中襯砌裂縫以橫向裂縫和縱向裂縫為主，分布在邊墻上1.5～2.5 m高處。裂縫分布高程與軟弱基座高程分布基本一致。因此，初步推斷石壁橋隧道裂縫成因與隧道圍巖二元結構有關，軟弱基座的存在，是導致襯砌開裂的主要原因。

4.2 數值模擬分析

理論分析表明，軟弱基座的存在是導致隧道襯砌產生裂縫的主要原因，為進一步驗證理論分析結果，采用有限元分析軟件—MIDAS/GTS，分別模擬無軟弱基座工況與有軟弱基座工況，對比二者模擬結果，確定軟弱基座的存在是否是產生裂縫的主要原因。

4.2.1 模型建立

根據隧道設計參數，模擬選取V級圍巖段，基于新奧法施工原理，采用短臺階法施工，襯砌設計為V級圍巖復合式襯砌。根據隧道縱斷面圖，模型上部取25 m，兩側取30 m，下部取45 m。邊界條件為橫向左右邊界水平方向(X方向)約束，底邊界全約束，重力加速度取10 m/s2。

根據數值模擬原理和平面應變原理，細長的地下工程(如隧道)的圍巖穩定性的模擬研究，通常采用二維的數值模型，按平面應變問題研究。此處隧道出口端數值模擬研究即采用二維平面模型分析。隧道圍巖為二維平面單元，本構模型為Mohr-Coulomb模型。噴射混凝土和錨桿采用線單元，本構模型為線彈性模型，結合實際物理力學性質，各參數取值見表4，數值模擬后劃分網格的模型見圖4。

4.2.2 襯砌強度檢算

石壁橋隧道圍巖級別為Ⅲ-V級，隧道地形起伏較大，進口端山坡地形較平緩，地表覆蓋薄層新黃土；出口端山坡坡度較大，根據TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》判斷，隧道結構處于偏壓狀態，因此對襯砌強度采用混凝土偏心受壓構件進行檢算。

表4 數值模擬參數

圖4 劃分網格后的石壁橋隧道數值模擬模型

TB 10003-2005《鐵路隧道設計規范》中對于當隧道或明洞按破損階段檢算截面強度時，結構在不同荷載組合下選用的安全系數為：混凝土受抗壓極限強度控制時，安全系數取值為2.4；混凝土受抗拉極限強度控制時，安全系數取值為3.6。當檢算系數K大于安全系數時，混凝土處于彈性變形階段，此時，襯砌內部原本存在微裂縫擴展、壓縮，襯砌總體安全；當K=安全系數時，混凝土達到臨界荷載；當1

根據兩種工況下數值模擬計算結果，選取具有代表性的，同時也是石壁橋隧道實際裂縫較為發育的邊墻位置的左、右側各兩個單元進行對比分析(從計算結果看，其余部位的襯砌安全系數均滿足要求)，檢算結果見表5。

從檢算結果可見，在無軟弱基座條件下，隧道開挖后，襯砌承載力受抗壓強度控制，且安全系數遠大于2.4，襯砌安全，滿足安全性要求，不會出現裂縫；與無軟弱基座情況相比，在有軟弱基座時，隧道開挖后，隧道左右側各2個單元的承載力由抗拉強度控制，且安全系數均小于3.6，不能滿足襯砌安全需求。由于其安全系數K均在1～1.5之間，較靠近K=1時的極限狀態，因此，襯砌表面會出現一些明顯的開裂。結合選取的4個單元位于泥巖與頁巖分界面下，即位于軟弱基座下方，與實際隧道襯砌開裂的主要位置相對應，由此可見，軟弱基座是石壁橋隧道裂縫形成的主要原因，數值模擬計算結果與變形理論分析結果一致。

表5 檢算結果對比

5 結論及建議

從理論分析與數值模擬計算得出：圍巖體軟弱基座的存在，是隧道產生變形與開裂的主要原因。目前情況下，襯砌出現的裂縫屬混凝土達到臨界荷載后出現的裂縫，只局限于襯砌表面，后續使用過程中，裂縫有進一步發展的可能，因此建議：

(1)加強對襯砌裂縫的觀測，掌握裂縫的發展趨勢，對較長、較寬的裂縫及時進行修補。

(2)加強隧道變形的監控量測，特別是邊墻的變形監測，確定隧道變形趨勢，以便進一步分析隧道整體結構的穩定性。