中老鐵路友誼隧道鹽巖段襯砌開裂變形機(jī)理研究

羅仁立 舒俊良 劉志韜 李鵬州 易 鵬 周 平 任 松

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031； 2.西南交通大學(xué)，成都 611756；3.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044）

鹽巖是一種由各種化學(xué)沉積巖組成的特殊巖類，是堿金屬類鹵素礦物組成巖層的總稱。TB 10038-2022《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》［1］將鹽巖按主要化學(xué)成分分為氯鹽類、硫酸鹽類和碳酸鹽類鹽巖。氯鹽類鹽巖又分為：石鹽（NaCl）、鉀鹽（KCl）、鈣鹽（CaCl2）、鎂鹽（MgCl2）等。

目前國內(nèi)在鹽巖地層中修建的隧道較為少見，僅有黃東海［2］、于占華［3］對(duì)含鹽地層隧道施工技術(shù)進(jìn)行了介紹；肖勇剛［4］、劉高金［5］等對(duì)含鹽地層隧道結(jié)構(gòu)侵蝕成因進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討。然而，上述研究均以穿越含石膏的硫酸鹽類鹽巖地層隧道為研究對(duì)象，而針對(duì)穿越含石鹽的氯鹽類鹽巖地層隧道的相關(guān)研究還處于空白。中老鐵路友誼隧道穿越長段落石鹽地層且石鹽含量高達(dá)80%，隧道穿越鹽巖地層時(shí)發(fā)生了較為嚴(yán)重的開裂、底鼓和變形等病害。如何確保鹽巖地層隧道襯砌的安全成為了亟待解決的問題，因此開展針對(duì)鹽巖段襯砌開裂變形機(jī)理的研究是十分必要的。

1 工程概況

友誼隧道穿越中國和老撾國境線，為設(shè)計(jì)旅客列車速度160 km／h 的單線隧道全長9 595.407 m，老撾境內(nèi)長2 425 m。隧道中國境內(nèi)設(shè)2 座斜井，老撾境內(nèi)設(shè)置1 座斜井（3 號(hào)斜井），長750 m。老撾境內(nèi)段共穿越第三系及白堊系地層：自小里程向大里程方向依次為第三系（E1-2）泥巖夾砂巖、礫巖、鹽巖含石膏；白堊系上統(tǒng)（K2）泥巖夾礫巖、砂巖，下統(tǒng)（K1）砂巖夾礫巖、泥巖。埋深240 m，均為Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)圍巖。隧道平面如圖1所示。

圖1 隧道平面示意圖（m）

友誼隧道（老撾境內(nèi)DK 0+000～DK 0+363 段及DK 0+550～DK 1+565 段）開挖揭示的鹽巖多為淺白、紫紅、暗灰色，與灰色、紫紅色砂泥巖碎石、角礫混雜。經(jīng)巖石薄片鑒定試驗(yàn)分析，友誼隧道正洞揭示的鹽巖主要為含硬石膏、泥灰質(zhì)角礫石鹽巖（石鹽含量77%～80%，硬石膏含量5%～6%），屬氯鹽類鹽巖，是由含鹽度較高的溶液或鹵水通過蒸發(fā)濃縮作用形成的化學(xué)沉積巖。其工程特性主要表現(xiàn)為強(qiáng)溶解性、強(qiáng)侵蝕性和強(qiáng)膨脹性。

2 開挖揭示及襯砌開裂病害情況

開挖揭示各段鹽巖含量不均，正洞DK 0+000～DK 0+363 段鹽巖含量總體上自小里程向大里程方向逐漸減少，DK 0+550～DK 1+565 段鹽巖含量總體上自小里程向大里程方向逐漸增大。鹽巖具有局部富集現(xiàn)象，部分地段鹽巖含量達(dá)80%以上。開挖揭示圍巖呈現(xiàn)較為統(tǒng)一的規(guī)律，即掌子面巖鹽含量越低，圍巖越破碎，節(jié)理裂隙越發(fā)育，地下水越發(fā)育；反之，掌子面巖鹽含量越高，圍巖越完整，節(jié)理裂隙越不發(fā)育，地下水越不發(fā)育。

3 號(hào)斜井工區(qū)鹽巖段現(xiàn)場(chǎng)開挖揭示各段鹽巖含量、地下水發(fā)育情況及襯砌施作情況如圖2所示。

圖2 3 號(hào)斜井工區(qū)開挖揭示及襯砌施作圖

3 號(hào)斜井工區(qū)84 m 長Ⅳb 型襯砌（采用C45 素混凝土）仰拱及矮邊墻（DK 0+659～+695、DK 0+708～+ 732、DK 0 + 756～+780段）、24 m拱墻襯砌（DK 0 + 683 ～+ 695 和DK 0 + 708 ～ 720 段）兩側(cè)邊墻、仰拱填充面陸續(xù)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂縫數(shù)量不斷增加，寬度不斷擴(kuò)大。

DK 0 + 720 ～ + 732 段（僅施作仰拱及矮邊墻）裂縫展示如圖3所示。

圖3 DK 0+720～ +732 段裂縫圖（mm）

DK 0+708～+720 段（施作拱墻襯砌）裂縫展示如圖4所示。

圖4 DK 0+708～+720 段裂縫圖（mm）

除了襯砌開裂，還發(fā)生了以下病害：DK 0 + 760處線路左側(cè)避車洞底部，因鹽巖強(qiáng)溶解性形成空腔，并導(dǎo)致下沉塌陷；初支表面鹽類晶體析出；洞內(nèi)鋼材受到強(qiáng)侵蝕性的影響嚴(yán)重腐蝕。

3 襯砌開裂變形機(jī)理分析

某隧道是國內(nèi)具有代表性的受含鹽地層影響發(fā)生病害的隧道工程，穿越以石膏為主的硫酸鹽類鹽巖地層，病害特征主要表現(xiàn)為初支和二襯混凝土腐蝕劣化開裂，強(qiáng)度降低，排水管堵塞等［6-7］。研究者認(rèn)為，該隧道的危害主要是由硫酸鹽類鹽巖的物理侵蝕和化學(xué)侵蝕作用引發(fā)的。

友誼隧道鹽巖主要為氯鹽類鹽巖，與該隧道穿越硫酸鹽類鹽巖不同，其開裂機(jī)理亦不相同。為探究襯砌開裂變形機(jī)理，對(duì)病害段襯砌進(jìn)行鉆孔取芯和探坑開挖驗(yàn)證。

DK 0 + 710 處已施作全環(huán)襯砌，對(duì)邊墻開裂處取芯觀察顯示，裂縫沿二襯基本貫通，二襯混凝土中未發(fā)現(xiàn)鹽類侵蝕混凝土裂化跡象。對(duì)于未開裂部位，經(jīng)回彈法檢驗(yàn)混凝土強(qiáng)度符合要求，未出現(xiàn)強(qiáng)度降低現(xiàn)象。同時(shí)，隧道結(jié)構(gòu)自施作到開裂時(shí)間跨度很短（僅1 ～ 2月），因此可基本排除鹽類侵蝕混凝土是導(dǎo)致混凝土腐蝕肢解引起開裂的原因。

友誼隧道開裂段二襯均為素混凝土結(jié)構(gòu)，因此可以排除Cl-與鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生銹脹壓力引起開裂的可能性。

現(xiàn)場(chǎng)初支內(nèi)表面滲水處常伴有白色鹽類結(jié)晶體析出。經(jīng)取樣進(jìn)行了成分鑒定，主要為NaCl。

對(duì)初支內(nèi)表面有晶體析出的部位進(jìn)行取芯，發(fā)現(xiàn)芯樣巖體中存在明顯的沿節(jié)理裂隙面形成的多道層狀鹽巖結(jié)晶體。經(jīng)成分鑒定，其主要成分為NaCl，厚度在0.8 ～ 2 cm，在初支背后0.5 m 內(nèi)均有分布，且細(xì)小晶體顆粒明顯，與原狀圍巖中鹽巖晶體較大、呈斑點(diǎn)狀、脈狀或大塊狀明顯不同。

DK 0 + 728 處物探顯示異常，于該處自仰拱填充面開挖探坑，開挖揭示未見空洞，基底無虛渣，開挖面存在積水，且可見明顯結(jié)晶鹽塊、小鹽粒等。

綜合鉆孔取芯和探坑開挖驗(yàn)證可以看出，初支內(nèi)表面、初支與圍巖間及圍巖裂隙中均存在鹽巖結(jié)晶體，這些鹽巖結(jié)晶體均為隧道開挖后因重結(jié)晶作用的產(chǎn)物。

重結(jié)晶作用是圍巖內(nèi)部的石鹽溶解后隨地下水徑流遷移至新的地點(diǎn)后因溶解度變化而重新從溶液中結(jié)晶的過程。

石鹽常溫下溶解度為36 g／cm3，隧道環(huán)境溶解度變化主要受3 個(gè)方面影響：（1）含鹽溶液中水分自然蒸發(fā)后形成過飽和溶液，導(dǎo)致石鹽結(jié)晶析出；（2）新澆筑混凝土持續(xù)水化作用吸取含鹽溶液中的水分后形成過飽和溶液而結(jié)晶析出；（3）混凝土澆筑后溫度逐漸降低，含鹽溶液中溶解度降低。

綜上所述，鹽巖重晶體擠壓隧道襯砌形成的膨脹壓力是短期內(nèi)襯砌開裂變形的主要因素。初支與二襯間空隙、初支與圍巖間的空隙、離開挖輪廓距離較近的圍巖裂隙是地下水最易匯集，也是溶解度最易發(fā)生變化而發(fā)生重結(jié)晶作用的地方。同時(shí)，鹽巖中硫酸鹽含量為5%，后期硫酸鹽類的侵蝕膨脹壓力疊加，進(jìn)一步加劇了結(jié)構(gòu)的開裂變形［8-9］。

4 變形規(guī)律分析

自2018年8月至2019年6月對(duì)已開挖段初支變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，量測(cè)斷面拱頂最大沉降量69.4 mm（DK 0 + 620），周邊收斂最大95.34 mm（DK 0 + 730）。其中，初支收斂變形趨勢(shì)、收斂變形量和拱頂下沉變形量情況分別如圖5～圖7所示。

圖5 初支收斂變形趨勢(shì)圖

圖6 初支累計(jì)拱頂下沉變形量統(tǒng)計(jì)表

圖7 初支累計(jì)收斂變形量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)鹽巖重結(jié)晶機(jī)理，重結(jié)晶作用與鹽巖含量和地下水發(fā)育程度緊密相關(guān)。DK 0+620、+670、+730鹽巖含量均小于50%，且開挖揭示有地下水，重結(jié)晶作用強(qiáng)烈，變形量最大，變形發(fā)展較快且變形趨勢(shì)未收斂。DK 0 + 810、+ 830、+ 850 雖鹽巖含量均大于50%，但地下水不發(fā)育，重結(jié)晶作用較弱，變形量相對(duì)較小，變形發(fā)展較慢。DK 0+555 接近非鹽巖段，雖地下水較發(fā)育，但鹽巖含量很小，重結(jié)晶作用較弱，故該處變形量亦相對(duì)較小。

5 襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)襯砌施作情況，假定初支與二襯間、初支與圍巖間以及圍巖內(nèi)部的鹽巖重結(jié)晶作用力按均布力作用在二襯上，針對(duì)施工矮邊墻及仰拱與全環(huán)襯砌兩種工況進(jìn)行討論分析。

（1）對(duì)于僅施作矮邊墻及仰拱的段落，其受力狀態(tài)可分為兩個(gè)階段：

①當(dāng)重結(jié)晶膨脹力較小時(shí)，尚不足以使結(jié)構(gòu)發(fā)生整體上鼓，受力模式如圖8所示。

圖8 仰拱矮邊墻受力圖（fp=31.6 kN／m）

建立豎向平衡的條件為：

式中：fp——膨脹壓力；

Fm——矮邊墻側(cè)壁摩阻力；

μ——摩阻力系數(shù)，取0.65；

h——矮邊墻高度，取1.02 m；

B——結(jié)構(gòu)寬度，取7.48 m；

G——結(jié)構(gòu)自重，取194.5 kN／m。

求得極限平衡時(shí)，fp=31.6 kN／m。此時(shí)對(duì)仰拱及矮邊墻各處正截面受力進(jìn)行驗(yàn)算，最小安全系數(shù)為21.2。橫斷面各處均不發(fā)生開裂。

②當(dāng)重結(jié)晶膨脹力大于31.6 kN／m 時(shí)，仰拱發(fā)生整體上浮現(xiàn)象。上浮后，仰拱部分形變膨脹壓力fp為0，僅矮邊墻部分承受形變膨脹壓力。受力模式如圖9所示。

圖9 仰拱矮邊墻受力圖（fp＞31.6 kN／m）

此時(shí)結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化為素混凝土受彎構(gòu)件，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)—隧道》按式（3）檢算混凝土矩形截面受彎構(gòu)件的截面強(qiáng)度：

式中：M——彎矩；

K——安全系數(shù)，取3.6；

Rl——素混凝土抗拉極限強(qiáng)度，標(biāo)號(hào)C45 取2.9 MPa；

b——截面寬度，取1 m；

h——截面高度，取截面最小處的高度0.4 m。

求得M=36.8 kN·m，進(jìn)而求得fp=70.8 kN／m，即當(dāng)膨脹力大于70.8 kN／m 時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)為受彎承載控制。襯砌外側(cè)開裂無法直觀可見，現(xiàn)場(chǎng)矮邊墻發(fā)生環(huán)向、斜向裂縫居多，推測(cè)為沿線路方向不同里程膨脹力差異而引起矮邊墻環(huán)向開裂。當(dāng)膨脹力繼續(xù)增大，矮邊墻受斜截面控制，則可能導(dǎo)致對(duì)矮邊墻發(fā)生剪切破壞。

（2）對(duì)全環(huán)襯砌地段進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析

全環(huán)襯砌段屬深埋Ⅳ級(jí)，根據(jù)地勘報(bào)告圍巖重度取24 kN／m3，計(jì)算摩擦角取50°，分別按膨脹壓力100 kPa、200 kPa 及300 kPa 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，以膨脹力200 kPa 為例按荷載結(jié)構(gòu)法計(jì)算內(nèi)力，結(jié)果如圖10所示。

圖10 膨脹力為200 KPa 全環(huán)襯砌內(nèi)力圖

經(jīng)計(jì)算，仰拱中心、邊墻腳、軌面以上2.5 m 處邊墻和拱頂?shù)? 個(gè)部位安全系數(shù)較低，各部位安全系數(shù)如表1所示。

表1 各部位安全系數(shù)表

由表1 可知，當(dāng)膨脹力為200 kPa 和300 kPa 時(shí)，仰拱中心和軌面以上2.5 m 處的安全系數(shù)小于規(guī)范要求的受拉安全系數(shù)3.6，結(jié)構(gòu)將發(fā)生上鼓和開裂，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際病害情況一致。經(jīng)計(jì)算，膨脹力為126 kPa 時(shí)，仰拱中心的安全系數(shù)恰好為3.6，此時(shí)軌面以上2.5 m 處的安全系數(shù)3.72，此時(shí)全環(huán)襯砌處于破壞臨界狀態(tài)。

6 對(duì)策措施

（1）針對(duì)鹽巖段（DK 0 + 000 ～ DK 0 + 363 段及DK 0 + 550 ～ DK 1 + 565 段），根據(jù)初支滲漏水情況采取隧底注漿、局部徑向注漿和初支背后充填注漿，以限制地下水流動(dòng)。洞內(nèi)施工嚴(yán)格控制施工用水量，開挖后盡快封閉圍巖，減少空氣中水分溶解襲奪鹽巖，從而避免鹽巖發(fā)生重結(jié)晶作用，同時(shí)也避免鹽巖溶解形成空洞。

（2）鹽巖段襯砌加深加厚仰拱，通過增加自重和縱向剛度的方法，避免結(jié)構(gòu)成環(huán)前因膨脹力而上浮。

（3）鹽巖段襯砌采用圓形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)抵抗外力能力?？紤]到石鹽地層的復(fù)雜性，為增加設(shè)計(jì)冗余度，襯砌內(nèi)輪廓預(yù)留30 cm 拱墻補(bǔ)強(qiáng)空間，內(nèi)輪廓半徑設(shè)定為4.7 m。

（4）采用全包防水+多道設(shè)防理念，設(shè)素混凝土隔水層結(jié)構(gòu)及兩道卷材防水層，充分利用混凝土良好的自防水性來阻斷地下水和氯離子對(duì)二襯鋼筋的侵蝕。

（5）隔水層和二襯采用特殊低標(biāo)號(hào)混凝土材料，在提高電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)等指標(biāo)性能的同時(shí)降低水化熱［10］，防止混凝土開裂。

（6）為防止氯離子侵蝕，二襯鋼筋及隔水層接茬鋼筋均采用環(huán)氧涂層防腐。

具體結(jié)構(gòu)布置如圖11所示。

圖11 鹽巖段襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面圖（cm）

7 結(jié)論

本文重點(diǎn)闡述了友誼隧道鹽巖段開挖揭示及襯砌開裂病害情況，分析總結(jié)了鹽巖段襯砌開裂機(jī)理和變形規(guī)律。結(jié)合結(jié)構(gòu)受力分析，針對(duì)性地提出了鹽巖段隧道結(jié)構(gòu)對(duì)策措施，得到主要結(jié)論如下：

（1）友誼隧道鹽巖段襯砌開裂主要是由鹽巖重結(jié)晶作用產(chǎn)生的膨脹力引起。

（2）初支與二襯間空隙、初支與圍巖間的空隙、離開挖輪廓距離較近的圍巖裂隙是重結(jié)晶易發(fā)生的地方。

（3）重結(jié)晶作用與鹽巖含量和地下水發(fā)育程度緊密相關(guān)。地下水越發(fā)育且有一定鹽巖含量時(shí)，隧道初支更容易發(fā)生變形。地下水不發(fā)育時(shí)，即使鹽巖含量較高，隧道初支變形也較小。地下水發(fā)育但鹽巖含量較低時(shí)，隧道初支變形亦較小。

（4）僅施作矮邊墻及仰拱段落，當(dāng)膨脹力fp小于31.6 kN／m 時(shí)，仰拱不上??；當(dāng)膨脹力fp為31.6～78.7 kN／m 時(shí)，仰拱表現(xiàn)為整體上浮，但尚未發(fā)生開裂現(xiàn)象；當(dāng)膨脹力fp大于78.7 kN／m 時(shí)，仰拱表現(xiàn)為整體上浮同時(shí)矮邊墻出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。全環(huán)襯砌地段當(dāng)膨脹力大于126 kPa 時(shí)，襯砌將出現(xiàn)開裂破壞。

（5）鹽巖段襯砌措施應(yīng)以“注漿堵水、全包防水、強(qiáng)化材料防腐、圓形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)”為原則進(jìn)行處理。