土質(zhì)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生原因分析及預防措施近幾十年來(lái)我國在各種工程中修建了數以千計的隧道工程，其中土質(zhì)隧道占了很大的比重。本文所說(shuō)的土質(zhì)隧道包含公路、鐵路、地下鐵道工程中在土質(zhì)圍巖中修建的隧道工程。經(jīng)過(guò)國家有關(guān)部門(mén)對運營(yíng)隧道的調查，發(fā)現大部分已建成運營(yíng)的土質(zhì)隧道或多或少都存在襯砌開(kāi)裂的現象，嚴重的經(jīng)常影響到運營(yíng)安全。許多工程剛剛完工還未交付使用就已經(jīng)出現裂縫，這一現象在鐵路隧道中尤為常見(jiàn)。如果是個(gè)別土質(zhì)隧道出現一些襯砌開(kāi)裂的現象，也不值得大驚小怪，問(wèn)題是，近年來(lái)土質(zhì)隧道襯砌發(fā)生襯砌裂縫幾乎已成了普遍現象。神木至延安鐵路的十幾座土質(zhì)隧道在施工過(guò)程中都曾出現大大小小的裂縫，陜西境內的多座公路隧道在投入使用后幾年時(shí)間都曾進(jìn)行過(guò)裂縫防水整治。全國其它地方關(guān)于土質(zhì)隧道病害的事例更是不勝枚舉，以上實(shí)例充分說(shuō)明，土質(zhì)隧道發(fā)生裂縫已不是個(gè)別現象，隧道工程技術(shù)人員對此應予以足夠的重視。本文從土質(zhì)隧道受力變化機理、及設計施工等方面談一點(diǎn)看法，旨在拋磚引玉。

　　2.土質(zhì)圍巖中開(kāi)挖洞室后洞周應力演變

　　2.1土的認識土是巖石經(jīng)風(fēng)化作用（包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化及生物風(fēng)化），然后以不同的搬運方式在不同的地點(diǎn)堆積下開(kāi)的歷史產(chǎn)物。土是多相介質(zhì)的堆積物，它的種類(lèi)繁多，按成因不同從大的方面可分為殘積土、沉積土（沉積土可進(jìn)一步細分為陸地流水沉積土、陸地靜水沉積土、冰川沉積土、風(fēng)成沉積土、海相沉積土）、土壤層。土的結構一般有單粒結構、蜂窩結構、絮狀結構等，土的工程性質(zhì)主要取決于土的結構構造、礦物成分、粒度成分及孔隙中水溶液的性質(zhì)等，另一方面也取決于生成年代的長(cháng)短、地理條件的變遷等。土體的固體顆粒之間及顆粒與水之間的相互作用，使土的物理力學(xué)性質(zhì)很復雜。目前還沒(méi)有一種嚴格的理論來(lái)表達土的力學(xué)性質(zhì)，工程上還在把土當成簡(jiǎn)單的彈性體或理想的彈塑性體，在土力學(xué)中大量的應用彈性理論或彈塑性理論，這種近似的方法不能準確的反映實(shí)際情況。

　　2.2土層中開(kāi)挖洞室后洞周應力的變化過(guò)程大量的隧道工程就修建在由各種不同結構不同性質(zhì)的土層構成的土質(zhì)圍巖中，在地下洞室開(kāi)挖以前，土層中的各點(diǎn)均處于三向受力的平衡狀態(tài)，但這種平衡狀態(tài)并不是一成不變的，隨著(zhù)自然界的地殼運動(dòng)，隨著(zhù)風(fēng)吹日曬，雨水滲透，地層中的應力變化無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著(zhù)。當地下洞室開(kāi)挖后，地層中的應力平衡就遭到破壞，為了維持新的平衡，人們采取了各種各樣的方法，在多種方法中，新奧法（NATM）的理論無(wú)非是最新穎，最科學(xué)的方法，它徹底改變了很久以來(lái)人們對地下洞室開(kāi)挖支護的認識，把圍巖作為受力結構的一部分，這是一個(gè)聰明而又科學(xué)的想法。

　　在我們?yōu)檫@個(gè)科學(xué)的方法而欣喜，以為新奧法可以解決地下工程中的所有問(wèn)題時(shí)，我們卻不得不面對許多完全按新奧法原理設計施工的隧道工程出現許多裂縫的事實(shí)。為什么會(huì )出現這種問(wèn)題呢？設計者們翻來(lái)覆去的檢查了他們采用的原始數據及計算過(guò)程，都沒(méi)有發(fā)現有什么差錯，可就是按此方法設計的土質(zhì)隧道越來(lái)越多的出現裂縫。其實(shí)，這其中最大的原因就在于我們把自然界動(dòng)態(tài)的過(guò)程當成靜態(tài)過(guò)程來(lái)進(jìn)行設計。試想一想，我們在設計中采用的反映圍巖特性的重要指標γ、C、φ值，是不是從我們設計隧道開(kāi)始就不會(huì )再有變化？我們在淺埋隧道設計中采用的計算圍巖壓力的方程中的滑移面是否在我們設計完隧道后就不會(huì )再有變化？由此計算出的淺埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì )再有變化？我們在深埋隧道的設計中采用的坍落拱計算高度是否在我們設計后就不會(huì )再有變化？由此計算出的深埋隧道的圍巖壓力是否就不會(huì )再有變化？我們在隧道設計中采用的各種荷載形式是否就與實(shí)際一致？我們所采用的各種襯砌形式是否適應地層中的應力變化？如果我們對以上問(wèn)題都能有明確肯定的回答，我想隧道襯砌肯定是不會(huì )產(chǎn)生裂縫的。

　　土質(zhì)圍巖中修建的隧道自從洞室被開(kāi)挖的那一刻起，圍巖中的應力重分配就重新開(kāi)始，如果是按新奧法原理設計，在初襯達到變形穩定后只能說(shuō)是達到了一次暫時(shí)的平衡，二襯施工后，不論是設計者還是施工者都會(huì )確信工程已經(jīng)高質(zhì)量的完工了。實(shí)際并非如此，在大家毫不關(guān)心的情況下，在自然界降水的作用下，或在土層被擾動(dòng)后進(jìn)行的長(cháng)期的固結作用下，洞周地層中的應力已經(jīng)和隧道設計或剛建成時(shí)發(fā)生了很大的變化，初襯和二襯卻還在努力的抵抗著(zhù)不斷變化的地層應力，如果初襯和二襯的強度足夠大，能夠應付后來(lái)發(fā)生的應力變化，那末這個(gè)工程在很長(cháng)的時(shí)間內可以放心地使用。如果不能夠抵抗后期發(fā)生的應力變化，隧道襯砌就會(huì )用各種各樣的裂縫表現出它所遭受的各種無(wú)法承受的壓力。以上主要是想說(shuō)明，土質(zhì)圍巖中的洞室開(kāi)挖后，應力的變化是一直在進(jìn)行著(zhù)的，施工過(guò)程中初襯的穩定并不表示圍巖變形的完成及應力分配的終結。土層被擾動(dòng)以后的再次固結是一個(gè)相當漫長(cháng)的過(guò)程，洞室開(kāi)挖后引起地層中水流路徑的變化也是一個(gè)相當長(cháng)的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中，洞周地層中的應力時(shí)刻都在發(fā)生著(zhù)變化。因此，對于許多土質(zhì)隧道建成后多

年才出現裂縫就不難理解了。

　　3.土質(zhì)隧道裂縫產(chǎn)生原因分析土質(zhì)隧道中產(chǎn)生的裂縫、滲漏水現象，一方面是由設計原因造成的，另一方面是由于施工管理不當造成的。

　　它是結構內部受到與設計狀態(tài)不同的應力的反映，同時(shí)也與施工過(guò)程中由于人為的因素改變了洞室的受力狀態(tài)有很大關(guān)系。

　　3.1結構設計計算與實(shí)際不符，后期變形應力在設計中未能反映在現在的公路鐵路地鐵隧道設計中，一般根據情況將隧道的設計分為淺埋隧道和深埋隧道兩種情況。淺埋情況下以洞頂上所有覆土壓力作為設計荷載；深埋隧道的設計考慮坍落拱效應，只計部分圍巖壓力。在荷載的計算中采用的是經(jīng)過(guò)調查或試驗得到的土的物理力學(xué)參數。這樣的設計模式存在以下幾個(gè)方面的問(wèn)題，第一，人為確定的隧道洞室的荷載模式與實(shí)際的洞室受力狀況有很大的區別，把受力復雜的地下工程簡(jiǎn)單的采用類(lèi)似受力明確的框架進(jìn)行計算，忽略了土質(zhì)圍巖的特殊性，而這些特殊性恰恰是引起地下洞室日后病害的主要原因。第二，設計中采用的許多土層的物理、力學(xué)指標在洞室開(kāi)挖后都會(huì )發(fā)生變化，但設計計算的過(guò)程卻無(wú)法反映出以后這方面的變化，以定態(tài)的參數設計的結構去適應動(dòng)態(tài)的應力變化，是對結構受力的過(guò)程不全面的反映，同時(shí)也是對土層中洞室開(kāi)挖后的應力變化過(guò)程認識不透徹的表現。結構設計中長(cháng)期以來(lái)忽略了地下水的影響，在隧道的設計中僅僅是考慮在有水的情況下將圍巖級別予以降低，在沒(méi)有水的情況下則對水的因素不加考慮。先說(shuō)有水時(shí)的情況，對土質(zhì)隧道來(lái)說(shuō)，地下水對工程的影響體現在以下方面，其一影響了土的物理力學(xué)指標，這點(diǎn)可從圍巖級別的降低上得到部分的反映，其二影響了土層中洞室開(kāi)挖后的應力狀態(tài)。土質(zhì)圍巖中有水時(shí)，洞室開(kāi)挖后將破壞原來(lái)的賦存環(huán)境及水力路徑，在洞室完成后會(huì )重新形成新的水力路徑，在這個(gè)過(guò)程中，由于水的影響，必然導致洞室周?chē)�土壓力狀態(tài)與設計時(shí)有很大的不同，而提高圍巖級別卻不能反映出這種影響，故從根本上說(shuō)，設計時(shí)對土質(zhì)圍巖中水的因素是沒(méi)有考慮的。在勘察未見(jiàn)地下水的情況下，修成的洞室卻往往存在漏水的情況，這說(shuō)明土質(zhì)圍巖中的水力路徑會(huì )隨著(zhù)洞室的開(kāi)挖而變化，從而使開(kāi)挖時(shí)干燥的洞室在運營(yíng)后數年出現漏水的現象。

　　3.2設計粗糙，結構形式與受力不協(xié)調由于土質(zhì)圍巖組成狀態(tài)的不同，導致洞室周?chē)�各處受力狀態(tài)的不同，而現在的設計卻存在著(zhù)設計粗糙、結構形式單一，盲目類(lèi)比不加深究的現象。從土質(zhì)隧道的病害情況看，公路隧道的病害比鐵路隧道的病害少，病害的程度也比較輕。其中很重要的原因是，公路隧道的斷面形式在受力方面比鐵路隧道的斷面合理。公路隧道的斷面一般采用三心圓或割圓，而鐵路隧道的斷面一般采用馬蹄形斷面。三心圓或割圓的斷面形式在圍巖壓力的作用下壓力拱軸線(xiàn)一般比較接近于斷面軸線(xiàn)，而馬蹄形的斷面在圍巖壓力作用下的壓力拱軸線(xiàn)與襯砌斷面的軸線(xiàn)相差較大，由此就會(huì )在襯砌斷面上產(chǎn)生很大的附加應力。

　　設計中對于圍巖變化處未做有效的處理，當存在不均勻沉降時(shí)導致襯砌的破裂；長(cháng)大段落的隧道結構未按要求設置伸縮縫，在長(cháng)期的溫度變化作用下導致襯砌產(chǎn)生裂縫。

　　3.3施工過(guò)程中未嚴格按新奧法要求施工，使襯砌產(chǎn)生裂縫雖然在前文的論述中曾談過(guò)新奧法設計有其不足之處，但從現階段的理論和實(shí)際來(lái)看，新奧法理論仍是目前地下洞室設計和施工的最好的指導理論。但在大量的土質(zhì)隧道施工過(guò)程中，新奧法并未被正確完整的貫徹，大多數工程的施工并未按新奧法的要求進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設計和施工管理。尤其在施工的過(guò)程中沒(méi)有認真的對待量測環(huán)節，當然也就不能以量測資料指導設計和施工。有的工程在最關(guān)鍵的收斂穩定的判別上也往往以人眼觀(guān)察代替量測，這些對新奧法的斷章取義或認識不清最終導致了各種各樣的工程事故的發(fā)生，也導致了最終的工程質(zhì)量問(wèn)題。

　　3.4施工管理方面不善，工程質(zhì)量不高施工過(guò)程的管理未嚴格按國家的有關(guān)規范規程辦理，具體表現在混凝土配合比達不到強度要求；施工振搗不密實(shí)導致襯砌中有蜂窩使混凝土強度降低；坍方處理不當襯砌背后留有孔洞；超挖回填不密實(shí)、欠挖不修整導致的襯砌受力與設計不符；背棄新奧法思想，在初襯變形未收斂的情況下施做二襯；拆模時(shí)間過(guò)早導致襯砌早期強度不足；冬季施工管理不善導致混凝土達不到強度要求；施工用水管理不善，導致基底被水浸泡，使襯砌產(chǎn)生不均勻沉降等。

　　4.預防及減少土質(zhì)隧道裂縫的措施

　　4.1加強土質(zhì)圍巖中洞室開(kāi)挖后初期穩定與長(cháng)期受力變化特點(diǎn)的研究，更好的指導設計與施工加強地下洞室應力變化基礎方面的研究，弄清各類(lèi)地下結構在土層中的受力特點(diǎn)，研究土質(zhì)圍巖中地下洞室長(cháng)期應力的變化情況及各種不同情況下土中應力的相應變化。著(zhù)重研究在新奧法后階段土層中應力的變化情況，明確在各種不同的地質(zhì)條件下，土的物理力學(xué)參數隨時(shí)間的變化情況，以此指導設計。

　　4.2有針對性的進(jìn)行精細設計針對不同的受力特點(diǎn)在斷面形狀、局部受力強度等方面進(jìn)行深入細化設計，使結構與應力達到協(xié)調統一。

　　4.3加強施工管理，保證工程質(zhì)量在洞室開(kāi)挖管理、混凝土質(zhì)量管理、量測控制管理、施工工序等方面加強管理，杜絕塌方事故的發(fā)生，以嚴格的管理制度保證工程質(zhì)量。

　　5.結論土質(zhì)圍巖中開(kāi)挖洞室雖然有很長(cháng)的歷史，但我們對土質(zhì)圍巖中的應力變化至今仍不清楚，由此導致的工程設計不是太保守就是不安全。今后應在這個(gè)方面進(jìn)行廣泛的基礎研究，特別是應加強對土質(zhì)圍巖在洞室修成后的長(cháng)期應力變化的研究，加強洞室修成后在自然降水作用下洞周應力的研究，搞清洞室修成后土中物理、力學(xué)參數的變化規律，對現行的設計進(jìn)行指導。在設計中一定要針對不同的地層情況、不同的地層參數進(jìn)行細化設計，使結構能適應應力的變化；加強施工管理，實(shí)現信息化施工�？傊�，應采取各種措施減少地下洞室產(chǎn)生裂縫，減少財產(chǎn)的浪費，改善地下洞室的應用環(huán)境。