隧道底板隆起的成因

隧道底板隆起的成因、分类与控制【摘要】在工程实践的基础上，全面地分析了隧底隆起的成因、分类与控制技术途径；总结和分析了隧底隆起破坏的3种基本外在表现形式；在对引起隧底隆起的物理、力学与结构原因分析的基础上，提出了隧底隆起分类的4种基本形式；同时也给出了按隆起破坏力学特征分类的4种基本形式；总结归纳了隆起控制的一般原则，并提出了隧底隆起控制的技术途径。【关键词】隧道隆起成因分类控制1引言隧道底板隆起不仅仅造成隧底上抬变形和整体下沉，不仅恶化和危及列车运营环境，更重要的是使隧道衬砌发生变形和破坏，严重时，破坏道床并有可能导致隧道失稳，时刻危及列车运行安全。据统计，在现有5000余座铁路运营通过的隧道中，存有病害的3000余座，占运营隧道的65%。其中隧道结构变形破坏的占31.8%，尤以襄渝线、湘黔线、贵昆线和成昆线的隧道结构变形事故最为严重。隧底隆起是一个极其复杂的物理、力学过程，它与隧道围岩性质、应力状态及维护方式密切相关。长期以来，对隧道底板稳定性问题的研究相对隧道工程的其他方面比较薄弱，致使对隧底降起的一些原因至今认识不清，采取措施时存在着较大的盲目性。如何针对病因，采取“对症下药”的预防和控制技术措施，以便在隧道的规划、设计、施工和运营各环节得到及时贯彻和落实，目前仍是一项亟待解决的课题。2 隧道底板隆起破坏的基本表现形式尽管引起隧底隆起的因素众多且机理复杂，但隧底隆起破坏的基本外在表现形式如按表象特征来分不外乎有3种：直线型；折曲型；弧状型。其中直线型又可分均匀型和倾斜型，折曲型又可分2条破断线型和多条折线型。具体表现形式如图1所示。何(d)何(0图1隧道底板隆起破坏的基本外在表现形式3 隧道底板隆起的成因31底板隆起的物理原因311底板岩层的矿物成分对隆起的影响不同的地质结构及其矿物成分，其隆起膨胀的变形力学机制不同。在此仅对矿物成份进行分析。对含有蒙脱石、伊利石和伊蒙混层矿物的泥质岩类来说，其膨胀性与其矿物成分的分子结构特征关系十分密切。例如：对蒙脱石的晶体结构，其最大特点是每个晶胞中四面体与八面体的数量之比为2：1,晶胞与晶胞之间以O-2接触，亲水性高；另外，遇水后其矿物颗粒之间的结合水膜也增厚，由于蒙脱石具有遇水后颗粒内部晶胞间距剧增和颗粒结构水膜加厚两种膨胀机制，故其膨胀量在粘土矿物中是最大的。据测定，Ca蒙脱石可膨胀到原体积的7倍多。当粘粒成分为高岭石、腐植和难溶岩时，由于粘粒极小、表面积很大，粘粒表面形成很厚的水化膜吸附层，使得粘土在客观上产生膨胀。研究表明，只要粒径V0.002mm,粘土矿物均能形成胶体，具有胶体膨胀机制。另外，从岩石的微结构分析，对底板岩层中含有大量的结构疏松的蜂窝状及骨架状结构的软弱岩层来说，由于这类岩石的孔隙、裂隙发育，在有水时，极易促成毛细膨胀。因此，在整个毛细带内，具有使软弱岩层进一步化学膨胀和胶体膨胀的条件，从而使底板岩层产生更进一步的软化和膨胀。312底板岩层的性质和厚度对隆起的影响底板岩层的软弱程度决定着隆起量的大小6。工程实践表明：以泥岩和砂质泥岩为主，层理发育并有小断层影响地段的隆起量要比层状灰色细砂岩地段高34倍。但对同一岩性，底板软弱岩层的厚度决定着隆起量大小。相似材料研究表明，隆底隆起的最大破坏范围与底板的宽度成正比，随底板软弱岩层厚度的增加，隆起量将急剧增长，但当软弱岩层厚度超过隧道宽度时，隆起的增长量趋于缓和。32底板隆起的力学原因从引起隆起的力源来分析其变形力学机制，有构造应力机制；工程偏应力机制；重力机制和水力机制。其中构造应力机制导致的隆起是方向性破坏明显，破坏程度与深度无关；而重力机制是与深度有关与方向性无关。笔者为了讨论方便，把构造应力机制与重力机制作为应力状态条件来分析。321应力状态对隆起的影响在应力状态引起的隆起研究中，当前存在两种观点：一种认为隆起是垂直应力过大引起；而另一种，则认为是水平应力过大引起。大量的相似材料研究结果表明：水平应力和垂直应力均有可能产生隆起，仅是不同的应力状态对隆起的形态和底板的岩体的破坏范围有不同的影响而已6。如对地质条件完全相同的底板软弱破碎岩体，施加不同的荷载比值（ov：o口=1：2,1：1,2：1）,则可能发生以下VH3种状态：（1）当垂直应力大于水平应力时,隆起呈挤压流动型,底板的破坏范围为正梯形,在基角处的岩体发生了严重破坏；（2）而当水平应力大于垂直应力时,隆起的形成既有挤压流动又能挠曲褶皱,底板的破坏范围为倒梯形或倒三角状,基角处的岩体基本上没有发生破坏；（3）当为静水压力时,其隆起的形状和底板岩体的破坏范围介于上述两种应力状态之间。利用有限元计算不同应力状态下（oV：oH=3：1,2：1,1：1,1：2）的结果与相似材料模拟比较吻合。即H当水平应力大于垂直应力时,其顶底板破坏较严重,而两侧墙相对较轻微；但当垂直应力大于水平应力时,上述结论正相反。另一方面,在静水压力状态,其隧道的基角处也显示了较高的应力,表明基角处易发生破坏。322工程偏应力对隆起的影响工程偏应力是由隧道开挖所引起,它导致岩层扩容膨胀。工程偏应力与隧道断面、形状有关。一般非圆形隧道要较圆形大，开挖断面越大，偏应力越大，所引起的扩容变形也越大。323水理作用对隆起的影响水的存在使得隧底隆起更加严重。由于水理作用产生的影响，主要表现在以下3个方面：（1）岩石浸水后使围岩强度降低，从而使底板更易产生破坏；（2）当底板为以高岭石等为主的粘土岩时，浸水后易发生泥化、崩解、碎裂，直至强度丧失，从而形成挤压流动性隆起。（3）当底板为含蒙脱石和伊蒙混层等膨胀岩层时会产生膨胀性隆起。地下水的泄出，不仅与暴露的底板岩体发生接触，还要通过裂隙渗入底板内部，从而加速底板围岩的强度丧失和体积膨胀，而这又导致裂隙的进一步扩大，形成恶性循环。对有水状态下的膨胀性隆起，必须重点强调以下两个概念：（1）柔性支护。膨胀性隆起与支护阻力关系的特征曲线可用图2表示。由图2知，要完全控制由膨胀所引起的隆起，则支护必须达到最大的支护阻力P，然而若允许一定的隆起量+u0,隆起量就降低很多；反之若不max0封底，隆起量将达最大值U，但只要稍加支护+P，隆起最降低maxa很多。所以柔性支护是防治膨胀性隧道隆起的有效方法。（2）时间效应。图2膨胀性隆起与支护阻力关系的特征曲线33底板隆起的岩体结构原因这里岩体结构是对断层、软弱夹层以及层节理的统称，很明显，岩体结构导致的隆起变形特征呈各向异性特点。实践表明，岩体的结构特征对底板隆起的影响要较单轴抗压强度指标为大。一般来说，底板的岩体结构状态决定着隧道底板隆起的表现形式。4 隧道底板隆起的分类41隧底隆起的成因分类尽管隧底隆起的成因甚多，但从引起隆起的变形机制的成因来分析，可分为四大类：I物化膨胀型；II应力扩容型；III结构变形罗伦型；W复合型。各类中依据引起变形的严重程度又分为A、B、C、D4个等级。具体如图3所示：I类隆起的机制均与软弱岩层本身的分子结构和化学特性有关；II类隆起的机制与力源有关；III类隆起的机制与隧道结构型式和岩体结构面的组合特性有关；IV类是上述3类机制的各种组合或综合反映。僚f物化膨胀型）II类（应力扩容an曉底牍起的成因分类v（依据隧起的变形力学机制VQ类（结枸变那软化型）IA型：分子吸水膨岷机制1AB型：分子吸水膨胀*庭却膨礒机制IB型：胶徉赛胀机制、IC型：微裂隙毛细膨感轨制型：构逍应力机制UB型：重力机制1IC：水力机制、UD型：工程僞应力机制址AA断层迄向型f陡道与断层走向夹角Q-30）HIAB斯层斜交蟹（龍道与斷层走向夹角30*60*）MAC断层倾向型（隧道与斯层走向夹舛附HBA弱层走向型（醴進与断层走向夬甬0*30*）皿朋屈屋斜空型（隧逬与断层走向夹角3060*）H1BC弱层倾向型（陡逋与斷层走向夹角60-）MCA层理走向显（隧道与断层走向夹角030）QlCBJi理鶴亞型屣道与断层走向夹角30-60）EICC层理倔向型（隧进与断层走向夹角6G*9O+）1HD見节理走向型（隧道吗断层崖向典角030）DIDB节理斜交型:屢道与斯层建向夹角30*60+）DIDC节理倾向型（曉頊与断层走向夹角60,-90,）亦型（断层型）mu型（软弱夹层型me型（层理型）皿。型（优聘节理型）球类、（境合型）图3隧底隆起的成因分类42隧底隆起的破坏表现形式分类按照隧底隆起的破坏表现形式，找出其破坏力学特征，也可分为4类：（1）挤压流动型；（2）挠曲褶皱型；（3）剪切错动型；（4）遇水膨胀型。其中遇水膨胀型主要与矿的成分和含量有关。实践表明：凡伊蒙混层含量超过50%时，隆起量均较大；但其含量小于25%时，隆起不明显。而其他3种类型除与底板岩层性质和结构状态有关外，应力状态条件亦起重要作用。5 隧道底板隆起的控制51隆起控制的一般原则511“对症下药”原则对隧底隆起的控制，首先要改变设计思想、施工支护及运营维护观念，没有“包治百病”的控制措施；而工程实践表明，造成隆起的形式多样且机制多种并存。因此选择的控制措施要“对症下药”，以满足主次、先后因素控制的要求。如对I类，11类，111类复合型，则应先治水，再消力，然后强支护。512过程原则隆起控制是一个过程，不可能一蹴而就。突其本质原因是导致隧底隆起的机制不可能是“单一型”，许多情况下是“综合症”和“并发症”，因此，控制方法必须有一个“复合型”向“单一型”的转化过程。这一过程的完成是依靠一系列“对症下药”的控制措施来实现。513柔性支护原则对膨胀性隆起，若想完全依靠支护刚度来控制隆起既不经济也不现实，文献4、文献7都报道了即使采取刚度大的支护且仰拱厚度达2m,仍不能有效控制膨胀性隆起变形。国内外工程实践均表明，柔性支护是控制膨胀岩隆起的有效方法。514长时性原则国内外工程实践表明，在有水状态下，不论是对膨胀性岩层还是软弱地层，即使隧道在封闭完成后，隧底隆起现象依然持续。针对该情况，设计时应充分考虑其长时性特点，不仅仅是增大支护刚度，而且尚应预留一定的断面变形量。52底板隆起控制的关键技术途径521隧底隆起的成因机制类型确定为“对症下药”地采取措施，首先必须确定隆起地段的成因机制类型。鉴于隧道地质条件的复杂性。即使针对易发生隆起地段，采取补充勘探，设计时留有余地，也难免不能正确确定机制类型。因此，施工中的监测反馈相当重要，它对隆起的控制起着关键作用。一般地，I类物化膨胀型主要依据其特征矿物和微裂隙发育情况进行确定；II类应力扩容型主要是依据受力特点及在工程力作用下隧道的破坏特征来确定；III类结构变形型主要是受结构面影响的非对称变形，要求首先鉴别结构面的力学性质及其构造体系归属，然后再依据其产状与隧道走向的相互交切关系来确定。值得强调的是，对铁路隧道运营阶段的维护，随时间的延续，其隆起的机制将有别于施工之时，因此维修时，必须重新分析确定，不可盲目套用。522复合型向单一型转化的技术途径隧底隆起的成因一般为复合型，因此，采取的措施必须有主次、轻重、缓急之分，它是一个控制力学过程，每个过程环节都必须适应其复合型转化的特点，即弄清病因，对症下药，临机决策，正确使用。复合型向单一型转化的技术途径如图4所示。这里重点对有别于以往的新的技术途径作以下强调：（1）刚柔层卸压技术。这种技术尤其适用于膨胀型隆起隧道。其本质是一次支护与二衬之间设置可压缩支护或充填柔性层，以使刚度匹配，满足卸压的要求。（2）消力底梁技术。为防止隧底隆起和两侧墙收敛，使隆起力与收帮力互相抵消，可在仰拱的钢拱架和侧墙钢拱架的连接处设消力接口。水技术全断面周边注浆或底扳注浆技术I型转化技术丿柔性愛垦技术樂性锚杆技术剧秦性层卸临技术全断iffi支护技术I型防治技术V消力底梁技术起底技术预留设卄断面余量技术權道布置方向优化隧道形狀和施工方法n型转化号防治技术消力技术锚杆技术全斷面支护技术rff技术m型翳化与訪治技术超前锚杆或导管、管棚并注浆技术全断面支护技术图4复合型向单一型转化的技术途径6结论隧底隆起破坏的基本外在表现形式有3种，即直线型、折曲型和弧状型。引起隧底隆起的成因有物理原因、力学原因和岩体结构原因。从引起隧底隆起的变形机制来分有物化膨胀型、应力扩容型、结构变形软化型和复合型四大类，并详细给出了其具体分类；另一方面，依据隆起的破坏力学特征分类，又可分为挤压流动型、挠曲褶皱型、剪切错动型和遇水膨胀型。1) 隧底隆起控制的一般原则有：“对症下药”原则、过程、原则、柔性支护原则和长时性原则。在此基础上，全面给出了隆起控制由复合型向单一型转化的技术途径。（4）对易发生隧底隆起地段，在工程设计和施工中必须保证仰拱或铺底的强度，同时提高隧道结构的整体刚度。