隧洞垫层混凝土结合面软弱夹层成因分析及处理措施

秦增平

（辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁 沈阳 110000）

1 工程概况

辽宁省重点输水工程16号支洞主洞控制段长度6 449 m（桩号100+493～106+942），采用钻爆法施工。根据地勘成果，该段围岩以中二叠世二长花岗岩为主，岩石微风化，夹少量弱风化，坚硬岩，节理裂隙较发育，岩石完整～完整性差，主要结构面产状起伏光滑～平直粗糙，微张裂隙充填岩屑，地下水活动呈渗滴水状，局部成线型滴水。隧洞开挖完成后同步施工底板垫层混凝土，半幅铺筑施工。为确保在垫层施工时不阻断洞内交通运输，垫层分左右两幅施工。首先清理底部虚渣，人工配合挖掘机将底部虚渣清理后，采用高压风和高压水将底板清理干净，底面积水由人工清理干净。拌合站集中生产混凝土，罐车运输，通过溜槽入仓，插入式捣固棒人工振捣。垫层混凝土采用C30W10F200，设计厚度150 mm。

为控制垫层混凝土施工质量，对垫层混凝土进行抽样取芯检测。由于隧洞底超挖，垫层混凝土厚度普遍大于150 mm，满足设计厚度，但局部洞段垫层混凝土与围岩基面之间存在软弱夹层，软弱夹层较为松散，不具有可塑性，由小石块、砂粒及粉末状物质组成，夹层厚度在0～100 mm之间，个别夹层厚度超过100 mm。

2 软弱夹层形成原因分析

软弱夹层的形成主要有以下五个方面的原因。

1）钻孔取芯施工工艺原因。取芯钻机在钻孔过程中会对混凝土及岩石产生较大扰动，特别是在岩体完整性差、基岩面不平整等部位，混凝土和岩石两种介质相互摩擦、碰撞，造成结合部位破碎，产生碎石及中砂，沉淀于孔底形成软弱夹层。

2）钻爆法施工工艺原因。钻爆法施工过程中，不可避免的在底板形成锯齿状开挖轮廓面，而且在爆破过程中形成较多爆破裂隙，底板清理过程中会自然形成凸凹起伏状岩石，这些岩石本身胶结差而且与混凝土胶结一般，钻孔时更易产生破坏，从而形成块状碎石沉淀于孔底。

3）20～40 mm混凝土骨料原因。混凝土垫层配合比中选用的粗骨料最大粒径为20～40 mm，钻孔过程中一旦破坏便形成至少40 mm孔洞，从而形成软弱夹层。

4）施工地质条件原因。该段围岩以中二叠世二长花岗岩为主，岩石微风化，夹少量弱风化，坚硬岩，节理裂隙较发育，岩石完整～完整性差，主要结构面产状起伏光滑～平直粗糙，微张裂隙填充岩屑，地下水活动呈渗滴水状，局部成线性滴水。垫层存在软弱夹层段基本存在地下水出露，底板冒水或边墙渗水。

5）混凝土浇筑过程分析。通过留存的垫层混凝土浇筑前检查照片追溯，对现场浇筑过程进行分析，经过验收合格的仓面，由于堵头模板在凸凹不平的岩石上封闭不严，导致临仓水渗入，施工时未能有效排除渗漏水，特别是垫层底面坑洼处，渗漏水冲刷未凝固的混凝土，将混凝土中的水泥浆带走或稀释，导致垫层混凝土底部胶凝材料流失，混凝土骨料形成富水层，对岩体及混凝土侵蚀，在垫层混凝土浇筑后造成混凝土与岩面接触处无强度或强度很低，施工中重车通行，下部受挤压及地下水侵蚀形成松散状软弱夹层。

3 软弱夹层对衬砌质量的影响分析

1）施工期的影响分析。由于软弱夹层由小石块、砂粒以及岩粉组成，成分较复杂，而且厚度分布不均。采用弹性地基梁模型（文克尔模型）对底板进行计算，取软弱夹层厚度为H=100 mm，弹性模量Es取7 MPa，地基系数K=Es/H,计算得到地基系数70 000 kN/m3。

取施工期隧洞洞内汽车荷载作为底板的外力，此时底板下无地下水压力，取隧洞内汽车均布荷载10.5 kN/m2，人群荷载2.5 kN/m2，取底板厚度0.3 m，1 m长的底板进行计算，底板的弯矩和剪力图如图1和图2。

图1 底板弹性地基梁计算的弯矩图

图2 底板按弹性地基梁计算的剪力图

通过计算可知，在施工期间，底板混凝土产生拉应力，软弱夹层的存在不能满足底板结构受力要求。

2）运行期的影响分析。隧洞垫层下部软弱夹层为小石子、砂砾，透水性强，垫层下围岩与边顶拱两侧围岩形成连通通道，容易聚集承压水。在正常运行期间隧洞内有水时，扬压力不会对底板产生影响，但在隧洞检修放空时，由于扬压力过大而使仰拱表面产生拉应力，容易导致混凝土被破坏。

16号支洞控制段隧洞为马蹄形断面，由于在IV类（衬砌厚度0.4 m）、V类（衬砌厚度0.5 m）围岩洞段，设计时已经考虑了地下水和围岩软弱对隧洞衬砌的影响，因此即使存在较薄的软弱夹层，IV、V类围岩的衬砌仍能满足要求。对II类、III类围岩洞段，衬砌厚度为0.3 m，由于衬砌不配筋（II类与IIIa类围岩洞段）或配构造筋（IIIb类围岩洞段），如垫层下存在软弱夹层，在垫层下汇聚承压水，底板混凝土与围岩间的粘结力大大降低，将不能满足结构受力要求。

4 处理措施

为了消除软弱夹层对底板结构造成的不利影响，以II、III类围岩为例，设计采取以下三种处理方案。仰拱设置排水孔的，按梅花形布置，排水孔入岩石500 mm，钻孔孔径60 mm，间距2 m。排水孔内填塞RCP渗排水片材。

1）方案1：底板加强配筋。取地下水水头12 m，隧洞底板厚度取0.3 m，按分离底板（取跨距5.3 m）和整体衬砌结构分别进行计算，计算结果均应配钢筋E16@200。

2）方案2：底板配筋+排水孔。取地下水水头12 m，仰拱厚度300 mm进行计算，当垫层下部存在软弱夹层时，仰拱弹抗选取参照IV、V类围岩的弹抗来考虑，同时考虑底板设置排水孔（间距2 m），地下水渗透压力按照0.25的系数折减，计算结果仰拱应配钢筋E16@250。

3）方案3：底板配筋+排水孔+锚杆。取地下水水头12 m，仰拱厚度按照300 mm计算，当垫层下部存在软弱夹层时，仰拱弹抗选取参照IV、V类围岩的弹抗来考虑，同时考虑底板设置排水孔（间距2 m），地下水渗透压力按照0.25的系数折减，计算结果仰拱应配钢筋E12@200，锚杆为φ22L=2500@2.5 m。三种处理方案汇总见表2。

表2 三种处理方案汇总表

5 结语

综上，无论在工程施工期，还是在运行期，由于软弱夹层的存在，对输水隧洞衬砌混凝土整体结构受力均造成不利影响。16号支洞主洞控制段针对隧洞底板开挖和围岩类别情况，采用了以上三种措施对存在软弱夹层的部位进行处理，经工程实践证明，三种措施均是有效的。