铁路软岩隧道二次衬砌纵向裂缝成因分析

崔 童，杜守继，张武国，杨书宇

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.中建铁路建设有限公司，北京 100053)

随着我国铁路工程建设的飞速发展，隧道越来越多。截至2016年底，我国已投入运营的铁路隧道有 14 100座，总里程达到 14 120 km。其中，穿越软岩地区的铁路隧道工程也越来越多。软岩因为其强度低、易风化、孔隙比大、重度小、易渗水，具有显著的膨胀性和时效性。若处理不当，往往对隧道结构造成不利影响，甚至引发隧道的整体破坏。

许多学者在隧道纵向开裂特点、产生原因、治理等方面已做了大量工作。裴涛涛等[1]通过对隧道衬砌裂缝病害统计分析，指出隧道衬砌纵向裂缝是隧道工程中最常见，也是危害最大的病害。李勇峰等[2]以软土地区竹山隧道为背景，从围岩岩性和层理结构角度分析了隧道二次衬砌结构产生裂缝的原因，指出优势片理面的力学特性与产状会加剧偏压，使二次衬砌产生纵向裂缝。李骏等[3]分析了软岩地区地面渗水对衬砌结构的影响，指出隧道成洞过程中渗水会导致围岩软化，致使隧道侧向压力增大，发生不均匀沉降，二次衬砌产生纵向裂缝。刘学增等[4]通过室内试验和理论分析，指出隧道拱顶安全系数随裂缝深度增加呈线性降低。王华牢等[5]根据裂缝判断标准对纵向裂缝对隧道的影响进行了安全性评价，证实了采用刚度退化模型来评价带裂缝衬砌的刚度和承载力是可行的，提出了衬砌纵向裂缝的加固方法。

不同隧道所处的地质环境不同，产生裂缝的原因也不同。对软岩地区隧道二次衬砌开裂原因的研究还较少。本文基于准朔铁路哈镇隧道二次衬砌产生纵向裂缝的情况，研究二次衬砌开裂机理，为软岩地区铁路隧道二次衬砌开裂的治理提供依据。

1 工程概况

1)地质情况

准朔铁路哈镇隧道位于内蒙古自治区准格尔旗境内，起讫里程为DK173+935—DK178+013，全长 4 078 m，为单线铁路隧道，隧道穿越中低山脉，最大埋深174 m。上覆地层为第四系上更新统冲风积新黄土、粉砂、细砂，冲积砂砾；第三系上新统棕红色黏土，含钙质结构层。下伏地层为三叠系中统及侏罗系下统灰白色中粗粒砂岩、紫红色泥质粉砂岩、紫红色泥岩、灰绿色泥岩等。隧道穿越地层以V级围岩为主，大多为紫红色或灰白色砂岩夹紫红色泥岩条带，隧道周围地质情况如图1所示。隧道内含少量基岩裂隙水，水量随季节变化，施工过程中未见地下水。

图1 隧道周围地质情况

2)隧道支护情况

V级围岩段复合式衬砌最大开挖跨度6.2 m，内轨顶面以上7.4 m采用复合式衬砌结构，初期支护为20 cm 厚C25喷射混凝土，铺设钢筋网规格为水平φ6@200 mm，竖向φ8@200 mm，采用φ22砂浆锚杆，格栅钢拱架，二次衬砌和仰拱采用C35混凝土，厚度35 cm。

3)开裂情况

2014年6月隧道完成二次衬砌施工后，在高度方向距内轨顶面2～4 m边墙出现纵向裂缝。2017年8月和10月采用CK101裂缝测宽仪进行了测量，结果显示隧道两侧边墙共有8段裂缝，分布在DK174+350—DK177+370，累计长度405.1 m，裂缝主要集中在隧道最大开挖跨度处下方2 m范围内，少数裂缝分布在最大开挖跨度处上方，裂缝宽度最大6.0 mm，平均2.13 mm。2次测量值基本相同，说明裂缝停止扩展。开裂段地下水水位位于仰拱处，边墙开裂处有水渗出。

2 边墙纵向裂缝产生原因分析

在裂缝发展严重的里程段钻孔取芯。结果显示：围岩结构破碎，节理发育，完整性差；两侧边墙内轨顶面上方1～2 m普遍存在厚约1 m的紫红色泥岩条带；隧道仰拱底部至下方1 m为饱水的全风化砂岩夹泥岩。隧址区位于黄土高原，地下水主要由大气降水补给。该地区降雨集中，年降水量约380 mm，7—8月降水量占全年降水量的50%以上。

隧道二次衬砌出现纵向裂缝产生的原因(如图2)：位于内轨顶面上方的紫红色泥岩条带具有遇水膨胀的性质，仰拱底部的砂岩夹泥岩遇水易发生崩解和软化；隧道施工完成后由于新的渗流通道形成，裂隙相互连通，造成地下水滞留，形成饱水带，导致边墙局部受到围岩的膨胀压力，以及隧底围岩崩解、软化，对二次衬砌结构产生了不利的影响。

图2 二次衬砌纵向裂缝产生原因分析

为验证上述开裂分析结果，对围岩岩芯进行了矿物成分、膨胀性、耐崩解性和力学特性试验研究。

1)X射线衍射分析

使用D8 Advance Da Vinci X射线衍射仪对岩样进行试验。结果显示：隧道开裂段DK177+250和DK174+350处含有石英、块磷铝矿、正长石、方解石、高岭石等矿物成分，2个里程处岩样方解石含量分别为7.8%和5.7%，高岭石含量分别为10.4%和7.5%，方解石和高岭石都具有遇水膨胀特性，因此边墙围岩中的泥岩条带遇水后发生膨胀变形，产生了膨胀压力。

2)膨胀性试验

2个里程处岩样在试验中均表现出了明显的遇水膨胀特性。图3为岩样的膨胀力和侧限膨胀率随时间变化曲线。可见：DK174+350处紫红色泥岩试样遇水后膨胀力急剧增大，220 min即达到最大值 1 047.11 kPa，侧限膨胀率达到9.59%，遇水后不仅产生膨胀力，而且膨胀力的增长速度也很快。DK177+250处紫红色泥岩遇水后，在前30～50 min内膨胀力快速增大，然后稳定增加，至 1 200 min 左右达到最大值170.10 kPa，侧限膨胀率为7.11%。隧道边墙处紫红色泥岩条带显著的膨胀性会使二次衬砌结构局部承受一定的膨胀压力。

图3 岩样膨胀力和侧限膨胀率随时间变化曲线

3)耐崩解性试验

采用SCL-1型岩石耐崩解试验仪对开裂段岩样进行耐崩解性试验。结果显示：DK174+350和DK177+250处隧底岩样耐崩解性指数分别为20.88%和15.22%，根据甘布尔崩解耐久性分类标准，2个里程处岩样均属于极低耐久性岩石，在积水环境中极易发生崩解。

4)软化试验

对开裂段隧底岩样进行软化试验。DK174+350处岩样饱和单轴抗压强度为3.59 MPa，属于极软岩[6]，软化系数为0.53。DK177+250处岩样饱和单轴抗压强度为9.12 MPa，属于软岩，软化系数为0.59。2处 岩样软化系数均小于0.75，属于易软化岩石[7]。开裂段隧底围岩遇水将发生软化，承载力大幅度降低。

由上述岩样的试验结果可知：开裂段边墙处的紫红色泥岩条带具有遇水膨胀的特性，隧底围岩遇水后会发生崩解和软化。

3 数值模拟

采用ABAQUS有限元软件建立数值模型，对以上分析的边墙纵向裂缝原因进行验证。

3.1 计算模型的建立和参数的选取

图4 数值模型

围岩与混凝土密度/(kg/m3)弹性模量/GPa黏聚力/MPa内摩擦角/(°)泊松比围岩2 0000.580.15250.35C35混凝土2 50031.50.20

根据现场勘测及边墙取芯结果，在内轨顶面上方1～2 m二次衬砌范围内施加均布荷载，模拟实际工程中紫红色泥岩条带的膨胀对衬砌结构产生的影响。根据隧底围岩取芯结果，在仰拱底面下方1.1 m范围内设置软化层，以弹性模量的变化来模拟围岩遇水软化。

3.2 模拟工况

为研究围岩软化及膨胀在二次衬砌纵向裂缝中所起的作用，分2种工况进行模拟：①仅存在围岩软化作用，膨胀压力为0，软化系数为40%～100%(以10%递增)时二次衬砌的内力分布；②围岩软化及膨胀压力共同作用，膨胀压力为0～700 kPa(以100 kPa递增)、软化系数为40%～100%(以10%递增)时二次衬砌的内力分布。

3.3 模拟结果与分析

3.3.1 隧底围岩软化对衬砌内力的影响

仅存在围岩软化作用时最大拉应力出现在二次衬砌内侧最大开挖跨度处，随着软化系数的减小最大拉应力逐渐增大，软化系数达到40%时最大拉应力为0.55 MPa，小于C35混凝土的抗拉强度标准值2.2 MPa。衬砌结构最大压应力为5.6 MPa，出现在拱腰处，小于C35混凝土的抗压强度标准值23.4 MPa。

仰拱下部1.1 m范围内积水围岩软化会使最大开挖跨度处拉应力增大。但考虑到1.1 m软化范围相对较小，对衬砌内力影响有限，仅存在围岩软化作用并不足以使隧道产生裂缝。

3.3.2 围岩软化与膨胀共同作用对衬砌内力的影响

软化系数为80%和40%时不同膨胀压力作用下衬砌内侧应力状态见表2。可知：衬砌结构在拱腰处出现最大压应力，软化系数为80%时最大压应力为8.28 MPa，软化系数为40%时最大压应力为8.31 MPa，均小于C35混凝土抗压强度标准值23.4 MPa。最大拉应力出现在最大开挖跨度处和内轨顶面上方1 m处，软化系数为80%时最大拉应力为2.84 MPa，软化系数为40%时最大拉应力为2.97 MPa，大于C35混凝土的抗拉强度标准值2.2 MPa。

表2 围岩软化与膨胀共同作用时衬砌内侧应力状态

不同围岩软化系数时边墙内轨顶面上方1 m 处应力随膨胀压力的变化见图5。

图5 二次衬砌内轨顶面上方1 m处应力随膨胀压力的变化

由表2和图5可知：膨胀压力对二次衬砌结构内力产生了较大影响，膨胀压力越大边墙所受最大拉应力越大。当膨胀压力达到700 MPa时，不同软化系数下最大拉应力均达到3.00 MPa,出现在内轨顶面上方1 m处。在隧底围岩软化以及边墙泥岩条带遇水膨胀共同作用下，从衬砌内侧最大开挖跨度处到内轨顶面处于受拉状态，当膨胀压力超过一定值后边墙会产生纵向张拉裂缝。

4 结论

本文以软岩地区准朔铁路哈镇隧道为工程背景，根据现场勘测情况，采用室内试验和数值模拟的方法对隧道二次衬砌边墙开裂原因进行了研究，得出如下结论：

1)开裂段隧道边墙外侧的紫红色泥岩条带含有膨胀性矿物成分，遇水会发生膨胀，产生膨胀压力；隧底围岩遇水易崩解和软化。

2)围岩软化会使衬砌内侧最大开挖跨度处拉应力增大；围岩侧向膨胀压力越大，边墙所受拉应力越大；当围岩软化与膨胀共同作用且膨胀压力达到一定值时，二次衬砌结构内轨顶面上方1 m处拉应力超过混凝土抗拉强度标准值，衬砌内侧将产生纵向裂缝。

3)二次衬砌从内轨顶面至最大开挖跨度处出现纵向裂缝的原因是季节性降雨造成围岩膨胀产生侧向膨胀压力，围岩裂隙发育，隧道底部积水使围岩发生软化。