水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其防治

２０１７年１月　铁道工程学报　Ｊａｎ　２０１７　第１期（总２２０）　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＲＡＩＬＷＡＹ　垦　兰　垦！　ＮＯ．１（Ｓｅｒ．２２０）　文章编号：１００６—２１０６（２０１７）０１—００９１—０６　水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其　防治　郑　波　吴　剑　吴晓龙２　（１．中铁西南科学研究院有限公司，　成都６１１７３１；２．中国铁建投资集团有限公司，　北京１００８５５）　摘要：研究目的：近年来，水压力作用下隧道底部结构裂损病害时有出现，严重影响隧道运营安全。本文以水　压力作用下某仰拱填充结构开裂病害隧道为例，采用数值模拟和现场实测的方法，研究案例隧道仰拱填充结　构开裂机理，并提出该类隧道病害的整治措施。　研究结论：（１）水压力作用下，仰拱填充结构裂缝上宽下窄，呈“Ｖ”字型，仰拱填充面出现中间上抬、两侧　下沉现象，裂缝主要出现在仰拱填充面隧道中心线附近，沿隧道中心线分布，在边墙附近未见裂缝；（２）该隧　道仰拱水压力最大值，数值计算和现场测试结果分别为０．２１３　ＭＰａ、０．２　ＭＰａ；（３）若只考虑围岩压力，不会导　致仰拱填充结构出现裂缝；若考虑围岩压力与水压力共同作用，最大主应力极值出现在填充结构上部靠近隧　道轴线位置，为拉应力，且最大主应力极值会大于素混凝土的极限抗拉强度，会产生拉裂缝；（４）在既有隧道　仰拱水压力较大段落，可采取在仰拱及填充结构中配筋、刚性袖阀管注浆加固基底，并对隧底地下水进行排导　的综合整治措施；（５）该案例隧道仰拱填充结构开裂病害经整治后，由近几年的情况来看，本文提出的整治措　施效果良好，可供类似的病害隧道整治参考。　关键词：隧道工程；水压力；仰拱开裂；整治措施　中图分类号：Ｕ４５１＋．４；Ｕ４５３．６＋１　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｒａｃｋｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ａｎｄ　Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　Ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｉｎｖｅｒｔ　Ｆｉｌｌｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　Ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ＺＨＥＮＧ　Ｂｏ　，ＷＵ　Ｊｉａｎ　，ＷＵ　Ｘｉａｏ—ｌｏｎｇ　（１．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ　６１　１７３　１，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈｉｎａ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ　Ｌｉｍｉｔｅｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００８５５，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂｏｔｔｏｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ　ａｐｐｅａｒ，ｗｈｉｃｈ　ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ　ａｆｆｅｃｔ　ｔｈｅ　ｓａｆｅｔｙ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔａｋｉｎｇ　ａ　ｔｕｎｎｅｌ　ａｓ　ａｎ　ｅｘａｍｐｌｅ，　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋｉｎｇ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂｙ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｏｆ　ｄｉｓｅａｓｅ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ａｒｅ　ｐｕｔ　ｆｏｒｗａｒｄ．　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：（１）Ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｃｒａｃｋｓ　ａｒｅ”Ｖ”ｓｈａｐｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｒａｃｋｓ　ｍａｉｎｌｙ　ａｐｐｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｎｔｅｒ　ｌｉｎｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ，ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ｎｏ　ｃｒａｃｋ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｓｉｄｅ　ｗａｌ１．（２）Ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｕｎｎｅｌ　ｉｎｖｅｒｔ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｒｅ　０．２１３　ＭＰａ　ａｎｄ　０．２　ＭＰａ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．（３）Ｉｆ　ｏｎｌｙ　ｔｈｅ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｉｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ，ｔｈｅ　ｃｒａｃｋ　ｗｉｌｌ　ｎｏｔ　ａｐｐｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔ　ｉｆｌｌｉｎｇ　ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｌｕｅｓ　ｗｉｌｌ　ａｐｐｅａｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｕｐｐｅｒ　ｏｆ　ｉｎｖｅｒｔ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｐｒｉｎｃｉｐａｌ　ｓｔｒｅｓｓ　ｖａｌｕｅｓ　ｗｉｌｌ　ｂｅ　ｇｒｅａｔｅｒ　收稿日期：２０１６—０８—２３　基金项目：中铁股份有限公司科技开发计划项目（２０１３一重点一ｏ９）；中铁科研院课题（２ｏ１５一ＫＪ０４２一Ｃ０１１—０２）　作者简介：郑波，１９８０年出生，男，高级工程师。　９２　铁道一　程学报　ｔｈａｎ　ｔｈｅ　ｕｌｔｉｍａｔｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｐｌａｉｎ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ，ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｔｅｎｓｉｌｅ　ｃｒａｃｋｓ．（４）Ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｄｉｓｅａｓｅｓ　ｉｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ：ｉｎ　ｔｈｅ　儿ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔ　ｆｉｌｌｉｎｇ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ，　ｒｉｇｉｄ　ｓｌｅｅｖｅ　ｖａｌｖｅ　ｐｉｐｅ　ｇｒｏｕｔｉｎｇ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｂａｓｅｍｅｎｔ，ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｖｅｒｔ　ａｎｄ　ｓｕｎ＇ｏｕｎｄｉｎｇ　ｒｏｃｋ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｄｒａｉｎａｇｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ＳＯ　Ｏｉｌ．（５）Ａｆｔｅｒ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｙｅａｒｓ　ｏｆ　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｒｅ　ｇｏｏｄ　ａｎｄ　ｃａｎ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｏｒ　ｓｉｍｉｌａｒ　ｔｕｎｎｅｌ　ｄｉｓｅａｓｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｗａｔｅｒ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｉｎｖｅｒｔ　ｃｒａｃｋｉｎｇ；ｔｒｅａｔｍｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　１　研究背景　近年来，随着我国高速铁路、高速公路的大规模修　建，水压力作用下隧底结构裂损病害时有出现，并且呈　增加趋势。隧底结构裂损严重影响隧道Ｔ程质量及安　全运营，造成大量工程维护费用的浪费。从以往的研　究成果来看，对隧底结构裂损的研究很少，特别是缺少　条件恶化，原有渗透场发生改变。隧道防排水系统采　用在边墙与拱部设置盲管＋无纺布排水系统，底部不　设排导。进口段地下水排导系统及仰拱地下水情况如　图１所示。　对其裂损机理的研究与分析，没有成熟可行的病害整　治方法。　我国隧道＿Ｔ程大多数在隧底不设置防水板，也不　设置排导透水层，仰拱混凝土直接同围岩接触。由于　仰拱的拱度（矢跨比）比较小，水压力致使隧底裂损、　道床抬起情况时有发生。对于采用无砟道床的高速铁　路隧道，其危害性大，严重影响铁路运营安全。在隧底　敷设防水板和排导透水层（包括肓管），不但可以改善　隧道的防水条件，而且可以缓解仰拱水压力。但是，在　隧底敷设防水板，施作排导透水层，施Ｔ皆有一定难　度，且要防止透水垫层和肓管在灌浇混凝土时被压实　而失效。　（ａ）边墙地下水排导系统　基于此，本文对水压力作用下隧道底部结构裂损　机理及其防治措施展开研究，以期为类似隧道病害整　治提供参考。　（ｂ）仰拱地下水情况　图１地下水排导系统及仰拱地下水情况　２　工程概述　某隧道地处福建西北部，进口段隧道埋深约４０～　３仰拱水压力特征　３．１仰拱水压力计算　６０　ｍ，隧道洞身围岩为震旦系丁屋岭组（Ｚ１ｄｎ１）云母石　英片岩夹千枚岩，全风化，自由膨胀率２％～３７％，蒙脱石含　量０．９％一６．４％，阳离子交换量４２．８８～８９．２６　ｍｍｏｌ／ｋｇ，　目前，设置防水板和排导系统的复合式衬砌在隧　道设计中被普遍采用。设置防水板的复合式衬砌排水　系统，主要分隧底不设排导和隧底设排导两种。隧底　不设排导，即仅在边墙与拱顶的初期支护与二次衬砌　之间设肓沟、反滤层、防水板；隧底设排导，即沿全环在　隧道初期支护与二次衬砌之间设盲沟、反滤层（无纺　布）、防水板。两种排水措施都是通过在二衬边墙底　部设置有排水孑Ｌ（纵向间距一般为５～１０　ｍ），将围岩　渗水经肓沟、反滤层直接排入隧道底部排水沟。　在二维平面问题中，排水孑Ｌ可等效成一个排水缝，　其宽度可由式（１）确定，并认为排水缝渗透系数等于　无穷大，但为了避免计算结果出现奇异，计算中取排水　为非膨胀土，内摩擦角ｌ３．７。～２１．１。，黏聚力２０～５３　ｋＰａ，　压缩模量２．４１～４．８９　ＭＰａ。隧道底板以下局部地段　为石岩系船山组灰岩，弱风化，石灰系经畲组（Ｃ２ｊ＋　Ｃ３Ｃ）砂岩，强风化。围岩级别为Ｖ级。测区纬度较　低，气候温和、雨量充沛，属亚热带气候，年平均降雨量　１　７９９．３　ｍｎｌ，３～６月为雨季，降雨量１　０４３．１　ｍｍ，占年　降雨量的５８％，区内水系发育。　隧道施工过程中，进口段右上部建设水泥厂填筑　场地，填平了原有冲沟，改变了原有地形地貌，地表径　流发生变化，抬升了地下水位，同岩含水量增加，地质　第１期　郑波吴剑吴晓龙：水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其防治　９３　孔渗透系数　ｈ＝１×１０　ｅｍ／ｓ。　ｄ＝　（１）　式中ｄ——平面问题中的排水缝宽；　Ｄ——实际工程中排水孑Ｌ的直径（计算中取Ｄ＝　０．１　ｍ）；　Ｌ——排水孔的纵向间距（计算中取Ｌ＝５　１３１）。　初支与二衬之间的透水层由盲沟与反滤层构成，　透水层厚度可等效表示为：　６：ｃｎ＋　（叶　孚＋≠）　（２）　ｍ　式中ｔｏ——反滤层厚度；　ｄ　——盲沟直径；　ｎ——纵向盲沟根数；　ｚ——衬砌周长（考虑仰拱）；　——环向盲沟间距。　计算中排导结构考虑２种工况：隧底不设排导；隧　底设排导。　计算参数：隧道拱部水头Ｈ＝５０　ｍ，围岩渗透系数　ｋ　＝２　Ｘ　１０～　ｃｍ／ｓ时，初始拱顶地下水头为５０　ｍ，　透水层厚度６＝０．００３　Ｉｎ，透水层渗透系数ｋ　＝２　Ｘ　１０～ｅｍ／ｓ，衬砌厚度为０．４５　ｍ，隧底仰拱渗透系数　＝１　Ｘ　１０～ｃｍ／ｓ。通过计算可得作用在衬砌结构上　的水压力，如图２所示。　计算结果表明（如图２所示）：工况１（隧底不设排　导），由于仰拱混凝土材料的阻隔，隧道底部以下围岩　中的水不能顺畅地从边墙底部泄水孔排出，致使仰拱　承受较大的水压力荷载，作用在仰拱上的最大水压力　ｐ＝０．２１３　ＭＰａ，折减系数／３＝０．３６；工况２（隧底设排　导），由于在隧底也设置了排导透水层，地下水可以从　边墙底部泄水孔中排出，作用在衬砌特别是仰拱上的　水压力得到了很大程度的缓解，作用在仰拱上的最大　水压力Ｐ＝０．０１７　ＭＰａ，其水压力值以排水孔为水平线的　静止水头作用在仰拱上，可以认为仰拱不承担水压力。　由此可见，隧底排导结构能有效降低作用在仰拱　上的水压力，改善衬砌结构的受力状态，尤其是改善仰　拱应力状态，有利于衬砌结构的安全。　３．２仰拱水压力现场测试　在仰拱填充结构面裂缝出现最严重段落，在仰拱　与围岩交界面处埋设渗压计，测试作用在仰拱结构上　的水压力。图３为仰拱水压力值测试曲线。由图３可　以看出，仰拱中心水压力最大，在ＤＫ　３０１＋２２７断面，　仰拱底部中心水压力最大约０．２　ＭＰａ，两侧水压力相　对仰拱底部中心，其水压力较小，与数值计算结果吻　合。另外，在钻孔进行袖阀管注浆时发现，在ＤＫ　３１０＋　（ａ）隧底不设排导　（ｂ）隧底设排导　图２不同隧底排导结构的水压力分布（单位：ＭＰａ）　２３２处，钻人仰拱下４　ｍ左右后地下水开始持续外冒，　有一定水压力，且水量较大。同时，在施工过程中，在　填充结构开裂严重段，对仰拱进行局部开挖，发现该段　地下水丰富，流量达７．１　ｍ　／ｈ。所有这些情况均与　ＤＫ　３０１＋２２７断面水压力较大吻合。　导致仰拱填充结构表面开裂主要存在两个方面的　原因：一方面，隧道围岩岩性较差，属软弱围岩，在这种　条件下，衬砌结构要承受较大的松散荷载，在松散荷载　作用下隧道仰拱会出现一定量值的拉应力；另一方面，　由于隧道埋深在４０～６０　ｍ之间，地下水局部发育，隧　道进口段具有一定地下水水头，仰拱底部未设置排导　系统，会在隧底产生一定程度的水压力，这种水压力会　对衬砌结构产生不利影响，促使填充结构表面最大拉　应力超过混凝土的极限抗拉强度，导致仰填充结构面　出现“Ｖ”字型张拉裂缝。　４水压力作用下仰拱病害表现　４．１仰拱开裂特征　在隧道开挖衬砌后，隧道进口段衬砌出现大量裂　缝，特别是在仰拱填充结构部位。隧底填充结构开裂　照片如图４所示。由图４可以看出，裂缝主要出现在　仰拱填充面隧道中心线附近，沿隧道中心线分布，在边　９４　铁道　２０】ｌ一０７—２５　２０ｌ２—０４—３（）　２０１　１—０３—０７　２０１　１—１２—１２　２（）１２－０９—１７　Ｕ｛羽　一３Ｏ　０　３０　６（】　９（）　１２（）　（ａ１　ＤＫ　３０１＋２３０断而　２（）ｌ　ｌ一０７一ｌ６　２Ｏ】２—０５一ｌ　ｌ　２０１　１—０２—１６　２０１　１—１２—１３　２０ｌ２—１０—０８【＿】　一ｌ００　０　ｌ【）（）　２００　３００　４（Ｘ）　图３仰拱水压力值测试曲线　图４隧底填充结构开裂照片　墒附近未见裂缝　４．２裂缝及仰拱变形特征　表１为该隧道进口段仰拱填允结构的钻孑Ｌ取芯情　况、、根据钻芯资料及现场观察情况可知，填充结构裂　缝上宽下窄，呈“Ｖ”宁型，局部裂缝斜向发展。所有芯　样裂缝均未到底，左线仰拱填充结构裂缝最深约　８２　Ｃ，Ｉｌｌ，右线仰拱填充结构裂缝最深约ｌ２９　ｅｍ．．　表１现场钻子Ｌ取芯情况　取样位置　距离中心线　中心线设计　取样深度　裂缝深度　偏筹／ｔ　ＩＩ１　厚度／（１『ｌ１　／（　ｍ　／Ｃ『ｌ１　ＤＫ　３Ｏｌ＋ｌ４５　左５３．２　ｌ１８．５　１２ｌ　２０　ＤＫ　３０ｌ＋２００　芹６０．８　Ｉ】８．５　９９　５０　ＤＫ　３０ｌ＋２２２　右４７．５　ｌｌ８．５　ｌ１７　８２　Ｉ）Ｋ　３０ｌ＋２３５　左４５．０　ｌ１８．５　ｌ００　５０　ＤＫ　３０ｌ＋２５５　左４０．０　Ｉ１８．５　ｌ３３　８０　ＹＤＫ　３０１＋ｌ５Ｏ　有５０．０　ｌ４３．５　１３０　ｌ０３　ＹＤＫ　３０１＋１９２　芹４０．０　１４３．５　１４４　１２９　同５为隧道左线两侧（边墙附近）沉降『ｆＩ１线与巾　心线附近仰拱填充面沉降ｆ｝ｆＩ线　由图５（ａ）可　，中心　线附近仰拱填允面上抬，上抬量约２　ｍｍ，这主要由于　监ＮＮ，Ｊ问短，且是在仰拱填允结构　现开裂后　开始　进行监测的，实际上当仰拱开裂后，大部分变形已经发　展．．Ｆ｝１冈５（１　）可知，两侧边墙处下沉，经过近５个月　的两侧沉降观测，其最大沉降量约３０　ｍｍ　从变形资　料来看，呈观ｍ隧底仰拱中心位置上抬、两侧墙脚下沉　的状态，产生不均匀沉降，会导致仰拱填充　开裂　另　外，从裂缝分布情况来看，裂缝主要　现在仰拱填充面　隧道中心线附近，并且沿隧道巾心线分　，在边墙附近　未见裂缝　８　（ａ）ｒ　ｔ２，线附近　（ｂ）两侧（边墙附近）　图５隧道左线仰拱沉降曲线　５水压力作用下仰拱受力特征　采用ＡＮＳＹＳ软件，按“倚载一结构”法计算衬砌　结构的内力状态，衬砌采用实体单元模拟（Ｂｅａｌｎｌ８２），　共划分为３０４个单元，『书１岩与衬砌的相互作川采用　“无拉链杆”模拟（Ｌｉｎｋｌ０），衬砌沿环向单位为长度　１　ｎｌ。　计算参数：拱墙及仰拱为Ｃ３５钢筋混凝土，弹性　模量取３２．２５　ＧＰａ，仰拱填充结构为Ｃ２０混凝土，弹性　模量取２８　ＧＰａ，衬砌厚度取５０　ＣＩＩＩ。Ｖ级闹　，　岩重　度取２０　ｋＮ／ｍ　，弹性反力系数取１００　Ｍｔ　ａ／ｎｌ、　岩压　力根据《铁路隧道设计规范》…确定，垂直均布土压力　１　郧波　吴　剑　…ｗＳ—ｆ　，）ｎＹ￣：水　力作ｆＩ】下隧道底部结构裂损机理及其防治　９５　按式（３）计算确定，水平侧压力系数取０．３．　（７　…　（３）　ｈ：０．４５×２　巾　——围岩级别；　宽度影响系数，　＝１＋ｉ（Ｂ一５）；　Ｂ——坑道宽度（ｎ　）；　——Ｂ每增减１　Ｉｌｌ时的　岩增减率：当Ｂ＜５　Ｉ１１　时，取ｉ＝０．２；、Ｊ，Ｂ＞５　１３１时，取ｉ＝０．１　表２为考虑不同荷载条件下的衬砌结构应力状态　由表２叮知，只考虑同岩　力时，最大主应力极值为　０．５９　ＭＰａ，ｔＰ，现在仰拱；最小主应力极值为一２．９７　ＭＰａ，　现在拱腰。仰拱填允结构的最大拉应力值虽超过ｒ　Ｃ２０混凝土的容许弯曲托应力０．４３　ＭＰａ，但小于Ｃ２０　混凝土的极限抗托强度值１．７　ＭＰａ。衬砌结构的最大　力却远小于拱墙及仰拱的Ｃ３５钢筋混凝土允许　压力ｆ　ｌ３．０　ＭＰａ和极限抗托强度值３０．０　ＭＰａ　、孑虑　乃与水压力共同作川｝Ｊ、『，最大主应力极值为　１．９６　Ｍ　，川现在仰拱；最小主应力极值为一４．４６　ＭＰ／．ｔ，　现在埔脚　．虽然衬砌结构中的压应力小于拱端及仰　拱的Ｃ３５钢筋混凝土允许　力值１３．０　ＭＰａ和极限　抗拉强度值３０．０　ＭＰａ，但衬砌结构的最大拉应力值小　仪超过　ｊ－仰拱填充Ｃ２０混凝土的容许弯曲托　力　值０．４３　ＭＰａ，且大于Ｃ２０混凝土的极限抗拉强度值　１．７　ＭＰａ，在这种外力组合作川下，隧道仰拱填充结构　会ｆ｛｛　“Ｖ”字型张拉裂缝　表２衬砌结构应力状态　简载　最大主应力　他置　最小主应力　位　／ＭＰａ　／ＭＰａ　『｝；ｉ？ｉ－Ｊ￣力　０．５９　仰拱　一２．９７　拱腰　Ｉ　Ｊｆｉ力、同作用　水　力　１．９６　仰拱　一４．４６　墒脚　６水压力作用下仰拱裂损病害防治　水压力作用下隧道底部结构裂损病害的防治主要　【ｌ１『以从两个方面考虑：一方面足提高仰拱及填充结构　的抗拉性能，即提高仰拱的极限抗托强度，措施主要　有：仰拱及填充结构中配筋，预防隧道仰拱开裂；另一　方面足降低作用在仰拱上的水压力或采取措施降ｆｇ｛ａ　拱拉心力，措施主要有：在仰拱与同岩界面设置排导系　统，降低作用在仰拱【：的水压力，利，Ｌｆｊ微型桩或刚性袖　阀管注浆的抗托特性以降低仰拱抟应力，抑制仰拱及　填充结构开裂。总体而言，在仰拱水压力较大段落，可　采取仡仰拱及填充结构中配筋、微型桩或刚性袖阀管　注浆，并对隧底地下水进行排导的综合整治措施　、　６为水　力作用下仰拱病害产生机理及微型桩或刚　性袖阀管注浆整治原理。　图６　水压力作用下仰拱病害产生机理与整治原理　微型桩施Ｔ时，注浆质量很难达到设计要求，处弹　效果不佳　考虑到袖阀管注浆既能达到微型桩的ｒＩ　的，又能发挥注浆作用，加同效果好，且能加固基底　所以在该隧道仰拱开裂病害整治过程中，采月ｊ在仰拱　及填允结构中配筋、刚性袖阀管注浆，并对隧底地Ｆ水　进行排导的综合整治措施。　刚性袖阀管注浆加同处理措施：采用直径为７６　ｍｎ１　刚性袖阀管注浆方式注浆，钻孔直径为１３０　Ｉｎｎｌ；袖　阀管采用钢花管，外径７６　ｍｎ１，壁厚６．５　ｍｍ，右线问距　１．５　Ｉｌｌ×１．５　ｎ１（纵×横），左线间距１．２　ｎｌ×１．２　Ｉｌｌ（纵×　横），梅仡形布置；孑Ｌ深为仰拱基底以下１０　Ｉｌｌ　仰拱及填充结构配筋处理措施：对仰拱填充结构　开裂严重段，拆除仰拱的上部填充，采用钢筋混凝土叠　合结构加强。其余地段采用水泥基材料注浆灌注后，　施作３０　ＣＩＩ１钢筋混凝土与原结构形成叠合结构，提高　底板的抗拉能力。仰拱及填充结构加同如图７所示　（ａ）拆除仰拱上部填允　（ｂ）填充结构配筋　图７仰拱及填充结构加固　９６　铁道工程学报　７整治后效果　通过分析该隧道仰拱开裂段整治前后的沉降曲线　发现，在采用仰拱填充配筋、刚性袖阀管注浆加固，隧　底设置地下水排导的综合整治措施后，沉降有趋于稳　定的趋势。　图８为采取前述加固措施治理后的仰拱及二衬，　面隧道中心线附近，并沿隧道中心线分布，在边墙附近　未见裂缝。　（３）衬砌结构受力状态计算表明：若只考虑围岩　压力，不会导致仰拱填充结构出现裂缝；考虑围岩压力　与水压力共同作用，最大主应力极值出现在填充结构　上部靠近隧道轴线位置，为拉应力，且最大主应力极值　会大于素混凝土的极限抗拉强度，会产生拉裂缝。　通过近几年的观察可知，采用仰拱填充配筋、刚性袖阀　管注浆加固，并对隧底地下水进行排导的整治措施，整　治效果良好，切实可行，为类似隧道病害整治提供了理　论依据和技术支持，可以推广应用。　（４）在既有隧道仰拱水压力较大段落，可采取在　仰拱及填充结构中配筋、刚性袖阀管注浆加固基底，并　对隧底地下水进行排导的综合整治措施。本文案例隧　道仰拱填充结构开裂整治后，通过近几年的观察得出，　整治措施的效果良好，可供类似的病害隧道整治参考。　参考文献：　［１］ＴＢ　１０００３－－２００５，铁路隧道设计规范［Ｓ］，　ＴＢ　１０００３－－２００５，Ｃｏｄｅ　ｆｏｒ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｔｕｎｎｅｌ［Ｓ］．　［２］　崔连友。吴剑，郑波．雪峰山隧道进【＿＝Ｉ段仰拱填充结构开　（ａ）治理后仰拱　裂原冈探讨［Ｊ］．地下空间与１　程学报，２０１５（１）：４８—　５５．　Ｃｎｉ　Ｌｉａｎｙｏｕ，Ｗｕ　Ｊｉａｎ，Ｚｈｅｎｇ　Ｂｏ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｃｒａｃｋｉｎｇ　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　Ｘｕｅｆｅｎｇ　Ｍｏｕｎｔａｉｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｉｎｇ　ｉｎｎ　ｔｈｅ　Ｅｎｔｒａｎｃｅ　Ｒｅｇｉｏｎ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ　Ｓｐａｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５（１）：４８—５５．　［３］　郑波．隧道衬砌水压力荷载的实用化计算研究［Ｄ］，北　京：中国铁道科学研究院，２０１０．　（ｂ）治理后二衬　Ｚｈｅｎｇ　Ｂｏ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｐｒａｃｔｉｃａｌ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｌｏａｄ　ｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｉｎｇ［Ｄ］．Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｃｈｉｎａ　图８整治后隧道情况　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｒａｉｌｗａｙ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２０１０．　［４］　郑波　王建卞，吴剑．基于等效渗透系数计算衬砌水压力　８　结论　通过对水压力作用下隧道底部结构裂损机理及其　防治的系统研究和分析，得出以下主要结论：　（１）以水压力作用下某仰拱填充结构开裂病害　隧道为例，分别采用数值模拟和现场实测的方法，计算　和测试了仰拱水压力，得到的仰拱最大水压力值分别　为０．２１３　ＭＰａ、０．２　ＭＰａ。　方法研究［Ｊ］，现代隧道技术，２０ｌＩ（６）：４３—４６．　Ｚｈｅｎｇ　Ｂｏ，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎｙｕ，Ｗｕ　Ｊｉａｎ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｘｔｅｒｎａｌ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｉｎｇ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ　Ｃｏｅｆｉｃｉｅｎｔｆ　ｆ　ｔｏｈｅ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｌｉｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｍｏｄｅｒｎ　Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１（６）：４３—４６．　［５］　郑波，王建宇．吴剑．轴对称解对隧道衬砌水压力计算的　适用性研究［Ｊ］．现代隧道技术，２０１２（１）：６０—６５．　Ｚｈｅｎｇ　Ｂｏ，Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎｙｕ．Ｗｕ　Ｊｉａｎ．Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｐｐｌｉｃａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ａｎ　Ａｘｉｓｙｍｍｅｔｒｉｃ　Ｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｏｒ　（２）在水压力作用下，仰拱填充结构裂缝上宽下　窄，呈“Ｖ”字型，局部裂缝斜向发展，仰拱填充面出现　中间上抬、两侧下沉的现象，裂缝主要出现在仰拱填充　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｏｎ　ａ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉｎｉｎｇ［Ｊ］．　Ｍｏｄｅｒｎ　Ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２（１）：６０—６５．