引言
１、隧道裂拱是隧道襯砌常見病害之一。神延線（神木－延安）某隧道在施工過程中于1999年9月發現已成洞襯砌在距進口約27m處發生沿隧道縱軸方向的裂縫，并向出口方向延伸約24m.裂縫位置大致在兩側拱腰處，大致對稱于隧道斷面中線，除了兩條主裂縫外，還伴有若干次生斜向小裂縫。裂縫發現時的寬度為3.3mm，隨后的裂縫寬度監測表明，兩側拱腰處的主裂縫仍在發展。在其后的7天時間內裂縫寬度發展至5.7mm.如果不及時整治，很可能會影響隧道安全。由設計、施工單位組成科研小組，對隧道裂拱原因進行分析及提出加固整治措施，以迅速遏制裂縫發展，確保隧道安全。
2、 工程概況該隧道開挖高度H=8.26m，開挖寬度B=6.30m，發生裂拱段的隧道最大埋深37m，最小埋深22m.山坡植被覆蓋較少，拱頂地面附近有一水溝，流向與隧道走向近似平行。該段隧道穿越地層主要為砂巖、灰黃色泥巖、碳質泥巖與煤巖互層。巖層產狀接近水平。圍巖工程地質特性描述如下：
⑴、砂巖：灰白、灰黃色，中細至粗粒結構，鈣質膠結，中厚至厚層狀，風化較為嚴重，節理較發育，節理間距0.5～1.0m，砂巖屬于Ⅳ類圍巖，隧道拱頂侵入砂巖約0.6m.
⑵、灰黃色泥巖位于砂巖下方，泥質、粉砂質結構，節理較發育，風化較為嚴重，含有大量粘土類礦物（如伊利石、蒙脫石），屬Ⅱ、Ⅲ類圍巖。
⑶碳質泥巖與煤巖互層碳質泥巖：灰黑、黑色，不能染黑手指，位于泥巖下方，泥質、粉砂質結構，節理較發育，風化較為嚴重，屬Ⅲ類圍巖。
煤巖：黑色，節理較發育，風化較嚴重，屬Ⅲ類圍巖在隧道開挖過程中未見有地下水，但砂巖節理發育，砂巖露頭能很好的接受大氣降水的補給，故砂巖裂隙水發育，在現場發現拱頂上方地表有水溝，走向近似平行于隧道走向。
科研小組選取處于不同施工段的三個斷面進行各種測試及分析。
3、隧道測量
3.1 隧道斷面測量
為了檢測隧道斷面發生裂拱后，襯砌變形是否侵入隧道限界，用瑞士產的Profiler4000斷面儀對三個選定的典型斷面凈空進行了測量，量測結果表明，裂拱段襯砌未侵入隧道限界。
3.2 隧道襯砌與圍巖的接觸狀態及襯砌厚度
為了了解襯砌與圍巖的接觸情況，特別是拱部襯砌與圍巖的接觸狀態，對所選擇的三個斷面在拱頂、拱腰及拱腳處鉆孔檢查。
由于泥巖含有大量粘土礦物，如蒙脫石、伊利石和高嶺石等，前二者都能吸水膨脹，吸水膨脹能力蒙脫石最強，伊利石次之，而高嶺石遇水比較穩定。為了弄清該泥巖中各種粘土礦物的含量，對鉆孔時取出的泥巖巖芯，對其所含上述三中礦物的含量及其膨脹物理力學性質進行了測試．
3.4 隧道混凝土當前抗壓強度及抗拉強度
該隧道襯砌混凝土的設計強度等級為C20，對鉆孔取下的襯砌混凝土巖芯，將其加工成10cm×10cm×10cm的立方體試件進行抗壓強度測試，抗壓強度（已乘以折減系數1.05）測試結果列入表3.表中齡期T1、T2分別指發現裂縫時及取樣時的襯砌混凝土的齡期，齡期為T1及28d時的抗壓強度是由強度與齡期的關系換算出來的[1].從表中數據可以看出，襯砌混凝土強度達到了設計強度等級。
4、裂拱機理分析
4.1 水文地質環境的變化
裂拱段在施工過程中未發現地下水，但由于地表出露節理發育、風化嚴重的砂巖，雨季大氣降水便沿著節理裂隙滲入地下，達到拱部粘土巖。因而，隨著雨季的來臨，地表大氣降水的滲入改變了施工時所描述的“較干燥，無地下水”的水文地質環境。
4.2 粘土巖的膨脹機理
蒙脫石晶格構造如圖1所示。它是由兩個硅片中間夾一鋁片構成。其特點是晶包之間由O-2聯結，所以聯結力很弱，晶體格架具有異常大的活動性。水分子可無限地進入晶格之間而產生膨脹。伊利石與蒙脫石一樣，具有三層結構，見圖2，只是它在晶包之間是由K+或Na+粒子所聯結。因此，伊利石晶格之間的聯結作用比蒙脫石強，比高嶺石弱，遇水膨脹，失水收縮等作用不及蒙脫石顯著。高嶺石晶格構造如圖3所示，它是由一個硅片和一個鋁片上下重疊而成，并以此無限延伸。其最大特點是晶包之間通過O-2與OH-1相互聯結，其聯結力很強，致使晶格不能自由活動，不允許水分子進入晶包之間，是遇水較為穩定的粘土礦物。蒙脫石的比表面積是伊利石的10倍，是高嶺石的80倍，因而蒙脫石具有很強的吸水膨脹作用[3、4].
由于泥巖中的粘土礦物（蒙脫石、伊利石）遇水膨脹，而泥巖所處位置又在襯砌拱部兩側，所以粘土巖吸水后產生的膨脹力直接作用在拱部兩側，致使在兩側拱腰受到正彎矩的作用，拱腰截面洞內側受拉而產生拉裂縫。由于此段圍巖基本上是水平成層，所以兩側拱腰處的拉裂縫能夠沿隧道縱軸方向延伸較長距離。
4.3 隧道裂拱力學行為分析
該段裂拱隧道都屬于深埋，隧道穿越部位的構造應力十分微弱，故隧道襯砌所受圍巖壓力主要是襯砌自重、圍巖松弛荷載q和圍巖產生的彈性抗力。
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正常情況下，三類圍巖單線電化隧道襯砌兩側拱腰承受都是負彎矩的小偏心受壓，所以能夠充分發揮混凝土抗壓強度高而抗拉強度很低的性能。而實際受力情況與圍巖干燥時相比產生了巨大變化，使兩側拱腰截面洞內側產生了較大的切向拉力。整個隧道襯砌的彈性抗力區也發生了很大變化。
如前所述，隧道拱頂為砂巖，其彈性抗力系數依據Ⅳ類圍巖的彈性抗力系數取值。其它各處的彈性抗力系數依據Ⅲ類圍巖取值，可根據所處的圍巖情況適當增減。彈性抗力的方向假定沿徑向。圍巖容重γ=20.0kN/m3，對于Ⅲ類圍巖深埋隧道，得到松動壓力q=81.4kN/m2 [5].根據表2中測得的膨脹壓力Pp=0.34MPa，相當于拱部的側向壓力系數提高到λ1=Pp/q=4.2.而Ⅲ類圍巖隧道側壓力系數一般為0.15～0.30[5].邊墻處圍巖為碳質泥巖與煤巖互層，可取λ2=0.30.以斷面1為例，對襯砌進行力學分析，經計算[6，7]，兩側拱腰承受正彎距（大偏心受壓），計算圖式及其N、M圖見圖4所示。拱腰處截面e=M/N=204/584=0.35m，相對偏心距e/h=0.68.此截面處產生的拉應力бl=3.53MPa，是襯砌混凝土抗拉強度的約2倍，因而該處截面首先被拉壞。由于作用于襯砌上荷載及襯砌結構的對稱性，導致了拱腰處裂縫走向基本上與隧道軸線平行。
5、裂縫的整治在弄清產生裂拱原因后，提出以下治理措施：
（1）由于水滲流是泥巖中粘土礦物膨脹的直接誘因，因而應首先切斷滲流水的補給。將山坡上的水溝鏟平，用水泥砂漿灌注坡面上的裂縫，最后用砂漿抹平。
（2）沿裂縫延伸范圍鑿楔形槽，槽深8cm，里口寬8cm，外口寬5cm，槽內沖洗干凈。槽壁涂刷由環氧樹脂、磷苯二甲酸二丁脂、丙酮、乙二胺配制成的環氧基液，其配合比為1：0.1：0.12：0.05，槽內嵌補M20膨脹水泥砂漿，配合比為水泥：砂子=1：2.水泥砂漿中摻JP型膨脹劑，其摻量為水泥重量的10%.
（3）沿裂縫兩側施作樹脂錨桿，距離裂縫35cm，錨桿間距1.0m×1.0m.梅花型布置，錨桿材質20MnSi，錨桿直徑Φ22，上排桿長3.1m，下排桿長3.9m.錨桿伸入砂巖50～60cm.樹脂以環氧樹脂為主要成分，用作錨桿的桿體粘結劑，另外摻加石英砂作為粘結劑填料，摻加聚乙烯聚酰胺作為環氧樹脂的固化激發劑。其配比為（重量比）：環氧樹脂：石英砂：聚乙烯聚酰胺1：3：0.25～0.30.樹脂藥包分兩個塑膜袋，外袋裝環氧樹脂與填料的膠泥狀混合物，內袋裝聚乙烯聚酰胺。
樹脂錨桿的安裝應注意：①先將藥包送入孔內，再把桿體插入孔中將藥包送到孔底捅破腰包攪拌，同時把桿體均勻推至孔底，攪拌時間為30Sec左右。攪拌時間過長反而會破壞膠凝，時間過短，則攪拌不均勻影響膠凝固化。
②安裝完畢后，為避免在膠凝期間因桿體自重滑落，可用木楔在孔口楔緊桿體。
③安裝后15min，樹脂固化程度可達80%~90%的最終強度，此時再在桿體下端安設墊板。
這種樹脂錨桿安裝容易、膠凝固結快，起效塊。其一天齡期的抗壓強度可達到50~60MPa，抗拉強度達到20~25MPa.襯砌加固后，裂縫發展很快被阻止，又經過一個雨季的檢驗，效果良好。
6、結論
（1）隧道裂拱是圍巖工程地質水文地質環境的改變所造成的，泥巖中的粘土礦物遇水膨脹產生巨大的水平側壓力作用在隧道拱部兩側是發生裂拱的物質基礎，水滲流是誘因。
（2）裂拱產生的力學機理為：因襯砌拱部兩側作用很大的側向壓力，致使拱腰截面出現大偏心受壓，截面內側產生很大拉應力，因而拉裂縫出現在拱腰附近。
（3）裂拱整治采用截斷地表水與襯砌加固相結合。樹脂錨桿錨固力大、起作用快，能夠及時遏止襯砌裂縫的繼續發展。
（4）采用本文所述的裂拱整治措施，收到很好的效果，不僅很快阻止了裂縫的繼續發展，而且經過了2000年雨季的檢驗，此段襯砌狀況良好，說明所采取的治理措施是合理正確的。
參考文獻
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