浅谈公路隧道设计中的环形封闭理念

摘要:因为施工方面和设计方面的因素，导致隧道中的裂缝很普遍。本文提出了隧道设计方面的问题:像围岩体和围岩应力动态变化过程的不确定性, 围岩应力模型的不完整、失真,隧道结构轴线与围岩应力轴线的不吻合,直墙式隧道和无仰拱隧道的设计缺陷等等。在隧道的结构设计中倡导新的思路，倡导曲墙加仰拱加施工缝强化设计的隧道结构设计模式。

关键词:隧道;环形封闭设计;围岩；新思路；预防裂缝

1公路隧道的围岩分类和结构设计理念

隧道设计施工的基础是围岩分类,隧道围岩分类方法比较多,其中公路隧道围岩分类是以坑道围岩的稳定性为基础来进行分类的。这种方法比较接近地反映了围岩开挖后当时的稳定状况和应力情况。公路隧道的设计施工就是把坑道围岩的稳定性转化为与支护结构的荷载,即围岩应力来处理:浅埋隧道以洞顶所覆盖土压力作为设计荷载,深埋隧道设计荷载主要考虑塌落拱效应。

目前最新颖、最科学、最合理、应用最普遍的隧道施工方法就是新奥法。新奥法最根本的思路和要点具体如下:

(1)把围岩体作为受力结构的一部分,并与支护结构构成统一的承载结构体系,围岩体是主要的承载单元。

(2)允许围岩产生局部应力松弛,也允许作为承载环的支护结构有限制的变形。

(3)通过试验量测确定围岩和支护结构的自稳时间和位移变形速率,并以此来选择开挖方法和支护结构。

(4)通过对支护结构的量测、监视,修改设计调整支护措施或二次衬砌。因此在隧道结构设计中,喷锚初期支护与围岩体结合作为主要承载结构,二衬混凝土只是作为安全储备。喷锚支护是一种符合岩体力学原理的积极的支护方法,具有良好的自稳性。喷锚支护与围岩紧密贴合,封闭了坑洞周围岩体的裂隙和节理,利用岩块之间的镶嵌、咬合和自锁作用,提高岩体自身的整体性、自承能力;喷锚支护结构柔韧性好,能与围岩共同变形,构成一个共同工作的承载体系(承载环在形变过程中,喷锚支付能调整围岩应力,避免应力集中,抑制变形的发展,防止坍塌。

从以上对比可以看出:喷锚支护比传统的模注混凝土受力合理,结构稳定。可是为什么按照新奥法设计施工的隧道还会出现这麽多的裂缝呢?我们从围岩形成和变化方面来分析分析。

隧道开挖前,岩层处于相对静止的状态;围岩开挖后,围岩丧失了部分约束,围岩原来保持的平衡状态受到了破坏,由相对的静止状态转变为显著的变动状态,围岩在应力和变形方面开始了一个新的运动过程,出现了围岩应力的重分布和围岩向开挖坑道方向的空间变形,并力图达到一个新的平衡状态,这个围岩运动的过程是不确定的,首先是影响因素的不确定性,包括内在的因素,如围岩的物理性质、力学指标、岩体构造等,外在的因素,如地下水、温度、湿度、振动、风化等因素,因此上述围岩分类方法和应力模型均不能完全真实的反映围岩的特性和受力状态,更不能有效地反映出围岩变动后的应力变化以及变化过程。其次围岩运动过程的时间的不确定性,一般围岩开挖后的运动变化在时间上的表现形式主要有以下几种:①围岩岩性稳定,坑洞开挖后围岩不会发生任何变化,隧道不产生裂缝;②坑洞形成后,围岩很快就会收敛、沉降,在几天或一个较短的时间内即会完成绝大部分位移量,坑洞成型后及时进行喷锚支付,待围岩稳定后再进行二衬混凝土施工,即可以取得比较好的效果;③围岩开挖后,初期不会变化,超过一定时间后才会风化、裂变、松弛,继而发生变形、位移,这个时间可能长达一二年、甚至更久,隧道运营后发生的后期裂缝就属于此类;④坑洞成型后,围岩体的位移、变形一直缓慢发生,运动变化的过程可能长达一二年,这种围岩也很有可能发生隧道后期裂缝。

笔者负责的一座新建隧道,地质优良,围岩稳定,几乎均是IV类及以上围岩,设计参数均套用低一级围岩的标准,施工规范,监控到位,整个施工期为18个月,许多人都认为该隧道不衬砌都可以正常使用。但是隧道运营一年后,隧道衬砌不可思议的出现裂缝了,在拱顶及拱腰位置出现了几乎贯通的纵向裂缝。同样笔者负责过一座二级公路老隧道的加固,该隧道于1993年建成,因为地质良好,节省投资,该隧道除两端进出口采用混凝土衬砌外,中间段一直运营。由于常年渗漏水,路面破烂不堪,在1997年对全洞拱墙进行了混凝土衬砌,渗水引至侧沟排出。通过多年来的运营情况来看,无漏水无裂缝,效果良好。很明显,前一个隧道围岩初期没发生位移变形,而在隧道通车运营1年后发生了较大变形以致超过隧道衬砌承受能力而裂缝,而后一个隧道在开挖后长时间,在衬砌之前,围岩总变形量已经完成,所以隧道衬砌后结构稳定。

2隧道设计理念的一些疑惑

(1)从上面的分析可以看出,传统的隧道围岩应力模型的建立过于直观简单,不能准确地、真实地、全面地反映围岩的实际受力状况,忽略了围岩的不均匀性、复杂性,将隧道结构和围岩结构看成是受力明确的、构造单一的几何结构。

(2)这种围岩应力模型没有反映出围岩变动以后的应力变化指标和应力变化过程。隧道开挖后,物理环境、围岩结构均有比较大的变化,如空气、地下水、车辆行驶振动以及洞室围岩松弛后等等因素,都会造成原先设计采用的力学指标、设计参数发生较大的变化,而且这些变化的指标是难以直接量测出来的,同时这些指标随着围岩不停的运动而不断的变化着,直到一定时间后达到一个相对稳定的状态,这些指标才能相对的确定下来。所以说隧道设计图中采用的一些指标只是一种静态指标,不能适应围岩开挖后的动态变化。

(3)直墙式隧道或无仰拱隧道,其边墙墙脚位置由于设计原因以及施工工艺等,在水平位置容易形成自由端,在围岩应力作用下,墙角自由端产生向内位移的趋势,日积月累以致在拱腰或拱顶有可能产生最大的负弯矩,使拱腰或拱顶位置发生弯拉裂缝。事实上隧道二次衬砌混凝土的裂缝基本上都在拱腰或拱顶位置。

(4)隧道拱脚与墙顶交界处是最容易出现渗漏水的地方,尤其是拱、墙分步施工的隧道,如联拱隧道的中隔墙与拱界处,渗漏水现象比较普遍,一般都把它归总为施工方的原因。其实从受力分析来2008年第6期肖云辉:公路隧道设计环形封闭理念的探讨―73―讲,并不仅仅是施工方的原因。大家都知道,施工缝位置是一个薄弱位置,最容易出现混凝土收缩、缝隙、断开以及强度不足的现象。隧道拱墙交界处的施工缝也不例外,由于设计和工艺上的原因,拱墙交界处的结构强度大打折扣,甚至有可能形成自由端。因此在围岩应力作用下,拱脚与墙顶肯定会发生不均匀、不同步的形变位移,产生或加剧了施工缝位置的缝隙,并有可能在附近产生弯拉裂缝。

(5)新奥法中初期支护与围岩体构成了主要承载结构,这个承载结构允许位移变形,施工量测又带来了许多不确定性,而仅作为安全储备的二衬混凝土是一个相对静止的、刚性的混凝土结构,设计承受荷载的能力比较差,是不允许位移和变形的,显然这两者结构形式和理论依据是互有矛盾的。

3隧道结构设计新的思路

据笔者多年来实践总结,斗胆提出:围岩应力应作为一种组合荷载,不仅包括传统计算法的塌落拱土压力,还应包括:坑洞开挖后向坑洞中心位移的松弛应力、围岩地质构造运动过程产生的构造应力、混凝土结构自身的徐变应力以及地下水、空气、振动等外部因素产生的影响,并以此建立隧道组合荷载的动态应力模型;隧道衬砌采用环形封闭设计,隧道二次衬砌、喷锚支护与围岩一起来承担围岩应力。具体有以下几点:

(1)全面采用曲墙设计,无论是Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类围岩,还是Ⅳ类、Ⅴ类围岩,均采用三心圆曲墙式设计,围岩类别的差异在设计上只是存在衬砌厚度、钢筋布置的区别。

(2)全面采用仰拱式铺底,混凝土或片石混凝土结构,使仰拱与隧道的墙、拱形成一个封闭的环形。众所周知环形结构是最稳定的、受力最好的结构,环形隧道在围岩中形成一个独立的、自稳性良好的结构,仰拱的作用很有必要,既可以克服下部围岩的向上的应力,又可以克服边墙的位移和变形。

(3)强化施工缝设计,拱脚与墙顶、墙脚与仰拱的交界处改平接为楔形接或设置钢筋补强交接的方式,使拱脚与墙顶、墙脚与仰拱的连接牢固、紧密刚性,避免在施工缝位置产生相对薄弱的现象,以致发生剪切、负弯矩、位移差等引起裂缝。

(4)联拱隧道的中隔墙作为一个独立的支撑结构独自支撑上部的围岩,左右洞的墙身部分与中隔墙分开各自独立施工,也即改原来的中隔墙为三部分左洞墙身、中隔墙、右洞墙身;同时采用曲墙+仰拱+施工缝强化设计的结构形式。

(5)初期支护与二次衬砌之间的间隔时间的确认,必须要引起设计、监理和施工各方的足够的重视和精确的把握,要把这个时间间隔提升为一个设计控制指标。大的原则是在围岩和喷锚初期支护的早期变形基本稳定之后进行。(6)隧道后期产生的围岩应力和结构变形是不可避免的,只有通过强化结构设计、优化结构受力的方式来预防、抵消,所以要充分发挥混凝土结构受压的特性,把围岩的应力变成对环形支护结构的轴向压力,对薄弱的结构或位置进行强化设计、预防式设计等。

隧道二次衬砌的环形结构设计的稳定性最好,抵抗围岩应力和变形的能力最强;从结构上来看,增加的工作量也不大;从受力来看将原来的承载拱+承载梁结构变成了统一的完整的承载环结构,衬砌混凝土变成了全受压结构;从完整性来讲这种结构考虑了围岩的初始应力、后期的结构应力、徐变应力、本身结构受力以及塌落拱的压力等多方面因素的影响。总之隧道围岩应力存在着诸多的不确定性因素,按照目前的技术水平还无法精确把握,因此强烈倡议:隧道设计,环形封闭,以不变应万变,以小投入来节省大修复的费用。