季节冻土地区强风化砂泥岩隧道边墙开裂原因分析及整治对策研究

吴剑，郑波，师亚龙

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

季节冻土地区强风化砂泥岩隧道边墙开裂原因分析及整治对策研究

吴剑1，2，郑波2，师亚龙2

(1.中国铁道科学研究院研究生部，北京100081;2.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都611731)

采用理论分析、数值计算、室内及现场试验等方法，结合准格尔至朔州铁路梁家坪2号隧道的工程实际，对季节冻土地区强风化砂泥岩季节性冻胀对隧道结构的影响进行了研究。该隧道边墙纵向开裂是由于隧道含水围岩的季节性冻胀所致，对此提出了锚固、注浆、挂网喷混凝土的衬砌开裂整治措施，并指出了现行规范中的不足，即应根据含水围岩冻胀率和围岩冻结深度来综合确定是否考虑冻胀力。

强风化砂泥岩 隧道 边墙开裂 季节冻胀 整治对策

我国在季节冻土地区修建的隧道越来越多，出现的隧道病害也呈增多趋势，如准朔铁路梁家坪2号隧道边墙在冬季出现纵向裂缝，随着来年气温的回升裂缝停止发展，边墙纵向裂缝的发展随季节交替出现，影响隧道结构和列车运营安全。

目前，国内外学者对冻土地区隧道的冻胀问题取得了大量研究成果。张德华等对大板山隧道进行了研究，考虑了围岩的完整度，采用弹性力学方法提出了衬砌所受冻胀压力的弹性解析解［1］;张祉道等在分析日本冻害隧道调查资料的基础上，提出了风化层冻胀模型，认为冻胀一般发生在边墙风化层，拱顶冻胀较小，冻胀压力可用侧压力代替，同时建议拱顶4 m范围内布设弹簧来考虑地层提供的弹性抗力，并给出了冻胀压力计算公式［2］;王建宇等通过对青藏线隧道的研究，提出了存水空间冻胀模型，认为衬砌所受的冻胀压力主要是因地下水冻结体积膨胀受到围岩和支护衬砌约束所致［3］。

现行公路和铁路隧道设计规范对冻胀压力均有规定［4-5］:最冷月份气温低于－15℃地区的隧道应考虑冻胀力，冻胀力可根据当地自然条件、围岩冬季含水量及排水条件等通过研究确定。规范条文对冻胀力做了一些原则性规定，缺乏可操作性，如冻胀力的大小如何确定，且最冷月份气温低于－15℃地区的隧道应考虑冻胀力也值得商榷。本文采用理论分析、数值计算、室内及现场试验等多种手段，结合准朔铁路梁家坪2号隧道的工程实际，对最冷月份气温－10℃左右季节性冻土地区强风化砂泥岩冻胀对隧道结构的影响进行研究，以期为类似地区隧道设计提供参考依据。

1 工程概况

准朔铁路梁家坪2号隧道全长221 m，上覆第四系上更新统冲风积新黄土、坡洪积细圆砾土，下伏三叠系下统(T1)砂岩，隧道洞身穿越三叠系强风化砂岩夹泥岩，岩层基本水平，节理裂隙发育。隧道开挖时掌子面为砂岩夹泥岩条带，强风化，节理裂隙发育，雨季含少量裂隙水。隧道整体埋深较浅，最大埋深39 m，大部分区段不足20 m。冬季气温较低，最低月平均气温在－10℃左右，月平均气温低于0℃的月份有5～6个月，地表土体最大冻结深度约为1.5 m，按对铁路工程影响的气候分区为寒冷地区。

该隧道2009年4月开工，同年11月建成。检测资料表明隧道边墙衬砌厚度满足设计文件要求，且衬砌背后不存在脱空和不密实缺陷。隧道2010年春季发现轨面以上2～4 m边墙范围内，左右两侧各有一条从进口到出口基本贯通的纵向张拉裂缝，缝宽0.5～1.5 mm，上下伴有少量不规则的竖向裂缝。2011年7月，采用环氧树脂对部分边墙纵向裂缝进行了处理，但在2013年春季发现已处理的裂缝仍在继续发展［6］。

该隧道附近与其气象条件、地质条件相似的鱼尔沟隧道、灵岩庙3号隧道也出现了类似的病害情况。

2 隧道边墙开裂的成因分析

根据调研资料及对以往工程实例的分析，导致梁家坪2号隧道边墙纵向开裂的因素主要有高地应力、水压力、膨胀土压力、围岩压力、冻胀力、施工质量等，以下逐一进行分析。

1)隧道埋深较浅，最大埋深39 m，大部分区段不足20 m，进出口前方场地开阔，且进口方向左侧地势较低，因此不具备产生高地应力的条件，故可以排除高地应力是导致隧道边墙开裂的主要原因。

2)隧道处于稳定的地下水位线以上，强降雨后，衬砌表面及裂缝处仍然保持干燥，且地下水排导系统畅通，强降雨只是在一定程度上使围岩含水量增加，地下水难以在围岩中以重力水的形式赋存［7］，故可以排除水压力是导致隧道边墙开裂的主要原因。

3)在隧道围岩中选取泥岩和砂岩两种土样，进行室内试验，得出泥岩自由膨胀率为15%，砂岩自由膨胀率为8%，根据规范属于非膨胀土，故可以排除膨胀土压力是导致隧道边墙开裂的主要原因。

4)根据隧道地质条件、地形条件等，仅在围岩压力作用下，边墙衬砌所受拉应力不足以导致C30混凝土开裂。且如果是围岩压力作用导致的隧道边墙开裂，裂缝不会随季节交替变化，故可以排除围岩压力是导致隧道边墙开裂的主要原因。

5)检测资料表明，隧道边墙衬砌的厚度满足设计文件要求，并且衬砌背后不存在脱空和不密实缺陷，故可以排除施工质量缺陷是导致隧道边墙开裂的主要原因。

从以上分析来看，高地应力、水压力、膨胀土压力、围岩压力、施工质量均不是隧道边墙开裂的主要原因，因此，以下从冻胀因素进行深入调查，分析隧址区气温和降水量变化规律、围岩温度场分布、围岩含水率和冻胀率、衬砌裂缝发展规律等。

1)气象条件

隧址区属中温带亚干旱区，区内降水稀少，气候干燥，夏季炎热，冬季寒冷，冬春两季多风，蒸发量大。每年12月底或次年1月初气温最低，每年7月底或8月初气温最高，冻结期为每年10月至次年3月，最低月平均气温在－10℃左右。每年的降雨主要集中在5～9月，其间每月降雨量约50 mm，但2012和2013年夏季降雨量突然增大，特别是在2012年7月隧址区的降雨量出现剧增，降雨量达225 mm，是不同年份相同时间段降雨量的5倍甚至更高。在这种强降雨条件下，会导致隧道衬砌背后围岩含水量增加。隧址区是季节冻土区，隧道围岩会产生季节冻胀。

2)围岩温度测试

围岩温度是导致围岩冻胀的重要因素。为了准确掌握该隧道围岩的温度变化情况，对隧道围岩温度进行了动态测试。测试时间从2013年9月初到2014年5月底。结果显示:2014年1月19日隧道围岩出现最大冻结深度，其后逐渐解冻;隧道围岩冻结最大深度约为60 cm。

3)围岩含水率和饱水自由冻胀率测试

围岩含水率也是导致围岩冻胀的重要因素。2013年9月，在隧道现场取围岩土样进行了含水率测试，结果显示，隧道现场围岩含水率为10.8%，饱和含水率为12.3%，饱水自由冻胀率为1.41%，属于弱冻胀土，且该隧道洞身穿越三叠系强风化砂岩夹泥岩，节理裂隙发育，故实际冻胀率比纯土样冻胀率要大。

4)裂缝发展测试

为了监测边墙纵向裂缝在围岩冻融过程中的动态变化，在隧道里程为DK159+790，DK159+810，DK159+840，DK159+860，DK159+890，DK159+910处布设6个断面12个测缝计。结果显示:在2013年10月至2014年3月的冻结期内，隧道边墙纵向裂缝宽度发生了变化，其总体变化规律是随着气温变冷，围岩冻结深度逐渐增大，裂缝宽度也逐渐变大，而随着气温回暖，围岩冻结深度逐渐减小，裂缝宽度逐渐减小。边墙裂缝宽度增大值最大出现在DK159+810断面，约为1.0 mm，对应的时间为2014年1月中上旬，与围岩温度测试得出的围岩出现最大冻结深度的时间一致。其它断面边墙裂缝宽度增大值为0.2～0.6 mm，变化相对较小，但其变化规律一致。

综上所述，根据现场调研和室内外试验结果，该隧道具备了发生季节冻胀的温度条件、含水条件和围岩冻胀条件，其边墙纵向开裂是由于隧道含水围岩的季节冻胀导致。

3 隧道边墙开裂的数值模拟

以上对梁家坪2号隧道边墙纵向开裂的成因进行了定性分析，下面通过数值计算对其开裂的成因进行定量分析。

3.1 计算参数

根据该隧道地质勘察资料和设计文件，结合《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)，选取围岩及衬砌的物理力学参数，见表1。

现场围岩含水率约为10.8%，围岩饱和含水率约为12.3%，因此从隧道结构最不利受力角度出发，计算时取围岩含水率为12.3%，未冻水含量为1%。在进行隧道冻胀力计算时，主要考虑围岩内水结成冰体积膨胀导致衬砌结构受力。水结成冰的体积膨胀率取9%，计算中围岩线冻胀率取5.4×10－3，整体冻胀率取1.63%，与室内测试值相比增加15%，这主要是考虑到隧道洞身穿越三叠系强风化砂岩夹泥岩，节理裂隙发育，在降雨量充沛的情况下，会含有相当一部分裂隙水。根据以往经验，对其冻胀率进行了适当提高。

3.2 计算模型及边界条件

采用ANSYS软件进行计算，衬砌采用梁单元Beam 3，围岩采用平面单元Plane42模拟。该隧道开挖跨度约为5 m，因此，计算模型范围取为左右边界及下边界距隧道中心30 m，埋深取15 m。两侧面、底面施加法向位移约束，顶面为自由边界。冻胀力采用ANSYS中的热应力方法进行模拟［8-9］，即通过赋予冻结围岩膨胀系数，使其与本文中采用的冻结围岩冻胀率的数值相当，进而实现冻胀力的模拟。计算中衬砌厚度取为0.40 m。

3.3 计算工况

2014年1月19日围岩冻结最大深度约为0.60 m。计算时冻结深度分别取为0，30，40，50，60，70 cm 6种情况，应力释放率分别按0，15%，30%计3种情况考虑，分析不同冻结深度和不同应力释放率下冻胀力对隧道衬砌的影响。本文中的应力释放率是指隧道开挖和初支后，围岩与衬砌共同承担的围岩应力释放比例。

3.4 计算结果与分析

3.4.1 无冻胀力作用的衬砌结构内力

当隧道衬砌结构不受冻胀力作用，仅受围岩压力作用时，衬砌结构内力计算结果见表2。

表1 围岩及衬砌物理力学参数

表2 无冻胀力、不同应力释放率时衬砌结构内力

由表2可见:当隧道衬砌结构不受冻胀力作用，仅受围岩压力作用时，应力释放率越高，相同位置处衬砌结构内力越大，这是因为应力释放率直接体现为衬砌结构所受的荷载。在应力释放率为15%，30%时，边墙处所受的最大拉应力为0.58，1.20 MPa，均小于C30混凝土的极限抗拉强度2.2 MPa。而当应力释放率为0时，结构仅受到自重作用，结构内力值更小，近似为0。总体来说，该隧道不考虑其它外荷载仅受围岩压力时，不足以在边墙产生纵向张拉裂缝，所以除了受围岩压力外，一定有其它荷载作用在衬砌上。

3.4.2 围岩压力和冻胀力共同作用的衬砌结构内力

表3为不同冻结深度和不同应力释放率时的衬砌结构内力。

由表3可见，当应力释放率为30%，冻结深度分别为30，40，50，60，70 cm时，边墙所受拉应力分别为2.36，2.83，3.29，3.75，4.29 MPa，边墙所受拉应力随冻结深度的增大而增大，且所受拉应力均大于C30混凝土的极限抗拉强度(2.2 MPa)。当应力释放率为15%，冻结深度分别为30，40，50，60，70 cm时，边墙所受拉应力分别为1.66，2.11，2.56，3.02，3.55 MPa，当冻结深度≥50 cm时，所受拉应力均大于C30混凝土的极限抗拉强度。当应力释放率为0，冻结深度分别为30，40，50，60，70 cm时，边墙所受拉应力分别为0.97，1.41，1.82，2.28，2.81 MPa，当冻结深度≥60 cm时，边墙所受拉应力大于C30混凝土的极限抗拉强度。由此可知，该隧道即使不考虑围岩压力，冻结深度为60 cm时也足以使边墙衬砌出现张拉裂缝。同时，由于该隧道围岩为强风化砂岩夹泥岩，围岩级别为Ⅴ级，二衬要承担部分荷载，所以该隧道边墙开裂的主要原因是冻胀力，围岩压力仅在冻胀力的基础上起到了加剧作用。

此外，由该隧道衬砌结构内力计算结果(图1)可见，边墙拉应力最大值出现位置约在轨面上2.5 m处，与该隧道边墙开裂位置吻合，进一步验证了冻胀力使隧道边墙承受较大拉应力，是导致该隧道边墙开裂的主要原因。

表3 不同冻结深度和不同应力释放率时的衬砌结构内力

图1 隧道衬砌结构内力计算结果(应力释放率30%，冻结深度60 cm)

4 隧道边墙衬砌开裂的整治措施

在明确梁家坪2号隧道边墙纵向开裂是因隧道围岩的季节冻胀后，针对衬砌的开裂情况，基于“宁补勿拆”的隧道衬砌病害整治原则，综合考虑结构安全性和成本等因素，提出3种整治措施进行综合整治:

1)锚固。考虑到在季节冻土中冻胀力对衬砌破坏的不可逆，即使气温变暖围岩解冻后，由冻胀力作用导致的边墙裂缝不可能完全收缩到衬砌开裂前的状态。因此，根据围岩冻胀产生的冻胀力大小设置抗拉锚杆，能够在一定程度上抑制裂缝的发展。

2)注浆。衬砌背后围岩经过冻融循环后，围岩孔隙率会在一定程度上增大，如再遇强降雨，地表水的渗入会使其含水率更大，进而在冷季产生更大的冻胀力。因此，应对衬砌背后一定范围内围岩注浆，建议注浆深度取3.0 m。注浆能在一定程度上减小围岩孔隙率，减轻围岩冻胀［10］。

3)挂网喷混凝土。挂网喷混凝土能够提高混凝土衬砌的抗拉强度，有效抑制边墙在冻胀力作用下产生的破坏。同时，为了提高混凝土的抗裂性能，喷混凝土宜采用合成纤维混凝土，纤维掺量0.1%，纤维长度19 mm，纤维直径48 μm。

5 结论

1)根据现场调研、室内外试验结果的定性分析和数值计算的定量分析显示，该隧道边墙纵向开裂是由于隧道含水围岩的季节性冻胀所致。

2)当应力释放率为30%且冻结深度≥30 cm，应力释放率为15%且冻结深度≥50 cm，应力释放率为0且冻结深度≥60 cm时，冻胀力足以使该隧道边墙出现张拉裂缝。该隧道边墙开裂的主要原因是冻胀力，围岩压力仅在冻胀力的基础上起到一定的加剧作用。

3)现行公路隧道和铁路隧道设计规范中“最冷月份气温低于－15℃地区的隧道应考虑冻胀力”值得商榷。季节冻土地区强风化砂泥岩由于围岩含水率增大引起的季节性冻胀问题应在隧道设计中得到足够重视，应根据含水围岩冻胀率和围岩冻结深度来综合确定是否应考虑冻胀力。即使是弱冻胀土，在冻结深度足够的情况下，其冻胀力同样会对隧道衬砌结构产生破坏作用。

4)锚固、衬砌背后围岩注浆、挂网喷混凝土是整治此类病害的有效措施。

［1］张德华，王梦恕，任少强.青藏铁路多年冻土隧道围岩季节活动层温度及响应的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007(3):614-619.

［2］张祉道，王联.高海拔及严寒地区隧道防冻设计探讨［J］.现代隧道技术，2004(3):1-5.

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［10］王飞，谢洪新，张胜.高海拔寒区隧道保温材料的选型分析［J］.铁道建筑，2012(7):54-57.

Analysis of causes of side wall cracking of tunnel located in highly weathered sandstone and mudstone in seasonal frozen soil area and its treatment measures

WU Jian1，2，ZHENG Bo2，SHI Yalong2
(1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081;2.China Southwest Research Institute of China Railway Engineering Company Limited，Chengdu Sichuan 611731，China)

T he in fluence of seasonal frost heave of strong weathered sandstone and mudstone in seasonal frozen soil area on the tunnel structu re w as stud ied by using theoretical analysis，num erical sim u lation，labo ratory and field tests and com bing w ith practical engineering of Liang jiaping 2#tunnel in Zhunshuo railw ay.T he cause of longitudinal side w all cracking in tunnel is seasonal frost heaving of w atery su rrounding rock.T he treatm ent m easures of lining cracking was put forward，including anchoring，grouting，concrete spraying w ith net hanging and the shortage of the cu rrent specification w as put forward，which m eans the frost heave force should be determ ined and considered according to the frost heave ratio and frost depth of watery su rround ing rock.

H ighly w eathered sandstone and m udstone;T unnel;Side w all cracking;Seasonal frost heave;T reatm en t m easures

U452.1+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.06.18

1003-1995(2015)06-0067-05

(责任审编葛全红)

2015-01-20;

2015-04-10

中国中铁股份有限公司科技开发计划项目(2014-重点-27)

吴剑(1979—)，男，湖南常德人，高级工程师，硕士。