土质隧道衬砌裂缝原因分析及预防措施？
1.介绍
近几十年来，我国各种工程中修建了数千座隧道工程，其中土质隧道占有很大比重。本文所说的土质隧道包括公路、铁路和地下铁路工程中修建在土质围岩中的隧道工程。国家有关部门对运营隧道进行调查后发现，大多数已建成运营的土质隧道都或多或少存在衬砌开裂现象，往往严重影响运营安全。很多工程刚竣工还没交付就出现了裂缝，这在铁路隧道中尤为常见。如果个别土隧道衬砌出现一些裂缝，不值得大惊小怪。问题是近年来土质隧道衬砌出现衬砌裂缝几乎成为普遍现象。神木至延安铁路的十几条土质隧道在建设过程中出现了大大小小的裂缝，而陕西的许多公路隧道在投入使用几年后都进行了裂缝防水处理。国内其他地方土隧道病害的例子数不胜数。以上事例充分说明，土质隧道出现裂缝不是个别现象，隧道工程技术人员对此应给予足够的重视。本文从土隧道的应力变化机理、设计和施工等方面提出一些看法，旨在抛砖引玉。
2.土质围岩中隧道开挖后隧道周围的应力演化。
2.1理解土壤是岩石风化(包括物理风化、化学风化和生物风化)的历史产物，然后以不同的处理方式堆积在不同的地方。土壤是多相介质的堆积，种类繁多。根据成因不同，可分为残积土、沉积土(沉积土可进一步细分为陆地流水沉积土、陆地静水沉积土、冰川沉积土、风成沉积土和海洋沉积土)和土层。土壤的结构一般有单颗粒结构、蜂窝状结构、絮状结构等。土的工程性质主要取决于结构构造、矿物成分、粒度组成和孔隙中水溶液的性质，另一方面也取决于世代年龄的长短和地理条件的变化。土的固体颗粒之间以及颗粒与水之间的相互作用使得土的物理力学性质非常复杂。目前还没有严格的理论来表达土的力学性质。在工程中，土仍被视为简单弹性体或理想弹塑性体，土力学中广泛采用弹性理论或弹塑性理论。这种近似方法不能准确反映实际情况。
2.2土层中洞室开挖后隧道周围应力的变化过程。大量的隧道工程修建在由各种不同结构和性质的土层组成的土质围岩中。地下洞室开挖前，土层中所有点都处于三维应力平衡状态，但这种平衡状态不是静态的。随着自然界中地壳的运动，随着风吹日晒，雨水渗透，地层中的应力变化无时无刻不在进行。地下洞室开挖后，地层中的应力平衡被破坏。为了保持新的平衡，人们采用了各种方法。其中，NATM的理论不外乎是最新颖、最科学的方法，它彻底改变了人们长期以来对地下洞室开挖和支护的认识，把围岩视为受力结构的一部分。这是一个聪明而科学的想法。
当我们为这种科学方法欢欣鼓舞，认为NATM可以解决地下工程中的所有问题时，我们不得不面对一个事实，即许多按照NATM原则设计和建造的隧道工程都有许多裂缝。为什么会出现这样的问题？设计人员反复检查了他们使用的原始数据和计算过程，没有发现错误，但按照这种方法设计的土质隧道出现越来越多的裂缝。其实这其中最大的原因就是我们把自然界的动态过程设计成了静态过程。试想一下，我们在设计中采用的反映围岩特性的γ、C、φ的值，从我们设计隧道开始就不会改变吗？浅埋隧道设计中用来计算围岩压力的方程中的滑动面在我们设计完隧道后会不会不变？这样算出来的浅埋隧道围岩压力会不会不再变化？深埋隧道设计时使用的坍塌拱计算高度，在我们设计后会不会不变？这样算出来的深埋隧道围岩压力会不会不再变？我们在隧道设计中采用的各种荷载形式是否与现实相符？我们采用的各种衬砌形式是否适应地层中的应力变化？如果能对以上问题有一个明确肯定的回答，我想隧道衬砌肯定不会产生裂缝。
建在土质围岩中的隧道从洞室开挖的那一刻起就开始了围岩中的应力重分布。如果按照NATM原理设计，只能说是在初期衬砌达到变形稳定后达到了暂时的平衡。二次衬砌施工后，设计者和施工者都将确信该工程已高质量完成。其实并不是这样的。在自然降水或土层扰动后长期固结的影响下，隧道周围地层中的应力与隧道设计时或刚建成时相比发生了很大变化，但一次衬砌和二次衬砌仍在努力抵抗变化的地层应力。如果一次衬砌和二次衬砌的强度足以应对后续的应力变化，那么本工程可以长期安全使用。如果不能抵抗后期的应力变化，隧道衬砌就会表现出各种难以承受的压力，出现各种裂缝。以上主要是说明在土质围岩中开挖洞室后，应力变化一直在进行，施工过程中初期衬砌的稳定并不意味着围岩变形的完成和应力分布的结束。扰动土层的再固结是一个漫长的过程，洞室开挖引起的地层中水流路径的改变也是一个漫长的过程。在这个过程中，洞穴周围地层中的应力一直在变化。所以很多土隧道建成多年后出现裂缝也就不难理解了。
3.土质隧道出现裂缝的原因分析土质隧道出现裂缝和漏水，一方面是设计原因，另一方面是施工管理不当。
它是结构内部应力不同于设计状态的反映，也与施工过程中由于人为因素引起的洞室应力状态的变化密切相关。
3.1结构设计计算与实际情况不符，后期变形应力在现行公路、铁路、地铁隧道设计中无法体现。一般隧道设计根据情况分为浅埋隧道和深埋隧道两种情况。浅埋情况下，洞顶土压力全部取为设计荷载；深埋隧道设计中考虑了坍塌拱效应，仅计算部分围岩压力。在计算荷载时，采用了通过调查或试验获得的土的物理力学参数。这种设计模式存在几个问题。首先，人工确定的隧道洞室荷载模式与洞室的实际应力状态相差很大。受力复杂的地下工程，简单地用一个受力明确的相似框架进行计算，忽略了土质围岩的特殊性，这是造成地下洞室未来病害的主要原因。其次，设计中采用的许多土层的物理力学指标在洞室开挖后会发生变化，但设计计算的过程并不能反映未来这方面的变化。以稳定参数适应动态应力变化是对结构受力过程的不完全反映，也是对土层中洞室开挖后应力变化过程认识不完全的表现。长期以来，地下水的影响在结构设计中被忽略。隧道设计中，有水时只降低围岩等级，无水时不考虑水的因素。先说有水的情况。对于土质隧道来说，地下水对工程的影响体现在以下几个方面:一是影响土的物理力学指标，可以通过围岩级别的降低来部分反映；其次，影响开挖后土层中空洞的受力状态。当土质围岩中有水时，洞室开挖后会破坏原有的蓄水环境和水力路径，建成后会形成新的水力路径。在这个过程中，由于水的影响，洞室周围的土压力必然会与设计时有很大的不同，但这种影响并不能通过提高围岩的等级来体现，所以从根本上说，设计中并没有考虑土体围岩中的水因素。当勘察中没有地下水时，修复后的洞室经常发生渗漏，说明土质围岩中的水力路径会随着洞室的开挖而发生变化，这样干洞室在运行若干年后就会发生渗漏。
3.2设计粗糙，结构形式与受力不协调。由于土质围岩的组成状态不同，洞室周围的应力状态也不同。但目前的设计存在设计粗糙、结构形式单一、盲目类比而没有深入研究的现象。从土质隧道的病害来看，公路隧道的病害比铁路隧道少，病害程度也相对较轻。其中一个很重要的原因是公路隧道的断面形式在受力方面比铁路隧道更合理。公路隧道断面一般采用三心圆或割线圆，铁路隧道断面一般采用马蹄形断面。在围岩压力的影响下，三心圆或割线圆断面的压力拱轴线一般靠近断面轴线，而马蹄形断面的压力拱轴线在围岩压力的影响下与衬砌断面轴线相差较大，会对衬砌断面产生较大的附加应力。
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