中老鐵路友誼隧道鹽巖段襯砌開裂變形機(jī)理研究

羅仁立 舒俊良 劉志韜 李鵬州 易 鵬 周 平 任 松

（1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031； 2.西南交通大學(xué)，成都 611756；3.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶 400044）

鹽巖是一種由各種化學(xué)沉積巖組成的特殊巖類，是堿金屬類鹵素礦物組成巖層的總稱。TB 10038-2022《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》［1］將鹽巖按主要化學(xué)成分分為氯鹽類、硫酸鹽類和碳酸鹽類鹽巖。氯鹽類鹽巖又分為：石鹽（NaCl）、鉀鹽（KCl）、鈣鹽（CaCl2）、鎂鹽（MgCl2）等。

目前國內(nèi)在鹽巖地層中修建的隧道較為少見，僅有黃東海［2］、于占華［3］對含鹽地層隧道施工技術(shù)進(jìn)行了介紹；肖勇剛［4］、劉高金［5］等對含鹽地層隧道結(jié)構(gòu)侵蝕成因進(jìn)行了簡要探討。然而，上述研究均以穿越含石膏的硫酸鹽類鹽巖地層隧道為研究對象，而針對穿越含石鹽的氯鹽類鹽巖地層隧道的相關(guān)研究還處于空白。中老鐵路友誼隧道穿越長段落石鹽地層且石鹽含量高達(dá)80%，隧道穿越鹽巖地層時發(fā)生了較為嚴(yán)重的開裂、底鼓和變形等病害。如何確保鹽巖地層隧道襯砌的安全成為了亟待解決的問題，因此開展針對鹽巖段襯砌開裂變形機(jī)理的研究是十分必要的。

1 工程概況

友誼隧道穿越中國和老撾國境線，為設(shè)計旅客列車速度160 km／h 的單線隧道全長9 595.407 m，老撾境內(nèi)長2 425 m。隧道中國境內(nèi)設(shè)2 座斜井，老撾境內(nèi)設(shè)置1 座斜井（3 號斜井），長750 m。老撾境內(nèi)段共穿越第三系及白堊系地層：自小里程向大里程方向依次為第三系（E1-2）泥巖夾砂巖、礫巖、鹽巖含石膏；白堊系上統(tǒng)（K2）泥巖夾礫巖、砂巖，下統(tǒng)（K1）砂巖夾礫巖、泥巖。埋深240 m，均為Ⅳ級、Ⅴ級圍巖。隧道平面如圖1所示。

圖1 隧道平面示意圖（m）

友誼隧道（老撾境內(nèi)DK 0+000～DK 0+363 段及DK 0+550～DK 1+565 段）開挖揭示的鹽巖多為淺白、紫紅、暗灰色，與灰色、紫紅色砂泥巖碎石、角礫混雜。經(jīng)巖石薄片鑒定試驗分析，友誼隧道正洞揭示的鹽巖主要為含硬石膏、泥灰質(zhì)角礫石鹽巖（石鹽含量77%～80%，硬石膏含量5%～6%），屬氯鹽類鹽巖，是由含鹽度較高的溶液或鹵水通過蒸發(fā)濃縮作用形成的化學(xué)沉積巖。其工程特性主要表現(xiàn)為強(qiáng)溶解性、強(qiáng)侵蝕性和強(qiáng)膨脹性。

2 開挖揭示及襯砌開裂病害情況

開挖揭示各段鹽巖含量不均，正洞DK 0+000～DK 0+363 段鹽巖含量總體上自小里程向大里程方向逐漸減少，DK 0+550～DK 1+565 段鹽巖含量總體上自小里程向大里程方向逐漸增大。鹽巖具有局部富集現(xiàn)象，部分地段鹽巖含量達(dá)80%以上。開挖揭示圍巖呈現(xiàn)較為統(tǒng)一的規(guī)律，即掌子面巖鹽含量越低，圍巖越破碎，節(jié)理裂隙越發(fā)育，地下水越發(fā)育；反之，掌子面巖鹽含量越高，圍巖越完整，節(jié)理裂隙越不發(fā)育，地下水越不發(fā)育。

3 號斜井工區(qū)鹽巖段現(xiàn)場開挖揭示各段鹽巖含量、地下水發(fā)育情況及襯砌施作情況如圖2所示。

圖2 3 號斜井工區(qū)開挖揭示及襯砌施作圖

3 號斜井工區(qū)84 m 長Ⅳb 型襯砌（采用C45 素混凝土）仰拱及矮邊墻（DK 0+659～+695、DK 0+708～+ 732、DK 0 + 756～+780段）、24 m拱墻襯砌（DK 0 + 683 ～+ 695 和DK 0 + 708 ～ 720 段）兩側(cè)邊墻、仰拱填充面陸續(xù)出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，裂縫數(shù)量不斷增加，寬度不斷擴(kuò)大。

DK 0 + 720 ～ + 732 段（僅施作仰拱及矮邊墻）裂縫展示如圖3所示。

圖3 DK 0+720～ +732 段裂縫圖（mm）

DK 0+708～+720 段（施作拱墻襯砌）裂縫展示如圖4所示。

圖4 DK 0+708～+720 段裂縫圖（mm）

除了襯砌開裂，還發(fā)生了以下病害：DK 0 + 760處線路左側(cè)避車洞底部，因鹽巖強(qiáng)溶解性形成空腔，并導(dǎo)致下沉塌陷；初支表面鹽類晶體析出；洞內(nèi)鋼材受到強(qiáng)侵蝕性的影響嚴(yán)重腐蝕。

3 襯砌開裂變形機(jī)理分析

某隧道是國內(nèi)具有代表性的受含鹽地層影響發(fā)生病害的隧道工程，穿越以石膏為主的硫酸鹽類鹽巖地層，病害特征主要表現(xiàn)為初支和二襯混凝土腐蝕劣化開裂，強(qiáng)度降低，排水管堵塞等［6-7］。研究者認(rèn)為，該隧道的危害主要是由硫酸鹽類鹽巖的物理侵蝕和化學(xué)侵蝕作用引發(fā)的。

友誼隧道鹽巖主要為氯鹽類鹽巖，與該隧道穿越硫酸鹽類鹽巖不同，其開裂機(jī)理亦不相同。為探究襯砌開裂變形機(jī)理，對病害段襯砌進(jìn)行鉆孔取芯和探坑開挖驗證。

DK 0 + 710 處已施作全環(huán)襯砌，對邊墻開裂處取芯觀察顯示，裂縫沿二襯基本貫通，二襯混凝土中未發(fā)現(xiàn)鹽類侵蝕混凝土裂化跡象。對于未開裂部位，經(jīng)回彈法檢驗混凝土強(qiáng)度符合要求，未出現(xiàn)強(qiáng)度降低現(xiàn)象。同時，隧道結(jié)構(gòu)自施作到開裂時間跨度很短（僅1 ～ 2月），因此可基本排除鹽類侵蝕混凝土是導(dǎo)致混凝土腐蝕肢解引起開裂的原因。

友誼隧道開裂段二襯均為素混凝土結(jié)構(gòu)，因此可以排除Cl-與鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生銹脹壓力引起開裂的可能性。

現(xiàn)場初支內(nèi)表面滲水處常伴有白色鹽類結(jié)晶體析出。經(jīng)取樣進(jìn)行了成分鑒定，主要為NaCl。

對初支內(nèi)表面有晶體析出的部位進(jìn)行取芯，發(fā)現(xiàn)芯樣巖體中存在明顯的沿節(jié)理裂隙面形成的多道層狀鹽巖結(jié)晶體。經(jīng)成分鑒定，其主要成分為NaCl，厚度在0.8 ～ 2 cm，在初支背后0.5 m 內(nèi)均有分布，且細(xì)小晶體顆粒明顯，與原狀圍巖中鹽巖晶體較大、呈斑點狀、脈狀或大塊狀明顯不同。

DK 0 + 728 處物探顯示異常，于該處自仰拱填充面開挖探坑，開挖揭示未見空洞，基底無虛渣，開挖面存在積水，且可見明顯結(jié)晶鹽塊、小鹽粒等。

綜合鉆孔取芯和探坑開挖驗證可以看出，初支內(nèi)表面、初支與圍巖間及圍巖裂隙中均存在鹽巖結(jié)晶體，這些鹽巖結(jié)晶體均為隧道開挖后因重結(jié)晶作用的產(chǎn)物。

重結(jié)晶作用是圍巖內(nèi)部的石鹽溶解后隨地下水徑流遷移至新的地點后因溶解度變化而重新從溶液中結(jié)晶的過程。

石鹽常溫下溶解度為36 g／cm3，隧道環(huán)境溶解度變化主要受3 個方面影響：（1）含鹽溶液中水分自然蒸發(fā)后形成過飽和溶液，導(dǎo)致石鹽結(jié)晶析出；（2）新澆筑混凝土持續(xù)水化作用吸取含鹽溶液中的水分后形成過飽和溶液而結(jié)晶析出；（3）混凝土澆筑后溫度逐漸降低，含鹽溶液中溶解度降低。

綜上所述，鹽巖重晶體擠壓隧道襯砌形成的膨脹壓力是短期內(nèi)襯砌開裂變形的主要因素。初支與二襯間空隙、初支與圍巖間的空隙、離開挖輪廓距離較近的圍巖裂隙是地下水最易匯集，也是溶解度最易發(fā)生變化而發(fā)生重結(jié)晶作用的地方。同時，鹽巖中硫酸鹽含量為5%，后期硫酸鹽類的侵蝕膨脹壓力疊加，進(jìn)一步加劇了結(jié)構(gòu)的開裂變形［8-9］。

4 變形規(guī)律分析

自2018年8月至2019年6月對已開挖段初支變形進(jìn)行監(jiān)測，量測斷面拱頂最大沉降量69.4 mm（DK 0 + 620），周邊收斂最大95.34 mm（DK 0 + 730）。其中，初支收斂變形趨勢、收斂變形量和拱頂下沉變形量情況分別如圖5～圖7所示。

圖5 初支收斂變形趨勢圖

圖6 初支累計拱頂下沉變形量統(tǒng)計表

圖7 初支累計收斂變形量統(tǒng)計表

根據(jù)鹽巖重結(jié)晶機(jī)理，重結(jié)晶作用與鹽巖含量和地下水發(fā)育程度緊密相關(guān)。DK 0+620、+670、+730鹽巖含量均小于50%，且開挖揭示有地下水，重結(jié)晶作用強(qiáng)烈，變形量最大，變形發(fā)展較快且變形趨勢未收斂。DK 0 + 810、+ 830、+ 850 雖鹽巖含量均大于50%，但地下水不發(fā)育，重結(jié)晶作用較弱，變形量相對較小，變形發(fā)展較慢。DK 0+555 接近非鹽巖段，雖地下水較發(fā)育，但鹽巖含量很小，重結(jié)晶作用較弱，故該處變形量亦相對較小。

5 襯砌結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)分析

結(jié)合現(xiàn)場襯砌施作情況，假定初支與二襯間、初支與圍巖間以及圍巖內(nèi)部的鹽巖重結(jié)晶作用力按均布力作用在二襯上，針對施工矮邊墻及仰拱與全環(huán)襯砌兩種工況進(jìn)行討論分析。

（1）對于僅施作矮邊墻及仰拱的段落，其受力狀態(tài)可分為兩個階段：

①當(dāng)重結(jié)晶膨脹力較小時，尚不足以使結(jié)構(gòu)發(fā)生整體上鼓，受力模式如圖8所示。

圖8 仰拱矮邊墻受力圖（fp=31.6 kN／m）

建立豎向平衡的條件為：

式中：fp——膨脹壓力；

Fm——矮邊墻側(cè)壁摩阻力；

μ——摩阻力系數(shù)，取0.65；

h——矮邊墻高度，取1.02 m；

B——結(jié)構(gòu)寬度，取7.48 m；

G——結(jié)構(gòu)自重，取194.5 kN／m。

求得極限平衡時，fp=31.6 kN／m。此時對仰拱及矮邊墻各處正截面受力進(jìn)行驗算，最小安全系數(shù)為21.2。橫斷面各處均不發(fā)生開裂。

②當(dāng)重結(jié)晶膨脹力大于31.6 kN／m 時，仰拱發(fā)生整體上浮現(xiàn)象。上浮后，仰拱部分形變膨脹壓力fp為0，僅矮邊墻部分承受形變膨脹壓力。受力模式如圖9所示。

圖9 仰拱矮邊墻受力圖（fp＞31.6 kN／m）

此時結(jié)構(gòu)可簡化為素混凝土受彎構(gòu)件，根據(jù)《鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊—隧道》按式（3）檢算混凝土矩形截面受彎構(gòu)件的截面強(qiáng)度：

式中：M——彎矩；

K——安全系數(shù)，取3.6；

Rl——素混凝土抗拉極限強(qiáng)度，標(biāo)號C45 取2.9 MPa；

b——截面寬度，取1 m；

h——截面高度，取截面最小處的高度0.4 m。

求得M=36.8 kN·m，進(jìn)而求得fp=70.8 kN／m，即當(dāng)膨脹力大于70.8 kN／m 時，整個結(jié)構(gòu)為受彎承載控制。襯砌外側(cè)開裂無法直觀可見，現(xiàn)場矮邊墻發(fā)生環(huán)向、斜向裂縫居多，推測為沿線路方向不同里程膨脹力差異而引起矮邊墻環(huán)向開裂。當(dāng)膨脹力繼續(xù)增大，矮邊墻受斜截面控制，則可能導(dǎo)致對矮邊墻發(fā)生剪切破壞。

（2）對全環(huán)襯砌地段進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析

全環(huán)襯砌段屬深埋Ⅳ級，根據(jù)地勘報告圍巖重度取24 kN／m3，計算摩擦角取50°，分別按膨脹壓力100 kPa、200 kPa 及300 kPa 進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算，以膨脹力200 kPa 為例按荷載結(jié)構(gòu)法計算內(nèi)力，結(jié)果如圖10所示。

圖10 膨脹力為200 KPa 全環(huán)襯砌內(nèi)力圖

經(jīng)計算，仰拱中心、邊墻腳、軌面以上2.5 m 處邊墻和拱頂?shù)? 個部位安全系數(shù)較低，各部位安全系數(shù)如表1所示。

表1 各部位安全系數(shù)表

由表1 可知，當(dāng)膨脹力為200 kPa 和300 kPa 時，仰拱中心和軌面以上2.5 m 處的安全系數(shù)小于規(guī)范要求的受拉安全系數(shù)3.6，結(jié)構(gòu)將發(fā)生上鼓和開裂，與現(xiàn)場實際病害情況一致。經(jīng)計算，膨脹力為126 kPa 時，仰拱中心的安全系數(shù)恰好為3.6，此時軌面以上2.5 m 處的安全系數(shù)3.72，此時全環(huán)襯砌處于破壞臨界狀態(tài)。

6 對策措施

（1）針對鹽巖段（DK 0 + 000 ～ DK 0 + 363 段及DK 0 + 550 ～ DK 1 + 565 段），根據(jù)初支滲漏水情況采取隧底注漿、局部徑向注漿和初支背后充填注漿，以限制地下水流動。洞內(nèi)施工嚴(yán)格控制施工用水量，開挖后盡快封閉圍巖，減少空氣中水分溶解襲奪鹽巖，從而避免鹽巖發(fā)生重結(jié)晶作用，同時也避免鹽巖溶解形成空洞。

（2）鹽巖段襯砌加深加厚仰拱，通過增加自重和縱向剛度的方法，避免結(jié)構(gòu)成環(huán)前因膨脹力而上浮。

（3）鹽巖段襯砌采用圓形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以提高結(jié)構(gòu)抵抗外力能力。考慮到石鹽地層的復(fù)雜性，為增加設(shè)計冗余度，襯砌內(nèi)輪廓預(yù)留30 cm 拱墻補(bǔ)強(qiáng)空間，內(nèi)輪廓半徑設(shè)定為4.7 m。

（4）采用全包防水+多道設(shè)防理念，設(shè)素混凝土隔水層結(jié)構(gòu)及兩道卷材防水層，充分利用混凝土良好的自防水性來阻斷地下水和氯離子對二襯鋼筋的侵蝕。

（5）隔水層和二襯采用特殊低標(biāo)號混凝土材料，在提高電通量和氯離子擴(kuò)散系數(shù)等指標(biāo)性能的同時降低水化熱［10］，防止混凝土開裂。

（6）為防止氯離子侵蝕，二襯鋼筋及隔水層接茬鋼筋均采用環(huán)氧涂層防腐。

具體結(jié)構(gòu)布置如圖11所示。

圖11 鹽巖段襯砌結(jié)構(gòu)橫斷面圖（cm）

7 結(jié)論

本文重點闡述了友誼隧道鹽巖段開挖揭示及襯砌開裂病害情況，分析總結(jié)了鹽巖段襯砌開裂機(jī)理和變形規(guī)律。結(jié)合結(jié)構(gòu)受力分析，針對性地提出了鹽巖段隧道結(jié)構(gòu)對策措施，得到主要結(jié)論如下：

（1）友誼隧道鹽巖段襯砌開裂主要是由鹽巖重結(jié)晶作用產(chǎn)生的膨脹力引起。

（2）初支與二襯間空隙、初支與圍巖間的空隙、離開挖輪廓距離較近的圍巖裂隙是重結(jié)晶易發(fā)生的地方。

（3）重結(jié)晶作用與鹽巖含量和地下水發(fā)育程度緊密相關(guān)。地下水越發(fā)育且有一定鹽巖含量時，隧道初支更容易發(fā)生變形。地下水不發(fā)育時，即使鹽巖含量較高，隧道初支變形也較小。地下水發(fā)育但鹽巖含量較低時，隧道初支變形亦較小。

（4）僅施作矮邊墻及仰拱段落，當(dāng)膨脹力fp小于31.6 kN／m 時，仰拱不上浮；當(dāng)膨脹力fp為31.6～78.7 kN／m 時，仰拱表現(xiàn)為整體上浮，但尚未發(fā)生開裂現(xiàn)象；當(dāng)膨脹力fp大于78.7 kN／m 時，仰拱表現(xiàn)為整體上浮同時矮邊墻出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。全環(huán)襯砌地段當(dāng)膨脹力大于126 kPa 時，襯砌將出現(xiàn)開裂破壞。

（5）鹽巖段襯砌措施應(yīng)以“注漿堵水、全包防水、強(qiáng)化材料防腐、圓形加強(qiáng)結(jié)構(gòu)”為原則進(jìn)行處理。