隧道初期支護(hù)病害原因統(tǒng)計分析及權(quán)重計算

摘 要：文章收集了57座發(fā)生初期支護(hù)病害隧道的資料，找出造成初期支護(hù)病害的原因，并采用1-9標(biāo)度法對其定量化，得到了各原因在隧道病害中所占的權(quán)重。統(tǒng)計結(jié)果表明，圍巖級別低為最主要原因，有45座受到了圍巖級別低的影響，其次分別為施工質(zhì)量、地下水原因、降雨影響、不良地質(zhì)、淺埋、偏壓、勘察設(shè)計質(zhì)量和監(jiān)控量測。受人為影響的主觀管理因素所占比例占到了24%，由于該類因素相對更容易管理，因而在隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)控制。

關(guān)鍵詞：隧道工程；初期支護(hù)；病害；統(tǒng)計分析

中圖分類號：U455.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）11-0131-03

隧道支護(hù)體系中，初期支護(hù)是最主要的承力結(jié)構(gòu)，二次襯砌主要作為安全儲備。隧道施工過程中，由于開挖引起應(yīng)力重分布，圍巖壓應(yīng)力使支護(hù)體系發(fā)生變形，一旦支護(hù)抗力難以滿足圍巖壓力時，初期支護(hù)就會出現(xiàn)不同程度的變形和破壞，輕則出現(xiàn)噴射混凝土裂縫、剝落，重則出現(xiàn)鋼支撐扭曲變形，侵入二襯凈空界限，甚至引起隧道塌方等嚴(yán)重的事故[1]。初期支護(hù)病害的產(chǎn)生嚴(yán)重的影響了工期，提高了工程費(fèi)用，增加了安全隱患。目前，已有大量文獻(xiàn)對出現(xiàn)初期支護(hù)病害的工程進(jìn)行了詳細(xì)的報道和原因分析。如曾蔚等對宜萬鐵路159座隧道中發(fā)生初支病害的隧道進(jìn)行了原因分析，并提出了治理方案[2]；齊廣林等對大華嶺右線初期支護(hù)變形下沉垮塌原因進(jìn)行了分析[3]；楊超等對老寨左幅隧道洞口初期支護(hù)嚴(yán)重變形破壞進(jìn)行了原因分析與處理措施研究[4]。本文收集了57座出現(xiàn)病害的實例資料，對各隧道病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行了整理分析，并采用1-9標(biāo)度法計算得到了各原因在隧道病害中所占的權(quán)重，所得結(jié)論對類似工程的設(shè)計與施工有一定的參考意義。

1 初期支護(hù)病害原因統(tǒng)計

就收集的文獻(xiàn)報道來看，絕大部分對隧道初支病害原因的分析都是定性的。如文獻(xiàn)[5]對火車嶺隧道出口右幅YK55+108～ +113段拱頂初支嚴(yán)重扭曲并坍塌的原因分析指出，圍巖的巖性與產(chǎn)狀是造成病害最主要的原因，其次則分別是襯砌支護(hù)強(qiáng)度不足、水壓力的影響以及構(gòu)造應(yīng)力的影響等原因。文獻(xiàn)[4]對廈蓉線老寨隧道左幅初期支護(hù)變形病害原因分析指出，圍巖級別低和降雨是最主要的原因，其次則是施工問題以及隧道淺埋偏壓的影響。由于定性的分析不便于統(tǒng)計分析，因此本文引入模糊數(shù)學(xué)中常用的Satty T. L. 1-9標(biāo)度法[6]，將收集文獻(xiàn)的定性分析定量化。1-9標(biāo)度法含義如表1所示。

根據(jù)表1對各工程病害原因進(jìn)行分析標(biāo)度，統(tǒng)計每個原因在具體工程病害中所占權(quán)重。其具體步驟為：

①根據(jù)文獻(xiàn)記載中各原因的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣如下：

A=a11…a1na1n…a1n，其中aij>0，aii=1

②確定各指標(biāo)的權(quán)重，求出判斷矩陣最大特征根lmax對應(yīng)的特征向量W，則AW=lmaxW。將W進(jìn)行歸一化計算，得到各原因的權(quán)重分配。如文獻(xiàn)[7]對山西古交屯馬線屯村隧道初支襯砌滲漏水、裂縫等病害進(jìn)行分析后指出，最主要的原因是：地下水較豐富，冬季結(jié)冰凍脹，且水中含有硫酸鹽，對隧道混凝土襯砌具有侵蝕性；施工質(zhì)量較差，拱部襯砌混凝土厚度嚴(yán)重不足，頂部嚴(yán)重拖空，襯砌背后無排水設(shè)施等。可以看出，地下水影響和施工質(zhì)量較差是隧道發(fā)生病害的原因，且兩原因占據(jù)著幾乎同等重要作用，因此其權(quán)重分配為A1=（地下水影響，施工質(zhì)量差）=（0.5，0.5）。按照上述統(tǒng)計方法，得到收集的57座隧道初期支護(hù)病害原因統(tǒng)計結(jié)果，如表2所示。

2 統(tǒng)計結(jié)果分析

文獻(xiàn)資料的統(tǒng)計結(jié)果表明，造成隧道初期支護(hù)破壞的主要原因有圍巖級別低、不良地質(zhì)構(gòu)造、淺埋、偏壓、地下水、降雨、施工質(zhì)量，勘察設(shè)計質(zhì)量以及監(jiān)控質(zhì)量等因素。且病害的產(chǎn)生都是在幾種因素共同作用下發(fā)生的。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以，各影響因素的權(quán)重為

A=（圍巖級別低，不良地質(zhì)，淺埋，偏壓，地下水，勘察設(shè)計原因，施工原因，降雨，監(jiān)控量測）=（0.2，0.12，0.08，

0.07，0.14，0.07，0.16，0.14，0.01）。

從表2可以看出，57座隧道發(fā)生初期支護(hù)破壞的隧道中，圍巖級別低為最主要原因，有45座受到了該因素的影響，其次分別為施工、地下水影響、降雨影響、不良地質(zhì)、淺埋、偏壓、勘察設(shè)計和監(jiān)控量測。上述原因可劃分為兩類，一類是受地形、地質(zhì)、氣候等客觀影響因素，不良地質(zhì)、淺埋、偏壓，地下水、降雨等均屬于該類，而另一類則是與人的行為有關(guān)的因素，如施工質(zhì)量、勘察設(shè)計質(zhì)量以及監(jiān)控量測是否及時準(zhǔn)確等。按上述分析，本文將第一類因素稱為客觀因素，第二類因素成為主觀管理因素。雖然圍巖級別低造成隧道初支病害反映了設(shè)計、施工等主觀認(rèn)識上的不足，但考慮到這種認(rèn)知是受客觀技術(shù)水平、地形、地質(zhì)等條件影響的，因此本文還是將其化為第一類因素，即客觀因素。由此可以看出統(tǒng)計的資料中，客觀因素和主觀管理因素各占的比例為A2=（客觀因素，主觀管理因素）=（0.76，

0.24）。也就是說，在引起58座隧道初期支護(hù)病害的原因中，人為可控的因素占到了24%。

2.1 客觀因素

客觀因素中，圍巖級別低所占的比例最大，其次是地下水、降雨、不良地質(zhì)、淺埋和偏壓。目前隧道幾乎都采用的新奧法施工方法是以維護(hù)和利用圍巖的自承能力為基點(diǎn)的，而級別低的圍巖自穩(wěn)能力差，很難形成自承體系，施工中如果支護(hù)不夠及時或支護(hù)反力不夠，圍巖會產(chǎn)生松弛破壞，從而導(dǎo)致初支病害的產(chǎn)生。

地下水對隧道襯砌的影響主要體現(xiàn)在：

①地下水中含有豐富的腐蝕性物質(zhì)，對隧道襯砌產(chǎn)生侵蝕，進(jìn)而引起襯砌病害，如屯村隧道[7]。

②地下水富集形成巨大的水頭壓力，并作用于隧道圍巖，引起隧道失穩(wěn)。如京源口隧道[8]，就是拱頂上部的松散破碎體在水頭壓力作用下涌向掌子面，形成泥石流。

③弱化圍巖質(zhì)量，造成圍巖級別進(jìn)一步降低，如葦元隧道[9]。文獻(xiàn)[10]對同一條件下V級和VI級圍巖進(jìn)行的開挖模擬表明，VI級圍巖條件下隧道開挖后的位移要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于V級圍巖。因此水對圍巖的弱化影響是絕對不能忽視的，特別是在圍巖本事質(zhì)量就較差的情況下。降雨對隧道的影響主要也是體現(xiàn)在對圍巖質(zhì)量的弱化上，如老寨隧道[4]等。陳偉、阮懷寧[11]等對降雨條件下淺埋偏壓隧道的穩(wěn)定性做了系統(tǒng)分析，指出降雨入滲將使隧道襯砌的最大彎矩增加近1倍。

本文統(tǒng)計資料的不良地質(zhì)因素主要是受斷層破碎帶的影響，如旱臺子2#隧道進(jìn)口，富溪隧道以及黃果樹隧道均是如此。斷層的存在一方面使得圍巖極為破碎，而另一方面也為地下水或雨水的下滲和匯集提供了通道。

受淺埋影響的隧道開挖后上方不能形成穩(wěn)定的自然拱，容易產(chǎn)生塌方和冒頂?shù)牟『ΑＦ珘簩λ淼赖挠绊懼饕w現(xiàn)在襯砌結(jié)構(gòu)受力、洞口邊仰坡穩(wěn)定以及設(shè)計施工3個方面：

①由于隧道存在偏壓，作用在隧道襯砌上的荷載不對稱，容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)剪切破壞，特別是地形和地質(zhì)因素引起的偏壓，對隧道結(jié)構(gòu)體系影響最大。

②偏壓隧道開挖后圍巖應(yīng)力釋放，隧道深埋側(cè)山體會產(chǎn)生下滑的偏壓推力，擠壓淺埋側(cè)圍巖，容易導(dǎo)致地表開裂，邊坡失穩(wěn)。

③隧道偏壓情況下，對隧道的開挖方法、開挖順序及其支護(hù)形式有很高的要求，工序復(fù)雜，技術(shù)要求高。

值得注意的是，57座隧道中有41座處于洞口段（見表2），表明洞口段則更容易產(chǎn)生病害。從表2可以看出，洞口段一般圍巖級別均較低，且更容易受不良地質(zhì)的影響。另一方面由于洞口段存在橫坡和仰坡，隧道的掘進(jìn)事實上是一個三維受力問題，因此較洞身段開挖受力更為復(fù)雜。

2.2主觀管理因素

主觀管理因素主要是指與人的行為密切相關(guān)的因素，如施工質(zhì)量、勘察設(shè)計質(zhì)量以及監(jiān)控量測是否及時準(zhǔn)確等。前文分析結(jié)果指出，該類因素在隧道初支病害原因中的比例占到了24%，表明主觀管理因素對隧道初期支護(hù)安全性有較大的影響，尤其是施工質(zhì)量。顯然，主觀管理因素較客觀因素在管理上更好控制，因此應(yīng)著重加強(qiáng)主觀管理因素的控制，如提醒施工方一定不能盲目施工搶進(jìn)度，勘察設(shè)計一定要盡可能提高質(zhì)量以及監(jiān)控量測需及時準(zhǔn)確等。尤其是在客觀因素影響較為嚴(yán)重且不可避免的情況下則更應(yīng)如此。

3 結(jié) 論

對57座產(chǎn)生隧道初期支護(hù)病害的隧道進(jìn)行了收集和整理，采用1-9標(biāo)度法將造成隧道初支病害的原因定量化，得到了如下結(jié)論：

①57座隧道發(fā)生初期支護(hù)破壞的隧道中，圍巖級別低為最主要原因，有45座受到了圍巖級別低的影響，其次分別為施工質(zhì)量、地下水原因、降雨影響、不良地質(zhì)、淺埋、偏壓、勘察設(shè)計質(zhì)量和監(jiān)控量測。各影響因素的權(quán)重為A=（圍巖級別低，不良地質(zhì)，淺埋，偏壓，地下水，勘察設(shè)計質(zhì)量，施工質(zhì)量，降雨，監(jiān)控量測）=（0.2，0.12，0.08，0.07，0.14，

0.07，0.16，0.14，0.01）。

②將影響因素歸為客觀因素和主觀管理因素兩類，分析表明，主觀管理因素在隧道初支病害原因中的比例占到了24%。該類因素相對更容易管理，在隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)控制。尤其是在客觀因素影響較為嚴(yán)重且難以避免的情況下則更應(yīng)如此。

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