隧洞墊層混凝土結(jié)合面軟弱夾層成因分析及處理措施

秦增平

（遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 工程概況

遼寧省重點(diǎn)輸水工程16號(hào)支洞主洞控制段長度6 449 m（樁號(hào)100+493～106+942），采用鉆爆法施工。根據(jù)地勘成果，該段圍巖以中二疊世二長花崗巖為主，巖石微風(fēng)化，夾少量弱風(fēng)化，堅(jiān)硬巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石完整～完整性差，主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀起伏光滑～平直粗糙，微張裂隙充填巖屑，地下水活動(dòng)呈滲滴水狀，局部成線型滴水。隧洞開挖完成后同步施工底板墊層混凝土，半幅鋪筑施工。為確保在墊層施工時(shí)不阻斷洞內(nèi)交通運(yùn)輸，墊層分左右兩幅施工。首先清理底部虛渣，人工配合挖掘機(jī)將底部虛渣清理后，采用高壓風(fēng)和高壓水將底板清理干凈，底面積水由人工清理干凈。拌合站集中生產(chǎn)混凝土，罐車運(yùn)輸，通過溜槽入倉，插入式搗固棒人工振搗。墊層混凝土采用C30W10F200，設(shè)計(jì)厚度150 mm。

為控制墊層混凝土施工質(zhì)量，對墊層混凝土進(jìn)行抽樣取芯檢測。由于隧洞底超挖，墊層混凝土厚度普遍大于150 mm，滿足設(shè)計(jì)厚度，但局部洞段墊層混凝土與圍巖基面之間存在軟弱夾層，軟弱夾層較為松散，不具有可塑性，由小石塊、砂粒及粉末狀物質(zhì)組成，夾層厚度在0～100 mm之間，個(gè)別夾層厚度超過100 mm。

2 軟弱夾層形成原因分析

軟弱夾層的形成主要有以下五個(gè)方面的原因。

1）鉆孔取芯施工工藝原因。取芯鉆機(jī)在鉆孔過程中會(huì)對混凝土及巖石產(chǎn)生較大擾動(dòng)，特別是在巖體完整性差、基巖面不平整等部位，混凝土和巖石兩種介質(zhì)相互摩擦、碰撞，造成結(jié)合部位破碎，產(chǎn)生碎石及中砂，沉淀于孔底形成軟弱夾層。

2）鉆爆法施工工藝原因。鉆爆法施工過程中，不可避免的在底板形成鋸齒狀開挖輪廓面，而且在爆破過程中形成較多爆破裂隙，底板清理過程中會(huì)自然形成凸凹起伏狀巖石，這些巖石本身膠結(jié)差而且與混凝土膠結(jié)一般，鉆孔時(shí)更易產(chǎn)生破壞，從而形成塊狀碎石沉淀于孔底。

3）20～40 mm混凝土骨料原因?；炷翂|層配合比中選用的粗骨料最大粒徑為20～40 mm，鉆孔過程中一旦破壞便形成至少40 mm孔洞，從而形成軟弱夾層。

4）施工地質(zhì)條件原因。該段圍巖以中二疊世二長花崗巖為主，巖石微風(fēng)化，夾少量弱風(fēng)化，堅(jiān)硬巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖石完整～完整性差，主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀起伏光滑～平直粗糙，微張裂隙填充巖屑，地下水活動(dòng)呈滲滴水狀，局部成線性滴水。墊層存在軟弱夾層段基本存在地下水出露，底板冒水或邊墻滲水。

5）混凝土澆筑過程分析。通過留存的墊層混凝土澆筑前檢查照片追溯，對現(xiàn)場澆筑過程進(jìn)行分析，經(jīng)過驗(yàn)收合格的倉面，由于堵頭模板在凸凹不平的巖石上封閉不嚴(yán)，導(dǎo)致臨倉水滲入，施工時(shí)未能有效排除滲漏水，特別是墊層底面坑洼處，滲漏水沖刷未凝固的混凝土，將混凝土中的水泥漿帶走或稀釋，導(dǎo)致墊層混凝土底部膠凝材料流失，混凝土骨料形成富水層，對巖體及混凝土侵蝕，在墊層混凝土澆筑后造成混凝土與巖面接觸處無強(qiáng)度或強(qiáng)度很低，施工中重車通行，下部受擠壓及地下水侵蝕形成松散狀軟弱夾層。

3 軟弱夾層對襯砌質(zhì)量的影響分析

1）施工期的影響分析。由于軟弱夾層由小石塊、砂粒以及巖粉組成，成分較復(fù)雜，而且厚度分布不均。采用彈性地基梁模型（文克爾模型）對底板進(jìn)行計(jì)算，取軟弱夾層厚度為H=100 mm，彈性模量Es取7 MPa，地基系數(shù)K=Es/H,計(jì)算得到地基系數(shù)70 000 kN/m3。

取施工期隧洞洞內(nèi)汽車荷載作為底板的外力，此時(shí)底板下無地下水壓力，取隧洞內(nèi)汽車均布荷載10.5 kN/m2，人群荷載2.5 kN/m2，取底板厚度0.3 m，1 m長的底板進(jìn)行計(jì)算，底板的彎矩和剪力圖如圖1和圖2。

圖1 底板彈性地基梁計(jì)算的彎矩圖

圖2 底板按彈性地基梁計(jì)算的剪力圖

通過計(jì)算可知，在施工期間，底板混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，軟弱夾層的存在不能滿足底板結(jié)構(gòu)受力要求。

2）運(yùn)行期的影響分析。隧洞墊層下部軟弱夾層為小石子、砂礫，透水性強(qiáng)，墊層下圍巖與邊頂拱兩側(cè)圍巖形成連通通道，容易聚集承壓水。在正常運(yùn)行期間隧洞內(nèi)有水時(shí)，揚(yáng)壓力不會(huì)對底板產(chǎn)生影響，但在隧洞檢修放空時(shí)，由于揚(yáng)壓力過大而使仰拱表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致混凝土被破壞。

16號(hào)支洞控制段隧洞為馬蹄形斷面，由于在IV類（襯砌厚度0.4 m）、V類（襯砌厚度0.5 m）圍巖洞段，設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了地下水和圍巖軟弱對隧洞襯砌的影響，因此即使存在較薄的軟弱夾層，IV、V類圍巖的襯砌仍能滿足要求。對II類、III類圍巖洞段，襯砌厚度為0.3 m，由于襯砌不配筋（II類與IIIa類圍巖洞段）或配構(gòu)造筋（IIIb類圍巖洞段），如墊層下存在軟弱夾層，在墊層下匯聚承壓水，底板混凝土與圍巖間的粘結(jié)力大大降低，將不能滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

4 處理措施

為了消除軟弱夾層對底板結(jié)構(gòu)造成的不利影響，以II、III類圍巖為例，設(shè)計(jì)采取以下三種處理方案。仰拱設(shè)置排水孔的，按梅花形布置，排水孔入巖石500 mm，鉆孔孔徑60 mm，間距2 m。排水孔內(nèi)填塞RCP滲排水片材。

1）方案1：底板加強(qiáng)配筋。取地下水水頭12 m，隧洞底板厚度取0.3 m，按分離底板（取跨距5.3 m）和整體襯砌結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果均應(yīng)配鋼筋E16@200。

2）方案2：底板配筋+排水孔。取地下水水頭12 m，仰拱厚度300 mm進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)墊層下部存在軟弱夾層時(shí)，仰拱彈抗選取參照IV、V類圍巖的彈抗來考慮，同時(shí)考慮底板設(shè)置排水孔（間距2 m），地下水滲透壓力按照0.25的系數(shù)折減，計(jì)算結(jié)果仰拱應(yīng)配鋼筋E16@250。

3）方案3：底板配筋+排水孔+錨桿。取地下水水頭12 m，仰拱厚度按照300 mm計(jì)算，當(dāng)墊層下部存在軟弱夾層時(shí)，仰拱彈抗選取參照IV、V類圍巖的彈抗來考慮，同時(shí)考慮底板設(shè)置排水孔（間距2 m），地下水滲透壓力按照0.25的系數(shù)折減，計(jì)算結(jié)果仰拱應(yīng)配鋼筋E12@200，錨桿為φ22L=2500@2.5 m。三種處理方案匯總見表2。

表2 三種處理方案匯總表

5 結(jié)語

綜上，無論在工程施工期，還是在運(yùn)行期，由于軟弱夾層的存在，對輸水隧洞襯砌混凝土整體結(jié)構(gòu)受力均造成不利影響。16號(hào)支洞主洞控制段針對隧洞底板開挖和圍巖類別情況，采用了以上三種措施對存在軟弱夾層的部位進(jìn)行處理，經(jīng)工程實(shí)踐證明，三種措施均是有效的。