公路隧道橫通道裂縫成因淺析

唐國軍，周　祥，陳人豪

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西　南寧　530029)

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公路隧道橫通道裂縫成因淺析

唐國軍，周祥，陳人豪

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，廣西南寧530029)

唐國軍(1974—)，高級工程師，長期從事公路隧道的勘察設(shè)計工作；

周祥(1987—)，工程師，工學(xué)碩士，主要從事公路工程勘察設(shè)計工作；

陳人豪(1990—)，碩士，助理工程師，主要從事山嶺高速公路隧道設(shè)計、檢測和科研相關(guān)工作。

摘要：文章采用數(shù)值模擬分析的方式分析了公路隧道正常段及橫通道交叉段的力學(xué)特點(diǎn)，并結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，從公路隧道的勘察、設(shè)計、施工質(zhì)量與方法、不良地質(zhì)及特殊性巖土、施工和運(yùn)營管理等方面，對公路隧道襯砌開裂的成因進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：公路隧道；數(shù)值分析；裂縫成因；勘察；設(shè)計；施工；管理

0引言

公路隧道具有斷面大、多成扁圓狀、有加寬段和橫通道等特點(diǎn)，與單線鐵路隧道相比受力更為不利。隨著國家加大對基礎(chǔ)建設(shè)的投入，需要建造公路隧道的數(shù)量越來越多，但由于勘察設(shè)計、施工、不良地質(zhì)及管理等各方面原因造成了我國已建及在建隧道大部分都存在著或多或少的病害問題，其中比較普遍的就是襯砌裂縫。公路隧道襯砌裂縫發(fā)生后，如果得不到及時評估并處理，放任其發(fā)展，會造成襯砌結(jié)構(gòu)開裂、甚至破壞，縮短隧道壽命，危害行車安全。與其等到襯砌裂縫發(fā)展到危害隧道安全時再處理，不如從裂縫一開始發(fā)生時就采取針對性的措施進(jìn)行補(bǔ)救。本文結(jié)合數(shù)值分析結(jié)果，從勘察設(shè)計、施工、不良地質(zhì)及管理等方面對公路隧道橫通道襯砌裂縫的成因進(jìn)行了探討，以供同行參考。

1公路隧道的一些基本知識

1.1　圍巖與支護(hù)的相互作用

公路隧道開挖后，由于臨空面形成，原始地應(yīng)力場發(fā)生變化，圍巖開始向隧道內(nèi)產(chǎn)生位移，稱之為收斂。隨著圍巖收斂的進(jìn)一步發(fā)展，受影響區(qū)域由零空間逐步向隧道外圍圍巖擴(kuò)展。當(dāng)圍巖整體性好、強(qiáng)度高，隧道斷面形狀有利時，巖體變形達(dá)到一定程度就自行終止，反之圍巖變形將一直發(fā)展下去，最終導(dǎo)致失穩(wěn)。圍巖收斂過程中，在開挖邊界適時進(jìn)行支護(hù)，圍巖變形將受到支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束，同時支護(hù)結(jié)構(gòu)又受到圍巖的反力，并產(chǎn)生變形。選擇合適的支護(hù)時機(jī)，既可以限制圍巖變形，也使得圍巖存儲的能量得以釋放，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的力較小，所需要的支護(hù)代價也較小。

1.2　普氏理論

深埋隧道開挖后，若不及時支護(hù)，則有可能出現(xiàn)洞頂巖體斷裂、破碎，甚至部分巖塊失去平衡塌落。大量的工程觀察和模型試驗(yàn)的結(jié)果證明，這種塌落并非無止境，塌落到一定程度后就不再塌落了。從觀察到的現(xiàn)象來看，塌落終止后的界面近似拱形，這個拱稱為卸載拱。卸載拱承受上部巖體傳來的重力，并將重力傳遞到洞室兩側(cè)的巖體上。卸載拱下部的松散巖體重力將由支護(hù)結(jié)構(gòu)承受。

普氏理論以卸載拱為基礎(chǔ)，推導(dǎo)出圍巖作用在隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直壓力，其計算式為：

q=γh，h=b/f，b=bt+httan(45-φ/2)，f=tan(φ*)

(1)

式中：γ——圍巖的天然重度；

h——平衡拱高；

b——天然拱的半跨度；

bt——隧道洞室的半跨度；

ht——隧道洞室的高；

f——似摩擦系數(shù)；

φ，φ*——分別為圍巖內(nèi)摩擦角及似摩擦角。

隧道洞室的側(cè)向壓力可采用郎肯主動土壓力理論進(jìn)行計算。

2數(shù)值模擬分析

為了分析公路隧道的受力特點(diǎn)，本文選取某典型Ⅲ級圍巖分離式深埋隧道以及橫通道進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其受力特點(diǎn)及變化趨勢，模型見圖1~2。

圖1　整體數(shù)值模型圖

圖2　隧道及橫通道模型圖

2.1　數(shù)值模擬假定：

(1)圍巖為各向同性巖體；(2)圍巖本構(gòu)模型為莫爾庫侖模型；(3)不考慮滲透及不良地質(zhì)及高應(yīng)力等不利作用；(4)僅作開挖模擬，不考慮支護(hù)作用。

2.2　計算結(jié)果分析

2.2.1隧道最大主應(yīng)力狀態(tài)分析

由最大主應(yīng)力矢量圖(見下頁圖3)，分離式隧道開挖后，圍巖應(yīng)力發(fā)生重分布，最大主應(yīng)力沿隧道環(huán)向分部，最大主應(yīng)力為壓應(yīng)力。由于巖體通常具有較大的抗壓強(qiáng)度而具有抗拉強(qiáng)度，這種重分布利于圍巖的進(jìn)一步穩(wěn)定。

從圖中還可以看出，圍巖開挖后，由于分離式隧道圍巖應(yīng)力向隧道洞室兩側(cè)傳遞，分離式隧道橫通道所處的位置受到圍巖重分布的影響大?？梢娚盥穹蛛x式隧道兩側(cè)，尤其是隧道橫通道位置對圍巖自穩(wěn)及充分發(fā)揮圍巖承載力有重要意義。

圖3　最大主應(yīng)力矢量圖

2.2.2位移分析

左右洞開挖后位豎向位移情況見圖4。從圖4可以看出，分離式隧道開挖后，拱頂以上圍巖向下變形，拱底以下圍巖向上回彈變形，上下部圍巖都向隧道內(nèi)收斂。

沿主洞縱向縱切面位移情況見圖5。從圖5可以看出，橫通道開挖后，原承受主洞頂部巖體傳下來的重量的圍巖被挖掉，造成圍巖重分布，橫通道與主洞交叉處位移增長幅度較大。同時也能看到，圍巖位移增大有趨勢，但并不是無限擴(kuò)展，而是集中在一定范圍。

沿隧道橫切面位移情況見圖6。從圖6可以看出，在主洞與橫通道交叉的一定范圍內(nèi)，位移較大，且向橫道到中部逐步減小。

圖4　左右洞開挖后位豎向位移圖

圖5　沿主洞縱向縱切面位移云圖

圖6　沿隧道橫切面位移云圖

2.2.3應(yīng)變分析

主洞等效應(yīng)圖見圖7。從圖7可以看出，在沒有支護(hù)的情況下，分離式隧道主洞應(yīng)變主要集中在隧道兩側(cè)。

主洞及橫通道等效應(yīng)變圖見圖8。從圖8可以看出，在沒有支護(hù)的情況下，橫通道有較大的應(yīng)變范圍及較大的應(yīng)變值，這說明橫通道在沒有支護(hù)情況下將發(fā)生較大應(yīng)變，若圍巖整體性差或強(qiáng)度低則橫通道較正常段更易塌方。

圖7　主洞等效應(yīng)變圖

圖8　主洞及橫通道等效應(yīng)變圖

從以上分析可以看出，公路隧道開挖后，隧道周圍巖體受到擾動較大。尤其是橫通道位置，有較大位移和應(yīng)變范圍。

對于正常段，隧道支護(hù)主要承擔(dān)隧道周邊圍巖的力，對于較為松散的巖體，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要受到拱頂及兩側(cè)的圍巖壓力，但在儲存較大應(yīng)變能量的圍巖中，由于支護(hù)與圍巖相互作用，支護(hù)時機(jī)不合適時，隧道還將受到圍巖向隧道收斂造成的形變壓力。

由于橫通道在交叉段影響范圍內(nèi)，支護(hù)將承受比正常段更大的圍巖壓力，且由于交叉，支護(hù)的受力狀態(tài)不同于簡單的偏壓構(gòu)件，受力狀態(tài)較為復(fù)雜。

可見公路隧道在勘察、設(shè)計、施工及運(yùn)營管理等環(huán)節(jié)上要十分重視隧道的受力特點(diǎn)。要認(rèn)識到隧道與圍巖的關(guān)系不能簡單地等同于荷載與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，尤其是存在交叉、加寬等地段時。要重視工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件、施工條件、管理?xiàng)l件等多種因素在隧道建設(shè)中的作用，以利于預(yù)防隧道病害(如襯砌裂縫)的發(fā)生。

3公路隧道裂縫成因分析

3.1　勘察設(shè)計原因

3.1.1設(shè)計原因

公路隧道位置原則上應(yīng)選擇在地質(zhì)良好，圍巖自穩(wěn)能力好，宜形成平衡拱的位置。對于設(shè)計斷面，應(yīng)綜合考慮圍巖級別及建筑限界情況，選取合理斷面形式及支護(hù)參數(shù)，既發(fā)揮圍巖承載力，減小支護(hù)承受的圍巖壓力，同時又要避免由于圍巖過大變形造成坍塌。

設(shè)計上若選擇位置不當(dāng)，尤其是所處地段處于不良地質(zhì)、特殊性巖土及復(fù)雜構(gòu)造地應(yīng)力段，圍巖應(yīng)力較為復(fù)雜，支護(hù)受力也較為復(fù)雜，襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，在不利的情況下將產(chǎn)生裂縫。

橫斷面形式及支護(hù)參數(shù)設(shè)計不當(dāng)，既會造成支護(hù)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，也將造成圍巖應(yīng)力復(fù)雜，尤其是加寬段及橫通道交叉處。這可能造成復(fù)雜應(yīng)力作用下隧道襯砌開裂。

3.1.2勘察原因

勘察為設(shè)計提供基礎(chǔ)資料及建議，勘察成果對隧道區(qū)地質(zhì)情況的整體把握及不良地質(zhì)作用的認(rèn)識十分重要?？辈爝^程中對圍巖參數(shù)、地質(zhì)條件等的不合理推測，將直接造成設(shè)計橫斷面位置與支護(hù)參數(shù)與實(shí)際情況不相適應(yīng)，從而可能造成隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生。

3.2　施工原因分析

3.2.1施工質(zhì)量

(1)支護(hù)參數(shù)達(dá)不到設(shè)計要求，支護(hù)承載力較設(shè)計降低

施工過程中，由于施工管理不當(dāng)，施工后混凝土的原料、水灰比、振搗、處理不當(dāng)，這都將會造成支護(hù)參數(shù)不足，降低支護(hù)承載力。對于正常段，主洞由于支護(hù)承載力不足，可能失穩(wěn)破壞，輕者開裂，重者發(fā)生坍塌事故。對于橫通道交叉段，一方面，主洞支護(hù)承載力不足，將會造成主洞在與橫通道交叉處產(chǎn)生較大的變形，從而又進(jìn)一步影響橫通道區(qū)域，造成橫通道受力變形較大，襯砌出現(xiàn)裂縫。另一方面，橫通道襯砌厚度不足也會造成主洞支護(hù)承受較大荷載，且受力狀態(tài)更為復(fù)雜，從而造成襯砌出現(xiàn)裂縫。

(2)支護(hù)時間安排不合理

公路隧道主洞尤其是橫通道開挖后，長期未得到有效的支護(hù)。一方面臨空面處圍巖在水流、溫度、大氣等多種因素的作用下進(jìn)一步風(fēng)化，圍巖強(qiáng)度降低(尤其是軟巖)；另一方面圍巖得不到及時的支護(hù)，圍巖塑性應(yīng)變區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)展，受擾動區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，支護(hù)結(jié)構(gòu)需要承受的圍巖應(yīng)力增大。圍巖自承載的比重降低，支護(hù)結(jié)構(gòu)承受圍巖荷載比重增大，這就相當(dāng)于降低了支護(hù)的承載能力，襯砌結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)裂縫。

(3)超欠挖

隧道施工過程中，爆破控制不好，將會造成超欠挖。超欠挖現(xiàn)象在施工中比較常見，尤其是超挖。超挖后，一方面，造成開挖斷面增大，隧道開挖影響范圍也相應(yīng)增大，荷載也增大。另一方面，由于經(jīng)濟(jì)等多種原因，超挖部分得不到有效處理。若空洞不回填，圍巖變形將進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)一步坍塌，坍塌過程中，支護(hù)甚至承受動荷載。對于片石回填且沒有得到有效注漿，將造成支護(hù)與圍巖不密實(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不利。欠挖造成支護(hù)有效厚度減小，承載力降低。無論是超挖或欠挖都會造成支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，從而可能造成裂縫的產(chǎn)生。

(4)地質(zhì)變化未及時上報

目前施工隊(duì)伍素質(zhì)不一，施工中某些隊(duì)伍存在從自身利益出發(fā)，瞞報地質(zhì)變化或自行調(diào)整支護(hù)參數(shù)。特別是在橫通道交叉處，由于受力復(fù)雜，若支護(hù)參數(shù)不能適應(yīng)地質(zhì)變化，將可能造成襯砌開裂。

3.2.2施工方法

施工方法對隧道工程的勘察設(shè)計、施工非常重要?？辈煸O(shè)計上的圍巖劃分與支護(hù)參數(shù)通常都是與相應(yīng)的施工方法對應(yīng)。不合理的施工方法，可能造成襯砌開裂。目前常見的有：

(1)爆破

隧道爆破施工要求盡量減小對圍巖的擾動，保護(hù)圍巖承載力，提倡光面爆破。由于光面爆破，炮眼數(shù)量多，工序多，成本高，一些施工隊(duì)在施工過程中采取少鉆炮眼、鉆深孔、多放炸藥的方式。爆破進(jìn)尺大，成本低。但這種爆破方式會造成巖體破裂影響區(qū)域大，爆破后超欠挖嚴(yán)重。由于爆破后巖體爆破影響區(qū)通常巖體較為松散，巖體整體性和強(qiáng)度較差，造成圍巖分擔(dān)荷載小，支護(hù)承受的荷載大。在公路隧道橫通道尤其是車行橫通道上表現(xiàn)得特別突出。公路隧道車行橫通道的主洞通常為加寬段，該段主洞斷面大，爆破影響范圍也大。無論是主洞還是橫通道的不利爆破都會增加主洞和橫通道支護(hù)的受力，降低圍巖自承載能力，從而可能引起襯砌裂縫。

(2)開挖方式

深埋隧道開挖方式不恰當(dāng)，直接影響隧道支護(hù)承受的荷載。如本應(yīng)采取三臺階的施工方法，卻采用全斷面開挖。采用全斷面后，無疑造成圍巖擾動區(qū)域大，圍巖自承載的比例小，支護(hù)承受的比例大，當(dāng)支護(hù)承受荷載大到一定程度則可能出現(xiàn)裂縫。

3.3　不良地質(zhì)和特殊性巖土

無論主洞還是橫通道，不良地質(zhì)和特殊性巖土都可能造成襯砌結(jié)構(gòu)造成裂縫，橫通道位置由于具有一定的柔性，通?？梢栽谑┕るA段調(diào)整位置，但主洞較難調(diào)整。對于施工未揭露出或得不到有效處置的不良地質(zhì)和特殊性巖土，則可能造成襯砌開裂。

3.3.1巖溶

巖溶問題在西南灰?guī)r區(qū)比較嚴(yán)重，由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性，勘察設(shè)計及施工階段都不一定能夠完全摸清。

隧道受巖溶的影響，與巖溶發(fā)育位置有關(guān)，分為拱頂區(qū)、拱腰區(qū)、拱底區(qū)。巖溶對隧道的影響需要綜合巖溶發(fā)育的規(guī)模、形態(tài)、填充物、地下水等情況綜合分析。

一般來說，拱頂巖溶發(fā)育，一方面阻斷了可能形成的卸載拱形成，另一方面在沒有填充物的情況下，隧道結(jié)構(gòu)受到落石荷載的作用，在有填充物的情況下，又受到填充物的荷載作用，增大了支護(hù)結(jié)構(gòu)受力。

拱腰巖溶發(fā)育，從而增大了卸載拱的支護(hù)受力，甚至在巖溶發(fā)育不對稱的情況下，支護(hù)受到偏壓荷載。

拱底巖溶發(fā)育尤其是含有深厚高壓縮性的黏土層時，由于較大的不均勻沉降，可能造成運(yùn)營期隧道結(jié)構(gòu)的開裂。

3.3.2膨脹巖土

在一些含有較多蒙脫石、伊利石及高嶺石的圍巖(如巖溶填充物中的某些紅粘土)，巖體具有一定膨脹性。膨脹性巖體的圍巖具有脹縮性能，水分增多時，圍巖膨脹；水分降低時，圍巖收縮。圍巖膨脹時，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)限制其變形，支護(hù)結(jié)構(gòu)將承受較大的膨脹力。圍巖收縮時，由于支護(hù)結(jié)構(gòu)一些部分失去彈性支承，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力性能發(fā)生較大變化。在長期脹縮過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力反復(fù)變化，其承載能力也較普通結(jié)構(gòu)降低。這些都可能造成支護(hù)結(jié)構(gòu)襯砌裂縫的形成。

3.4　管理原因

3.4.1管理理念

隧道工程身處地下，處于復(fù)雜的巖土體中，巖土體不僅受到地質(zhì)構(gòu)造的影響，還受到溫度、大氣、水等多種因素影響。在施工完成后，由于隧道工程改變了原有的地質(zhì)環(huán)境，隧道工程周邊巖體甚至支護(hù)都長期發(fā)生著物理、化學(xué)變化。支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的荷載及其承載能力是在不斷變化的。

目前公路隧道的建設(shè)，參建方一些人認(rèn)為只需要隧道能順利施工開挖后就不會存在問題，在建設(shè)中就會存在不注重公路隧道的長期安全運(yùn)營，只在乎能否順利開挖。對各種耐久性指標(biāo)控制不嚴(yán)，管理不善，對各種隱患重視不足，這些都可能造成隧道襯砌出現(xiàn)裂縫。

3.4.2施工管理

施工控制對于隧道的長期運(yùn)營質(zhì)量作用是巨大的，公路隧道施工階段管理不善，往往會給后期運(yùn)營管理帶來不小的安全隱患。

(1)管理不到位

公路隧道在實(shí)際施工中存在管理不到位的現(xiàn)象。一些參建方對原材料、施工工藝、施工質(zhì)量的把控流于形式，使得支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、各種材料耐久性較難達(dá)到設(shè)計要求。且施工不規(guī)范，施工隊(duì)伍隨意性大，不能有效貫徹設(shè)計意圖，甚至不按照設(shè)計施工。

(2)監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報少做或不做

由于地質(zhì)的復(fù)雜性，與巖土工程息息相關(guān)的工程都講究動態(tài)設(shè)計。監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報對隧道很重要，但目前存在少做甚至不做，且得不到參建方重視的問題。監(jiān)控量測及超前地質(zhì)預(yù)報可有效分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能，判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)是否與實(shí)際地質(zhì)情況相適應(yīng)，及時發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)及消除各種安全隱患。

3.4.3運(yùn)營管理

運(yùn)營管理階段不定期檢查，發(fā)現(xiàn)問題后不及時有效處理，都可能造成隧道結(jié)構(gòu)裂縫。

4結(jié)語

公路隧道建設(shè)成本高，使用年限長，維修加固費(fèi)用高。無論勘察設(shè)計、施工以及運(yùn)營管理哪個環(huán)節(jié)出了問題，都會對公路隧道的使用壽命有較大的影響。本文系統(tǒng)分析了公路隧道裂縫的成因，希望能給同行提供參考，以便在公路隧道建設(shè)及運(yùn)營期采取適當(dāng)?shù)拇胧?，減少造成公路隧道開裂的不利因素，提高其使用壽命。

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[3]王成.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

Discussions on the Causes of Cracks in Highway Tunnel Cross-passages

TANG Guo-jun，ZHOU Xiang，CHEN Ren-hao

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：By using the numerical simulation analysis method，this article analyzed the mechanical char-acteristics of cross section between normal section and cross passages of highway tunnels，then com-bined with numerical analysis results and practical engineering experience，and from the aspects of highway tunnel survey，design，construction quality and method，poor geology and special rock-soil，construction and operation management，it discussed the causes of highway tunnel lining cracks.

Keywords：Highway tunnel；Numerical analysis；Cause of cracks；Survey；Design；Construction；Management

收稿日期：2015-03-05

文章編號：1673-4874(2015)08-0072-06

中圖分類號：U451+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.018

作者簡介