隧道偏壓明洞錯臺成因及工程對策

陳國富

(上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測站， 上?！?00092)

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隧道偏壓明洞錯臺成因及工程對策

陳國富

(上海同濟(jì)建設(shè)工程質(zhì)量檢測站， 上海200092)

摘要：明洞襯砌結(jié)構(gòu)對隧道工程安全運營起到至關(guān)重要的作用，襯砌發(fā)生錯臺會對隧道洞口結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生嚴(yán)重影響。針對華東地區(qū)某公路隧道偏壓明洞段襯砌錯臺等病害，采用現(xiàn)場調(diào)研和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析其產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)的對策。研究成果表明： 隧道錯臺主要與邊坡坡體淺層土體的側(cè)壓力有關(guān)，建議對邊坡進(jìn)行位移監(jiān)測和對邊坡坡腳位置及抗偏壓墻處采用反壓回填法進(jìn)行處治，實施效果較好，可為類似隧道病害的整治提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道偏壓； 明洞; 錯臺； 病害處理； 數(shù)值模擬； 反壓回填法

0引言

我國山嶺地區(qū)地質(zhì)、地形、地貌等自然條件復(fù)雜多變，加之人為因素的影響，隧道中滲漏水、襯砌開裂及錯臺、路面沉陷或隆起等病害較多[1]。在隧道進(jìn)出口位置處，由于受偏壓荷載作用，隧道偏壓現(xiàn)象較為常見。由于受地形、地質(zhì)條件影響，隧道洞口開挖后，圍巖的二次應(yīng)力極為復(fù)雜[2]。隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)承受不同荷載而使襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力出現(xiàn)不對稱的隧道即為偏壓隧道[3-4]。隧道偏壓多位于淺埋地段，設(shè)計上主要采用荷載-結(jié)構(gòu)法，施工中存在偏壓時多采用增大結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度及斷面面積的方法。洞口處可采用帶抗偏壓墻的偏壓式明洞或采用反壓回填、削坡等措施改變偏壓荷載，減小隧道偏壓[5-7]。目前，許多學(xué)者針對隧道偏壓問題進(jìn)行了大量的總結(jié)和研究工作。如潘洪科等[8]根據(jù)某隧道的監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和隧道地質(zhì)情況，從力學(xué)角度分析、歸納隧道裂縫產(chǎn)生的原因，得出偏壓是產(chǎn)生隧道襯砌裂縫的主要因素。近年來，隧道襯砌施工多采用整體式液壓大模板襯砌臺車、混凝土輸送泵等自動化機(jī)械技術(shù)，使襯砌質(zhì)量和外觀平整度等方面都有很大程度的提高，但由于諸多因素(如施工期模板拼裝問題、運營期結(jié)構(gòu)受力改變等)的制約，隧道襯砌模板間的施工縫錯臺病害仍不可避免[9-10]。國內(nèi)現(xiàn)階段的相關(guān)研究主要集中在發(fā)生于施工階段的襯砌結(jié)構(gòu)縫錯臺，對于運營期因外力作用變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)縫錯臺卻鮮有涉及[11-12]，且針對隧道錯臺病害整治，國內(nèi)現(xiàn)階段缺乏系統(tǒng)的經(jīng)驗總結(jié)和完善的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。因此，有必要結(jié)合工程實際對隧道錯臺開展研究和探討，明確其受力特性，為制訂合理的錯臺治理措施提供依據(jù)。本文針對隧道洞口段明洞施工縫錯臺病害，采用現(xiàn)場調(diào)查、數(shù)值模擬等方法，分析病害產(chǎn)生的原因，并提出有效的明洞錯臺處置措施。

1工程概況

華東地區(qū)某公路隧道為左右線分離雙連拱公路隧道，隧道建筑限界凈寬10.25 m，凈高5.0 m，凈空面積62.99 m2，內(nèi)輪廓設(shè)計采用三心圓曲墻式。明洞段襯砌采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，右洞進(jìn)口段采用半明半暗施工方法，洞身段采用復(fù)合式襯砌。隧道進(jìn)口端右線結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　隧道進(jìn)口端右線結(jié)構(gòu)(單位： mm)

Fig. 1Cross-section of tunnel entrance of right line tunnel tube(mm)

該隧道進(jìn)口端存在明顯的地形偏壓。右線進(jìn)口端采用明挖法施工，上方回填約2 m厚黏土，明洞、暗洞分界位置在第4模和第5模交界處附近；左線進(jìn)口端被坡體覆蓋，明洞長度較右線短。

該隧道建成通車后，右線進(jìn)口端第4模和第5模交界處二次襯砌沿施工縫出現(xiàn)錯臺，錯臺范圍自斷面左拱腳至右拱腳(見圖2)。第4模明洞襯砌位移較明顯，且在左拱腰處最大(約3 cm)，向左、右拱腳處逐漸減少，邊墻部位未出現(xiàn)錯臺(見圖3)。第5模二次襯砌未發(fā)生明顯位移。右洞抗偏壓墻在第4模和第5模交界處開裂(見圖4)。

2襯砌錯臺數(shù)值模擬

采用數(shù)值模擬方法[13]，考慮邊坡下滑力(蠕變產(chǎn)生)、上覆黏土飽和壓力等影響因素，建立不同工況計算分析斷面變形規(guī)律，推測錯臺產(chǎn)生的可能原因，以便為加固處治提供針對性方案。該明洞沒有仰拱，且現(xiàn)場調(diào)查中未發(fā)現(xiàn)仰拱以上路面變形，僅拱頂及拱腰位置發(fā)生錯臺，故認(rèn)為隧道基礎(chǔ)承載力較好，暫不考慮其對襯砌錯臺的影響。

圖2　隧道二次襯砌沿結(jié)構(gòu)縫錯臺

圖4　右洞進(jìn)口端第4模和第5模間對應(yīng)抗偏壓墻處開裂

Fig. 4Crack on asymmetrically-pressured wall located at the lining ring dislocation

2.1計算工況

計算方法采用荷載-結(jié)構(gòu)法[7，14]，抗偏壓墻及其基座采用實體單元模擬，襯砌采用梁單元模擬。根據(jù)結(jié)構(gòu)所受外荷載的來源，取以下3種計算工況。

1)工況1： 只考慮上覆土體自重；

2)工況2： 考慮上覆土體自重和邊坡影響；

3)工況3： 只考慮上覆土層飽和影響。

2.2計算參數(shù)

計算參數(shù)見表1，上覆土層厚度取2 m。

表1　計算參數(shù)表

2.3數(shù)值模擬結(jié)果

2.3.1工況1： 只考慮上覆土體自重

工況1中，隧道結(jié)構(gòu)處于超淺埋段，結(jié)構(gòu)主要受上覆黏土層和回填層側(cè)壓力作用，荷載結(jié)構(gòu)計算模型見圖5，計算所得的襯砌位移見圖6。

圖5　工況1： 荷載結(jié)構(gòu)模型

圖6　工況1： 結(jié)構(gòu)計算變形圖(單位： m)

從圖6可以看出： 數(shù)值模擬襯砌結(jié)構(gòu)最大位移位于拱頂位置，而實際變形最大位移位于左拱腰位置；數(shù)值模擬襯砌在拱頂位置存在內(nèi)侵，且僅在右拱腰—右邊墻位置存在外擴(kuò)，與斷面實際變形情況存在差異。據(jù)此推斷，斷面處的結(jié)構(gòu)變形不僅只有上覆土體的作用，還存在其他影響因素。

2.3.2工況2： 考慮上覆土體自重和邊坡影響

邊坡巖體主要為砂巖，強(qiáng)風(fēng)化作用下，巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育，黏聚力及抗剪強(qiáng)度降低；同時，隧址區(qū)雨季較集中，降雨入滲使得強(qiáng)風(fēng)化砂巖巖體含水量、重度增大，抗剪強(qiáng)度進(jìn)一步降低。因此，推測在強(qiáng)風(fēng)化及降雨作用下，邊坡在風(fēng)化差異分界線處可能形成潛在滑動面(邊坡巖體風(fēng)化程度分界線位于隧道左側(cè)拱腰位置)，導(dǎo)致坡體發(fā)生蠕變，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的推力。采用不平衡推力法，推算邊坡的剩余下滑力為275 kN/m。據(jù)此，建立荷載結(jié)構(gòu)模型見圖7，計算所得的襯砌位移見圖8。

圖7　工況2： 荷載結(jié)構(gòu)模型

圖8　工況2： 結(jié)構(gòu)計算變形圖(單位： m)

從圖8可以看出： 數(shù)值模擬襯砌最大位移位于左拱腰位置，與實際情況基本一致；數(shù)值模擬襯砌左拱腳—拱頂呈內(nèi)侵趨勢，右拱腰—右拱腳位置呈外擴(kuò)趨勢，與實際變形情況相符。據(jù)此推斷，斷面處結(jié)構(gòu)變形主要由邊坡和上覆土體共同作用形成。

2.3.3工況3： 只考慮上覆土層飽和影響

考慮到隧道區(qū)雨季較集中，雨水下滲使上覆黏土飽和，導(dǎo)致隧道上覆土壓力增大。假設(shè)上覆土體已達(dá)到飽和，計算所得的位移變形見圖9。

圖9　工況3： 結(jié)構(gòu)計算變形圖(單位： m)

從圖9可以看出，隧道洞頂上覆土飽和土壓力增大，位移最大值位于拱頂位置，較工況1最大位移量增加0.7 mm，變形規(guī)律與工況1基本一致，與實際檢測變形規(guī)律有一定差異。可見上覆土層較薄，飽和后壓力增加不大，對結(jié)構(gòu)變形影響較小，故隧道錯臺可不考慮上覆土層飽和的影響。

綜上所述，該隧道右線進(jìn)口端的襯砌結(jié)構(gòu)，在坡體淺層蠕變及上覆土體自重的綜合作用下，計算變形情況與實際變形情況相符，推測結(jié)構(gòu)變形主要與滑動坡體及上覆土體的作用有關(guān)，在兩者的共同作用下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)縫處出現(xiàn)錯臺。

3襯砌錯臺治理對策

通過現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)值模擬，明洞產(chǎn)生錯臺與邊坡對結(jié)構(gòu)的側(cè)壓力及洞頂上覆土體自重有關(guān)。為使斷面處的結(jié)構(gòu)變形不再增大，建議處治原則為： 在對邊坡變形進(jìn)行監(jiān)測及對邊坡坡腳懸吊處進(jìn)行反壓處理的基礎(chǔ)上，采用“反壓回填”方法進(jìn)行整治。反壓回填法建議方案有以下2種[15]。

1)方案1。在錯臺外側(cè)抗偏壓墻外回填土方，在回填土主動側(cè)壓力及彈性抗力的作用下，抵抗抗偏壓墻及隧道結(jié)構(gòu)的變形，在明洞結(jié)構(gòu)頂部覆土層上方再回填一定量的土方，以保證隧道結(jié)構(gòu)拱頂部位混凝土不會因彎矩過大而出現(xiàn)裂損(見圖10)。

圖10　方案1處治示意圖

2)方案2。在錯臺外側(cè)抗偏壓墻外澆筑混凝土，在混凝土靜壓力及彈性抗力的作用下，抵抗抗偏壓墻及隧道結(jié)構(gòu)的變形，在明洞結(jié)構(gòu)頂部覆土層上方再回填一定量的土方，以保證隧道結(jié)構(gòu)拱頂部位混凝土不會因彎矩過大而出現(xiàn)裂損(見圖11)。

圖11　方案2處治示意圖

結(jié)合現(xiàn)場實際施工條件，最終采用了“明洞洞頂回填土+抗偏壓墻側(cè)反壓土”的方案，土方就近取材(不應(yīng)在洞口段挖方)，分層壓實，壓實系數(shù)大于0.93。此外，疏通或增設(shè)坡表排水盲溝，降低大氣降水下滲量?？紤]現(xiàn)場檢測及時，錯臺量相對較小，不影響結(jié)構(gòu)正常使用，結(jié)構(gòu)本身不再采取處治對策。

施工完成后定期進(jìn)行監(jiān)測，截至目前，洞口段錯臺停止發(fā)展，斷面內(nèi)輪廓未再出現(xiàn)明顯的變形趨勢，表明上述處治方案是合理的、可行的。

4結(jié)論與體會

基于襯砌錯臺現(xiàn)場調(diào)查及其內(nèi)輪廓檢測，對該隧道錯臺成因進(jìn)行綜合分析，并提出相應(yīng)的處治方案，得出以下結(jié)論。

1)該隧道右線進(jìn)口端第4模和第5模交界處，襯砌沿施工縫出現(xiàn)錯臺，錯臺范圍自斷面左拱腳至右拱腳，第4模襯砌位移較明顯，且在左拱腰處最大(約3 cm)，向左右拱腳處逐漸減少，邊墻部位未出現(xiàn)錯臺。右洞抗偏壓墻(第4模和第5模交界處)縱向開裂。

2)右線進(jìn)口明洞段錯臺產(chǎn)生的主要原因是： 受洞口邊坡巖土體差異風(fēng)化、大氣降雨下滲的影響，圍巖力學(xué)性能下降，直接作用于擋墻的側(cè)壓力與上覆圍巖自重作用顯著增大。

3)處置措施為： 襯砌錯臺處，在對邊坡坡腳懸吊處進(jìn)行壓腳處理的基礎(chǔ)上，采用“明洞洞頂回填土+抗偏壓墻外反壓土”的方法進(jìn)行處治。

綜合處治完成近一年，洞口段錯臺未繼續(xù)發(fā)展，斷面內(nèi)輪廓未再出現(xiàn)明顯的變形趨勢，表明上述處治方案是合理的，且處治效果良好。

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Causes and Countermeasures for Lining Ring Dislocation of

Asymmetrically-pressured Cut-and-cover Tunnel

CHEN Guofu

(ShanghaiTongjiConstructionQualityInspectionStation,Shanghai200092,China)

Abstract:The lining structure plays a vital role in the safe operation of cut-and-cover tunnels, and the dislocation of lining ring will affect the safety of the tunnel entrance structure. Based on the site investigation and numerical simulation, the causes and countermeasures for the dislocation of lining ring of an asymmetrically-pressured cut-and-cover section of a tunnel in East China are analyzed in this paper. The study results show that the lining ring dislocation is mainly related to lateral pressure of soil on the slope. In addition, countermeasures, such as slope displacement monitoring and slope feet and asymmetrically-pressured wall balanced backfilling, are suggested, and the results show that these countermeasures achieve good effect. The paper can provide reference for the similar projects in the future.

Keywords:asymmetrically-pressured tunnel; cut-and-cover method; lining ring dislocation; disease treatment; numerical simulation; balanced backfilling method

中圖分類號：U 455

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)01-0092-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.014

作者簡介：陳國富(1981—)，男，安徽泗縣人，2006年畢業(yè)于合肥學(xué)院，土木工程專業(yè)，本科，工程師，主要從事隧道及地下結(jié)構(gòu)工程監(jiān)測、檢測、病害調(diào)查與安全評估、加固養(yǎng)護(hù)工作。E-mail： chenguofufhfu@163.com。

收稿日期：2015-08-03； 修回日期： 2015-09-24