某公路隧道襯砌開裂病害成因分析與治理方案

楊 帆 谷丙坤

(濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司第一分公司，山東 濟(jì)南 250031)

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某公路隧道襯砌開裂病害成因分析與治理方案

楊 帆 谷丙坤

(濟(jì)南城建集團(tuán)有限公司第一分公司，山東 濟(jì)南 250031)

根據(jù)湖北某公路隧道二次襯砌開裂情況的現(xiàn)場測量與調(diào)查結(jié)果，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算軟件，分析了隧道二襯裂損的病害成因，并模擬研究了換襯施工過程及加固后隧道的穩(wěn)定性，同時(shí)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，確定了最終加固效果。

隧道，襯砌開裂，數(shù)值模擬，監(jiān)控量測

該隧道右線在停工約半年后，個(gè)別地段出現(xiàn)了二襯開裂的現(xiàn)象，局部二襯出現(xiàn)了掉塊，通過長時(shí)間的襯砌裂縫跟蹤監(jiān)測和現(xiàn)場勘察，發(fā)現(xiàn)大部分裂縫為拉裂破壞，且暫時(shí)仍有繼續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。隧道二次襯砌作為隧道的重要結(jié)構(gòu)儲備，出現(xiàn)裂縫損傷不容忽視，因此應(yīng)加強(qiáng)后期持續(xù)的監(jiān)測，并及時(shí)采取合理有效的治理措施對襯砌裂縫進(jìn)行治理。

1 工程概況

該隧道位于湖北竹溪縣境內(nèi)，隧道長1 085 m，最大埋深134 m，進(jìn)洞口處于凹型斜坡，坡角坡度為40°～70°，坡向?yàn)?12°；出洞口處于凸型斜坡，斜坡坡度40°左右，坡面植被茂密，坡向275°。隧道區(qū)位于北西向的竹溪褶皺束所屬的楊家山向斜內(nèi)，所涉及的地層主要為志留系，隧址位于向斜翼部，整體產(chǎn)狀為單斜產(chǎn)狀，傾向北東，產(chǎn)狀為27°～40°∠34°～36°，節(jié)理發(fā)育。隧道區(qū)未見發(fā)育的區(qū)域性斷裂。

隧道在右線YK227+154～YK226+911段初支及二襯施工完成后發(fā)生變形，且局部二襯出現(xiàn)滲水開裂(見圖1)，二襯出現(xiàn)掉塊見圖2。

2 病害原因分析

根據(jù)原有二襯具體資料及現(xiàn)場地質(zhì)條件，建立數(shù)值計(jì)算模型，通過理論分析可以得出，典型斷面K227+023襯砌開裂的位置可能發(fā)生在拱頂附近，實(shí)際情況為拱頂出現(xiàn)縱向裂紋，兩者較為吻合。圖3為K227+023斷面的等效塑性應(yīng)變圖。

從表1和圖3,圖4可得出，隧道地處偏壓地段，在洞室相同角度范圍內(nèi)右洞較左洞承受更大的拉力，最大拉力出現(xiàn)在拱頂偏右的位置，這與實(shí)際發(fā)現(xiàn)的右洞襯砌病害多于左洞襯砌病害也是相一致的，也因此驗(yàn)證了理論計(jì)算的正確性。

表1 二次襯砌數(shù)值計(jì)算理論軸力與開裂承載力對比 kN

3 襯砌裂縫治理方案

隧道襯砌發(fā)現(xiàn)裂縫地段多達(dá)23處，分布長度達(dá)200多米的地段，且多數(shù)發(fā)生在右線，左線截面襯砌完好。在處理如此的裂縫病害時(shí)需要根據(jù)不同情況采用不同的處理方案，經(jīng)過方案比選之后，最后確定最終處理方案如下：

采用拆除重建法進(jìn)行治理。

拱部與邊墻結(jié)合部大角度打設(shè)中空錨桿并注漿，間距50 cm，雙排布設(shè)，單根長度3.5 m。二襯拆除前拱墻打設(shè)注漿小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固，縱環(huán)間距1.0 m×1.2 m，處理參數(shù)為采用XS5a加強(qiáng)，具體參數(shù)視現(xiàn)場情況定奪。二襯及仰拱拆除分段進(jìn)行，具體方法為：先拆除一段二次襯砌混凝土，長度控制在3 m以內(nèi)。再拆除原初期支護(hù)，原初期支護(hù)拱架逐榀拆除，并擴(kuò)挖至變更后的開挖斷面，及時(shí)初噴混凝土，架設(shè)初期支護(hù)拱架，打錨桿、掛鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴混凝土至設(shè)計(jì)厚度，初期支護(hù)換拱架時(shí)，先從拱頂進(jìn)行更換，再更換邊墻。初期支護(hù)更換達(dá)到拆除二襯混凝土長度(3 m以內(nèi))時(shí)，拆除仰拱填充及仰拱混凝土，施工新仰拱。按此方法循環(huán)進(jìn)行，當(dāng)初期支護(hù)換拱累計(jì)達(dá)到9 m時(shí)即施作一組二襯。

4 換襯施工過程數(shù)值模擬

本文通過建立整個(gè)施工過程的數(shù)值計(jì)算模型來驗(yàn)證整套施工方案的切實(shí)可行性。數(shù)值模型主要以該隧道的典型斷面K227+023斷面為例，詳細(xì)闡述了分析過程以及相應(yīng)的結(jié)果。該數(shù)值計(jì)算模型垂直方向尺寸選擇為：從隧道底部往下4D的深度，往上為頂部地表輪廓線，兩邊側(cè)各選擇5D的長度。

施工階段的劃分：第一階段：在施工地段架設(shè)臨時(shí)護(hù)拱，間距1 m。拱墻打設(shè)錨桿并注漿；第二階段：拆除原有二襯及初襯；第三階段：施作新的初期支護(hù)；第四階段：開挖仰拱并施作新的仰拱；第五階段：施作新的二襯。

在施工過程中，雖然拱腳與仰拱的圍巖應(yīng)力將會有一定的變化，并且可能出現(xiàn)相對較大的變化幅度，但考慮到極易對隧道結(jié)構(gòu)構(gòu)成危險(xiǎn)的是拱頂與拱腰處的非正常受力，因此在施工過程中更關(guān)心拱頂加固區(qū)和拱腰加固區(qū)圍巖的應(yīng)力變化情況。

圖5～圖8為各施工步驟下隧道周邊圍巖的第一主應(yīng)力分布狀況。從分析結(jié)果中可以看出，在拆除原有襯砌后隧道拱頂圍巖的應(yīng)力最大，最大值為2.31 MPa，出現(xiàn)在右洞拱頂偏右的位置，可見在拆除原有襯砌后隧道處于最危險(xiǎn)階段。隨著施工步驟的增加，拱頂處圍巖壓力在逐漸縮小，塑性區(qū)也在慢慢變小。并且可明顯看出，在各個(gè)施工階段下右側(cè)拱腰處的圍巖應(yīng)力要明顯大于左側(cè)的，這與實(shí)際隧道截面處于偏壓地形中是一致的。中間邊墻的圍巖壓力要略大于兩側(cè)邊墻的，這與實(shí)際隧道受力規(guī)律是相符的。在隧道底部仰拱處，圍巖壓力為最小，在拱腳部位圍巖壓力要略大于仰拱位置的，但應(yīng)力值均不大，可見錨桿注漿對圍巖起到了很好的加固效果。

由圖9可以得出，在該步驟結(jié)束后右洞混凝土襯砌受力仍舊不十分均勻，右側(cè)拱腰部分區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū)，但拉應(yīng)力值不大，最大值僅為1.15 MPa，未超過該區(qū)域混凝土的抗裂軸力極限值。

5 結(jié)語

1)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際地形地貌和地質(zhì)條件，利用有限元數(shù)值模擬軟件MIDAS/GTS反演分析了襯砌開裂的原因，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際狀況比對，確定偏壓引起了局部圍巖壓力過大，致使襯砌混凝土拱頂及右側(cè)拱腰處出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力大于襯砌混凝土的開裂軸力，因此該區(qū)域襯砌出現(xiàn)裂縫損傷。2)根據(jù)隧道現(xiàn)場實(shí)際情況及方案比選確定了最終切實(shí)可行的襯砌裂縫治理方案，并通過軟件對施工過程中圍巖的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了治理方案的切實(shí)可行性。3)通過數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，在襯砌更換前后隧道圍巖對襯砌的壓力變化不大，襯砌混凝土受拉區(qū)域也沒有明顯的變化。但更換后的襯砌由于具有較強(qiáng)的承載能力，以及錨桿注漿措施的加固，足以承受隧道的偏壓應(yīng)力，且具有相當(dāng)?shù)陌踩珒洹?)本文對襯砌更換過程中的數(shù)值模擬是根據(jù)理想狀態(tài)下的條件進(jìn)行的，未考慮現(xiàn)場實(shí)際的弱爆破和沖擊破碎兩種拆除襯砌的方式對臨近圍巖和既有襯砌的擾動，因此為了模擬結(jié)果更貼近實(shí)際，現(xiàn)場施工模擬內(nèi)容需要進(jìn)一步改進(jìn)研究。

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Astract： Rely on a highway’s secondary lining cracking situation of the tunnel in Hubei Province,collected some materials and data.Combined with the numerical simulation software of the secondary lining cracks in tunnel,analyzed the reasons for lining cracks.At the same time,there are some finite element simulations in the tunnel construction process and the stability of reinforced tunnels,and finally compared with field monitoring data,determined the final reinforcement effect.

Cause analysis of lining cracking behaviour and treatment for highway tunnel

Yang Fan Gu Bingkun

(JinanUrbanConstructionGroupCo.,Ltd,theFirstBranch,Jinan250031,China)

tunnel,lining cracks,numerical simulation,monitoring measurement

1009-6825(2016)29-0183-02

2016-08-05

楊 帆(1991- )，男，碩士,助理工程師

U457.2

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