某在建隧道襯砌開(kāi)裂原因分析

葉興軍

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某在建隧道襯砌開(kāi)裂原因分析

葉興軍

（重慶市市政設(shè)計(jì)研究院，重慶 400030）

根據(jù)第三方檢測(cè)單位提供的檢測(cè)資料，結(jié)合隧址區(qū)工程地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)方案，對(duì)某在建隧道襯砌開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析、排查，最終認(rèn)為本隧道襯砌開(kāi)裂主要是由施工和管理原因造成，不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成影響。經(jīng)過(guò)1年多連續(xù)監(jiān)測(cè)，該隧道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，裂縫處理后沒(méi)有繼續(xù)發(fā)展。

隧道；襯砌開(kāi)裂；原因

目前我國(guó)公路隧道普遍采用傳統(tǒng)的鉆爆法開(kāi)挖、錨噴支護(hù)、復(fù)合式模筑混凝土襯砌施工。調(diào)查及研究結(jié)果表明，隧道二次襯砌混凝土開(kāi)裂較為普遍，大致可分為干縮裂縫、溫度裂縫、荷載變形裂縫和施工縫，涉及地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工等多個(gè)方面。筆者以某在建城市快速路越嶺隧道為背景，根據(jù)第三方檢測(cè)單位提供的檢測(cè)資料，分析該隧道二襯開(kāi)裂的主要原因。

1 基本情況介紹

某在建城市快速路越嶺隧道內(nèi)徑約10.5m，凈高約7.0m，左線長(zhǎng)3 233m，起止點(diǎn)樁號(hào)為ZK2+825～ZK6+058；右線長(zhǎng)3 165m，起止點(diǎn)樁號(hào)為YK2+835～YK5+900。

隧道穿越山脈是以觀音峽背斜軸部隆起為主體的“背斜脊?fàn)钌健?，地貌形態(tài)受地質(zhì)構(gòu)造和地層巖性制約，呈“一山兩槽三嶺”形態(tài)，地面高程為325～628m，隧道最大埋深288.0m左右。

觀音峽背斜走向?yàn)楸北睎|-南南西，為一狹長(zhǎng)的不對(duì)稱的梳狀扭轉(zhuǎn)背斜。軸部地層為飛仙關(guān)組、長(zhǎng)興組、龍?zhí)督M，兩翼地層為嘉陵江組至新田溝組。背斜軸部位于新建隧道YK4+120附近，地表巖層傾角為10°~25°；兩翼巖層具有東陡西緩之勢(shì)，西翼傾角36°～74°，東翼傾角62°～80°。背斜軸部因褶曲形成5條次級(jí)壓扭性逆斷層。

右線進(jìn)洞口YK2+835～YK2+965段為嘉陵江組3段以及2段地層，主要為白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r，中厚層狀為主，局部夾巖溶角礫巖，圍巖級(jí)別為IV級(jí)。因YK2+936、YK2+951、YK2+961掘進(jìn)發(fā)現(xiàn)巖溶管道及小型溶腔，設(shè)計(jì)將YK2+933～YK2+965段襯砌由Ⅳ級(jí)調(diào)整為Ⅴ級(jí)。該段隧道基本襯砌參數(shù)如表1。

表1 YK2+835-YK2+945段襯砌參數(shù)

2014年12月初至2015年3月中旬該段隧道施工掘進(jìn)，3月12日至4月25日完成二次襯砌，同年5～8月該段二襯陸續(xù)發(fā)生開(kāi)裂。

2 襯砌裂縫檢測(cè)情況

施工單位及業(yè)主委托的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)二襯開(kāi)裂段進(jìn)行超聲波裂縫深度檢測(cè)、襯砌強(qiáng)度回彈檢測(cè)、仰拱基底鉆芯檢測(cè)、隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)等，檢測(cè)結(jié)果如下。

2.1 裂縫分布展示圖

根據(jù)檢測(cè)資料，右線進(jìn)洞口段共發(fā)現(xiàn)16條裂縫，裂縫寬0.02～0.46mm，多分布在邊墻中下部，距離墻腳20～100cm并向拱腳延伸。左側(cè)墻9條，除Z1為斜向外（傾角60°），其余均為環(huán)向裂縫；右側(cè)墻7條，其中3條（編號(hào)Y1，ZY4，Y6）為斜向裂縫，傾角66°～70°，其他為環(huán)向裂縫。

襯砌裂縫分布位置及形態(tài)展示圖

2.2 裂縫主要特征

襯砌裂縫的基本特征匯總?cè)绫?~3。

表2 YK2+835-YK3+965段左側(cè)邊墻裂縫情況匯總表

表3 YK2+835-YK3+960段右側(cè)邊墻裂縫情況匯總表

2.3 襯砌回彈檢測(cè)

表4 裂縫處襯砌回彈檢測(cè)結(jié)果

采用回彈儀對(duì)裂縫附近二襯混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，回彈強(qiáng)度測(cè)定值均滿足設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

2.4 仰拱基底鉆芯檢測(cè)

利用用IDS-RIS探地雷達(dá)，對(duì)隧道二襯結(jié)構(gòu)及仰拱施工回填質(zhì)量進(jìn)行掃面檢測(cè)，掃描結(jié)果顯示隧道仰拱密實(shí)無(wú)空洞，實(shí)際厚度滿足設(shè)計(jì)要求；二襯邊墻腳能清晰識(shí)別鋼筋，混凝土密實(shí)無(wú)空洞，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.5 監(jiān)控量測(cè)

檢測(cè)單位對(duì)隧道初支進(jìn)行了監(jiān)控量測(cè)，監(jiān)控量測(cè)頻率基本滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如表5。

3 開(kāi)裂原因分析

造成隧道二襯開(kāi)裂的原因有很多，總結(jié)起來(lái)無(wú)外乎地質(zhì)原因、設(shè)計(jì)原因和施工原因。通過(guò)逐項(xiàng)分析、逐級(jí)排查的方式進(jìn)行原因分析。

3.1 圍巖壓力超限

YK2+834～YK2+933段圍巖為薄-中厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，圍巖級(jí)別為IV級(jí)。根據(jù)掘進(jìn)情況，設(shè)計(jì)單位對(duì)洞口及其他圍巖破碎段的初支及二襯進(jìn)行了加強(qiáng)處理。

YK2+933～YK2+965段圍巖為灰?guī)r和巖溶角礫巖。巖溶角礫巖巖質(zhì)極軟，巖體破碎，部分已粘土化，其兩側(cè)的灰?guī)r溶蝕作用強(qiáng)烈，溶隙、溶孔等較發(fā)育。YK2+936、YK2+951、YK2+961發(fā)現(xiàn)規(guī)模不等的巖溶管道及小型溶腔。施工期間已將YK2+933～YK2+965段圍巖襯砌由Ⅳ級(jí)調(diào)整為Ⅴ級(jí)。

表5 出現(xiàn)裂縫段施作二襯前監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù) (mm.d-1 )

由于二襯開(kāi)裂主要出現(xiàn)在側(cè)墻中下部，而受力較大的拱頂、拱腳并未出現(xiàn)開(kāi)裂。參考臨近隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)洞口段因圍巖破碎、拱頂壓力過(guò)大，或拱頂巖體發(fā)生層間錯(cuò)動(dòng)、變形過(guò)大并導(dǎo)致二襯開(kāi)裂的可能性不大。

另外，隧道施工揭露的巖溶規(guī)模較小，初支期間對(duì)已發(fā)現(xiàn)的巖溶管道進(jìn)行專項(xiàng)處理，初支收斂變形正常。因溶腔或管道內(nèi)沉積泥砂或物質(zhì)塌落造成襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的可能性不大。將巖溶發(fā)育位置與裂縫位置進(jìn)行對(duì)比，一則無(wú)明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，二則裂縫分布稀散，不具集中發(fā)育的特征。

另外，溶腔或巖溶管道沖水，水壓力增大引起襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，裂縫多分布在側(cè)墻中部以及預(yù)留孔洞等位置，且以縱向裂縫為主，與隧道裂縫位置及形態(tài)差異較大，可排除該種可能。

3.2 地基均勻性差

不均勻沉降會(huì)造成應(yīng)力集中，并引起襯砌結(jié)構(gòu)環(huán)向開(kāi)裂。如仰拱或邊墻下地基軟弱易變形或地基軟硬差異過(guò)大，其接觸帶附近襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力較集中。淺埋隧道軸線上地面高差過(guò)大，如穿越深切溝谷、高聳山脊等時(shí)，地應(yīng)力差異過(guò)大也可能引起襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中。隧道底板超挖過(guò)多或填渣厚度過(guò)大，鎖腳錨桿施工質(zhì)量過(guò)差也會(huì)造成初支鋼架和二襯結(jié)構(gòu)受力不均，造成應(yīng)力集中并出現(xiàn)類似的環(huán)向裂縫。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，地基均勻性差或拱頂荷載差異過(guò)大造成邊墻和仰拱應(yīng)力集中，并產(chǎn)生環(huán)向裂縫，并向拱腳延伸?？赏ㄟ^(guò)拱底鉆探取芯、地質(zhì)雷達(dá)掃描等方式查明松渣及仰拱厚度、仰拱施工質(zhì)量、混凝土標(biāo)號(hào)等予以排查。本隧道二襯裂縫多集中在邊墻底部以上，墻腳并未貫穿。襯砌回彈檢測(cè)、仰拱基底鉆芯檢測(cè)表明隧道仰拱密實(shí)，二襯邊墻腳混凝土密實(shí)，結(jié)構(gòu)厚度及施工質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求。因地基均勻性差造成襯砌開(kāi)裂的可能性不大。

3.3 其他原因分析

混凝土材料檢驗(yàn)不力，配合比控制不嚴(yán)，水灰比過(guò)大，混凝土振搗不密實(shí)，二襯混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，水泥水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力及混凝土失水引起的干縮應(yīng)力超過(guò)混凝土自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)穩(wěn)定裂縫和干縮裂縫。

研究結(jié)果表明，隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力對(duì)隧道二襯的影響不僅與混凝土水化熱有關(guān)，還與二襯施工澆筑的氣溫有關(guān)。如果二襯澆筑時(shí)為最低溫度，則隧道內(nèi)溫度變化為升溫，溫差將導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，反之產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)最大降溫幅度達(dá)12℃時(shí)，最大環(huán)向應(yīng)力達(dá)2 429MPa，已超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度（設(shè)計(jì)值為1.47MPa，極限值為2.2MPa），混凝土可能出現(xiàn)裂紋。對(duì)于C30混凝土，當(dāng)失水量達(dá)212%時(shí)，干縮系數(shù)達(dá)144.34×10-6，相當(dāng)于溫度變化15.5℃，產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)C30混凝土的抗拉強(qiáng)度。

其他原因，如光面爆破效果差，超挖回填不密實(shí)形成空洞；大斷面開(kāi)挖施工工序不合理，未適時(shí)施做二襯導(dǎo)致圍巖力學(xué)性質(zhì)惡化；模板拱架支撐變形；預(yù)留井施工不規(guī)范、內(nèi)壁襯砌厚度不足等，均可造成二襯結(jié)構(gòu)承受偏載，局部應(yīng)力過(guò)大出現(xiàn)開(kāi)裂。

該類裂縫多以環(huán)形為主，分布規(guī)律性較差。本隧道襯砌開(kāi)裂可能因上述原因造成。

4 結(jié)論

隧道二襯結(jié)構(gòu)開(kāi)裂是公路隧道施工中常見(jiàn)的病害之一。裂縫不僅影響美觀也會(huì)引起地下水滲漏，同時(shí)加速鋼筋銹蝕、結(jié)構(gòu)老化，造成襯砌結(jié)構(gòu)整體失效，其后果較為嚴(yán)重。

經(jīng)分析排查，認(rèn)為本隧道二襯開(kāi)裂主要是由于施工和管理原因造成，如預(yù)留井內(nèi)壁襯砌結(jié)構(gòu)厚度不足，角點(diǎn)等位置應(yīng)力集中造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂；二襯混凝土養(yǎng)護(hù)不到位，溫度應(yīng)力及干縮應(yīng)力過(guò)大；二襯拆模時(shí)間過(guò)早，混凝土強(qiáng)度可能未達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%等。該裂縫對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全影響不大，連續(xù)監(jiān)測(cè)3個(gè)月如裂縫不再發(fā)展即可對(duì)進(jìn)行處理。

目前，該隧道已經(jīng)貫通，原洞口開(kāi)裂段裂縫的數(shù)量、長(zhǎng)度及寬度等均為發(fā)生變化。該現(xiàn)象說(shuō)明上述開(kāi)裂原因分析合理，判斷正確。

[1] 楊超. 公路隧道二襯混凝土開(kāi)裂的施工因素分析及對(duì)策研究[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報(bào), 2010，23（04）:377-379.

[2] 李明華，鄒永祥. 大跨度隧道二襯混凝土早期裂紋數(shù)值模擬與分析[J]. 混凝土, 2014（02）：1-4．

[3] 許文鋒，某隧道襯砌開(kāi)裂的安全性分析及治理[J]. 公路, 2008（05）:211-214．

[4] 葉興軍，等. 成渝高速中梁山隧道擴(kuò)容改造工程地質(zhì)詳細(xì)勘察報(bào)告[R]. 2014.

Reasons for Cracking of A Tunnel Lining Building Taking Shape

YE Xing-jun

(Chongqing Institute of Municipal Design, Chongqing 400030)

The present paper has a discussion on reasons for cracking of a tunnel lining building taking shape based on detection data provided by the third party testing unitand believes that construction and management are responsible for the lining cracking which won't cause an effect to structure safety.

tunnel; lining cracking; reason

[P642.3]

A

1006-0995（2018）02-0285-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.022

2017-01-10

葉興軍（1978-），男，陜西山陽(yáng)縣人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)