高速公路隧道二襯超限裂縫成因分析及治理方案

段超波

中鐵隧道局集團(tuán)有限公司市政工程公司

1 工程概況

該隧道為短隧道，雙洞小凈距六車(chē)道。左洞長(zhǎng)318m，右洞長(zhǎng)322m。隧道采用新奧法施工，二襯采用C25鋼筋混凝土，厚度為40cm～55cm；隧道采用機(jī)械化作業(yè)施工，Ⅲ級(jí)圍巖采用上下臺(tái)階法施工，Ⅳ級(jí)圍巖采用中隔壁法施工，V級(jí)圍巖采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工。

2 裂縫調(diào)查

隧道二襯施工1年后發(fā)現(xiàn)裂縫，主要調(diào)查裂縫長(zhǎng)度、寬度及深度。裂縫位置用皮卷尺測(cè)量；裂縫長(zhǎng)度用鋼卷尺測(cè)量；裂縫寬度用裂縫計(jì)測(cè)量；裂縫深度用BJCS-1 型混凝土裂縫測(cè)深儀測(cè)量。在裂縫病害調(diào)查基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)其發(fā)展進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，確定裂縫發(fā)展變化趨勢(shì)，為裂縫等級(jí)的確定和治理提供依據(jù)。

表1 超限裂縫調(diào)查表

根據(jù)隧道狀況以及針對(duì)裂縫形態(tài)特征，對(duì)裂縫進(jìn)行調(diào)查，詳細(xì)記錄調(diào)查結(jié)果。為更好的監(jiān)測(cè)裂縫的動(dòng)態(tài)發(fā)展情況，2019年2月20日，在兩處裂縫位置分別采用RTF表面裂縫計(jì)進(jìn)行三維位移監(jiān)測(cè)，同時(shí)在每處裂縫斷面二襯上分別布設(shè)了3個(gè)拱頂下沉和收斂監(jiān)測(cè)斷面，至2019月3 月25日共測(cè)量數(shù)據(jù)16次。裂縫寬度基本沒(méi)發(fā)生變化，趨于穩(wěn)定。

3 裂縫產(chǎn)狀成因及影響分析

二襯裂縫成因可分為：干縮裂縫、溫度裂縫、外荷載作用產(chǎn)生的變形裂縫、施工縫處理不當(dāng)引起的接茬縫等。

（1）通過(guò)分析,隧道裂縫并非發(fā)生在施工縫處,不是砼施工縫原因?qū)е隆Ｓ杀O(jiān)測(cè)資料可知，裂縫附近的二襯周邊位移速率小于0.1mm/d，拱頂下沉速率小于0.07mm/d，圍巖變形穩(wěn)定，裂縫寬度基本沒(méi)有變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)經(jīng)檢測(cè)，隧道二襯混凝土的厚度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，裂縫附近斷面沒(méi)有內(nèi)侵現(xiàn)象。沉陷裂縫一般沿與地面垂直或呈30°～45°角方向發(fā)展，較大的沉陷裂縫,往往有一定的錯(cuò)位,從現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)看，裂縫為縱向裂縫，發(fā)展方向也非按30°～45°角方向發(fā)展，可以排除沉陷裂縫。

（2）一般圍巖不穩(wěn)定,二襯拱頂會(huì)產(chǎn)生比較集中縱向裂縫，拱腰可能出現(xiàn)斜裂縫。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，兩處裂縫均屬于拱頂集中縱向裂縫，裂縫周?chē)把恢糜锌v向、斜向裂縫發(fā)育,推測(cè)可能由于隧道圍巖不穩(wěn)定，壓力增大所致。

（3）由襯砌收縮應(yīng)力計(jì)算可知，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)不好且振搗不充分時(shí),徐變應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，二襯會(huì)開(kāi)裂。該段位置距離洞口僅10多米，且隧道位于入?？谔?，風(fēng)速較大，拆模后混凝土表面水分蒸發(fā)較快，若養(yǎng)護(hù)不良失水較多將會(huì)誘發(fā)裂縫產(chǎn)生。

綜上所述，分析隧道裂縫產(chǎn)生原因主要是：（1）二襯屬于較大體積的混凝土,養(yǎng)護(hù)過(guò)程中承受自身收縮應(yīng)力較大，混凝土徐變應(yīng)力大于自身的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。（2）隧道圍巖不穩(wěn)定，后期圍巖壓力增大導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫。

4 裂縫病害處理方案

根據(jù)檢測(cè)兩條拱頂縱向超限裂縫（鋼筋砼裂縫寬度W≥0.2mm）。經(jīng)過(guò)方案比選，裂縫采用開(kāi)槽埋管注漿封閉，二襯表面粘貼鋼帶加固，施工工藝如下。

4.1 裂縫開(kāi)槽埋管注漿

（1）沿裂縫延伸方向鑿上寬6cm，下寬9cm 的梯形槽。槽深H為10cm且埋設(shè)10mm注漿鋼管。

（2）在槽里裂縫表面進(jìn)行騎縫鉆孔，作為注漿導(dǎo)向管。沿縫鉆孔，孔深1cm，孔距50cm。

（3）用0.2MPa以上氣壓的壓縮空氣清除裂縫、鉆孔內(nèi)的灰渣和浮塵；沿槽長(zhǎng)范圍內(nèi)表面用丙酮進(jìn)行清洗去污，注意不得堵塞裂縫。

（4）在騎縫孔埋設(shè)一根L=20cm、10cm注漿鋼管并使其固定，然后沿槽涂刷環(huán)氧樹(shù)脂砼。封口密封，且不得堵塞注漿孔和堵縫。在環(huán)氧樹(shù)脂砼固結(jié)強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求后，對(duì)注漿鋼管進(jìn)行注漿；壓漿時(shí)，應(yīng)保證壓漿頭與注漿鋼管密貼不漏氣。

4.2 粘貼鋼帶

裂縫開(kāi)槽埋管注漿封閉完成并達(dá)到一定強(qiáng)度后，在二襯表面采用環(huán)向粘貼鋼帶進(jìn)行加固，每環(huán)鋼帶長(zhǎng)12m，寬30cm，縱向間距1m。

（1）鋼帶施工前應(yīng)對(duì)襯砌表面打磨（深度2mm～3mm），露出新面，并用壓縮空氣吹除粉塵，然后將襯砌表面清理干凈。

（2）錨固螺栓安裝，應(yīng)先探測(cè)混凝土中鋼筋分布情況，盡可能避開(kāi)受力主筋，標(biāo)定位置后鉆孔，在鋼帶對(duì)應(yīng)位置開(kāi)孔，螺栓環(huán)向間距可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況作適當(dāng)調(diào)整，通過(guò)錨栓將鋼板錨固于二次襯砌上，預(yù)留注漿間隙，同時(shí)注意不得破壞已處治好的裂縫處理措施，若裂縫處理措施被破壞，則需修復(fù)。

（3）鋼帶粘貼，對(duì)螺栓固定的鋼帶用結(jié)構(gòu)膠封邊，預(yù)埋灌膠嘴（環(huán)向間隔0.5m～1m 設(shè)置）、出氣孔，粘合劑的選用應(yīng)能保證后續(xù)壓力注漿的要求，封邊固化結(jié)硬后，方可壓入粘合劑，并保證注漿壓力持續(xù)、緩慢、均勻，保證注漿密實(shí)度。待鋼帶施工完成后，再用環(huán)氧樹(shù)脂膠漿封面，環(huán)氧樹(shù)脂膠封面應(yīng)涂刷均勻，色澤與周?chē)炷帘３忠恢?。鋼帶采用Q235 熱軋鋼帶，并進(jìn)行防銹處理。

5 結(jié)構(gòu)受力計(jì)算分析

通過(guò)對(duì)隧道缺陷段修復(fù)前后數(shù)值模擬分析，比較分析處理前后襯砌變形及受力狀況，對(duì)修復(fù)后進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)永久性和安全性評(píng)價(jià)。綜合二襯厚度情況，選取二襯厚度最薄的YK23+028斷面進(jìn)行計(jì)算。

5.1 計(jì)算模型

采用巖土及地下工程專(zhuān)業(yè)有限元計(jì)算軟件midasGTS NX，建立二維地層－結(jié)構(gòu)法計(jì)算模型。模型中圍巖及二襯采用四邊形實(shí)體單元模擬，初支采用梁?jiǎn)卧M，初支錨桿則采用桿單元模擬。圍巖采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系，Mohr-Columb 屈服準(zhǔn)則，其余結(jié)構(gòu)均定義為彈性材料。建立的二維有限元，模型寬180m，高120m，共劃分了5889 個(gè)節(jié)點(diǎn)、5704個(gè)單元。

5.2 計(jì)算結(jié)果

5.2.1 位移結(jié)果

根據(jù)豎向位移云圖，拱頂沉降為0.44cm，仰拱中部上抬為0.5cm。根據(jù)二襯X向位移云圖，體現(xiàn)了二襯變形前后的形狀對(duì)比。二襯左、右側(cè)拱腰X向位移分別為0.35mm 和-0.36mm。

圖1

5.2.2 圍巖屈服區(qū)結(jié)果

根據(jù)圍巖屈服區(qū)示意圖，圍巖屈服區(qū)主要位于左右側(cè)拱腳部位，屈服區(qū)寬度約為1.5m。

5.2.3 二襯應(yīng)力結(jié)果

根據(jù)二襯最大主應(yīng)力結(jié)果，可以看到二襯最大主應(yīng)力除右拱腰出現(xiàn)拉應(yīng)力外，其余均為壓應(yīng)力。根據(jù)二襯最小主應(yīng)力結(jié)果，可以看到二襯的最大主壓應(yīng)力出現(xiàn)在左、右側(cè)拱腳，最大值為6MPa，未超過(guò)C25混凝土抗壓強(qiáng)度。

JTG D70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定砼結(jié)構(gòu)達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度的安全系數(shù)為3.6，達(dá)到抗壓極限強(qiáng)度的安全系數(shù)為2.4。

經(jīng)計(jì)算，本斷面各部位混凝土均滿足規(guī)范強(qiáng)度要求，故本次對(duì)裂縫進(jìn)行修復(fù)可滿足要求。

6 結(jié)論及建議

（1）通過(guò)對(duì)襯砌進(jìn)行多角度的檢測(cè)與監(jiān)測(cè)裂縫的開(kāi)展情況進(jìn)行調(diào)查，該隧道兩處裂縫產(chǎn)生的原因主要是：①混凝土徐變應(yīng)力大于混凝土自身的抗拉強(qiáng)度；②隧道圍巖不穩(wěn)定，圍巖壓力增大導(dǎo)致。

（2）通過(guò)裂縫的長(zhǎng)度、寬度、深度等檢測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)確定裂縫的健康等級(jí)，并對(duì)隧道結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)類(lèi)似拱頂縱向超限裂縫，建議對(duì)裂縫開(kāi)槽埋管注漿封閉，二襯表面粘貼鋼帶來(lái)加固襯砌，控制襯砌變形的繼續(xù)發(fā)展，滿足隧道的正常運(yùn)營(yíng)，并可以根據(jù)施工實(shí)際情況，結(jié)合隧道二襯受力分析，調(diào)整治理方案中各施工參數(shù)，推廣使用。