隧道二次襯砌開(kāi)裂原因分析及加固方案比選

石繼訓(xùn) 冉利剛 張政

摘 要：以大廣高速塘基二號(hào)隧道左洞ZK106+673～ZK106+700段二次襯砌開(kāi)裂為例，對(duì)二次襯砌質(zhì)量指標(biāo)及裂縫進(jìn)行了檢測(cè)，通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)二次襯砌進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)，分析了二次襯砌開(kāi)裂的原因，并制定了三個(gè)加固方案進(jìn)行比選，為從事隧道管理、設(shè)計(jì)和施工的現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道;二次襯砌;裂縫;加固

中圖分類(lèi)號(hào)：U457+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

截至2018年底，我國(guó)共建鐵路隧道15177座，長(zhǎng)度16331km;公路隧道16500座，長(zhǎng)度15940km;正在施工的各類(lèi)隧道約20000 km，計(jì)劃修建的隧道約20000km[1]，隧道在交通工程中所占比例越來(lái)越高。然而，由于各種因素的影響，部分隧道在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中暴露出一些病害，這些病害會(huì)影響隧道的承載能力和耐久性，二次襯砌開(kāi)裂即是隧道主要的病害之一[2～3]。

對(duì)二次襯砌開(kāi)裂的原因進(jìn)行分析，并對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)[4～5]，然后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際制訂安全、經(jīng)濟(jì)、方便的處治方案[6～10]，是處理二次襯砌開(kāi)裂常用的流程。

1工程概況

塘基二號(hào)隧道為雙向六車(chē)道分離式小凈距隧道。右線隧道長(zhǎng)452m，左線隧道長(zhǎng)474m。隧道進(jìn)口～中部～隧道出口的線間距分別為14.7m～17.2m～16.4m。隧道為左高右低的地形地貌，屬于淺埋偏壓隧道，左線最大埋深約73米，右線最大埋深約62米，其中右線K106+680～+760段拱肩距離地表最薄處僅5m。隧道區(qū)地表覆蓋層為第四系坡殘積層（Qdl+el） 和燕山三期侵入巖體—粗?；◢弾r（γ52-3）。其中進(jìn)口左洞ZK106+577～+810和右洞K106+597～+814段采用ⅤQ型襯砌，襯砌內(nèi)輪廓見(jiàn)圖1，支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。

該隧道在交工驗(yàn)收期間發(fā)現(xiàn)左洞ZK106+673～ZK106+700段二次襯砌右拱腰處存在多條縱向裂縫，隨后業(yè)主委托檢測(cè)單位對(duì)該段的二次襯砌進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容主要包括裂縫寬度和深度測(cè)試、二次襯砌厚度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土密實(shí)度和脫空缺陷檢測(cè)、二次襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)等。

2主要檢測(cè)結(jié)果

2.1裂縫檢測(cè)結(jié)果

塘基二號(hào)隧道左洞ZK106+673～+700段3個(gè)施工節(jié)段（ZK106+673～+682、ZK106+682～+691、ZK106+691～+700）二次襯砌右拱腰至拱頂范圍共出現(xiàn)了39條縱向裂縫，部分裂縫在各施工節(jié)段存在連通的情況，裂縫長(zhǎng)1m～10m，寬為0.78mm～2.20mm，裂縫深度為61.00mm～130.00mm。

2.2二次襯砌厚度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土密實(shí)度等檢測(cè)結(jié)果

二次襯砌厚度在52.5cm～123.2cm 之間;鋼筋混凝土保護(hù)層厚度在10.0cm～82.3cm之間，均超過(guò)了設(shè)計(jì)值5.8cm，保護(hù)層厚度偏厚;二次襯砌混凝土較密實(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯脫空或空洞等缺陷。

2.3二次襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)回彈法測(cè)定ZK106+673～ZK106+682、ZK106+682～ZK106+691、ZK106+691～ZK106+700三處施工節(jié)段二次襯砌混凝土強(qiáng)度分別為 30.2MPa、39.4MPa、 37.2MPa，均符合設(shè)計(jì)C30要求。

通過(guò)鉆芯法測(cè)定ZK106+640～ZK106+720范圍內(nèi)的二次襯砌混凝土強(qiáng)度，共隨機(jī)抽取10個(gè)芯樣，抗壓強(qiáng)度分別為35.1MPa、40.2MPa、39.7MPa，32.6MPa、36.9MPa、31.1MPa、31.6MPa、44.7MPa、30.8MPa、32.6MPa，均符合設(shè)計(jì)C30要求。

3隧道二次襯砌開(kāi)裂原因分析及結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

3.1 計(jì)算方法和計(jì)算軟件

計(jì)算方法為地層-結(jié)構(gòu)法，計(jì)算寬度取單位長(zhǎng)度1m，采用平面應(yīng)變分析模型。計(jì)算軟件采用FLAC3D 3.0。

3.2 計(jì)算斷面及計(jì)算模型

選取開(kāi)裂較為嚴(yán)重的ZK106+700段作為計(jì)算斷面，ZK106+700的橫斷面與地層分布見(jiàn)圖2。

計(jì)算未考慮右洞的影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中初期支護(hù)施做后拱頂存在較大變形和二次襯砌施工前初支變形未收斂的實(shí)際情況，考慮二次襯砌承受100%圍巖變形壓力。為消除計(jì)算過(guò)程中的邊界效應(yīng)，隧道左、右兩側(cè)和隧道底部距離模型邊界大于3D（D為隧道開(kāi)挖寬度）。計(jì)算模型如圖3所示。

3.3圍巖支護(hù)計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告，圍巖物理力學(xué)指標(biāo)取值如表2所示。

二次襯砌物理力學(xué)指標(biāo)取值如表3所示。

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1隧道圍巖穩(wěn)定性

隧道圍巖失穩(wěn)破壞可以看作是塑性區(qū)逐漸發(fā)展擴(kuò)大直至貫通而進(jìn)入完全塑性狀態(tài)、無(wú)法繼續(xù)承載的過(guò)程。眾多的試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐表明，當(dāng)隧道圍巖失穩(wěn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的局部剪切變形。所以，可以將隧道圍巖是否出現(xiàn)較大的剪切變形作為隧道圍巖失穩(wěn)的一個(gè)判據(jù)。

由圖4可以看出，隧道開(kāi)挖后圍巖失穩(wěn)主要出現(xiàn)在隧道右側(cè)拱部和隧道左側(cè)側(cè)拱腳位置。圖5地層剪切應(yīng)變圖可以看出，因隧道開(kāi)挖支護(hù)的影響，隧道右側(cè)拱部產(chǎn)生明顯的剪切應(yīng)變，該位置的圍巖產(chǎn)生了明顯的松動(dòng)，作用在隧道襯砌上的圍巖變形荷載將顯著增大。

3.4.2隧道二次襯砌內(nèi)力

由圖6、圖7可知，隧道拱墻二次襯砌最大正彎矩為399.59kN？m，對(duì)應(yīng)的軸力值為562.34kN。計(jì)算結(jié)果如表4。

原施工圖該段襯砌類(lèi)型為VQ型，襯砌結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱(chēng)配筋，內(nèi)外側(cè)各配置6根φ25鋼筋。經(jīng)計(jì)算，采用原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范[11]要求，襯砌裂縫開(kāi)裂寬度為0.141mm<0.2mm，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

3.4.3二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖8表明襯砌最大主拉應(yīng)力為4.999MPa，其數(shù)值超過(guò)C30混凝土極限抗拉強(qiáng)度2.2MPa，混凝土產(chǎn)生裂縫，裂縫位置在拱頂至拱腰位置的襯砌內(nèi)表面。圖9表明襯砌最大主壓應(yīng)力為20MPa，未到達(dá)C30混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為22.5MPa。

3.5二次襯砌開(kāi)裂原因分析及結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

從ZK106+700實(shí)測(cè)斷面及鋼筋位置圖（見(jiàn)圖10）可以看出，結(jié)構(gòu)最大彎矩出現(xiàn)在測(cè)線03位置，該位置混凝土襯砌厚度83.1cm，混凝土保護(hù)層厚度56cm，鋼筋位于混凝土受壓區(qū)，不能約束裂縫發(fā)展，這是造成該隧道二次襯砌開(kāi)裂的主要原因。該截面應(yīng)作為混凝土構(gòu)件考慮，該位置混凝土裂縫深度為12.5cm，混凝土有效工作高度為70.6cm。

按混凝土彎壓構(gòu)件計(jì)算，測(cè)線02位置襯砌安全系數(shù)最小，僅0.958<3.6，不滿(mǎn)足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）9.2.4條混凝土達(dá)到抗拉極限強(qiáng)度的安全系數(shù)要求，需進(jìn)行加固處治。

4 加固方案比選

根據(jù)以上分析，二次襯砌混凝土強(qiáng)度、厚度、內(nèi)凈空均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但襯砌裂縫深、寬度大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低，而且不排除二次襯砌裂縫有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。據(jù)此，先采用改性環(huán)氧樹(shù)脂類(lèi)封閉膠和修復(fù)膠對(duì)二次襯砌裂縫進(jìn)行修復(fù)，然后對(duì)二次襯砌進(jìn)行加固處理。按等效替換拉區(qū)鋼筋的原則，擬定了三種二次襯砌加固方案。

4.1鑿槽嵌鋼架方案

在拱墻二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面環(huán)向鑿槽（槽深20cm，槽口寬20cm、槽底寬25cm），在槽內(nèi)嵌入I18型鋼鋼架，后灌注C30微纖維微膨脹細(xì)石混凝土，鋼架沿隧道縱向間距1m，槽底低于檢修道頂面10cm。

4.2鋼架套拱方案

原施工圖中二次襯砌內(nèi)輪廓與建筑限界間最小凈距為17cm，隧道內(nèi)凈空可滿(mǎn)足厚15cm的套拱施做空間。首先對(duì)二次襯砌混凝土內(nèi)表面進(jìn)行鑿毛處理，然后在拱墻位置架立φ25格柵鋼架并用φ22釬釘將其固定在二次襯砌混凝土內(nèi)表面，在兩榀鋼架間架立網(wǎng)格間距為20cm的φ8鋼筋網(wǎng)（焊接在二次襯砌混凝土表面的φ22釬釘上），最后噴15cm厚C30微纖維混凝土。鋼架腳嵌入檢修道頂面以下10cm。

4.3粘貼鋼板方案

采用改性環(huán)氧樹(shù)脂系列粘結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，從而達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)、提高隧道承載能力及抗裂能力的目的。

粘貼鋼板厚5mm，寬350mm，凈距150mm，采用Q345c鋼板加固，鋼板沿隧道環(huán)向布置。

4.4方案比選

三種修復(fù)方案比選見(jiàn)表5。

綜合以上比較表明：鑿槽嵌鋼架具有施工麻煩，工期長(zhǎng)，會(huì)對(duì)既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定損傷的缺點(diǎn);鋼架套拱也需對(duì)原結(jié)構(gòu)局部進(jìn)行開(kāi)槽作業(yè)，加固后影響洞內(nèi)空間和景觀;粘貼鋼板方案在造價(jià)方面雖然高于鑿槽嵌鋼架和套拱方案，但明顯具有施工便利、工期短、不影響洞內(nèi)景觀等優(yōu)點(diǎn)，因此推薦粘貼鋼板方案。

5 結(jié)語(yǔ)

在隧道施工或運(yùn)營(yíng)的過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)二次襯砌出現(xiàn)裂縫病害，先對(duì)裂縫出現(xiàn)的位置、裂縫的發(fā)展方向、裂縫寬度、長(zhǎng)度和深度進(jìn)行檢測(cè)，并檢測(cè)二次襯砌混凝土的其他質(zhì)量指標(biāo)，然后對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，對(duì)二次襯砌進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)，最后根據(jù)裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，有針對(duì)性地制定安全、經(jīng)濟(jì)、方便的處治方案。

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作者簡(jiǎn)介：石繼訓(xùn)（1984.12—），男，工程師，碩士研究生，主要從事隧道等地下工程的設(shè)計(jì)與研究工作（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司? 成都? ?610031）