界牌嶺巖質(zhì)隧道偏壓病害及其處治研究

任會(huì)， 黃達(dá)， 陳立峰， 陳兆

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410200；2.湖南省高速公路總公司 郴州管理處)

1 工程概況

界牌嶺隧道是位于廈(門)至成(都)高速公路湖南省汝城至郴州段上的一座短隧道，為巖溶低山地貌。該隧道于2008年11月開工，2012年12月正式建成通車。

隧道近垂直穿越走向近南北的龍溪～二都復(fù)核向斜東翼中一小背斜，K76+504處(開裂段)揭露出有呈透鏡狀有序排列的角礫巖，具明顯壓扭型特征，巖芯斷面可見擦痕、巖石破碎、裂隙發(fā)育，受擠壓變形嚴(yán)重。隧道右洞YK76+365～YK76+495段洞底為砂質(zhì)頁巖夾煤層等，洞側(cè)、洞頂為硬塑黏土，其中煤層為順坡向的軟弱夾層；隧道YK76+495～YK76+535段(裂縫主要發(fā)展段)洞底、洞側(cè)、洞頂均為微風(fēng)化灰?guī)r，但隧道頂板以上微風(fēng)化灰?guī)r厚度僅8～30 m。右洞地質(zhì)縱剖面圖如圖1所示。

圖1 右洞地質(zhì)縱剖面圖

2015年初，養(yǎng)護(hù)單位發(fā)現(xiàn)隧道右洞汝城端294 m范圍內(nèi)右側(cè)拱墻出現(xiàn)較明顯縱向裂縫，共計(jì)有26道縱、環(huán)向裂縫，長(zhǎng)度為0.5～21 m，寬度為0.2～1.7 mm。2017年11月，養(yǎng)護(hù)部門用水泥砂漿將裂縫封閉，2個(gè)月后，修補(bǔ)后的裂縫再次出現(xiàn)開裂。從2018年6月開始，在隧道右洞設(shè)置4個(gè)連續(xù)觀測(cè)點(diǎn)，每月對(duì)裂縫的發(fā)展進(jìn)行觀測(cè)，得到的裂縫寬度發(fā)展觀測(cè)圖見圖2。

圖2 裂縫寬度發(fā)展觀測(cè)圖

由圖2可知：2號(hào)測(cè)點(diǎn)在近1年時(shí)間內(nèi)裂縫寬度擴(kuò)展了3 mm，3號(hào)測(cè)點(diǎn)則一直緩慢發(fā)展；1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的裂縫在達(dá)到1 mm后近半年時(shí)間內(nèi)基本穩(wěn)定；變化比較明顯的時(shí)間點(diǎn)為2019年1月。

二襯裂縫在距汝城端洞口95 m開始出現(xiàn)，連續(xù)分布長(zhǎng)度近71 m(對(duì)應(yīng)主洞樁號(hào)YK76+495～YK76+566)，裂縫高度分布在距離檢修道高1.2～2.9 m范圍內(nèi)，裂縫寬度為0.5～7.7 mm。

二襯縱向裂縫的存在給結(jié)構(gòu)造成較大安全隱患，影響行車安全，公路管理部門要求及時(shí)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出處理措施。

2 裂縫成因分析

2.1 裂縫形態(tài)判斷

裂縫是混凝土工程中的一種常見缺陷，依據(jù)裂縫的成因和性質(zhì)，混凝土裂縫包括荷載裂縫和變形裂縫兩大類。變形裂縫一般情況下分布比較凌亂，形成與施工工藝或材料有關(guān)。荷載裂縫主要有彎拉裂縫、剪切裂縫、偏心受拉或受壓裂縫等，規(guī)律性較強(qiáng)，主要是受力導(dǎo)致。通過在現(xiàn)場(chǎng)開孔檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)裂縫外寬內(nèi)窄，沿隧道側(cè)墻全縱向分布，是比較明顯的張裂縫，結(jié)合前述裂縫形態(tài)特征，可判斷該裂縫是較典型的彎拉裂縫。

2.2 裂縫成因分析

裂縫出現(xiàn)在拱部起拱線位置，結(jié)合現(xiàn)有隧道開裂的情況可知，引起襯砌出現(xiàn)彎拉裂縫都是因?yàn)橥饬ψ饔脤?dǎo)致，其原因主要有3種：

(1) 偏壓。偏壓可分為地形和地質(zhì)兩種成因，該項(xiàng)目隧道開裂段的埋深達(dá)36 m，橫斷面的地形起伏不大，拱肩也未露頭，故不存在地形偏壓，只有可能是地質(zhì)偏壓。地質(zhì)偏壓與工程地質(zhì)條件、巖性、控制性裂隙、節(jié)理或?qū)永砼c隧道的軸線關(guān)系等因素相關(guān)。

(2) 滑坡。滑坡也分為土質(zhì)滑坡和巖質(zhì)滑坡，隧道洞頂?shù)母采w層有黏土、砂巖和灰?guī)r，洞身位于灰?guī)r巖層中。若是滑坡引起，只可能是巖質(zhì)滑坡。巖質(zhì)滑坡受層間裂隙控制，一般發(fā)生在斷層破碎帶、下伏軟弱巖層、順向坡及坡腳嚴(yán)重破壞段。對(duì)隧道結(jié)構(gòu)而言，是一種極為嚴(yán)重的偏壓，變形劇烈，一般會(huì)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)迅速剪斷而破壞。

(3) 地應(yīng)力。由于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，巖層內(nèi)部普遍存在較大的水平地應(yīng)力，尤其是在褶皺等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的地段，其一般在中國(guó)活動(dòng)斷裂發(fā)育的西南及華北片區(qū)較為發(fā)育。據(jù)現(xiàn)有資料，隧道內(nèi)部出現(xiàn)水平應(yīng)力集中的地段一般在埋深均超過500 m處。

該項(xiàng)目的襯砌裂縫發(fā)展緩慢，施工期也未在開裂段的隧道側(cè)壁發(fā)現(xiàn)貫通性的斷層破碎帶或節(jié)理裂隙密集發(fā)育帶?？傮w而言，該段地質(zhì)情況較好，詳勘判定該段的圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。又由于隧道總體埋深不大，故推測(cè)隧道開裂是因?yàn)榈刭|(zhì)偏壓與外部因素綜合影響導(dǎo)致，主要理由如下：

(1) 巖層傾向不利：開裂段巖層的傾向?yàn)镹E42°～50°，由于隧道穿越了背斜構(gòu)造帶，其軸部受擠壓作用較為強(qiáng)烈，一般均發(fā)育有構(gòu)造裂隙。隧道開裂段正處于砂巖向灰?guī)r過渡的區(qū)域，主要結(jié)構(gòu)面也沿此角度與隧道斜交。

(2) 施工擾動(dòng)：隧道施工采用的是礦山法，施工過程中的爆破造成圍巖周邊出現(xiàn)裂隙。隧道右側(cè)有一處露天礦區(qū)，距離隧道最近距離為570 m，采礦過程中的爆破震動(dòng)導(dǎo)致圍巖內(nèi)部的裂隙進(jìn)一步延伸，灰?guī)r表面裂隙向深處發(fā)展并與隧道周邊的裂縫貫通。

(3) 地下水的影響：裂縫貫通后，地下水集中通過裂隙，地下水一方面降低了巖體的抗剪強(qiáng)度；另一方面為巖體沿陡傾角裂隙向臨空面(隧道)蠕動(dòng)提供了有利條件，襯砌因受較大推力而變形和開裂。

為便于處治，需確定外力的規(guī)模和大小，下面擬采用反算的方式分析外力的規(guī)模：首先通過計(jì)算截面的開裂彎矩判斷襯砌的外力大小和位置；其次分析地質(zhì)資料，建立圍巖-結(jié)構(gòu)的整體力學(xué)模型，通過試算不同角度的巖層裂隙面找出導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂的最不利結(jié)構(gòu)面，探究地質(zhì)偏壓的來源和外力規(guī)模。

2.2.1 襯砌抗力計(jì)算

(1) 截面計(jì)算

項(xiàng)目開裂段二次襯砌采用C25素混凝土，結(jié)構(gòu)厚度為40 cm，素混凝土開裂彎矩的計(jì)算按受彎構(gòu)件法向應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，取襯砌截面尺寸為單寬b=1 000 mm、h=400 mm計(jì)算混凝土法向應(yīng)力：

(1)

(2) 構(gòu)件計(jì)算

構(gòu)件抗力計(jì)算按照周邊有彈性支撐的拱進(jìn)行計(jì)算，開裂段襯砌無仰拱，底部支撐采用鉸接模擬。通過試算右側(cè)墻位置截面達(dá)到開裂彎矩所受的均布外力規(guī)模，模擬出距離墻底2.84 m(裂縫寬度最大的位置)達(dá)到開裂彎矩的單寬襯砌結(jié)構(gòu)受均布力為250 kN/m。

(3) 襯砌抗力計(jì)算小結(jié)

通過以上分析得知：二襯開裂的最小縱向單位長(zhǎng)度推力為250 kN/m，外力在環(huán)向距拱腳為2.2～3.2 m、縱向80 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)分布。由于開裂段采用復(fù)合式襯砌支護(hù)，襯砌由初期支護(hù)和二襯組成，模擬的是二襯開裂受到的外力，初期支護(hù)的抗力暫未考慮，故該段的襯砌外側(cè)推力不小于250 kN。

2.2.2 圍巖最不利結(jié)構(gòu)面分析

通過前述分析可知，隧道二襯縱向裂縫的形成主要是受地質(zhì)偏壓引起，二襯開裂主要是背斜擠壓構(gòu)造帶裂隙與隧道圍巖裂縫形成了貫通面、在地下水作用下向洞內(nèi)蠕動(dòng)導(dǎo)致。下面采用Midas GTS有限元計(jì)算軟件建立隧道的整體力學(xué)模型，結(jié)合上節(jié)的構(gòu)件計(jì)算成果，模擬結(jié)構(gòu)面存在對(duì)二襯內(nèi)力的影響，并判斷貫通裂隙面的位置。

巖土力學(xué)參數(shù)取值見表1。圖3為隧道地質(zhì)橫剖面及破裂面二襯彎矩圖。

表1 巖土力學(xué)參數(shù)

圖3 隧道地質(zhì)橫剖面及破裂面二襯彎矩示意圖

圖3顯示：當(dāng)破裂面傾角達(dá)到45°以上時(shí)，二襯彎矩急劇增大，破裂面與水平面角度為50°時(shí)，二襯彎矩達(dá)到67 kN·m，前述的開裂彎矩計(jì)算表明此時(shí)的二襯已經(jīng)破壞。

2.3 驗(yàn)證

2019年7月，公路管理部門在隧道右洞兩側(cè)邊墻部位每5 m鉆一個(gè)排水孔，通過對(duì)排水孔的流量觀測(cè)和巖芯分析，驗(yàn)證了上述分析。

(1) 地下水情況。隧道裂縫最寬的位置恰好是地下水最大的位置，排出的地下水均為渾濁的泥漿。而右洞左壁沒有開裂段的孔內(nèi)沒有水流出，可知二襯開裂最嚴(yán)重的段落圍巖裂隙已經(jīng)貫通到地表頂部，地下水通過圍巖裂隙作用在襯砌拱部。

(2) 巖芯情況。鉆泄水孔過程中，每個(gè)孔位都預(yù)留了巖芯，通過觀測(cè)巖芯，可以發(fā)現(xiàn)隧道襯砌背后的圍巖出現(xiàn)了裂隙，巖芯的裂隙面與上述分析得到的角度基本吻合。

通過開設(shè)泄水孔和取芯，可以得知：隧道襯砌縱向裂縫發(fā)育段背后的圍巖出現(xiàn)了直通地表的裂隙，由此形成了一條新的排水通道，裂隙的形成既降低了圍巖的強(qiáng)度，又加劇了二襯開裂。

3 病害處治

對(duì)隧道二襯進(jìn)行加強(qiáng)需重點(diǎn)處理二襯縱向裂縫發(fā)育段和隧道的滲漏水狀況，保障行車安全。參照現(xiàn)有資料，提出隧道裂縫處治采用裂縫封閉、襯砌加固、滲漏水引排3項(xiàng)綜合性處理措施。

3.1 裂縫封閉

根據(jù)襯砌裂縫寬度，采取不同的整治方法：

(1) 小于0.2 mm的裂縫：在裂縫部位涂刷環(huán)氧砂漿封閉裂縫的方法進(jìn)行整治，外刷水泥結(jié)晶性防水涂料。

(2) 大于0.2 mm的裂縫：用低壓注漿法進(jìn)行整治，通過壓注改性環(huán)氧樹脂灌縫膠充填封閉裂縫，黏結(jié)裂縫，阻止其進(jìn)一步發(fā)展。

3.2 襯砌加固

隧道開裂的主要原因是地下水及圍巖蠕滑的綜合作用，處治方案在隧道襯砌表面開設(shè)了泄水孔降低地下水的影響。由于二襯開裂段的錯(cuò)臺(tái)不明顯，故處理方案主要是恢復(fù)開裂段二襯的承載能力，保持二襯的拱圈完整，采用錨網(wǎng)噴射混凝土處理。噴射混凝土采用C25，錨桿采用φ42 mm×3.5 mm鋼花管兼注漿管。

3.3 滲漏水引排

地表主要是疏通排水系統(tǒng)，封閉現(xiàn)有裂縫：在積水的洞頂平臺(tái)和開裂的坡口線外3 m設(shè)置多層環(huán)向C20素混凝土截水溝，并與原截水溝連通，保證地表徑流的暢通；地表裂縫則采用黏土回填，并采用小型夯機(jī)夯實(shí)，減少地表水順裂縫下滲。

洞內(nèi)設(shè)置1 m長(zhǎng)φ110UPVC橫向排水管，沿目前隧道開裂的二襯段，每5 m設(shè)置一道，在襯砌部位設(shè)置引流槽，減少隧道襯砌后面的水頭壓力。

3.4 處理效果

整個(gè)工程于2019年10月處理完畢，經(jīng)過連續(xù)的觀察和檢測(cè)，隧道裂縫沒有再發(fā)展，隧道滲漏水狀況得到極大改善，處理取得了成功。

4 結(jié)論

(1) 界牌嶺隧道垂直穿越背斜構(gòu)造帶，襯砌的開裂段臨近背斜的核部，圍巖強(qiáng)度較好，但巖體裂隙發(fā)育，受隧道工程施工過程中開挖、毗鄰礦區(qū)采礦爆破等綜合影響，造成周邊圍巖裂隙貫通，形成了貫通的陡傾角裂隙，在地下水及巖溶的影響下，圍巖向隧道內(nèi)擠壓，形成偏壓，造成二襯開裂和滲漏水。

(2) 當(dāng)巖層裂隙傾向隧道方向的角度大于45°時(shí)，隧道受偏壓作用將急劇增大。故路線選線過程中，應(yīng)注意根據(jù)構(gòu)造帶的發(fā)育情況，隧道選址盡量采用與背斜軸部垂直的大角度穿越構(gòu)造帶，避開巖層起伏較大的段落，將隧道設(shè)置在巖性較單一的穩(wěn)定巖體內(nèi)。

(3) 隧道襯砌在背斜核部區(qū)域需根據(jù)巖層走向和傾向，采用抗偏壓的鋼筋混凝土二次襯砌結(jié)構(gòu)，提高安全儲(chǔ)備。

(4) 在隧道洞內(nèi)設(shè)置環(huán)向排水孔，降低巖體內(nèi)的孔隙水壓力，改善圍巖的受力情況，減小作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的水頭壓力。