千枚巖隧道二襯開裂防治措施探討

潘皇宋，宋 濤，姜錫宸

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)壞境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，成都610059）

0 前言

隧道二次襯砌開裂是常見隧道病害之一，二次襯砌開裂后進(jìn)入破壞階段時，襯砌的承載能力很快降低，變形增大，隧道整體有較高的坍塌風(fēng)險。目前國內(nèi)外不少學(xué)者對隧道二次襯砌開裂防治做了很多研究［1－3］，但是，針對千枚巖軟巖隧道的二次襯砌開裂防治的研究還較少。本文根據(jù)對西部山區(qū)某高速公路隧道出口段二次襯砌開裂特征，結(jié)合工程地質(zhì)條件分析千枚巖軟巖隧道二次襯砌開裂成因，從支護(hù)參數(shù)方面提出防治措施，并利用數(shù)值計算對防治效果進(jìn)行分析，為下階段設(shè)計施工和類似工程提供參考借鑒。

1 工程地質(zhì)概況

開挖后揭示的隧道出口段工程地質(zhì)概況如下：隧道出口段最大埋深122m，圍巖體破碎，巖質(zhì)較軟，呈碎裂結(jié)構(gòu)，圍巖級別為Ⅴ類圍巖。距洞口120m段圍巖以碎石及全風(fēng)化板巖夾千枚巖為主，薄—中厚層狀結(jié)構(gòu)。距洞口120～210m段圍巖為弱—強(qiáng)風(fēng)化板巖和千枚巖互層，薄—中厚層狀結(jié)構(gòu)。距洞口70m以內(nèi)開挖后線路右邊墻圍巖呈濕潤狀，沒有地下水涌出；距洞口70～210m段，開挖后地下水在線路右邊墻及拱部以點(diǎn)滴—線狀滲出，局部有小股地下水流出。千枚巖遇水易軟化、泥化，將導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低和變形大且收斂慢。

2 二襯開裂特征及原因

隧道出口段二襯施作0～4個月左右洞均出現(xiàn)二次襯砌開裂現(xiàn)象。左洞出口ZK188＋299～ZK188＋479段180m范圍內(nèi)發(fā)展21條裂紋，右洞出口K188＋238～YK188＋482段244m范圍內(nèi)發(fā)展31條裂紋。兩洞的裂紋長度1～11m，寬度1～3mm，裂紋最大深度190mm，多數(shù)小于二次襯砌的1／3厚度，說明裂紋為張拉裂紋。大部分裂紋開裂方向與隧道線路方向成135°左右的夾角（與巖層層面方向相近），主要分布在拱腰及邊墻附近，線路方向隧道的左側(cè)（即靠山外側(cè)）裂紋發(fā)展較右側(cè)多。

根據(jù)二次襯砌開裂特征，結(jié)合隧道出口地質(zhì)、設(shè)計、施工情況，判斷該段二襯開裂主要原因是圍巖壓力過大使邊墻、拱腰處二次襯砌內(nèi)側(cè)出現(xiàn)拉應(yīng)力過大而發(fā)生張拉開裂。軟弱千枚巖圍巖級別低，千枚巖變形具有時效性，且千枚巖遇水易軟化、泥化使其變形收斂時間長，二次襯砌施作過早會使圍巖變形壓力得不到充分釋放。此外，根據(jù)317國道鷓鴣山隧道地應(yīng)力分析結(jié)果［4］，該區(qū)構(gòu)造應(yīng)力較大，埋深100m左右水平最大主應(yīng)力達(dá)5～8MPa。另外，二次襯砌開裂的可能因素還有施工工藝和施工質(zhì)量、材料強(qiáng)度和剛度等。

3 二襯開裂防治措施

針對二次襯砌開裂原因，下階段類似圍巖段設(shè)計與施工采取防治措施如下：支護(hù)采用先柔后剛，剛?cè)峤Y(jié)合的設(shè)計原則，增大預(yù)留變形量為30cm，鋼拱架由原來的I18工字鋼變?yōu)镮20工字鋼，這樣可以讓圍巖變形收斂更快，并且充分釋放變形壓力。前人研究認(rèn)為襯砌厚度是影響襯砌剛度的主要因素，通過調(diào)整襯砌厚度可以有效改善襯砌的受力狀態(tài)［5］。因此，對二次襯砌參數(shù)采取提高其混凝土強(qiáng)度等級或者增加其厚度的措施，二次襯砌厚度由原來的45cm變?yōu)?0cm，支護(hù)參數(shù)變更見表1。

表1 支護(hù)參數(shù)變更

以YK188＋310～370段為研究對象，運(yùn)用數(shù)值計算對原設(shè)計支護(hù)及采取加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)防治措施后二次襯砌受力情況進(jìn)行分析。根據(jù)開裂特征及原因分析，二次襯砌開裂主要發(fā)生在邊墻和拱腰附近，說明拉應(yīng)力主要集中發(fā)生在邊墻和拱腰。因此，主要對邊墻和拱腰處二次襯砌內(nèi)側(cè)的拉應(yīng)力變化進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)一步分析防治措施支護(hù)效果。為了便于建模和計算，數(shù)值模型中把鋼拱架和鋼筋網(wǎng)折算為混凝土參數(shù)，數(shù)值計算參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值計算參數(shù)

隧道為雙線隧道，兩隧道間距30m，數(shù)值計算模型如圖1（a），模型長150m，高80m，厚度取20m。模型上邊界設(shè)置為自由邊界，下邊界設(shè)置為全約束，其余邊界設(shè)置法向約束。隧道開挖模擬采用上下2臺階分步開挖法，開挖長度為10m時，施作二次襯砌后對中間5m處截面進(jìn)行內(nèi)力監(jiān)測。根據(jù)以上分析二次襯砌開裂特征及原因，內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)布置在二次襯砌外邊墻、外拱腰處（取右洞進(jìn)行分析），如圖1（b）。

圖1 隧道模型及監(jiān)測點(diǎn)布置

實(shí)際工程中二次襯砌發(fā)生張拉開裂，因此，對邊墻、拱腰監(jiān)測點(diǎn)拉應(yīng)力（最大主應(yīng)力）進(jìn)行分析。圖2為原設(shè)計支護(hù)和采取加強(qiáng)措施兩種工況下，數(shù)值模擬得出的邊墻處二次襯砌內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力隨計算步數(shù)變化曲線。由圖2可知，原設(shè)計支護(hù)條件下，邊墻處二次襯砌內(nèi)側(cè)出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，其最大值為1.84MPa，此拉應(yīng)力值接近相關(guān)規(guī)范［6］規(guī)定的C30混泥土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.2MPa，這為隧道二次襯砌開裂提供了力源條件；采取防治措施條件下，邊墻處二次襯砌內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力最大值降至0.17MPa，從力學(xué)條件上保證了二次襯砌不會因拉應(yīng)力過大而發(fā)生開裂。

圖3為原設(shè)計支護(hù)和采取加強(qiáng)措施2種工況下，數(shù)值模擬得出的拱腰處二次襯砌內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力隨計算步數(shù)變化曲線。由圖3可知，原設(shè)計支護(hù)條件下，邊墻處二次襯砌內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力最大值為1.0MPa，該拉應(yīng)力值較大且可能造成二次襯砌開裂；采取防治措施條件下，邊墻處二次襯砌內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力最大值降至0.37MPa，該拉應(yīng)力值遠(yuǎn)小于C30混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，從力學(xué)條件上保證了二次襯砌不會因拉應(yīng)力過大而發(fā)生開裂。

總結(jié)以上分析，原設(shè)計條件下隧道邊墻和拱腰均出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，采取防治措施后，二次襯砌內(nèi)力得到有效的改善，其內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力大幅度降低，從力學(xué)機(jī)制上保證了其不發(fā)展張拉開裂。

圖2 邊墻二次襯砌內(nèi)側(cè)受力情況

圖3 拱腰二次襯砌內(nèi)側(cè)受力情況

此外，在采取以上防治措施的基礎(chǔ)上，同時在施工過程嚴(yán)格控制二次襯砌施作時機(jī)、施工工藝和施工質(zhì)量，讓圍巖變形壓力得到充分釋放后再施作二次襯砌，這樣可以大大降低長期作用在二次襯砌上的圍巖壓力，更有效地預(yù)防二次襯砌受力過大而發(fā)生張拉開裂。

4 結(jié)語

1）該千枚巖隧道二次襯砌開裂在力學(xué)機(jī)制上屬于張拉開裂，其主要原因是千枚巖軟巖隧道圍巖變形壓力過大。此外，二次襯砌施作過早、偏壓地形、施工工藝和施工質(zhì)量等因素對二次襯砌開裂也有一定的影響。

2）采用提高鋼拱架強(qiáng)度、增大預(yù)留變形量、增加二次襯砌厚度的防治措施，經(jīng)數(shù)值計算分析驗證，該防治措施在該千枚巖隧道工程地質(zhì)條件下有效改善了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，大大降低二次襯砌拉應(yīng)力集中，確實(shí)取得良好的防治效果。

3）建議通過加強(qiáng)監(jiān)控量測，結(jié)合理論計算和數(shù)值計算確定合理的二次襯砌施作時機(jī)。在采取加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，同時嚴(yán)格控制二次襯砌支護(hù)時機(jī)、施工工藝和施工質(zhì)量以更有效避免二次襯砌開裂。

［1］蘇生.公路隧道二次襯砌開裂機(jī)理與抗裂性試驗研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008.

［2］葛正輝，鄭金龍，孫振.強(qiáng)震區(qū)破碎千枚巖隧道二次襯砌開裂原因分析及處治設(shè)計［J］.公路隧道，2013（2）：54－57.

［3］羅勇.隧道襯砌開裂機(jī)理及控制方法研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2010.

［4］MENG Lu－bo，LI Tian－bin，JIANG Yun，etc.Characteristics and mechanisms of large deformation in the Zhegu mountain tunnel on the Sichuan–Tibet highway［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2013，37：157－164.

［5］馮冀蒙，仇文革.隧道襯砌剛度對結(jié)構(gòu)耐久性影響的模型試驗研究［J］.中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013，44（9）：3884－3890.

［6］重慶交通科研設(shè)計院.JTG D70—2004公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.