馬洪隧道襯砌裂縫成因分析

文｜福建農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 尤文貴 / 福建船政交通職業(yè)學(xué)院 謝美鳳

1 概述

馬洪隧道地處永安市洪田鎮(zhèn)，系雙連拱隧道。進(jìn)出口樁號為K19+783～K20+077，全長294m，其中K19+783～+799為明洞部分。左洞裂縫主要集中在ZK19+874～YK20+031，右洞裂縫主要集中在YK19+836～+907，及YK20+001～+027段。裂縫以垂直隧道縱軸的環(huán)向裂縫為主，除邊墻開洞位置外，大部分裂縫下部自溝底起，左洞裂縫數(shù)量多余右洞，中隔墻裂比外墻多。

隧道采用雙洞交叉施工，施工結(jié)束發(fā)現(xiàn)局部區(qū)域出現(xiàn)環(huán)向裂縫。發(fā)現(xiàn)裂縫后，施工方對裂縫進(jìn)行了表面抹漿處理，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，大部分抹漿已開裂或局部剝落，裂縫兩側(cè)未見明顯錯臺。部分裂縫穿越了二襯鋼筋保護(hù)層厚度，但所有裂縫均未貫穿隧道二襯。

為了解裂縫出現(xiàn)原因，為裂縫整治方式的選擇提供依據(jù)，下文將從工程地質(zhì)條件、施工工序、二襯質(zhì)量、二襯模板臺車、二襯混凝土體積干縮變形等方面展開分析。

2 工程地質(zhì)條件分析

根據(jù)勘察設(shè)計資料，馬洪隧道地處剝蝕丘陵地貌，基巖埋藏較深，隧道穿越近南北向山脊，地形起伏較大，場區(qū)進(jìn)口較緩出口較陡，隧道最大埋深為53.5m。隧道圍巖以Ⅴ級為主，大部分圍巖為殘坡積層及全風(fēng)化～碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖，呈松散狀碎裂結(jié)構(gòu)，無自穩(wěn)能力，以松動破壞為主，埋深大部分有明顯的擠壓破壞，易發(fā)生較大的坍塌，側(cè)壁不穩(wěn)。隧道圍巖條件較差，容易引起不均勻變形以及地基不均勻沉降；圍巖條件差，二襯施作以后圍巖變形沒有完全穩(wěn)定，且低強(qiáng)度圍巖具有流變性質(zhì)，二襯仍承受一定的作用力。

圖1 隧道結(jié)構(gòu)橫斷面

圖2 中隔墻σ3分布云圖

圖4 右洞二襯σ3分布云圖

采用MIDAS有限元軟件分析隧道開挖結(jié)束結(jié)構(gòu)力學(xué)特性，為簡化計算，將初支影響區(qū)域設(shè)置為圍巖加固區(qū)，隧道結(jié)構(gòu)橫斷面參見圖1。由于隧道埋深較淺，隧道結(jié)構(gòu)局部將承受拉應(yīng)力，而混凝土抗拉性能相對較差，容易導(dǎo)致出現(xiàn)拉裂縫。為確定拉應(yīng)力對隧道結(jié)構(gòu)的影響，通過計算確定隧道中隔墻、隧道左右洞二襯第三主應(yīng)力σ3分布情況（圖2～圖4）。計算結(jié)果中以拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。

分析得出中隔墻中有51.4%的單元處于拉應(yīng)力區(qū)域，左洞二襯中有91.1%的單元處于拉應(yīng)力區(qū)域，右洞二襯中有71.9%的單元處于拉應(yīng)力區(qū)域。大部分拉應(yīng)力等值線與隧道縱軸垂直或接近垂直，這與隧道裂縫走向相接近。拉應(yīng)力的存在是隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因之一。隧道結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力主要集中在K19+885～+980地段，左洞在該地段存在8條環(huán)向裂縫，右洞在該地段存在2條環(huán)向裂縫。

3 施工工序分析

施工過程中，先做中導(dǎo)洞，并同時施作中隔墻。隧道左右洞施工間距為30～50m，左洞先施工。雙洞均采用上下臺階開挖法，間距控制在30～50m范圍內(nèi)，仰拱施作緊隨下臺階開挖。二襯施作位置距離掌子面100m左右。由于施工工序比較復(fù)雜，隧道圍巖要受多次施工擾動，連拱中左拱先封閉受力，開挖右洞時引起的再分配應(yīng)力作用在左洞的支護(hù)和襯砌上，同時由于圍巖條件差，隧道埋深淺，因而容易導(dǎo)致產(chǎn)生不均勻變形裂縫。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)左洞裂縫比右洞多，與施工工序的安排有很大關(guān)系。

4 二襯質(zhì)量分析

二襯質(zhì)量檢測包括以下幾個方面：

（1）采用鋼筋位置測定儀檢測二襯鋼筋保護(hù)層厚度，分析保護(hù)層厚度及均勻性對二襯受力、變形特性的影響。

（2）采用地質(zhì)雷達(dá)掃描二襯，定量測定二襯厚度，了解裂縫附近二襯混凝土背后空洞情況。

（3）對裂縫附近二襯混凝土取芯，進(jìn)行混凝土抗壓試驗。檢驗二襯混凝土強(qiáng)度是否滿足設(shè)計要求，并對其均勻性進(jìn)行分析。

在此基礎(chǔ)上判定二襯施工質(zhì)量是否滿足要求。

4.1 鋼筋保護(hù)層厚度

檢測中利用鋼筋位置測定儀，在裂縫兩側(cè)各1m范圍內(nèi)，在拱頂、拱腰和邊墻三個部位測定鋼筋保護(hù)層厚度。馬洪隧道鋼筋保護(hù)層設(shè)計厚度為5.5cm，此厚度為至鋼筋軸心的距離。采用鋼筋位置測定儀得到的是檢測面至鋼筋外表面的距離。因此鋼筋位置測定儀獲得的數(shù)據(jù)加上鋼筋半徑方為檢測到得鋼筋保護(hù)層厚度。檢測發(fā)現(xiàn)，除個別位置滿足設(shè)計要求，YK19+787、YK19+862邊墻局部位置鋼筋保護(hù)層厚度小于設(shè)計值以外，其余大部分檢測位置鋼筋保護(hù)層厚度大于設(shè)計要求。

從錨固和耐久性的角度來看，保護(hù)層厚度越大越好，但從受力的角度看則正好相反。因此在保證錨固、耐久性的條件下，保護(hù)層厚度應(yīng)盡量取小。檢測得出二襯大部分位置鋼筋保護(hù)層厚度過大，這不利于二襯抗彎，容易引發(fā)裂縫。

對測得的鋼筋保護(hù)層厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計分析（表1），發(fā)現(xiàn)左右洞沿樁號方向二襯鋼筋保護(hù)層厚度變化較大，邊墻、拱腰、拱頂均如此。鋼筋保護(hù)層厚度差異較大，可引發(fā)隧道二襯沿樁號方向力學(xué)性能的差異，在二襯的受力情況下，易導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)，進(jìn)而引起裂縫的產(chǎn)生。

4.2 二襯厚度及空洞情況

采用地質(zhì)雷達(dá)掃描二襯拱頂、拱腰和邊墻，以檢測二襯鋼筋存在情況、厚度及背后空洞情況。二襯設(shè)計厚度為50cm，且埋設(shè)鋼筋網(wǎng)。檢測結(jié)果表明二襯中左洞ZK19+900～+914拱頂和左 邊 墻，ZK19+878～+890左 拱 腰，ZK19+890～ +900、ZK19+920～ +926、ZK19+998～ZK20+006右拱腳二襯厚度不足；右洞中YK19+854～+866、YK19+872～+874拱頂二襯厚度不足。其余位置二襯厚度滿足要求，背后未見空洞。

二襯厚度差異與初襯平順度直接相關(guān)。初期支護(hù)的平順度直接影響著二襯混凝土的受力狀況及內(nèi)部收縮變形自由度。良好的平順度能在一定程度上避免二襯混凝土外部應(yīng)力的集中，同時直接影響到二襯混凝土厚度的均勻性，如果二襯混凝土的厚度均勻性差，則在外應(yīng)力作用下極易在厚度薄弱部位出現(xiàn)二襯混凝土裂縫。分析發(fā)現(xiàn)，馬洪隧道中二襯厚度不足的位置與裂縫位置有很好的對應(yīng)，因此裂縫的出現(xiàn)與二襯厚度分布不均、部分位置二襯厚度薄弱有關(guān)。

4.3 二襯模板臺車

隧道施工過程中，采用的臺車長度為12m。在施工過程中，因為襯砌臺車模板剛度不足，模板支撐間距過大或支撐底部松動等可導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。二襯混凝土襯砌臺車的長度對裂縫形成也有較大影響，每?？v向長度越長，二襯混凝土出現(xiàn)裂縫的可能性則越大。同時臺車長度越長，相鄰沉降縫之間的距離增大。由于隧道圍巖條件（包括地基）差，容易產(chǎn)生不均勻變形，加之二襯鋼筋保護(hù)層厚度和混凝土強(qiáng)度不均勻，這對沉降縫的設(shè)置也提出了較高要求。但是襯砌模板臺車長度過大，達(dá)到12m，沉降縫的作用很難充分發(fā)揮出來，因而容易導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

4.4 混凝土體積干縮變形

除上述因素外，馬洪隧道裂縫的形成不排除受混凝土體積干縮變形的影響。隧道二襯混凝土澆筑完后，如果未采用合理的養(yǎng)護(hù)方式，或者現(xiàn)場配合比使用不當(dāng)，均有可能造成干縮裂縫。隧道施工剛結(jié)束，二襯混凝土仍處于硬化階段，如果裂縫是由混凝土體積干縮變形引起，則變形仍有可能繼續(xù)擴(kuò)展。

5 結(jié)論

（1）由于隧道埋深較淺，圍巖條件差，隧道結(jié)構(gòu)局部將承受拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致出現(xiàn)拉裂縫，這是隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因。

（2）由于連拱隧道左拱先封閉受力，開挖右洞時引起的再分配應(yīng)力作用在左洞的支護(hù)和襯砌上，所以左洞裂縫比右洞多。

（3）大部分檢測位置鋼筋保護(hù)層厚度大于設(shè)計要求，鋼筋保護(hù)層厚度過大，不利于二襯抗彎，易產(chǎn)生裂縫。左右洞沿樁號方向二襯鋼筋保護(hù)層厚度變化較大，易導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)，進(jìn)而引起裂縫的產(chǎn)生。

（4）局部二襯厚度不足，襯砌模板臺車長度過大，混凝土體積干縮變形等也是導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的重要原因。

表1 鋼筋保護(hù)層厚度數(shù)理統(tǒng)計