隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算與裂縫原因分析

張 鐸，張 瑩

（1．黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；2．中原工學(xué)院，河南 鄭州 450000）

隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)驗(yàn)算與裂縫原因分析

張 鐸1，張 瑩2

（1．黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450003；2．中原工學(xué)院，河南 鄭州 450000）

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外隧道設(shè)計(jì)中關(guān)于二次襯砌承擔(dān)荷載比例的討論，按照二次襯砌承受全部荷載的70%，初期支護(hù)與圍巖共同承擔(dān)荷載30%的原則，基于荷載-結(jié)構(gòu)法建立有限元模型，用其計(jì)算了某隧道工程二次襯砌設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)安全性，分析了工程中二次襯砌出現(xiàn)裂縫的原因。

隧道工程；二次襯砌；結(jié)構(gòu)計(jì)算；裂縫；有限元模型

0 引言

目前，我國(guó)公路山嶺隧道主要以新奧法施工為主，相關(guān)隧道設(shè)計(jì)也是基于新奧法的理論對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行類比和計(jì)算，得出相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。公路隧道支護(hù)多采用復(fù)合式襯砌，即初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架等多種支護(hù)形式的組合結(jié)構(gòu)，二次襯砌采用模筑混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

某在建單洞雙車道公路隧道內(nèi)輪廓為五心圓形式，建筑界限凈寬為9．0 m（2×3．5 m+2×0．25 m+2× 0．75 m），凈高為5．3m。該隧道初期支護(hù)形式為：全環(huán)3．5 m長(zhǎng)的沙漿錨桿；工18鋼拱架，每榀間距0．7 m；掛鋼筋網(wǎng)，噴25 cm厚的C20混凝土。二次襯砌為模筑50 cm厚的C25鋼筋混凝土。二次襯砌后，距隧道出口10～15 m的洞身出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。為了確保結(jié)構(gòu)安全，筆者在對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行驗(yàn)算，并分析了裂縫出現(xiàn)的原因，以期能夠?yàn)槠渌こ烫峁﹨⒖肌?/p>

1 隧道二次襯砌的計(jì)算原理

復(fù)合式襯砌作為最常見(jiàn)的襯砌形式，既能調(diào)動(dòng)圍巖的自承能力，又可以充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的承載能力。鐵道科學(xué)研究院和隧道工程局共同進(jìn)行的模型實(shí)驗(yàn)和有限元分析結(jié)果表明，與同等厚度的單層模筑混凝土襯砌結(jié)構(gòu)相比，復(fù)合式襯砌的極限承載能力比可以提高20%～30%［1］。但是，在分析計(jì)算時(shí)，關(guān)于初期支護(hù)和二次襯砌承載荷載的比例各是多少，國(guó)內(nèi)外存在不同的觀點(diǎn)。

根據(jù)新奧法理論，圍巖的變形壓力已為初期支護(hù)所吸收，二次襯砌基本上可以不再承受壓力，做二次襯砌僅僅是為了洞壁的外觀整齊。但實(shí)際上，由于圍巖的不穩(wěn)定性和工期的要求，初期支護(hù)的變形并未完全停止。另外，影響初期支護(hù)共同作用的因素很多，因而仍會(huì)有一部分荷載（如，圍巖的殘留變形，施工后圍巖物理力學(xué)參數(shù)的降低等）需由二次襯砌承擔(dān)。所以，在進(jìn)行襯砌設(shè)計(jì)和計(jì)算時(shí)，二次襯砌仍應(yīng)按受力結(jié)構(gòu)來(lái)考慮。我國(guó) 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70／2-2014）指出，對(duì)于復(fù)合式襯砌中的二次襯砌，在Ⅰ～Ⅲ級(jí)圍巖中，是一種安全儲(chǔ)備；在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖中，則是一種承載結(jié)構(gòu)。該規(guī)范還列出了釋放荷載的分擔(dān)比例，如表1所示。

表1 釋放荷載分擔(dān)比例表Tab.1 Releasing load ratio

在歐洲的相關(guān)設(shè)計(jì)中，二次襯砌通常是按能夠承擔(dān)全部圍巖壓力進(jìn)行計(jì)算的，初期支護(hù)的作用不考慮，可將其弱化為圍巖考慮［2］。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外對(duì)二次襯砌按受力結(jié)構(gòu)來(lái)計(jì)算，且在Ⅴ級(jí)圍巖以上，承擔(dān)較多的力是有共識(shí)的。其分歧在于承擔(dān)力的比例為多少。

結(jié)合我國(guó)國(guó)情，復(fù)合式襯砌的初期支護(hù)采用噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼拱架等支護(hù)形式的組合結(jié)構(gòu)。特別是對(duì)于Ⅴ級(jí)以上圍巖，《公路隧道設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG／T D70-2010）推薦初期支護(hù)采用全環(huán)錨桿、工字鋼、掛網(wǎng)噴混等支護(hù)措施。如果僅僅按歐洲的設(shè)計(jì)理論，不考慮初期支護(hù)的作用，是不切實(shí)際的，也是過(guò)于保守的。因此，在對(duì)該工程Ⅴ級(jí)圍巖地段二次襯砌的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時(shí)，按二次襯砌承擔(dān)70%的荷載考慮，而初期支護(hù)和圍巖共同承擔(dān)剩余的30%。這樣，既考慮了初期支護(hù)的承載力，又對(duì)二次襯砌受力有一個(gè)富余量的考慮［3～6］。

2 隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性計(jì)算

采用MIDAS／GTS巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件，基于荷載-結(jié)構(gòu)法，對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行計(jì)算。

2．1 計(jì)算模型

根據(jù)莫爾-庫(kù)侖理論建立計(jì)算型 （如圖1所示）。梁?jiǎn)卧M二次襯砌結(jié)構(gòu)，僅受壓彈簧單元模擬圍巖彈性抗力。根據(jù) 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70／2-2014），對(duì)于Ⅴ級(jí)圍巖，二級(jí)襯砌應(yīng)按承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。二次襯砌承受荷載按總荷載的70%考慮。荷載組合Q總=1．35Q自重+1．35Q側(cè)向土壓力+ 1．35Q豎向土壓力。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖Fig.1 Calculation model

2．2 計(jì)算荷載的確定

在荷載-結(jié)構(gòu)法中，對(duì)計(jì)算荷載的選取尤為關(guān)鍵。該工程主要考慮圍巖壓力和自重2個(gè)永久荷載。由于隧道上方無(wú)任何車輛通過(guò)，可以不考慮可變荷載。

2．3 圍巖壓力的計(jì)算

按荷載等效高度，并綜合地質(zhì)條件、施工方法等因素，判定此處深、淺埋隧道分界深度為29．52 m。實(shí)際埋深為20．05 m，屬淺埋。

根據(jù)淺埋計(jì)算公式，得出隧道拱部豎向圍巖壓力q=275．49 kN/m2，水平壓力e1=194．62 kN／m2，e2= 269．55 kN／m2。

2．4 模型計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，得出如圖2、圖3所示的軸力圖和彎矩圖。

圖2 隧道二次襯砌軸力圖Fig.2 Tunnel secondary lining axial force diagram

圖3 隧道二次襯砌彎矩圖Fig.3 Tunnel secondary lining axial force diagram

從圖2和圖3可以看出，二次襯砌受力呈中心對(duì)稱。因此，驗(yàn)算時(shí)，可只驗(yàn)算二次襯砌一側(cè)。

2．5 結(jié)果驗(yàn)算

根據(jù) 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70／2-2014），計(jì)算各截面的強(qiáng)度安全系數(shù)。二次襯砌各截面強(qiáng)度安全系數(shù)的計(jì)算分大偏心受壓和小偏心受壓2種情況。

（1）大偏心受壓截面強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算公式如式（1）所示。

（2）小偏心受壓截面強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算公式如式（2）所示。

模型單元?jiǎng)澐秩鐖D4所示，其驗(yàn)算結(jié)果如表2所示。

圖4 模型單元?jiǎng)澐謭DFig.4 Mode unit division

由表2可知，二次襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)各個(gè)截面均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)安全，且有一定富余度。但是，在邊墻與仰拱交界處，安全系數(shù)較小。因此，在施工后，應(yīng)注意該處的監(jiān)控量測(cè)，如有開(kāi)裂、破損狀況，應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

3 二次襯砌開(kāi)裂原因分析

結(jié)合相關(guān)資料，歸納該隧道二次襯砌開(kāi)裂的主要原因有以下幾個(gè)［7～13］。

3.1 原材料選擇不當(dāng)

水泥品種選擇不當(dāng)，安定性不良。碎石、沙級(jí)配差，含泥量超標(biāo)，碎石中石粉含量大，針、片狀物過(guò)多，影響了水泥與骨料的膠結(jié)。對(duì)摻合料和外加劑的選用不當(dāng)，沒(méi)有達(dá)到預(yù)期的效果。

3.2 溫度等差異

混凝土在終凝前，幾乎沒(méi)有強(qiáng)度或強(qiáng)度很小，或者混凝土剛剛終凝而強(qiáng)度很小時(shí)，受高溫或較大風(fēng)力的影響，混凝土表面失水過(guò)快，使混凝土體積收縮加快。而此時(shí)，混凝土無(wú)法抵抗其本身的收縮。在隧道施工中，由于空氣干燥或陽(yáng)光直射，在洞口的幾組襯砌較易形成裂縫。該工程隧道內(nèi)的裂縫恰恰出現(xiàn)在隧道洞口附近，驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

3.3 基底不均勻沉降

不均勻沉降是混凝土結(jié)構(gòu)，特別是連續(xù)結(jié)構(gòu)的不利條件。而隧道連續(xù)結(jié)構(gòu)受地質(zhì)條件影響尤為特殊。在隧道延伸方向，地質(zhì)無(wú)規(guī)律地變化，二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化也非常復(fù)雜。如果存在基底不均勻沉降，就會(huì)造成各組襯砌之間沉降不均勻，從而將出現(xiàn)襯砌與矮邊墻一起拉裂的現(xiàn)象。在該工程建設(shè)過(guò)程中，洞口附近高邊坡曾出現(xiàn)多次垮塌，此處土石松散體也極易產(chǎn)生滑動(dòng)變形。這些因素都有可能產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

3.4 施工工藝或現(xiàn)場(chǎng)操作不規(guī)范

不規(guī)范操作包括：隧道開(kāi)挖成型差，襯砌混凝土厚度嚴(yán)重不均勻；欠挖或初期支護(hù)侵入襯砌限界，造成襯砌混凝土厚度不足；個(gè)別隧道襯砌混凝土背后存在脫空、防水處理不當(dāng)、防水板破漏等現(xiàn)象。以上不規(guī)范的操作都有可能導(dǎo)致二次襯砌開(kāi)裂。在該工程施工過(guò)程中，洞口段曾出現(xiàn)襯砌厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)值的情況。這些不利的人為因素也影響了結(jié)構(gòu)的安全。

表2 二次襯砌鋼筋混凝土靜力分析表Tab.2 Secondary lining steel reinforced concrete statical analysis

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

（1）在二次襯砌計(jì)算中，復(fù)合式襯砌的初期支護(hù)由于采用多種支護(hù)形式組合結(jié)構(gòu)，在Ⅴ級(jí)圍巖地段，與圍巖共同承擔(dān)30%的荷載，余下的70%荷載由二次襯砌承擔(dān)。這樣，既考慮了初期支護(hù)的承載力，又保證了二次襯砌計(jì)算中有足夠的富余量。

（2）從二次襯砌模型計(jì)算結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，在二次襯砌邊墻與仰拱交界處，安全系數(shù)較小，易出現(xiàn)開(kāi)裂、破損等現(xiàn)象。所以，這些重點(diǎn)部位應(yīng)在施工中予以關(guān)注。

（3）原材料、溫度差異、不均勻沉降、施工工藝或現(xiàn)場(chǎng)操作不規(guī)范等都有可能引起二次襯砌開(kāi)裂。防止二次襯砌開(kāi)裂需從多方面因素著手，才能保證工程質(zhì)量與結(jié)構(gòu)安全。

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[責(zé)任編輯 楊明慶]

Tunnel Secondary Lining Structure Checking and Crack Reason Analysis

Zhang Duo1，Zhang Ying2
(1.Yellow River Engineering Consulting Co．，Ltd．，Zhengzhou 450000，Henan，China；2．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450000，Henan，China）

By discussing the secondary bearing load ratio of domestic and overseas tunnel design，according to the 70%bearing load of secondary lining，the principle of 30%bearing load of preliminary bracing and wall rock，the FEM based on load-structure method，it calculates the structure safety of a tunnel secondary lining design，analyzes the reasons of secondary lining crack．

Tunnel；secondary lining；structure calculation；crack；FEM

U45．4

A

10．13681／j．cnki．cn41-1282／tv．2017．02．006

2016-09-01

張 鐸（1984-），男，河南鄭州人，工程師，碩士，主要從事公路隧道設(shè)計(jì)工作。