隧道二次襯砌施工裂縫發(fā)展特征與防治對策研究

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(1.湖南環(huán)達公路橋梁建設總公司,湖南 長沙 410014;2.湖南省高速公路投資集團有限公司,湖南 長沙 410003)

0 引言

隨著我國經濟的迅速發(fā)展，公路建設不斷地向山區(qū)及西部延伸，公路隧道修建越來越多。然而，受到地質、地形、氣候等諸多條件以及設計、施工、運營過程中各種因素的影響，隧道在施工過程中或建成后的使用過程中出現(xiàn)了諸如襯砌裂損、隧道滲漏水等病害。方利成[1]等結合現(xiàn)場裂縫實例直觀地描述了隧道裂縫，為后續(xù)學者全面認識和防治裂縫做了鋪墊。陳榮魁[2]對福建霞浦赤嶺隧道地質病害繁多的情況做了深入分析，并提出了合理的處治措施。徐琳[3]闡述了某高速公路隧道二次襯砌(以下簡稱：二襯)產生裂縫情況，多角度總結了兩隧道裂縫的成因，提出了裂縫治理的方法。王鐵夢[4]對工程結構裂縫進行了詳細的研究，從裂縫的基本概念、溫度對裂縫的影響、應力松弛和各種條件下對各種工程結構裂縫的控制等方面進行了系統(tǒng)的研究。郗慶桃[5]對梁家山隧道襯砌裂縫及滲漏水進行了研究，提出相應的治理措施。然而，受測試技術的限制，上述研究都未能就隧道裂縫的發(fā)展特征做詳細的現(xiàn)場測試分析。

1 裂縫監(jiān)測及發(fā)展特征

1.1 測點工程概況

某隧道地貌上屬侵蝕構造地形砂質頁巖、灰?guī)r低山區(qū)。為左右幅分離式隧道，隧道左線全長701 m，右線全長726 m，屬中隧道。建筑限界寬為10.25 m，最大埋深124 m。左右洞測線間距14.26～33.25 m，屬分離式隧道。

該隧道左洞二次襯砌在施工過程中出現(xiàn)開裂，且裂縫隨隧道后續(xù)開挖有明顯的發(fā)展趨勢，為保證安全施工，對左洞二次襯砌裂縫進行了現(xiàn)場監(jiān)測。

1.2 測試方法

根據隧道施工現(xiàn)場測試條件，綜合采用裂縫寬度儀與裂縫深度儀、智能測縫監(jiān)測計以及貼紙條與觀察等方法對該隧道左洞二襯裂縫進行了長時間的現(xiàn)場監(jiān)測工作。

1.3 裂縫分布位置

該隧道二襯裂縫的分布具有集中成段性，主要集中于左洞ZK38+160 ～ZK38+250段長90 m范圍，其它位置裂縫較少。主要裂縫(長度大于1 m或寬度大于0.01 mm)分布情況如圖1所示。圖中編號 A1A2、B1B2、C1C2、D1D2、E1E2、G1G2、H1H2、M1M2、K1K2、Y1Y2為開始監(jiān)測工作時已存在的裂縫，編號N1N2、P1P2、q1q2、J1J2、 W1W2、t1t2、e1e2、f1f2、a1a2、b1b2為監(jiān)測工作開始后新增的裂縫。圖1 中黑色圓點所在位置表示后期智能測縫監(jiān)測計的布設點。

圖1 隧道左洞二次襯砌主要裂縫分布圖

二襯裂縫分布在洞口段較多，洞內較少；V級圍巖地段出現(xiàn)較多，Ⅲ、Ⅳ級圍巖地段未出現(xiàn)。該隧道二襯裂縫寬度在0.34～3.21 mm之間，深度在23～126 mm之間，該裂縫基本穩(wěn)定時的監(jiān)測結果數(shù)據表1所示。

表1 各裂縫參數(shù)最終監(jiān)測結果裂縫名稱裂縫位置(樁號)寬度/mm深度/mm長度/mA1A2ZK38+237 5～ZK38+233 1 381154 5M1M2 ZK38+245～ZK38+225 1 216520B1B2 ZK38+221～ZK38+213 0 54578W1W2 ZK38+220～ZK38+218 50 62313C1C2 ZK38+213～ZK38+210 0 84873D1D2 ZK38+218～ZK38+210 1 361173E1E2 ZK38+210～ZK38+205 0 38235F1F2 ZK38+210～ZK38+205 0 42235G1G2 ZK38+208～ZK38+195 0 665013H1H2 ZK38+220～ZK38+208 0 816312J1J2ZK38+194 5～ZK38+193 1 211203S1S2 ZK38+210～ZK38+208 50 8603P1P2 ZK38+208～ZK38+205 0 53483t1t2ZK38+191 50 52313e1e2 ZK38+187～ZK38+183 1 31468f1f2ZK38+185 5～ZK38+181 0 34176a1a2ZK38+173 5～ZK38+170 2 731268b1b2 ZK38+171～ZK38+168 3 21678 5

1.4 發(fā)展特征

1.4.1 縱向裂縫

根據圖1可以看到，該二襯縱向裂縫最多，并在前1.5～2個月發(fā)展較快，且發(fā)展速度隨著時間增長呈衰減趨勢，在這之后裂縫長度和寬度趨于穩(wěn)定。圖2為縱向裂縫A1A2的現(xiàn)場測試圖。以A1A2裂縫為例，此裂縫位于隧道拱腰，2015年10月15日開始出現(xiàn)，初始寬度、深度、長度分別為0.61 mm、52 mm、4.5 m左右，發(fā)育至 2015 年12 月初，速度減緩，趨于穩(wěn)定，至 2016 年 12 月 7 日，裂縫最終寬度、深度、長度分別為1.38 mm、115 mm、4.5 m左右。該裂縫的存在對二襯的安全使用及耐久性可能產生的影響，應予以重視。

1.4.2 斜向裂縫

由圖1可以看出，斜向裂縫主要分布于拱頂、拱腳部位，發(fā)育時間較長，大部分裂縫寬度達到穩(wěn)定需1.5～8個月的時間，圖3為斜向裂縫J1J2的現(xiàn)場測試圖。斜向裂縫J1J2于2015年10月30日出現(xiàn)，起于邊墻，止于樁號上下鋼拱架連接處，與隧道縱向成55°夾角，初始寬度、深度、長度分別為0.7 mm、100 mm、3 m左右。發(fā)育至 2015 年 12月中旬，速度緩慢，趨于穩(wěn)定，至 2016年 12月 7日，裂縫 J1J2最終寬度、深度、長度分別為1.21 mm、120 mm、3 m左右。該斜向裂縫寬度雖然不像縱向裂縫一樣成倍增長，但對二襯安全使用及耐久性的影響也不容忽視。

圖3 裂縫J1J2的現(xiàn)場實測圖

1.4.3 豎向裂縫

豎向裂縫較少，僅有t1t2一條。豎向裂縫發(fā)育時間較短，僅在短短一周的時間，就基本上趨于穩(wěn)定，在后續(xù)1 a的跟蹤測試中，未發(fā)現(xiàn)明顯變化。

2 原因分析

二襯采用整體式模板臺車、泵送混凝土，嚴格按規(guī)程、規(guī)范要求施工，干縮及溫度裂縫較少。而該二襯裂縫出現(xiàn)的位置在V級圍巖與IV級圍巖交匯區(qū)域，對此，著重從隧道圍巖變化段及裂縫的分布部位，分析二襯裂縫產生的主要原因如下。

2.1 拱背回填不密實

局部圍巖破碎出現(xiàn)坍方空穴，以及周邊超、欠挖部位未能及時處理、拱背回填不密實等，致使二襯混凝土所能承受的應力不均勻，應由拱頂承受的山體壓力轉到拱腰部位，拱腰內緣受拉，拱頂內緣受壓。拱腰部分有可能最先拉裂，產生縱向裂縫。

2.2 掌子面爆破震動

隧道掌子面開挖距離二襯混凝土較近，爆破產生的震動波會對已完成的二襯段產生較大的震動，致使還未達到設計強度的二襯混凝土承受不了較大的爆破震動力，導致其產生裂縫。

2.3 強降雨影響

隧道施工區(qū)連續(xù)的強降雨，導致V級圍巖上部的松散巖體滲入大量匯集地雨水，土體自重增加，這種內力變化或局部受力增大，致使拆模過早而未達到設計強度的二襯混凝土承受較大的巖土體重力而開裂。

3 裂縫部位二襯受力計算

該隧道左洞二襯開裂部位主要為V級圍巖向IV級圍巖變化段，根據隧道設計圖紙與“新奧法”基本原理，在IV、V級圍巖中，二襯結構除承受自身荷載外，還承受圍巖變形壓力。該裂縫部位二襯設計厚度45 cm，扣除裂縫最大深度12.6 cm，裂縫部位二襯計算厚度取32.4 cm，采用midas計算軟件進行計算，得出初期支護應力及二襯安全系數(shù)，并與規(guī)范值進行對比。計算方法為地層結構法，初期支護承擔45%的位移壓力，二次襯砌承擔55%的圍巖壓力，計算模型及計算結果見圖4～圖7。

圖4 計算模型

圖5 初期支護應力

圖6 二襯軸力

圖7 二襯彎矩

計算結果：從圖5可以看出，初期支護最大壓應力為6.8 MPa，初期支護為C20噴射混凝土，根據隧道規(guī)范，C20噴射混凝土彎曲抗壓強度為11 MPa，初期支護是安全的。

從圖6、圖7中可以看出，二襯最大軸力、彎矩均發(fā)生在拱腳位置，根據軸力及彎矩值，計算得出拱腳截面的安全系數(shù)為1.85，在結構設計容許受力范圍內，整體結構受力基本滿足設計要求，但隧道規(guī)范中二襯安全系數(shù)最小值為2.4，二襯的安全儲備小于規(guī)范值。

4 安全評估

綜上，該二襯裂縫均分布在隧道V級與IV級圍巖的交匯區(qū)域，主要因施工工藝控制不嚴及雨水入滲等因素，致使二襯出現(xiàn)施工早期裂縫。但隨著掌子面掘進施工的遠處或停止，圍巖松弛及變形的逐步趨于穩(wěn)定，對應的二襯不受施工影響，該早期裂縫也趨于穩(wěn)定。

從表1最終的二襯裂縫監(jiān)測結果說明，趨于穩(wěn)定的二襯裂縫，其寬度、深度均無明顯變化，無新的發(fā)展。其中縱向裂縫集中于拱腰部位，裂縫寬度均小于1.4 mm，斜向裂縫分散于拱頂、拱腳部位，最寬的裂縫3.21 mm/1條，最大深度126 mm，均屬微張開裂縫。

在長達1 a多的二襯裂縫監(jiān)測期間，未見裂縫處滲漏水，裂縫未貫通，未見二襯變形，綜合其結構受力計算得出：裂縫部位的二襯整體結構安全，其結構承載力滿足設計要求。

但是，從二襯長期使用及耐久性角度考慮，需要對存在裂縫的二襯進行拱背回填處治及裂縫修補。

5 處治方案建議

根據裂縫部位的二襯實際，建議采用拱背鉆孔壓漿補強+裂縫注漿修補方案。具體施工技術如下：

1)拱背鉆孔壓漿補強：沿裂縫兩側交錯、每隔1.5 m布置孔位，用風動鑿巖機鉆孔，鉆孔深度1.5 m、孔徑35 mm，壓注經試驗配制的水泥漿，灰砂比1 ∶4左右，水灰比1 ∶1，注漿壓力一般控制在0.4 MPa以內，處治出現(xiàn)裂縫的二襯及其拱背周邊巖土體。當達到規(guī)定壓力而砂漿壓不進時，即注漿已注滿，充填密實拱背外間隙及破碎巖土。個別裂縫嚴重的點位，可視情況增設中空錨桿，安裝WTD25中空注漿錨桿。在鉆孔時，如遇裂縫部位二襯排水點或孔，要在現(xiàn)場觀測該孔口的排、滲水情況，根據滲水量的不同一并徹底處治。

2)裂縫注漿修補：采用注射環(huán)氧樹脂漿修補，沿裂縫鉆孔，孔距20 cm，孔徑12 mm，鉆孔深度以穿過裂縫深度控制，但不得將結構打穿?，F(xiàn)場試驗調制環(huán)氧樹脂配比(A/B漿料比例約為5/1)，灌漿順序應從下到上或者一側向另一側依次灌漿，當相鄰孔或裂縫表面開始出漿后，保持壓力10～30 s，觀察縫中漿的情況，再適當進行補漿。最后用刮抹料、調色料處理混凝土表面，使其顏色與周圍襯砌混凝土顏色一致。

6 防治措施

1)運用在線監(jiān)測技術，防止二襯施工同類裂縫發(fā)生。施工開挖給襯砌周圍的圍巖造成變形、松弛、剝落等影響，需要一定的圍巖穩(wěn)定周期，而多數(shù)二襯施工處在該圍巖穩(wěn)定期內，由此該二襯需經受未穩(wěn)定的圍巖壓力及施工干擾影響，有可能造成剛拆模的二襯出現(xiàn)裂縫，由于隧道能見度差，人工很難及時發(fā)現(xiàn)。運用現(xiàn)代信息技術，在建設隧道施工安全等監(jiān)控系統(tǒng)的同時，建立或增加二襯早期裂縫在線監(jiān)測系統(tǒng)，在施工期或更長時期內，自動監(jiān)測采集二襯變形及裂縫數(shù)據。若拆模后連續(xù)8個月及以上，二襯未出現(xiàn)裂縫及未收到其他異常信息,可判定二襯無裂縫，結構安全。若發(fā)現(xiàn)裂縫，則應繼續(xù)跟蹤觀測,分析原因,立即采取措施防止同類二襯裂縫發(fā)生。

2)加強隧道地質勘察，優(yōu)化圍巖變化段設計。圍巖等級變化區(qū)段是二襯施工裂縫出現(xiàn)較多的部位，必須按工點勘察要求，著重查明地質構造、不良地質體以及危害程度，收集相關設計參數(shù)，并充分考慮施工期不利荷載的影響及工期安排，合理擬定襯砌結構，提出施工注意事項。

3)二襯拆模時間采用養(yǎng)生時間與強度指標雙控。在二襯混凝土施工時，既要考慮施工進度的時間安排，更要考慮拆模時混凝土的抗壓強度。一般摻有早強劑、減水劑的水泥混凝土強度要達到設計強度的70%，時間不小于3 d養(yǎng)生時間。

4)嚴控爆破震動，保證已完混凝土的安全間距。掌子面開挖爆破點與襯砌混凝土之間的安全距離一般要求300 m，并盡量用小爆破、松動爆破，消除開挖爆破震動波對二襯的損傷。

5)改善二襯混凝土澆筑工藝，確保拱背回填密實。二襯采用的泵送混凝土坍落度大，流動性好，為防止出現(xiàn)拱頂空隙，應采用泵送擠壓混凝土施工工藝澆注拱頂混凝土，并設注漿孔壓漿充填密實。對圍巖超挖部分及圍巖破碎坍塌空穴，采用二襯混凝土同步澆筑回填。

7 結論

1)某公路隧道二襯施工裂縫集中分布在隧道V級與IV級圍巖交匯區(qū)段，其以縱向裂縫和斜向裂縫為主，其發(fā)展特征表現(xiàn)為靜態(tài)，收斂時間不長。縱向裂縫在前1.5～2個月發(fā)展較快，且發(fā)展速度隨著時間的變化呈衰減趨勢，在這之后裂縫長度和寬度趨于穩(wěn)定；斜向裂縫寬度比縱向裂縫寬度需要更長的時間達到穩(wěn)定，一般需要1.5～8個月的時間。

2)在隧道施工過程中出現(xiàn)的二襯裂縫，宜進行長時間的跟蹤觀測，收集裂縫的變化情況，分析原因，改善施工工藝，防止后續(xù)二襯施工發(fā)生同類裂縫，并對出現(xiàn)裂縫的二襯進行修復處治。

3)趨于穩(wěn)定的裂縫部位二襯，整體結構受力能夠滿足設計要求，但結構安全儲備系數(shù)小，需要做修復性的處治。

4)本隧道二襯裂縫采用先監(jiān)測、后處治的方法正確，效果良好。經過1 a多的現(xiàn)場監(jiān)測分析，于2016年12底完成了裂縫部位二襯的修復施工，經過后續(xù)9個月的不定期觀測，原裂縫標記完好，未發(fā)現(xiàn)新的裂縫。經交通質監(jiān)部門及檢測單位檢測，該工程結構安全，質量驗收合格，為今后隧道二襯類似病害處治提供了新的解決方案。

[1] 方利成,杜彬,張曉峰.隧道工程病害防治圖集[M].北京：中國電力出版社,2001.

[2] 陳榮魁.福建霞浦赤嶺隧道地質病害及其處治措施[J].礦產勘查,2003,6(12):69-71.

[3] 徐琳.隧道二次襯砌裂縫分析與治理[J].公路交通科技,2003,20(6):66-68.

[4] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[5] 郗慶桃.梁家山隧道裂拱及滲漏水整治[J].隧道及地下工程,1993(4):48-53.