隧道邊墻縱向開裂成因分析及整治措施研究

史趙鵬

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

裂縫作為襯砌結(jié)構(gòu)的主要病害之一，降低了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，并形成了滲水通道，影響隧道的安全運(yùn)營。造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂的原因多種多樣，按裂縫產(chǎn)生原因主要有圍巖松散壓力過大、地層不均勻沉降、基礎(chǔ)承載力不足、膨脹土壓力、襯砌水壓力、凍脹壓力等。

在隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生原因和治理措施方面，日本的研究較多。日本Toshihiro Asakura[1]在對隧道襯砌的初期及中期檢測基礎(chǔ)上，從圍巖壓力、襯砌劣化、漏水和凍害等三方面產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行原因分析和治理。國內(nèi)王建秀[2]針對三公箐隧道展開了裂縫監(jiān)測工作，指出雙連拱隧道裂縫主要是由基底沉降不均、隧道處于偏壓狀態(tài)及施工工序不合理等原因造成；傅剛、張林[3]等對重慶市八一、向陽隧道襯砌開裂進(jìn)行分析及治理，得出地質(zhì)環(huán)境和設(shè)計(jì)因素是導(dǎo)致兩座隧道的主要開裂原因。

本文以鷹鷂山鐵路隧道工程為背景，結(jié)合裂縫產(chǎn)狀，從混凝土材料、外部作用和施工因素分析隧道邊墻縱向開裂原因；進(jìn)一步針對隧道邊墻開裂實(shí)際情況，提出隧道襯砌裂縫的整治措施。

2 隧道邊墻縱向開裂概況

準(zhǔn)朔鐵路鷹鷂山隧道位于山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，隧道全長11 572 m，進(jìn)出口起止里程為DK41＋428～DK53＋000，隧道的縱向設(shè)計(jì)坡度一致，從進(jìn)口至出口以5.1‰ 坡度下坡。鷹鷂山隧道于2008年4月1日開工，2011年9月22日貫通。2011年2月，鷹鷂山隧道在距出口約600 m處DK52＋351～DK52＋512段共161 m左右側(cè)邊墻距軌面2～4 m高度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)二次襯砌表面有縱向長距離貫通裂縫(見圖1)。裂縫位于襯砌橫斷面最大跨附近，采用CK-101裂縫測寬儀對隧道裂縫寬度測量，得到裂縫寬度為0.4～4.6 mm，平均寬度約1.7 mm，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的0.2 mm上限。對裂縫分布進(jìn)行檢測，得到其分布圖如圖2所示。

圖1 DK52＋410～DK52＋425最寬處裂縫段

圖2 隧道開裂段各里程裂縫寬度變化曲線

隧道區(qū)開裂段地質(zhì)情況主要顯示為全風(fēng)化閃長巖，洞身埋深60～80 m，位于飽水帶，按照V級圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)施工。V級圍巖噴混凝土厚20 cm，二次襯砌為素混凝土厚35 cm。隧道斷面形式均為標(biāo)準(zhǔn)鐵路單線隧道斷面，高約6.7 m，寬約6.2 m。其襯砌結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 隧道V級圍巖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

3 隧道邊墻縱向開裂成因分析

一般情況下，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因有:(1)混凝土本身性能，主要為混凝土材料的配比等因素；(2)外部作用，包括荷載作用和變形作用，主要為荷載作用；(3)施工工藝，主要為施工工藝造成的不良影響。隧道施工過程中所有混凝土由洞外攪拌站統(tǒng)一攪拌，洞內(nèi)現(xiàn)場澆筑，但裂縫僅出現(xiàn)在DK52＋360～DK52＋510段內(nèi)，且裂縫寬度較大，因此，可以排除混凝土本身性能造成的開裂因素。裂縫沿隧道縱向分布，且位于邊墻處，與施工縫無直接關(guān)聯(lián)，排除施工工藝造成的開裂因素。故本次鷹鷂山隧道邊墻縱向開裂主要從外部荷載作用方面來分析裂縫產(chǎn)生的主要原因。外部荷載作用包括:(1)高地應(yīng)力；(2)襯砌水壓力；(3)圍巖松散壓力；(4)凍脹力；(5)隧底圍巖承載力不足。

3.1 高地應(yīng)力

一般來說，高地應(yīng)力是指初始應(yīng)力特別是水平初始應(yīng)力分量大大超過其上覆蓋層巖體的重量[4]。伴隨高地應(yīng)力產(chǎn)生的問題為:硬脆性巖體的巖爆問題，對軟巖(當(dāng)圍巖級別較高時(shí))則易發(fā)生塌方及軟巖塑性大變形等問題。鷹鷂山隧道開裂段埋深60～80 m，隧道上方場地較寬闊平坦，不具備產(chǎn)生高地應(yīng)力的條件，且施工過程中未發(fā)生巖爆或大變形現(xiàn)象，故可以排除高地應(yīng)力因素是導(dǎo)致襯砌邊墻開裂的原因。

3.2 襯砌水壓力

隧道中地下水的處理方式有全封堵法和排導(dǎo)法，其中全封堵法中襯砌結(jié)構(gòu)要承受與地下水位相應(yīng)的水壓力；排導(dǎo)法則不考慮水壓力荷載[5]。鷹鷂山隧道排水方式采取排導(dǎo)法，強(qiáng)降雨后隧道襯砌表面及裂縫處基本保持干燥，因此，強(qiáng)降雨只是在一定程度上使圍巖含水量增加，地下水難以在巖體中以重力水形式賦存。另外，從強(qiáng)降雨后地下水的排導(dǎo)情況來看，可知該隧道襯砌背后地下水排導(dǎo)系統(tǒng)暢通。綜合來看，不具備導(dǎo)致襯砌縱向開裂的水壓力，故可排除水壓力因素是導(dǎo)致襯砌邊墻開裂的原因。

3.3 圍巖松散壓力

由于開挖而松動(dòng)或塌落的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)上的壓力稱為松散壓力。松散壓力主要出現(xiàn)在淺埋隧洞和松散地層中，也可能由于巖塊和圍巖的局部塌落所形成[6]。圍巖松散壓力以垂直力為主，在拱頂處沿隧道縱向多產(chǎn)生張開性的開裂。鷹鷂山隧道裂縫主要位于隧道邊墻處，拱頂處未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，故排除圍巖松散壓力是導(dǎo)致隧道襯砌邊墻開裂的原因。

3.4 凍脹力

在凍脹力作用下，通常冬季側(cè)壓強(qiáng)烈，一直繼續(xù)到融雪期。即使隧道襯砌沒有擠出，也不能完全復(fù)原，殘余變形是逐年積累的。從拱的下部到邊墻區(qū)域是主動(dòng)壓力區(qū)域，隧道斷面向上抬起，而使拱頂附近形成被動(dòng)壓力區(qū)域。此時(shí)，拱頂附近產(chǎn)生局部壓潰，路面鼓起。反之，融解時(shí)，襯砌或路面下沉，年年變異都有擴(kuò)展的趨勢[7]。

根據(jù)鷹鷂山隧道裂縫出現(xiàn)位置距離隧道出口約500 m深的洞身段，洞口處無裂縫出現(xiàn)。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，土壤最大凍結(jié)深度1.6 m，隧道埋深60～80 m，且裂縫寬度受季節(jié)性循環(huán)影響不明顯，故基本排除季節(jié)性凍脹是引起襯砌開裂的原因。

3.5 地層沉降或地層承載力不足

當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)較大沉降時(shí)，會(huì)使隧道在縱斷面方向發(fā)生屈折的狀態(tài)，橫向開裂顯著，施工縫以外部分也會(huì)不規(guī)則地發(fā)生。當(dāng)承載力不足時(shí)，多產(chǎn)生沿縱向或橫向的不均勻下沉，前者易產(chǎn)生橫向開裂，后者隨隧道軸的回轉(zhuǎn)產(chǎn)生斜向開裂。

對鷹鷂山隧道出口DK52＋200～DK52＋400裂縫段利用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行了隧底圍巖物探檢測。

根據(jù)探測結(jié)果，基底異常段落共11段，長度4～35 m不等，其中判定基底富水、含有相對較軟層的段落有6段。推測仰拱下方圍巖以全風(fēng)化巖層為主，裂隙發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，局部有淤泥、砂等填充物；地下水較發(fā)育，巖層富含水，有地下水貫通發(fā)育的跡象。

進(jìn)一步針對鷹鷂山隧道裂縫開裂段分布情況，對隧底圍巖鉆孔取芯。鉆孔取芯樣揭示:

(1)仰拱填充混凝土厚度為1.4～1.8 m，下部圍巖主要為含水量大的全風(fēng)化閃長巖，青灰色，局部為棕黃色，粗粒結(jié)構(gòu)，礦物成分主要為斜長石、角閃石，含黑云母及少量石英。

(2)部分地段巖芯呈砂粒狀及碎塊狀，風(fēng)化不均，為全風(fēng)化閃長巖遇水分化崩解后形成的砂粒，圍巖強(qiáng)度低，巖芯采取率低。

(3)隧道開裂嚴(yán)重地段(DK52＋410～DK52＋440)，仰拱混凝土以下圍巖存在厚薄不均的泥砂混合物，鉆孔過程中常見鉆探進(jìn)尺加快和掉鉆現(xiàn)象，進(jìn)尺加快厚度約0.2～0.45 m，說明存在溶腔和空洞。

(4)干鉆的6個(gè)孔靜止地下水位大多在0.09～0.66 m之間，說明地下水位高，地下水豐富。

(5)基底標(biāo)貫反映全風(fēng)化閃長巖整體密實(shí)，反彈嚴(yán)重，說明長期固結(jié)沉降已經(jīng)完成，開裂不再發(fā)展。

該段全風(fēng)化閃長巖遇水軟化明顯，極易破碎崩解，取芯完整性較差，承載力嚴(yán)重不足。結(jié)合隧道開裂情況，裂縫沿隧道縱向傾斜分布，得到襯砌裂縫與隧底圍巖承載力不足有關(guān)。

通過以上分析，鷹鷂山隧道基本排除高地應(yīng)力、襯砌水壓力、凍脹力等作用力導(dǎo)致襯砌開裂的條件。隧底地質(zhì)不良導(dǎo)致隧道下沉，下沉過程中因圍巖嵌固作用，導(dǎo)致邊墻沉降位移大于拱頂沉降位移，致使隧道最大跨度處邊墻襯砌產(chǎn)生拉應(yīng)力，隧道出現(xiàn)縱向開裂。

4 隧道裂縫的整治措施

隧道襯砌裂縫的修補(bǔ)與整治是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工程。隧道襯砌病害發(fā)生的原因很多，對應(yīng)的整治處理措施亦有不同，主要分隧道圍巖加固和襯砌加固兩大類。一般應(yīng)加強(qiáng)觀測，掌握襯砌裂縫變形發(fā)展情況和地質(zhì)資料，在查清病害原因的基礎(chǔ)上，對不同裂縫地段采用不同的工程措施，以達(dá)到穩(wěn)定圍巖、加固襯砌、確保安全運(yùn)營的目的。

因此，針對鷹鷂山隧道邊墻襯砌開裂的情況，依據(jù)隧道襯砌裂縫的整治原則，結(jié)合國內(nèi)外該類隧道襯砌病害的整治方法，體現(xiàn)“技術(shù)先進(jìn)、因地制宜、安全適用、綜合治理”的原則。綜合考慮鷹鷂山隧道襯砌開裂的原因、結(jié)構(gòu)安全性和整治成本問題等，鷹鷂山隧道邊墻縱向開裂病害從加固圍巖和隧道襯砌結(jié)構(gòu)等方面提出整治方案。為保證隧道襯砌裂縫整治效果，整治處理范圍為襯砌開裂段前后延伸50 m左右，即DK52＋300～DK52＋560。

4.1 隧底圍巖注漿方案

本隧底圍巖注漿的主要作用是封堵裂隙、填充溶腔、提高圍巖完整性，使其成為具有滿足隧道襯砌結(jié)構(gòu)地基承載力的加固體。根據(jù)隧底圍巖鉆孔所獲得地質(zhì)資料，按設(shè)計(jì)所提供的施工技術(shù)參數(shù)，最終確定注漿施工段的范圍、深度、注漿方案及施工技術(shù)參數(shù)。圍巖注漿深度可根據(jù)圍巖地質(zhì)條件等確定。

針對鷹鷂山隧道實(shí)際情況，隧底圍巖軟化深度在仰拱下5～9 m深度范圍內(nèi)。因此，在DK52＋300～DK52＋560長260 m范圍內(nèi)沿隧道中線，間距2.5 m×2.5 m，梅花形布置，采用φ80鉆頭打設(shè)深度5～9 m的注漿孔，對隧底圍巖進(jìn)行注漿。注漿材料根據(jù)現(xiàn)場情況采用普通水泥-粉煤灰雙液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿、超早強(qiáng)加固型TGRM水泥基特種注漿料等。漿液采用1∶1水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力達(dá)到0.6～1.0 MPa后持續(xù)15 min。若出現(xiàn)大量漏漿或長時(shí)間達(dá)不到注漿壓力時(shí)，改注純聚胺脂漿液(聚氨酯注漿材料兼顧堵水和加固的功能，其作用機(jī)理主要為填充壓密、黏結(jié)作用)，以達(dá)到加固隧底，提高基底承載力的目的。

4.2 隧底圍巖樹根樁方案及參數(shù)確定

在開裂比較嚴(yán)重的地段(縫寬2 mm以上)，隧底圍巖設(shè)置樹根樁來進(jìn)一步加固圍巖。初步尺寸擬定為:樹根樁直徑300 mm，深度插入基巖，即8～10 m長。每個(gè)橫斷面布置4根樁，其中兩根布置在軌道下，垂直打入，另兩根布置在兩側(cè)邊墻處，且斜向外側(cè)方打入，角度為5°～10°。橫斷面沿隧道縱向間距1.2 m左右，梅花形布置，共188根，采用C30鋼筋混凝土灌注樁[8-9]。

樹根樁采用的碎石骨料粒徑宜在10～25 mm范圍內(nèi)，鋼筋籠外徑宜小于設(shè)計(jì)樁徑30～40 mm。對作為承重樁的樹根樁，宜注水泥砂漿，配比為水∶水泥∶砂 ＝0.5∶1.0∶0.3(重量比)，砂粒粒徑不宜大于0.5 mm；對作為側(cè)向支護(hù)和抗?jié)B漏的樹根樁，宜注水泥漿，漿液水灰比宜為0.4～0.5。樹根樁成樁時(shí)可根據(jù)工程需要摻入適量的早強(qiáng)劑和減水劑。

4.3 襯砌結(jié)構(gòu)植筋掛網(wǎng)方案

在開裂比較嚴(yán)重地段(縫寬2 mm以上)，應(yīng)用植筋掛網(wǎng)方案加固隧道襯砌開裂段結(jié)構(gòu)，主要步驟為:(1)鑿除開裂段既有襯砌表面10 cm厚混凝土，范圍為裂縫上下各10 cm，邊墻表面用高壓風(fēng)或水沖洗干凈；(2)使用注漿機(jī)向裂縫內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂漿料，而后用防水寶調(diào)制成稠糊狀填入裂縫內(nèi)進(jìn)行防水處理；(3)鑿除部位植筋掛網(wǎng)打設(shè)錨桿，鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑5～10 mm＠150，在裂縫上下打設(shè)兩排錨桿，φ25錨桿長5 m，錨桿縱向間距為2 m，雙向單層澆筑100 mm厚C30細(xì)石砼；(4)用磨光機(jī)清理二次襯砌表面，恢復(fù)原二襯表面色澤。

4.4 裂縫補(bǔ)強(qiáng)方案

對出現(xiàn)裂縫的隧道襯砌墻面，根據(jù)裂縫寬度大小、長短采取如下步驟進(jìn)行修補(bǔ)處理。

(1)先將裂縫處鑿一條深70 mm、寬60 mm的“V”形縫，用高壓風(fēng)或水沖洗干凈。

(2)固定注漿通道及注漿管，用快速堵漏劑和42.5級普通硅酸鹽水泥固定注漿通道PE泡沫條。在固定PE泡沫條時(shí)，每隔50 cm左右埋設(shè)一根注漿管(嘴)。注漿管采用10～13 mm的耐壓橡膠軟管。

(3)使用注漿機(jī)向注漿孔(嘴)內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂漿料，從下向上或由一側(cè)向另一側(cè)逐步進(jìn)行。當(dāng)相鄰孔或裂縫表面觀測孔開始出漿后，保持壓力10～30 s，用控制灌漿的辦法，觀測裂縫中漿液的情況，再適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)注，然后依次按照順序進(jìn)行。

(4)裂縫注漿填堵完畢后，確認(rèn)環(huán)氧樹脂完全固化即可去掉或敲掉外露的注漿嘴，用磨光機(jī)清理二次襯砌表面，基本恢復(fù)原二襯表面色澤。

5 結(jié)論

本文以鷹鷂山鐵路隧道為背景，分析其襯砌結(jié)構(gòu)開裂的機(jī)理，并對裂縫的整治措施進(jìn)行探討，得到以下結(jié)論:

(1)鷹鷂山隧道基本排除高地應(yīng)力、襯砌水壓力、凍脹力等作用力導(dǎo)致襯砌開裂的條件。鷹鷂山隧道襯砌開裂主要是由于隧底全風(fēng)化閃長巖遇水軟化明顯，造成圍巖承載力不足和地基沉降而引起的。

(2)鷹鷂山隧道邊墻縱向開裂病害從加固圍巖和隧道襯砌結(jié)構(gòu)等方面提出整治方案。針對隧底圍巖，采取注漿與樹根樁的措施加固；針對隧道邊墻開裂襯砌，采用植筋掛網(wǎng)結(jié)合環(huán)氧樹脂材料修補(bǔ)裂縫的方法加固。