襯砌開裂對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響分析

摘要：文章基于高速公路運(yùn)營隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全性的分析，對隧道襯砌開裂情況進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)合規(guī)范進(jìn)行了隧道結(jié)構(gòu)安全等級評定和襯砌剛度驗(yàn)算，對襯砌開裂后穩(wěn)定性和安全性不足的測段進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)驗(yàn)算，驗(yàn)證了該加固方案可行。

關(guān)鍵詞：襯砌開裂;隧道;結(jié)構(gòu)安全性;剛度驗(yàn)算;加固

0 引言

我國已成為世界上隧道通車?yán)锍套铋L的國家，很多隧道運(yùn)營時(shí)間較長，出現(xiàn)了襯砌開裂、滲漏水等病害，給隧道運(yùn)營管理帶來了很大的安全隱患。近年來，襯砌裂縫對隧道結(jié)構(gòu)安全性的影響越來越受到重視，很多學(xué)者相繼投入研究，他們采用混凝土斷裂力學(xué)理論、平面有限元位移法、擴(kuò)展有限元法等方法對裂縫的分布規(guī)律、擴(kuò)展過程、成因進(jìn)行分析，并重點(diǎn)對裂縫影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行研究，取得了大量的研究成果。

現(xiàn)階段，我國公路隧道多采用新奧法進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，隧道支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)通常采用工程類比法，即以隧道圍巖為主要設(shè)計(jì)主題，根據(jù)以往的施工案例進(jìn)行類比和計(jì)算確定支護(hù)參數(shù)。山嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)形式主要是以復(fù)合式襯砌為主，即采用以錨噴支護(hù)為初期襯砌，素混凝土或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為二次襯砌，中間加設(shè)防水層的襯砌形式。本文在對隧道襯砌裂縫進(jìn)行充分調(diào)查的基礎(chǔ)上，對各測段襯砌剛度進(jìn)行驗(yàn)算，并對不穩(wěn)定測段進(jìn)行加固設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

1 工程概況

某高速公路隧道始建于2001年，設(shè)計(jì)采用分離式單洞雙車道結(jié)構(gòu)，隧道凈寬為9.0 m，凈高為5.2 m，隧道內(nèi)車道寬度為3.5 m，兩側(cè)路緣帶各為0.25 m，人工檢修道寬度為0.75 m。隧道圍巖等級主要為Ⅳ級和Ⅴ級，圍巖破碎，裂隙、紋理發(fā)育，洞口段為殘坡積碎石土，內(nèi)部主要為中元古界雙橋山粉砂巖夾粉砂質(zhì)板巖。圍巖主要為強(qiáng)風(fēng)化巖，施工中發(fā)現(xiàn)少量滲漏水。隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)采用錨桿（3.5 m長中空注漿錨桿）+鋼筋網(wǎng)+鋼拱架（I18或I20）+噴射混凝土（26 cm厚C25噴射混凝土）復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，二次襯砌采用50 cm厚的C25鋼筋混凝土，全洞布設(shè)塑料防水板。

經(jīng)過十幾年的運(yùn)營使用，該隧道二次襯砌出現(xiàn)了多處開裂，尤其以洞口附近50 m范圍內(nèi)淺埋段開裂最為嚴(yán)重。為了確保隧道總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對隧道襯砌裂縫進(jìn)行調(diào)查，分析裂縫成因，進(jìn)行安全性驗(yàn)算，為制定養(yǎng)護(hù)加固方案提供依據(jù)。

2 襯砌裂縫調(diào)查

2.1 裂縫調(diào)查方法和內(nèi)容

襯砌裂縫調(diào)查的內(nèi)容主要包括裂縫寬度、深度和裂縫寬度變化量等。調(diào)查方法主要采用測量儀器，利用電子成像技術(shù)、超聲波探測技術(shù)等進(jìn)行檢測。

隧道襯砌裂縫寬度（w）調(diào)查選用GTJ-FKY裂縫測寬儀進(jìn)行，利用現(xiàn)代電子成像技術(shù)對裂縫寬度進(jìn)行測量，測量精度可以達(dá)到0.02 mm，測量范圍為0～5 mm。隧道襯砌裂縫深度（d調(diào)查選用GTJ-FKY裂縫深度測試儀進(jìn)行，利用超聲波技術(shù)對襯砌裂縫進(jìn)行測量，通過在裂縫兩側(cè)分別布置T，R換能器，測定兩個(gè)換能器內(nèi)邊緣間距l(xiāng)′，讀取聲時(shí)值ti，得到裂縫深度di。裂縫寬度變化量（Δw調(diào)查可以對裂縫發(fā)展情況進(jìn)行檢測，一般采用JM振弦式測縫計(jì)進(jìn)行測量，在裂縫兩側(cè)布置兩個(gè)帶螺紋的錨頭，將測縫計(jì)連接在裂縫兩側(cè)的錨頭上，通過定期采集數(shù)據(jù)得到裂縫寬度的變化量，監(jiān)測裂縫發(fā)展趨勢。

2.2 襯砌裂縫調(diào)查結(jié)果

針對隧道襯砌的開裂情況，選取5個(gè)測段進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查，每個(gè)監(jiān)測段為20 m，調(diào)查結(jié)果如表1所示。

對所選取的5個(gè)測段調(diào)查結(jié)果進(jìn)行分析可知，各測段裂縫的分布位置、深度、寬度、發(fā)展趨勢、成因等存在較大的差異。K1測段圍巖地質(zhì)條件較差，裂隙節(jié)理發(fā)育，屬強(qiáng)風(fēng)化巖石，圍巖自穩(wěn)能力差，襯砌結(jié)構(gòu)所承受的荷載較大，裂縫產(chǎn)生在起拱線上方，寬度較小，但深度較大，且已基本穩(wěn)定。K2測段隧道存在偏壓現(xiàn)象，在左側(cè)拱肩出現(xiàn)斜向裂縫，裂縫長度較大，達(dá)5.9 m，深度較小，僅為4.76 cm。K3測段隧道襯砌是在低溫情況下澆筑的混凝土，由于保溫措施不良，襯砌拱部出現(xiàn)大量的微裂縫，呈網(wǎng)狀，寬度、深度、長度均較小，在溫度變化下會進(jìn)一步發(fā)展，存在剝落的危險(xiǎn)。K4和K5測段襯砌混凝土澆筑質(zhì)量不合格，施工縫位置開裂嚴(yán)重，深度較大，呈環(huán)狀分布。

3 襯砌裂縫對隧道結(jié)構(gòu)的安全性影響分析

3.1 襯砌開裂隧道結(jié)構(gòu)安全等級評定

在對襯砌開裂隧道結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行分析前，首先對襯砌結(jié)構(gòu)安全等級進(jìn)行評定。根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H12-2015）中對隧道襯砌裂縫的定性判定標(biāo)準(zhǔn)，分為四個(gè)等級，評定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。根據(jù)隧道裂縫調(diào)查結(jié)果，結(jié)合裂縫長度、寬度、深度等因素進(jìn)行定量分析，評定標(biāo)準(zhǔn)如表3和表4所示。根據(jù)定量和定性分析結(jié)果，對襯砌開裂隧道結(jié)構(gòu)安全等級進(jìn)行綜合評定。

根據(jù)表1所列裂縫調(diào)查結(jié)果，結(jié)合表2～4，綜合考慮隧道襯砌裂縫的長度、深度、寬度、寬度變化量等因素，對5個(gè)測段的襯砌安全等級進(jìn)行評定，結(jié)果如表5所示。

3.2 襯砌開裂隧道襯砌剛度驗(yàn)算

隧道襯砌開裂，會降低襯砌結(jié)構(gòu)的剛度，影響襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性。結(jié)合以往的研究成果，采用剛度退化理論對開裂襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度驗(yàn)算，有助于對隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性分析。文章基于剛度退化理論，假設(shè)襯砌初始剛度為B0;B1為襯砌結(jié)構(gòu)開裂后割線剛度;B2為鋼筋屈服時(shí)割線剛度;ρ為襯砌截面受拉鋼筋的配筋率（%），計(jì)算公式如下：

式中：a1、b1、a2、b2為系數(shù)，本項(xiàng)目二次襯砌采用C25混凝土，取值：a1=0.63，b1=0.56，a2=1.15，b2=0.77;配筋率ρ=0.49。

在式（1）和式（2）中，B1/B0為襯砌結(jié)構(gòu)開裂后割線剛度與初始剛度之比;B2/B0為鋼筋屈服時(shí)割線剛度與初始剛度之比;ρ為襯砌截面受拉鋼筋的配筋率（%）。

在實(shí)際驗(yàn)算過程中，根據(jù)裂縫開裂情況選取合適的剛度比。當(dāng)裂縫寬度≥3 mm時(shí)，取B2/B0，且取值≤0.6，>0.6時(shí)取0.6;當(dāng)裂縫寬度≤0.5 mm時(shí)，取B1/B0，且取值≤1，>1時(shí)取1;其余范圍采用線性插值法確定。對5個(gè)測段剛度比的計(jì)算結(jié)果如表6所示。

對表6所示數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，K5段驗(yàn)算所得剛度比僅為0.37，說明該測段襯砌結(jié)構(gòu)剛度退化程度較高，且已嚴(yán)重影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性與安全性，必須采取措施進(jìn)行加固。其余測段隧道剛度退化程度相對較低，不會影響隧道襯砌的整體穩(wěn)定性與安全性，對裂縫部位進(jìn)行處理即可，不需進(jìn)行加固。

4 襯砌開裂隧道加固處治

4.1 加固設(shè)計(jì)方案

由于K5測段隧道襯砌開裂已經(jīng)嚴(yán)重影響隧道的穩(wěn)定性和安全性，需要采取措施進(jìn)行加固，本項(xiàng)目采用在二次襯砌內(nèi)部加設(shè)鋼拱架噴射混凝土形成加固套拱的方式進(jìn)行加固。隧道加固設(shè)計(jì)如圖1所示。具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

（1）鋼拱架選擇I18型工字鋼，布置間距為0.8 m。

（2）噴射混凝土標(biāo)號為C25，厚度為26 cm。

（3）分別在隧道兩側(cè)設(shè)置C25混凝土支墩，左側(cè)頂寬100 cm，右側(cè)頂寬80 cm。為防止影響右側(cè)排水，做3∶1放坡處理。

（4）在原有襯砌上布置鉆孔植筋，鋼筋選用22 mm螺紋鋼，并彎折與鋼拱架焊接為一個(gè)整體。

（5）在鋼拱架外側(cè)焊接8 mm，200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片。

4.2 加固方案驗(yàn)算

本測段隧道圍巖等級為V級，圍巖穩(wěn)定性差，二次襯砌承擔(dān)了大量的荷載，圍巖彈性抗力取V級圍巖的最大值。考慮到隧道初期支護(hù)和原有二次襯砌可以承受一部分圍巖壓力，加固后隧道計(jì)算參數(shù)選擇如下：圍巖重度γ=20（kN/m3）、二襯重度γ=25（kN/m3）、彈性抗力系數(shù)k=200 MPa/m。圍巖壓力分為三部分：上部圍巖壓力選536 kPa、拱頂水平側(cè)壓力選145 kPa、拱底水平側(cè)壓力選197 kPa。使用同濟(jì)曙光軟件進(jìn)行分析整理，荷載情況分析如圖2所示。隧道加固后軸力與彎矩計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖2和圖3所示結(jié)果，確定隧道受力最不利截面位于拱頂，最大軸力為1 725 kN，最大彎矩為1 312 kN·m，安全系數(shù)為2.71，高于規(guī)范要求的≥2.40，說明加固方案可行。

5 結(jié)語

通過對隧道襯砌開裂情況進(jìn)行調(diào)查，對5個(gè)測段隧道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性進(jìn)行分析，并對不穩(wěn)定測段進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

（1）通過對隧道襯砌開裂情況進(jìn)行調(diào)查，結(jié)合規(guī)范對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全等級評定和襯砌剛度驗(yàn)算，確定K5測段襯砌剛度比為0.37，說明裂縫病害已嚴(yán)重威脅隧道圍巖的安全，必須進(jìn)行加固處理。

（2）對K5測段加固方案進(jìn)行驗(yàn)收，確定隧道受力最不利截面位于拱頂，最大軸力為1 725 kN，最大彎矩為1 312 kN·m，安全系數(shù)為2.71，高于規(guī)范要求的≥2.40，說明加固方案可行。

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作者簡介：陶興輝（1973—），工程師，研究方向：公路隧道施工與管理。