超大跨度公路隧道襯砌的變形規(guī)律及裂縫處理

湯建元，董永澤，余鸞鸚，王德志，鞏海筱

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重慶 401120；2. 長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，隨著中國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，公路交通運輸量在逐年提高，雙車道和三車道公路隧道已無法滿足現(xiàn)有交通量的需要，雙洞八車道超大跨度公路隧道應運而生。超大跨度公路隧道結構具有扁平、大跨、薄拱等特點，在施工過程中會遇到圍巖復雜多變、施工工序繁瑣等問題，常會出現(xiàn)不同程度的病害，甚至存在嚴重的安全隱患[1-3]。其中，二次襯砌裂縫就是隧道施工及運營過程中最常見的病害之一。

目前針對超大跨度公路隧道的研究多集中在圍巖壓力和支護參數(shù)優(yōu)化方面，而關于二次襯砌變形規(guī)律及其裂損的研究較少。其中，李勇峰等[4]以油坊坪隧道為依托，在對裂縫位置及長度進行統(tǒng)計分析的基礎上，從隧址區(qū)巖性、圍巖結構組合、偏壓3個方面闡述淺埋偏壓軟巖隧道二襯開裂的力學機理；張永興等[5]通過建立數(shù)值分析模型，分析了隧道二襯開裂的主要原因，提出了類似地質(zhì)和施工條件下合理的連拱隧道施工工序；白國權、陳世榮、楊春平等[6-8]通過現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測對二襯開裂段病害原因進行了分析，提出了具體的處理措施。這些研究成果推動了該方向的發(fā)展，但由于超大跨度隧道施工工法和支護參數(shù)不盡相同[9-11]，加之隧道所處地質(zhì)、氣候條件的復雜性及區(qū)域性，因此有必要對超大跨度公路隧道二次襯砌開裂后的變形規(guī)律及產(chǎn)生裂縫的原因進行研究[12-15]。

本文以濱萊高速改擴建工程中的姚家峪隧道為依托，對二次襯砌開裂段進行變形監(jiān)測，分析二次襯砌的變形規(guī)律及產(chǎn)生開裂的原因，為類似工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

姚家峪隧道位于淄博市博山區(qū)昃家莊西南側，為分離式雙向八車道高速公路隧道。隧道全長385 m，單洞最大開挖跨度為21.48 m，最大開挖高度為14.29 m。隧址區(qū)為剝蝕低山丘陵地貌區(qū)，地表植被較發(fā)育，基巖埋深較淺，隧道最大埋深約37.2 m，左右線凈距為15～21 m，屬于淺埋小凈距隧道。隧道洞口段以中奧系灰?guī)r、泥灰?guī)r為主，層狀構造，巖體較破碎。隧道洞口如圖1所示。

圖1 姚家峪隧道出口現(xiàn)場

2 二次襯砌開裂分析

2018年3月5日，姚家峪隧道左線ZK102+950～ZK102+990和右線YK102+955～YK103+000區(qū)段的二次襯砌上出現(xiàn)沿隧道縱向曲折延伸的裂縫，裂縫位于起拱線附近。截至2018年9月21日，左線左側、右側均發(fā)現(xiàn)12條裂縫，裂縫最大寬度為0.81 mm(樁號：ZK102+975(左側))；右線左側共發(fā)現(xiàn)10條裂縫，右側共發(fā)現(xiàn)11條裂縫，裂縫最大寬度達到1.60 mm(樁號：YK102+971(右側))。隧道施工方法為上臺階CD法，隧道開裂段支護參數(shù)見表1。

表1 支護參數(shù)

隧道裂縫為縱向貫通縫，沿隧道起拱線(路面上1.65 m)上下范圍縱向開裂。其中左洞ZK102+954.5～ZK102+946、ZK102+872.5～ZK102+862.5等范圍出現(xiàn)4條45° 方向的環(huán)向裂縫。

通過對裂縫寬度的測量，發(fā)現(xiàn)大部分裂縫寬度約為0.3～1.0 mm，少部分裂縫寬度發(fā)展到1.5 mm左右；通過鉆孔取芯測得裂縫深度約為8～40 cm。隧道二次襯砌裂縫的分布范圍和具體的裂縫形態(tài)如圖2、3所示。

圖2 二次襯砌裂縫分布范圍示意

3 監(jiān)控量測

3.1 監(jiān)測方案

為了監(jiān)測裂縫發(fā)育情況，便于后期對結構安全性進行評估，對二次襯砌開裂段進行拱頂沉降、凈空收斂及裂縫寬度監(jiān)測。監(jiān)測采用的儀器和測讀頻率見表2。

表2 現(xiàn)場監(jiān)測設備及測讀頻率

圖3 現(xiàn)場裂縫形態(tài)

根據(jù)現(xiàn)場探察二次襯砌開裂的情況，分別在左、右洞開裂段布設9個監(jiān)測斷面。在監(jiān)測斷面的拱頂埋設膨脹掛鉤，并用高精度水準儀進行拱頂沉降監(jiān)測，在監(jiān)測斷面起拱線上下各埋設1對收斂測頭，用數(shù)顯收斂計進行凈空收斂監(jiān)測，收斂測頭上下間距約為0.3 m。斷面測點布置與現(xiàn)場監(jiān)測分別如圖4、5所示。

圖4 斷面測點布置

圖5 現(xiàn)場監(jiān)測

圖7 右線拱頂沉降時態(tài)曲線

3.2 監(jiān)測結果分析

3.2.1 拱頂沉降

左洞ZK102+960、ZK102+980和右洞YK102+976、YK102+980拱頂沉降及溫度時態(tài)曲線分別如圖6、7所示。由圖6、7可知：二次襯砌拱頂沉降值與氣溫變化規(guī)律一致，即隨溫度升高而增大，隨溫度降低而減小。隧道的沉降值隨溫度的波動較大；隨著進入6月后氣溫逐漸穩(wěn)定，沉降速率逐漸平緩，二次襯砌已處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 左線拱頂沉降時態(tài)曲線

圖9 右線凈空收斂時態(tài)曲線

3.2.2 凈空收斂

左、右線各斷面收斂時態(tài)曲線分別如圖8、9所示。由圖8、9可知：凈空收斂表現(xiàn)為整體收斂，說明隧道的二次襯砌凈空收斂是隨溫度的變化產(chǎn)生的整體收縮；變形前期波動較大，最大收斂值達到13.2 mm，隨著溫度的逐漸穩(wěn)定，收斂變形也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 左線凈空收斂時態(tài)曲線

3.2.3 裂縫寬度

由左、右線裂縫寬度變化曲線(圖10、11)可知：裂縫寬度逐漸增加，隨著溫度逐漸達到穩(wěn)定，裂縫寬度趨于穩(wěn)定，整體變化速率較小。

圖10 左線裂縫寬度變化曲線

圖11 右線裂縫寬度變化曲線

3.3 開裂原因分析與處理措施

3.3.1 開裂原因分析

公路隧道的開裂與外部荷載、混凝土收縮、溫度應力、支護結構和施工工法均有關。根據(jù)二次襯砌拱頂沉降、凈空收斂以及裂縫寬度的變形規(guī)律[16-20]，分析二次襯砌開裂的原因。

姚家峪隧道二次襯砌為冬季施作，混凝土產(chǎn)生大量水化熱，而當?shù)囟咀畹蜌鉁貫?11 ℃，施工時雖然采取掛設保溫門簾和無煙火爐的措施，但是由于隧道斷面較大且隧道已經(jīng)貫通(形成貫通風)，巨大的溫差致使襯砌內(nèi)外產(chǎn)生不均勻收縮變形。同時，巨大溫差會使二次襯砌內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力，而二次襯砌溫度應力作用與大體積混凝土溫度應力類似，混凝土在某一方向的長度遠小于其他2個方向，受地基較大水平阻力影響，造成對混凝土的約束?；炷潦湛s及溫差越大，襯砌越易開裂，結構越薄，溫度梯度越大，抵抗收縮變形的能力越差，加之地基對混凝土的約束影響，導致姚家峪隧道二次襯砌出現(xiàn)開裂。

3.3.2 處理措施

為防止二次襯砌裂縫的產(chǎn)生和擴大，提出以下處理措施[21-23]。

(1)當隧道襯砌沒有發(fā)生掉塊、破裂等結構性破壞時，多采用注漿加固處理。對于裂縫寬度大于0.3 mm的部分，采用低壓速灌法進行灌縫處理；對于裂縫寬度小于0.3 mm的部分，利用環(huán)氧樹脂漿液進行封閉；也可將混凝土表面鑿毛，在表面噴涂混凝土黏結用膠。

(2)冬季施工時應加強保障措施，包括隧道的保溫措施、施工設備的保護、鋼筋混凝土材料的處理等。同時，為避免地下水使圍巖性質(zhì)惡化，應完善地表截排水系統(tǒng)，加強洞內(nèi)徑向排水系統(tǒng)，預留永久性排水孔，防止排水堵塞引起結構脹裂。

(3)對二次襯砌開裂段進行長期的跟蹤觀測，關注裂縫發(fā)展趨勢，通過監(jiān)控量測手段分析隧道二襯開裂段變形、受力狀況，并做相應的處理。

4 結 語

通過對濱萊高速姚家峪隧道二次襯砌開裂段進行監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)溫度的變化會引起變形量的增減。分析了二次襯砌產(chǎn)生裂縫的原因，并根據(jù)裂縫的寬度給出了處理措施。具體結論如下。

(1)洞口溫度的變化導致隧道二次襯砌發(fā)生變形，是隧道內(nèi)溫度的變化引起混凝土材料的收縮，混凝土收縮變形的規(guī)律是先增大、后逐漸平緩。

(2)二次襯砌開裂段位于隧道洞口段，并沿起拱線上下縱向曲折延伸；通過對裂縫產(chǎn)生的原因進行分析，發(fā)現(xiàn)混凝土材料的收縮及溫度應力的作用是姚家峪隧道產(chǎn)生裂縫的主要原因。

(3)當超大跨度公路隧道隧道二次襯砌發(fā)生非結構性的襯砌開裂時，可根據(jù)裂縫寬度選取加固措施，主要的處理措施為注漿加固或噴涂混凝土黏結用膠，同時對開裂段進行長期跟蹤監(jiān)測，防止裂縫持續(xù)發(fā)育。