隧道端墻式洞門裂縫的成因分析和處治

黃 達(dá)， 任 會(huì)， 陳立峰

(1.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司， 湖南 郴州 423000； 2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410200)

1 概述

界牌嶺隧道是廈門至成都國家高速公路湖南省汝城(湘贛界)至郴州段一座中短隧道，位于汝城縣文明鄉(xiāng)西南部，為巖溶低山地貌。該隧道于2012年12月正式建成通車，汝城端采用端墻式洞門，運(yùn)營(yíng)過程中發(fā)現(xiàn)洞門墻與隧道明洞拱圈連接處兩側(cè)45°方向一直延伸至墻頂出現(xiàn)較為明顯的裂縫，裂縫兩側(cè)的墻面飾面板出現(xiàn)掉落。裂縫的存在給公路的正常運(yùn)營(yíng)帶來了安全隱患，需對(duì)開裂原因及結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出可行的加固方案。

2 地質(zhì)條件

汝城端洞口于2008年11月開工，在施工中曾因下部開挖導(dǎo)致上部堆積層呈牽引式下滑。洞口段圍巖為粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)頁巖、炭質(zhì)頁巖夾薄煤層等，巖質(zhì)軟硬不均，巖層傾向東，為順向坡。洞口以內(nèi)60 m地段，出露含煤層(標(biāo)高468～494 m)，其中煤層為順層的軟弱夾層，遇水易軟化，自穩(wěn)能力差，該段路面標(biāo)高477.12 m，洞門段處于坡殘積土(粉質(zhì)粘土)滑坡體上。地基的巖土力學(xué)指標(biāo)參數(shù)見表1。

3 洞門墻設(shè)計(jì)參數(shù)

汝城端洞門樁號(hào)為ZK76+410、YK76+400，左洞洞門設(shè)計(jì)標(biāo)高為476.93 m，挖深5.5 m；右洞洞門設(shè)計(jì)標(biāo)高為476.8 m，挖深3.8 m。洞門墻采用 C15片石混凝土澆筑，墻背直立，墻身表面設(shè)置10∶1坡度。墻身厚度底部為2.01 m，頂部為1.05 m，墻高14.07 m，埋置深度為2.1 m。洞門墻后部為明洞，頂部設(shè)置2 m厚回填土，回填土表面設(shè)置0.5 m×0.5 m的矩形截排水溝。

表1 洞門墻地基的巖(土)物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)表巖土名稱容許承載力抗剪強(qiáng)度σ0/kPa凝聚力C/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)基底摩擦系數(shù)亞粘土1180.03520.00.25碎石土250—34.00.45強(qiáng)風(fēng)化砂巖400—31.50.45強(qiáng)風(fēng)化頁巖260—31.50.35

4 洞門墻裂縫情況

2015年初，隧道洞門墻出現(xiàn)較明顯的裂縫(見圖1)。裂縫從右洞左側(cè)、左洞右側(cè)拱圈向洞門墻頂部發(fā)展，且已經(jīng)貫通，最大開裂寬度20 mm。從2018年6月開始，養(yǎng)護(hù)部門在洞門墻設(shè)置2處觀測(cè)點(diǎn)，定期對(duì)裂縫的發(fā)展進(jìn)行觀測(cè)。

通過連續(xù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：2號(hào)測(cè)點(diǎn)裂縫前半年時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展了9 mm，后半年時(shí)間基本穩(wěn)定，變化比較明顯的時(shí)間點(diǎn)為2018年的11月；1號(hào)測(cè)點(diǎn)裂縫則一直緩慢發(fā)展。

圖1 裂縫外觀

5 裂縫成因分析

5.1 洞門墻裂縫類型

結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，分析洞門端墻開裂主要有3種原因[1-3]。

5.1.1水害

洞門端墻背后地表水、地下水排泄不暢，水土壓力過大導(dǎo)致洞門墻向臨空面傾斜、對(duì)地基形成較明顯的偏壓應(yīng)力，并隨地下水的豐期和枯期形成循環(huán)，致使地基產(chǎn)生不均勻沉降。

5.1.2軟基

結(jié)合前述地質(zhì)條件可知，洞門墻基底地基巖質(zhì)軟硬不均，且夾有煤層，由于煤層遇水存在體積膨脹，從而導(dǎo)致軟化，故在長(zhǎng)期的地下水影響下，端墻基礎(chǔ)出現(xiàn)承載力下降現(xiàn)象。

5.1.3震動(dòng)

毗鄰隧道有一個(gè)較大規(guī)模的露天采礦區(qū)，礦區(qū)開采采用表面爆破的方式。動(dòng)荷載長(zhǎng)期作用于結(jié)構(gòu)，形成比較明顯的慣性沖擊作用，導(dǎo)致地基壓縮和下沉。

5.2 洞門墻-地基耦合分析

采用MIDAD GTS建立有限元計(jì)算模型，通過對(duì)天然地基及基底脫空后的模型進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，判斷洞門端墻裂縫的形式、位置，并作出評(píng)價(jià)。在模型中，地基對(duì)洞門墻結(jié)構(gòu)的支撐采用彈性地基梁模擬，地基的剛度采用僅受壓的地基彈簧模擬，以地基反力系數(shù)方式錄入。洞門墻則采用平面應(yīng)力模型模擬，由于洞門墻與拱圈之間并未發(fā)生滑移，故其連接采用剛性連接。將地勘報(bào)告提供的地基反力系數(shù)作為起算值，再分別降低其反力系數(shù)來進(jìn)行反分析，通過研究洞門端墻的應(yīng)力變化來確定開裂的位置及形式。

5.2.1地基反力系數(shù)(基床系數(shù))

地基反力系數(shù)k是采用Winkler地基模型進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，主要用于基礎(chǔ)彎矩、撓度和剪力等的計(jì)算。一般認(rèn)為地基土某點(diǎn)的變形s與其所受的壓力p成正比，即p/s=k。本文中地基反力系數(shù)k專指法向地基反力系數(shù), 其中將水平向和豎向的地基反力系數(shù)分別稱為水平地基反力系數(shù)kh和豎向地基反力系數(shù)kv。

根據(jù)文克勒地基模型中梁的擾曲微分方程和靜力平衡條件，可得到下式[4-6]。

(1)

式中：f為基礎(chǔ)梁擾度，m；E為基礎(chǔ)梁材料彈性模量，kPa；I為基礎(chǔ)梁截面慣性矩，m4；p為基底反力，kPa；q為基礎(chǔ)梁上部均布荷載，kN/m；B為基礎(chǔ)梁的寬度，m。

文克勒地基基礎(chǔ)梁計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2，其中R為基礎(chǔ)梁上部的集中力，kN；M為基礎(chǔ)梁受到的外部彎矩，kN·m。由于地基反力p=k·y，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件y=f，可得到撓度與地基反力系數(shù)k之間的等式：

(2)

圖2 文克勒地基基礎(chǔ)梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

由于本項(xiàng)目的洞門墻剛度(EI)較大，在地基上部荷載不變的情況下，地基反力系數(shù)的變化將造成地基變形(撓度)較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致墻底脫空。在實(shí)際工程中主要有3種方法來確定基床系數(shù)：經(jīng)驗(yàn)取值法、按基礎(chǔ)沉降Sm反算法、載荷試驗(yàn)法。本文擬采用工程地質(zhì)報(bào)告中提供值作為起算值，以有限元反分析確定當(dāng)前值。

5.2.2洞門墻應(yīng)力分析

采用平面應(yīng)力單元模擬洞門端墻，其軸向應(yīng)力和主應(yīng)力圖如圖3所示。

圖3 軸向應(yīng)力與剪應(yīng)力成分

采用梁?jiǎn)卧M明洞襯砌，外荷載主要是洞門墻和明洞襯砌所受的重力。由于洞門墻基礎(chǔ)當(dāng)前的地基反力系數(shù)不易得到，明洞部分荷載小于洞門墻部分的荷載，故先取施工期的天然地基反力系數(shù)(k=80 MPa/m)作為基準(zhǔn)起算值，然后將地基反力系數(shù)按照明洞和洞門端墻2個(gè)不同的組成部分分別削弱來模擬地基軟化對(duì)洞門端墻的影響，以反算洞門墻材料的最大拉應(yīng)力(開裂應(yīng)力)作為終止計(jì)算條件，表2為計(jì)算結(jié)果。

從洞門墻主應(yīng)力的分布圖(見圖4)可以知道，靠近明洞邊墻的頂部為應(yīng)力最大位置，當(dāng)?shù)鼗禂?shù)從施工期的80 MPa/m降低至40 MPa/m時(shí)，墻頂最大主應(yīng)力為1 MPa>0.91 MPa(C15片石混凝土軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值)，在端墻自重荷載和循環(huán)水土壓力的長(zhǎng)期作用下，隧道端墻從頂部裂開并沿主應(yīng)力跡線逐漸延伸至明洞邊墻。

表2 洞門墻有限元計(jì)算最不利點(diǎn)應(yīng)力結(jié)果表地基形態(tài)基底彈性抗力系數(shù)k/(MPa·m-1)端墻明洞拱圈外側(cè)45°應(yīng)力/kPa洞門墻頂應(yīng)力/kPa主應(yīng)力跡線天然地基8080350680以拱圈內(nèi)側(cè)為軸的拋物線形狀分布8080350680侵蝕后地基408049085040405201 000(開裂)

圖4 洞門墻最大主應(yīng)力分布圖(k=40 MPa/m)

從上述計(jì)算分析得到以下結(jié)論：

1)端墻式洞門主應(yīng)力跡線呈以拱圈內(nèi)側(cè)為軸的拋物線分布，端墻頂部應(yīng)力接近拱圈外側(cè)45°方向應(yīng)力的2倍。

2) 端墻和明洞的基礎(chǔ)在地下水侵蝕與爆破震動(dòng)荷載的長(zhǎng)期作用下，基底軟弱層存在一個(gè)逐漸蠕變過程，當(dāng)?shù)鼗鶑椥钥沽ο禂?shù)降低到天然地基的一半時(shí)，墻頂會(huì)首先出現(xiàn)裂縫。

3) 端墻地基軟化較明洞地基軟化對(duì)洞門墻的影響大，二者同時(shí)削弱則可直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。

5.3 裂縫評(píng)價(jià)

從洞門墻裂縫的觀測(cè)和變形發(fā)展情況看，從洞門墻頂部延伸至拱圈的裂縫主要是由于地基弱化造成洞門墻發(fā)生沉降，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力重分布而出現(xiàn)拉應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度所致。墻體開裂后，端墻整體性削弱，但未發(fā)生明顯的移位或傾斜，其整體保持穩(wěn)定。故端墻裂縫會(huì)導(dǎo)致墻體的外觀和水密性受損而整體性影響不大，需要加強(qiáng)觀測(cè)并及時(shí)封閉裂縫，避免墻面被泥漿污染。

6 裂縫處理方案及實(shí)施效果

端墻開裂主要因墻底基礎(chǔ)承載力不足所致，處理方案以注漿壓密為主，通過基底無損灌漿提高地基完整性，減少不均勻沉降發(fā)生。本項(xiàng)目沿端墻基底按照1 m間距布置φ108 mm注漿鋼花管，注漿完成后鋼花管可作為樹根樁予以保留，增強(qiáng)基底的承載力[7-9]。注漿參數(shù)如下：采用水泥漿液，添加水玻璃作為速凝劑；注漿壓力0.5～1.0 MPa；水灰比1∶0.5～1∶1。

注漿方法:采用跳孔間隔注漿,以設(shè)計(jì)注漿孔為中心,在其周圍一定范圍內(nèi)開始注漿, 先兩端,后中間,注漿范圍層層縮小。在注漿過程中如發(fā)生串漿和跑漿現(xiàn)象,則關(guān)閉孔口閥門或堵塞孔口,待其它注漿孔注漿完畢后再打開閥門繼續(xù)注漿。施工中要注意觀察壓漿效果, 直至達(dá)到理想的壓密和固結(jié)目的[10]。

為及時(shí)疏排洞門墻背后的地下積水，采用在洞門墻上鉆泄水孔進(jìn)行排水卸壓。泄水孔采用孔徑φ108 mm有孔無縫鋼花管,管外包裹無紡?fù)凉げ?，以防堵塞?/p>

2019年10月施工完成后，經(jīng)過近3個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)洞門墻的裂縫沒有繼續(xù)發(fā)展，洞門墻穩(wěn)定性和使用壽命提高，運(yùn)營(yíng)安全得到保證。

7 結(jié)語

隧道端墻洞門與明洞組合，是一種穩(wěn)定洞口高邊仰坡、限制坡體滑移較經(jīng)濟(jì)的工程措施。但在不均勻地層、地下水發(fā)育、動(dòng)荷載等因素作用下，地基將逐漸弱化，需要在工程建設(shè)過程中及時(shí)處理和完善，以確保洞門墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全。

1)建設(shè)期需加固好地基，使端墻部分的地基在附加應(yīng)力影響范圍內(nèi)保持完整和均勻，尤其是需要處理易遇水軟化的煤層這類地層。

2)需重視洞門墻后背的積水問題，地下水發(fā)育路段需采用盲溝、泄水管等方式疏排洞門墻后部的地下水，防止地下水繞洞門墻滲流，從而削弱洞門墻的地基承載力。

3)地基弱化以后，洞門墻的裂縫首先會(huì)從墻頂開始出現(xiàn)，建議在洞門墻頂部設(shè)置2～3層抗裂鋼筋網(wǎng)，優(yōu)化洞門墻內(nèi)的應(yīng)力分布，防止洞門墻開裂；為防止洞門頂部脫落和掉塊，建議在明洞襯砌的周邊設(shè)置連接鋼筋與端墻連接，增強(qiáng)明洞襯砌和洞門墻的整體性，防止洞門墻的開裂導(dǎo)致掉塊。