高速公路隧道二襯超限裂縫成因及解決辦法

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 256102）

1 工程概況

本工程隧道是雙洞小凈距六車道的短隧道，右洞長322m、左洞長318m，二襯混凝土等級為C25，厚度保持在40～55cm 范圍。施工中多采用機械施工，針對不同級別的圍巖施工方法不同：III 級、IV 級、V 級圍巖分別用到了上下臺階法、中隔壁法以及雙側(cè)壁導坑法。

2 裂縫調(diào)查

二襯施工大約一年，有裂縫產(chǎn)生，之后施工人員對其長度、深度和寬度進行了勘測。在皮卷尺的作用下測定裂縫位置，利用鋼卷尺測量長度，通過BJCS-1 型混凝土裂縫測深儀測量深度。調(diào)查裂縫病害的詳細情況后需要進行后續(xù)的觀測，以確定裂縫后續(xù)發(fā)展的情況，方便制定具有針對性的裂縫治理方案。

在調(diào)查隧道自身狀態(tài)和裂縫形態(tài)之后，詳實記錄數(shù)據(jù)結(jié)果。2020年2月20日，在兩處裂縫上放置RTF 表面裂縫計進行三維位移監(jiān)測，為了達到更好的監(jiān)測目的，還在有裂縫的斷面二襯上設(shè)置了3 個拱頂下沉和收斂監(jiān)測斷面。直到2020年3月25日共獲得了16 次數(shù)據(jù)。該階段裂縫自身寬度穩(wěn)定，并無明顯變化。

3 裂縫產(chǎn)狀成因及影響分析

一般來說，學界探究襯砌裂縫產(chǎn)生原因的方式有模型試驗、理論分析、現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算等多種方法[1]，為了方便研究，張素磊整理了可能的影響因素，具體包括“先拱后墻法”施工、地下水作用、偏壓、襯砌強度不足、未設(shè)仰拱、塑性地壓、圍巖處理不當、凍脹作用、地層擾動、襯砌背后空洞等。

（1）經(jīng)過分析，施工縫處并沒有產(chǎn)生隧道裂縫，其也不是由于混凝土施工縫導致。通過閱讀監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)二襯周邊拱頂下沉速率不超過O.O7mm/d，位移速率不超過O.lmm/d，此時裂縫自身寬度未產(chǎn)生變化，圍巖較為穩(wěn)定。對隧道二襯混凝土進行檢測之后，發(fā)現(xiàn)其厚度、強度均達到規(guī)范要求，檢查斷面未發(fā)現(xiàn)內(nèi)侵。沉陷裂縫往往會發(fā)生錯位，特別是比較大的時候會和地面呈30～45°甚至發(fā)生垂直。對裂縫進行觀察，一般呈現(xiàn)出縱向，由于其發(fā)展方向并不是如上所述的30～45°方向發(fā)展，所以其并不是沉陷裂縫。

（2）在圍巖不穩(wěn)定的情況下，縱向裂縫普遍發(fā)生在二襯拱頂上，而斜裂縫大多數(shù)存在于拱腰之上。通過檢測，現(xiàn)場中的二處裂縫均是拱頂處的縱向裂縫，在拱腰位置裂縫有縱、斜向發(fā)育的趨勢，由此可見隧道圍巖在壓力增大的情況下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）通過計算襯砌收縮應(yīng)力可以得出，如果不及時養(yǎng)護混凝土或者搗振不充分，混凝土自身的抗拉強度小于徐變應(yīng)力，此時會發(fā)生二襯開裂現(xiàn)象。開裂處離洞口只有大約10m，而且由于隧道處于入?？?，混凝土進行拆模后在風速比較大的地方水分快速蒸發(fā)，所以不及時養(yǎng)護便會發(fā)生裂縫。

（4）通過進一步專項檢測發(fā)現(xiàn)，在展開二襯和初支層之間的注漿過程中，經(jīng)常發(fā)生二襯施工縫中溢出漿液的情況，如圖1所示。通過觀測分析共總結(jié)出以下兩方面原因：一方面，二襯混凝土完成澆筑之后會收縮，此時初支層和二襯會出現(xiàn)脫空，因此與漿液通道相連；另一方面，隧道拱底的厚度不符合要求，上部結(jié)構(gòu)太重，超過基底承載力承受范圍，因此上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)豎向位移。之后基地圍巖開始固結(jié)，上部襯砌的變形不再明顯，但是此時未發(fā)生變形的初支結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了層間脫空。通過上述兩方面的分析可知，塑性地壓僅僅影響了初期支護，但是沒有影響二次襯砌，因此塑性地壓并不會導致二襯產(chǎn)生裂縫。

圖1 襯砌層間脫空施工縫漏漿

因此，導致隧道產(chǎn)生裂縫的原因有兩個：（1）二襯自身混凝土所占體積較大，所以后期會受到收縮應(yīng)力的影響，當其本身的抗拉強度低于徐變應(yīng)力時導致裂縫；（2）隧道圍巖穩(wěn)定性不強，裂縫會由于圍巖壓力的增大而產(chǎn)生。

4 裂縫病害處理方案

對兩條拱頂縱向超限裂縫進行檢測。比較各個方案并最終決定對裂縫進行開槽理管注漿封閉，再利用鋼帶對二襯進行加固處理。

4.1 裂縫開槽埋管注漿

（1）順著裂縫發(fā)展方向，鑿一個上部、下部寬和槽深分別為6cm、9cm、10cm 的梯形槽，之后將10cm 的注漿鋼管埋入其中。

（2）為了形成注漿導向管，將騎縫鉆孔進槽里裂縫的表面。具體來說，孔深為1cm、孔距為50cm。

（3）為了讓裂縫不發(fā)生堵塞，利用不低于0.2MPa 的氣壓對裂縫、鉆孔內(nèi)部的雜物進行清除，且利用丙酮清理槽。

（4）將L=20cm、lOcm 注漿鋼管固定在騎縫孔中，之后在槽上涂抹環(huán)氧樹脂混凝土。需等到環(huán)氧樹脂混凝土的強度符合設(shè)計要求后才可以利用注漿鋼管進行注漿。保證該過程中注漿鋼管和壓漿頭始終密閉。

4.2 粘貼鋼帶

待裂縫開槽理管注漿完成且強度符合規(guī)范要求之后，利用環(huán)向粘貼鋼帶對二襯表面進行加固。環(huán)鋼帶縱向間距維持在1m，寬、長分別為30cm、12m。

（1）正式施工前先打磨襯砌的表面2～3mm 之后漏出新面，為了讓襯砌表面更加干凈，還需要對粉塵進一步處理。

（2）為了在安裝錨固螺栓過程中不影響到受力主筋，先探測混凝土內(nèi)部的鋼筋分布情況。鉆孔前先標位，之后精準開孔，在考察現(xiàn)場情況之后再調(diào)整螺栓環(huán)向間距。二次襯砌上固定好錨栓前要避開之前已經(jīng)治理好的裂縫。

（3）為了讓后續(xù)柱壓順利進行，根據(jù)實際情況合理選擇預理灌膠嘴（環(huán)向間隔O.5～lm 設(shè)置）、出氣孔、粘合劑。固定鋼帶之后對其封邊?？刂谱{壓力始終處于均勻、持續(xù)的狀態(tài)，以確保注漿密實度達到要求。完成上述工序之后，再次利用環(huán)氧樹脂膠漿進行封面，該過程中必須涂刷均勻，而且顏色和周邊混凝土的顏色維持相同狀態(tài)。其中所選鋼帶類型為進行除銹的Q235熱軋鋼帶。

4.3 處置技術(shù)

4.3.1 細微裂縫處治

細微裂縫的擴展性較弱，后期可自愈，對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響較小[2]。具體處治方法為：首先清理裂縫表面、涂刷環(huán)氧樹脂漿液，涂刷次數(shù)控制在2～3 遍為宜，接著涂刮抹料，處治裂縫，最后將色料涂刷在混凝土表面，保持修整后的混凝土表面與周圍其他混凝土顏色相同即可。

4.3.2 嚴重裂縫處治

嚴重裂縫是指裂縫寬度超過0.2mm 的裂縫，這類裂縫對高速公路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的影響較大，若不采取相應(yīng)的處治措施，將極大影響高速公路的穩(wěn)定性與安全性，造成更為嚴重的裂縫病害[3]。而嚴重裂縫應(yīng)用最為廣泛的處治方式為高壓注漿。具體施工步驟如下：

（1）檢查裂縫情況，評估裂縫等級。

（2）清理裂縫兩側(cè)3cm 范圍內(nèi)混凝土表面的雜質(zhì)，清除表面松散混凝土，鑿除空鼓與蜂窩結(jié)構(gòu)，為后續(xù)裂縫處治創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)[4]。

（3）檢查裂縫方向，并沿著裂縫方向鉆槽，鑿出寬度為5cm、深為6cm的V 形槽。

（4）以20～40cm 為一個單位，在V 形槽開展鉆孔作業(yè)并設(shè)置注漿嘴。

（5）沿著注漿嘴實施封閉作業(yè)，采用環(huán)氧膠泥作為封閉材料。

（6）加壓試驗，檢查裂縫封閉效果。

（7）高壓注漿，灌注混凝土，處治裂縫。

（8）注漿作業(yè)質(zhì)量驗收，驗收合格后及時拆除注漿嘴和清理裂縫封口位置的環(huán)氧膠泥。

（9）刮抹防水涂料，日常養(yǎng)護。

（10）在混凝土表面涂刷色料，保持修整后的裂縫表面與周圍其他混凝土顏色一致，保證高速公路的整體性與美觀性[5]。

5 結(jié)構(gòu)受力計算分析

對隧道缺陷修復前后數(shù)值模擬進行分析，且對襯砌處理完后自身的變形和受力進行對比分析，最終評估隧道結(jié)構(gòu)修復之后的安全性。綜合考量二襯厚度后，對YK23+028 斷面也就是二襯最薄進行計算。

5.1 計算模型

采用巖土及地下工程專業(yè)有限元計算軟件MIDAS GTS NX 建立二維地層一結(jié)構(gòu)法計算模型。模型中圍巖及二襯采用四邊形實體單元模擬，初支采用梁單元模擬，初支錨桿則采用桿單元模擬。圍巖采用彈塑性木構(gòu)關(guān)系，Mohr-Columb 屈服準則，其余結(jié)構(gòu)均定義為彈性材料。建立的二維有限元模型寬180m、高為120m，共劃分了5889 個節(jié)點、5704 個單元。

5.2 計算結(jié)果

（1）位移結(jié)果。觀察豎向位移云圖發(fā)現(xiàn)，仰拱中部發(fā)生了0.5cm 的上抬，拱頂發(fā)生了0.44cm 的沉降。觀察二襯X 向位移云圖對比二襯變形的情況，詳細來說，左側(cè)拱腰X 發(fā)生了0.35mm 的位移，而右側(cè)則發(fā)生了-0.36mm。

（2）圍巖屈服區(qū)結(jié)果。左右側(cè)拱腳部位是圍巖屈服務(wù)區(qū)，且寬度為1.5m。

（3）二襯應(yīng)力結(jié)果。從二襯最大主應(yīng)力結(jié)果來看，右拱腰處出現(xiàn)的是拉應(yīng)力，除此之外均為壓應(yīng)力。從最小主應(yīng)力結(jié)果來看，二襯左、右拱腳處出現(xiàn)了二襯的最大主應(yīng)力，為6MPa，混凝土抗壓強度達到了C25 的強度。根據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）可知，混凝土結(jié)構(gòu)自身的抗拉、抗壓極限強度的安全系數(shù)分別是3.6、2.4。針對木斷面的混凝土來說均符合上述規(guī)范要求。

6 結(jié)束語

綜上所述，對襯砌以及裂縫分別進行詳細檢測和詳實監(jiān)測之后，發(fā)現(xiàn)隧道兩處裂縫的形成有兩個原因：一是混凝土的抗拉強度小于其徐變應(yīng)力；二是由于圍巖壓力不斷增大，隧道圍巖也變得處于不穩(wěn)定狀態(tài)。待檢測統(tǒng)計好裂縫的長、寬、深后確定裂縫的健康等級。針對拱頂縱向出現(xiàn)的超限裂縫，需要進行開槽理管注漿。為了抑制襯砌的變形，利用粘貼鋼帶對二襯表面進行固定。之后分析隧道二襯受力情況，再進一步調(diào)整施工參數(shù)。本文工程最終取得了良好的處治效果，可為今后類似工程提供參考。