一種無中隔墻連拱隧道襯砌病害分析及整治技術(shù)

唐生炳,劉旭,王康云,劉偉龍

（1．云南建設基礎設施投資股份有限公司，云南 昆明 650500；2．云南麗香高速公路投資開發(fā)有限公司，云南 昆明 650217；3．中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075）

連拱隧道因其線間距較近、引線占地面積小，在特殊地質(zhì)及地形條件、線橋隧銜接處大量使用，但其結(jié)構(gòu)較為特殊，受力更為復雜，在運營和在建期間易產(chǎn)生襯砌裂損等病害，危及隧道運營和施工安全。研究表明，不均勻沉降、偏壓荷載、不合理的施工工序是連拱隧道襯砌開裂的主要成因，并應根據(jù)開裂的類型、產(chǎn)生的部位及嚴重程度給出針對性的處治措施。本研究以開達古隧道無中墻連拱段為工程背景，基于對現(xiàn)場施工過程中裂縫分布規(guī)律的現(xiàn)場調(diào)研，探討了襯砌裂損的主要原因，提出了相應的整治方法。

1 工程概況

開達古隧道位于三江并流核心區(qū)，以構(gòu)造侵蝕高山地貌為主，隧道自小里程至大里程為無中導連拱～小凈距～分離式隧道，平面線型呈“Y”型分岔形狀；隧道右線里程為YK80+049.73—YK83+195，全長3145.27 m；隧道左線里程為ZK80+060—ZK83+205，全長3145 m。其中無中導連拱左幅自進口至ZK80+460，右幅自進口至YK80+449.73，該段洞身圍巖主要為強、中風化板巖和強、中風化玄武巖，巖體破碎、呈片狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，連拱段支護結(jié)構(gòu)采用復合式襯砌（圖1），左右幅隧道先后按臺階法從小里程往大里程方向掘進。

圖1 無中導連拱段襯砌斷面圖 (單位：cm)

2 施工過程中襯砌裂損調(diào)查分析

2.1 裂損調(diào)查情況

開達古隧道在左幅先行洞進口正常施工過程中，于2018年7月26日在監(jiān)控量測過程中發(fā)現(xiàn)先行洞ZK80+373—ZK80+403 襯砌中墻底部出現(xiàn)縱向裂縫（圖2(a)），而后該段襯砌出現(xiàn)混凝土剝落、鋼筋彎曲現(xiàn)象；2018年8月14日，先行洞ZK80+403—ZK80+420 段襯砌右側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫，其中ZK80+410 里程人行橫通道處裂縫呈網(wǎng)狀分布，且拱頂出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象；2018年8月25日至9月10日，先行洞ZK80+427.2—ZK80+469段再次出現(xiàn)裂縫并持續(xù)向大里程方向發(fā)展，裂縫呈縱向及網(wǎng)狀分布，其中ZK80+445—ZK80+455 段中墻頂部混凝土顯著開裂，向外突出，產(chǎn)生嚴重掉塊（圖2(b)）；2018年11月2日至2018年12月25日，先行洞ZK80+481—ZK80+498 段襯砌右側(cè)再次出現(xiàn)裂縫，同時ZK80+481—ZK80+498 段中墻混凝土剝落掉塊、鋼筋外露，護拱彎曲變形。

圖2 開達古隧道左幅先行洞襯砌裂損情況

2.2 襯砌裂損規(guī)律統(tǒng)計及分析

（1）裂縫空間分布規(guī)律。先行洞襯砌裂縫展布如圖3所示，從裂縫分布范圍來看，裂縫主要位于中墻底部往上1m 至右拱腰的范圍。從裂縫形態(tài)來看，以縱向裂縫為主，在縱向裂縫之間發(fā)育有少量環(huán)向裂縫，其中右拱腰和中墻底部縱向裂縫連續(xù)發(fā)育貫通整段襯砌，中墻頂部縱向裂縫和環(huán)向裂縫斷續(xù)分布。從裂縫發(fā)育嚴重程度來看，縱向裂縫的長度及寬度遠大于環(huán)向裂縫，而三組縱向裂縫中，中墻頂部縱向裂縫破損最為嚴重，其伴隨著混凝土大面積剝落掉塊及二襯鋼筋彎曲。

圖3 開達古隧道先行洞進口裂縫展布圖

（2）裂縫寬度變化規(guī)律。現(xiàn)場在裂縫發(fā)現(xiàn)后便采用表貼式混凝土應變計對裂縫寬度進行監(jiān)測，并在9月4日對所有裂縫進行加密觀測，共布置26 個測點，測量結(jié)果見表1。可以看出，在監(jiān)測時間段內(nèi)裂縫寬度持續(xù)擴展，具有累計擴展值大、擴展速率快的特點，裂縫寬度累計擴展值最大為54.08 mm，最大擴展速率為10.78 mm·d，均發(fā)生在ZK80+438 斷面。

表1 開達古隧道先行洞進口襯砌裂縫寬度監(jiān)測情況

（3）先行洞裂縫隨后行洞施工擾動變化規(guī)律。通過對比隧道左幅先行洞裂縫發(fā)育過程與右幅后行洞施工過程可以看出，后行洞上臺階施工至YK 80+397 斷面時，先行洞襯砌對應的ZK80+407 斷面（隧道左右幅里程相差10m）后方30m 的范圍內(nèi)右拱腰出現(xiàn)縱向張拉裂縫，后行洞下臺階施工至YK80 +383.7 時，先行洞襯砌對應斷面前后20 m 范圍內(nèi)中墻底部出現(xiàn)縱向壓裂縫，以及混凝土掉塊、鋼筋彎曲變形現(xiàn)象，表明先行洞襯砌裂損與后行洞施工擾動密切相關(guān)，后行洞上臺階開挖后會引起先行洞拱部右側(cè)圍巖受到二次擾動，圍巖出現(xiàn)卸荷變形產(chǎn)生較大松散壓力，導致先行洞右拱腰處應力集中而產(chǎn)生張拉裂縫。后行洞下臺階開挖后，先行洞中墻失去右側(cè)圍巖約束，產(chǎn)生向后行洞側(cè)位移，中墻底部受壓出現(xiàn)明顯縱向壓裂縫和混凝土擠壓掉塊現(xiàn)象。

3 襯砌裂損原因分析

（1）開達古隧道連拱開裂段掌子面主要為強風化板巖和強風化玄武巖，其中強風化板巖約占掌子面的三分之二，巖體呈褐灰色，巖芯呈角礫狀、碎石狀結(jié)構(gòu)，強風化玄武巖約占掌子面的三分之一，巖體為灰白色，呈片狀結(jié)構(gòu)，地下水呈股狀流出，巖石遇水軟化嚴重，圍巖自穩(wěn)能力弱、完整性差，施工擾動后圍巖易破碎溜塌，形成的松散壓力直接作用在支護結(jié)構(gòu)上。

（2）連拱隧道施工工序復雜，左幅先行洞開挖后圍巖與支護結(jié)構(gòu)相互作用處于穩(wěn)定狀態(tài)，在隧道右幅后行洞開挖后，先行洞與后行洞相交處圍巖受到二次擾動發(fā)生應力重分布，加劇圍巖的卸荷松動變形，作用在支護結(jié)構(gòu)上的松散壓力增大，同時由于后行洞圍巖開挖，先行洞中墻失去右側(cè)圍巖的約束抗力，導致支護結(jié)構(gòu)受力后在右拱腰出現(xiàn)張裂，而在中墻位置發(fā)生壓潰。

4 襯砌裂損整治方法

根據(jù)施工現(xiàn)場襯砌裂損原因、嚴重程度及圍巖情況，提出中墻嚴重破壞段進行拆除重置，一般段進行原位加固，其他不影響結(jié)構(gòu)安全的輕微裂縫進行表面封閉的處治方案。

4.1 拆除重置

對中墻破壞嚴重段落（ZK80+438—ZK80+462、ZK80+474—ZK80+498），先支撐、再加固后進行拆除重置，施工步序及操作要點如下。

（1）采用鋼拱架護拱+木剁+門型鋼管柱等組合型式進行臨時支撐，豎向支撐應靠近中墻側(cè)設置。臨時支撐施作范圍包括先行洞拆除范圍及后行洞相應段落，并應超出每次拆除范圍前后各10 m 左右。

（2）如圖4所示，左右幅隧道拱部施作Φ51 自進式錨桿進行徑向注漿加固，長度為9 m，間距為100×80 cm；中墻底部設置樹根樁恢復連接及改善墻腳受力，樹根樁采用Φ89×6 mm 鋼花管，長4.5 m，間距100×100 cm，梅花形布置。

圖4 中墻嚴重破壞段注漿加固示意圖

（3）逐段拆除先行洞中墻側(cè)臨時支撐，留出拆除中墻的施工空間，并增加左側(cè)拱頂及拱腰的豎向支撐。

（4）拆除破壞段中墻，單次不應大于0.8 m，并對初支的完整性進行檢查，侵限部分進行換拱，當換拱段初支變形穩(wěn)定后，重新鋪設防排水系統(tǒng)。

（5）澆筑中墻二次襯砌，單次澆筑長度為3 m，二襯采用C40 鋼筋混凝土，環(huán)向主筋為Φ25@200 mm。中墻混凝土達到設計強度后，中墻粘貼熱軋鍍鋅鋼帶，其規(guī)格為6 mm×250 m，縱向間距50 cm，并采用Φ25精軋螺紋鋼對拉錨桿加固，間距50 cm×50 cm（圖5）。

圖5 中墻對拉錨桿加固示意圖

4.2 原位加固

對于一般病害段落（ZK80+350—ZK80+438、ZK80+462—ZK80+474、ZK80+498—ZK80+540），采用先行洞拱部施作自進式錨桿徑向注漿加固，中墻腳設置樹根樁恢復連接及改善墻腳受力，左右幅隧道中墻粘貼熱軋鍍鋅鋼帶并使用對拉錨桿連接的原位加固方式進行補強，并對裂縫進行封閉。

4.3 表面封閉

對其他輕微裂縫（ZK80+350—ZK80+540），且不影響結(jié)構(gòu)安全，根據(jù)裂縫寬度進行封閉灌漿修補加固的方法進行處治。

（1）對于寬度小于0.2 mm 的裂縫，采用改性環(huán)氧樹脂砂漿表面封閉法處治。

（2）對于寬度介于0.2 mm-0.5 mm 之間的裂縫，采用改性環(huán)氧樹脂膠低壓注漿法處治。

（3）對于寬度大于0.5mm 的裂縫，采用改性環(huán)氧樹脂砂漿鑿槽填充法處治。

5 結(jié)論

（1）連拱隧道開裂段圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差。隧道施工過程中，先行洞二襯先行施作，后行洞施工頻繁擾動圍巖，加劇了圍巖卸荷松動破壞，同時先行洞靠近后行洞側(cè)結(jié)構(gòu)失去圍巖約束抗力，導致襯砌結(jié)構(gòu)受力后出現(xiàn)張裂、壓潰等破壞，裂縫主要以縱向裂縫形態(tài)集中分布在中墻底部至右拱腰的范圍內(nèi)。

（2）采用中墻嚴重破壞段進行拆除重置，一般段進行原位加固，其他不影響結(jié)構(gòu)安全的輕微裂縫進行表面封閉的病害處治方案，保證了隧道的穩(wěn)定性與耐久性。