某公路隧道襯砌開裂機(jī)理及處治措施研究

彭 星，饒軍應(yīng)，陳朝穎

(1.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué)空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550025)

近年來，隨著國內(nèi)交通基建保持快速發(fā)展，隧道工程建設(shè)遭遇特殊地質(zhì)段的情況屢見不鮮[1- 3]，如淺埋偏壓、軟弱黃土、松散地層等不良地質(zhì)圍巖，因其力學(xué)性能差、擾動(dòng)范圍廣、易變形且變形量大等特點(diǎn)，使得隧道施工后圍巖應(yīng)力應(yīng)變變化極為復(fù)雜，既加大了施工難度又使得安全事故頻發(fā)[4- 5]。而對(duì)于仰拱存在軟弱夾層的偏壓淺埋小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道，由于圍巖力學(xué)性能更差、地質(zhì)情況復(fù)雜，加之開挖的多次擾動(dòng)使之變形更甚，上覆巖體可能形成潛在的滑移體，導(dǎo)致圍巖壓力與變形增大，致使隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂、掉塊，甚至垮塌，對(duì)隧道施工安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[6- 8]。因此，針對(duì)偏壓淺埋隧道圍巖應(yīng)力特點(diǎn)、襯砌開裂機(jī)理及處治等難題也日益受到重視。

學(xué)者們對(duì)該問題的研究始終如火如荼，并取得了一定的研究成果。在理論研究方面，劉杰等[9]基于極限平衡法并對(duì)現(xiàn)有均質(zhì)圍巖壓力計(jì)算理論進(jìn)行改進(jìn)，得到了水平軟硬互層圍巖壓力理論解進(jìn)而對(duì)偏壓隧道支護(hù)提出了建議；干嘯洪等[10]基于最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)理論提出隧道偏壓系數(shù)及其計(jì)算方法，為淺埋偏壓隧道圍巖壓力計(jì)算提供了理論基礎(chǔ)。在試驗(yàn)研究方面，張輝等[11]設(shè)計(jì)相似模型試驗(yàn)研究偏壓淺埋錯(cuò)臺(tái)隧道不同施工工況對(duì)圍巖的影響，發(fā)現(xiàn)上臺(tái)階隧道優(yōu)先施工更利于隧道安全；肖建章等[12]通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的方法，揭示了淺埋偏壓堆積體圍巖隧道拱腰二襯開裂主要源于該處應(yīng)力集中及水平位移較明顯；饒軍應(yīng)等[13]基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)合工程實(shí)際，分析了隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變及結(jié)構(gòu)受力變化特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出了塌方綜合治理措施。在數(shù)值分析方面，孟陸波等[14]利用數(shù)值分析了鷓鴣山隧道襯砌開裂原理，發(fā)現(xiàn)其主要原因?yàn)閲鷰r地質(zhì)差及二襯施作過早，并就二襯施作時(shí)機(jī)建議；李富明等[15]通過MIDASGTS軟件分析了坪田隧道二襯開裂機(jī)理，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出了處治方案。

綜上所述，雖然學(xué)者們對(duì)淺埋偏壓隧道在理論、試驗(yàn)及數(shù)值仿真上開展了一系列探討，但多屬偏壓淺埋情況，針對(duì)偏壓淺埋仰拱存在軟弱夾層的小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道施工圍巖力學(xué)變化研究甚少。因此，本文以該偏壓淺埋小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道二襯開裂為依托，對(duì)隧道施工過程中圍巖應(yīng)力變化趨勢(shì)、二襯開裂機(jī)理及處治措施開展深入研究。

1 工程概況

某高速長(zhǎng)順至楊家山段對(duì)門寨隧道雙向四車道分離式錯(cuò)臺(tái)隧道，設(shè)計(jì)速度為100km/h。隧道左洞495m(ZK190+780～ZK191+275)，均為Ⅴ級(jí)圍巖；右洞長(zhǎng)500m(K190+803～K191+303)，其中Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖長(zhǎng)度分別為70、430m。隧道主洞凈空斷面寬14m，最大埋深位于右洞(K191+100)，約40m;右洞設(shè)計(jì)高程較左洞高4m，測(cè)設(shè)線間距16m。隧道以Ⅴ級(jí)圍巖為主，其開挖斷面140m2，屬于淺埋小凈距特大斷面錯(cuò)臺(tái)隧道。

圖1 對(duì)門寨隧道左線地質(zhì)縱斷面示意圖

圖2 對(duì)門寨隧道K190+960地質(zhì)橫斷面

隧址地下水為表層殘破積孔隙水及巖體裂隙水。因場(chǎng)區(qū)巖石破碎，風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，使得隧洞穿越地層透水性增強(qiáng)。其次，在隧道開挖過程中，圍巖受到擾動(dòng)，圍巖原生裂隙及次生裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，圍巖儲(chǔ)水能力提升，使得隧道區(qū)裂隙、孔隙水較為豐富。而且，滲水量受季節(jié)影響大，雨季時(shí)圍巖滲水嚴(yán)重，風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大。

隧道施工期間，已發(fā)生多次塌方、冒頂、不均勻沉降等特殊情況；左洞二次襯砌施作后，在ZK190+898～ZK190+982段仰拱出現(xiàn)開裂，裂縫長(zhǎng)度72m，二襯邊墻及拱腰多處出現(xiàn)1～4m不等的裂縫長(zhǎng)度。

2 隧道二襯開裂成因分析

對(duì)門寨隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞穿越地層存在軟弱夾層，隧洞某些斷面存在跨越多種地質(zhì)的情況，施工難度大。雖然設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)理等在施工期間已經(jīng)充分考慮了多種不利因素，但是隧道二襯施工一段時(shí)間后還是出現(xiàn)了開裂現(xiàn)象。

2.1 二襯開裂發(fā)展過程

2020年2月27日，對(duì)門寨隧道左洞ZK190+898～ZK190+970仰拱出現(xiàn)沿隧道縱向開裂，裂縫長(zhǎng)度72m，裂縫寬40mm；左洞ZK190+972、ZK190-960段邊墻施工縫位置多處出現(xiàn)開裂情況，裂縫長(zhǎng)度在1～4m不等，裂縫最大寬度約為2mm，裂紋由施工縫斜向下逐漸發(fā)展至邊拱腳并消失，二襯裂縫處無滲水；左洞ZK190+922～ZK190-982段隧道拱腰出現(xiàn)縱向裂縫長(zhǎng)60m，寬度為3mm；ZK190+955～ZK191+028段洞頂原地面出現(xiàn)地表裂縫，其位于右洞上方，地表裂縫長(zhǎng)為73m，寬為400mm，深為800mm。左洞二襯及地表開裂情況如圖3所示。

圖3 2月27日對(duì)門寨隧道左洞二襯及地表開裂情況

2020年6月15日，經(jīng)排查，左洞出口方向部分已施工完成的二襯裂縫數(shù)量、長(zhǎng)度較之前有所增多(2020年3月份排查時(shí)，有少許的裂縫)，新裂縫出現(xiàn)的段有：ZK190+870～ZK190+898、ZK190+996～ZK191+160、ZK191+184～ZK191+242，開裂段落長(zhǎng)度達(dá)250m，最大縫寬1.6mm，裂縫最深處40mm；右洞部分已施工完成的二襯出現(xiàn)裂縫，新裂縫出現(xiàn)的段有：YK191+072～YK191+140、YK191+148～YK191+165、YK191+175～YK191+192、YK191+200～YK191+211，開裂段落長(zhǎng)度達(dá)113m，最大縫寬1.6mm，裂縫最深處40mm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察裂紋統(tǒng)計(jì)情況，如圖4所示，圖中3段里程裂縫較為集中，且多為連貫性主裂縫，裂縫之間互不相交連通。左洞二襯開裂表現(xiàn)在拱腰，拱頂僅有少量裂紋，而且左洞主裂紋均在靠近測(cè)設(shè)基線(右洞)一側(cè)；右洞裂紋相較左洞而言較少，只有一條連貫性主裂縫，其余均為長(zhǎng)10m左右的短裂縫，其裂紋在拱頂中心線左右發(fā)育。

圖4 6月15日對(duì)門寨隧道襯砌開裂統(tǒng)計(jì)情況

2.2 二襯裂縫誘因

為及時(shí)有效地處理隧道仰拱及二襯開裂，根據(jù)隧址區(qū)地形地貌、水文及地質(zhì)條件、圍巖特性、隧道設(shè)計(jì)、施工方法以及裂縫發(fā)展規(guī)律等方面，對(duì)本隧道開裂誘因進(jìn)行如下分析，揭露仰拱、地表及襯砌開裂機(jī)理。

2.2.1仰拱基底承載力不足

仰拱裂縫，位于隧道左洞，區(qū)域集中，沿隧道縱向延展，裂縫長(zhǎng)且寬。仰拱裂縫發(fā)生后，勘察單位及時(shí)對(duì)隧道仰拱基地的地質(zhì)情況進(jìn)行補(bǔ)勘，發(fā)現(xiàn)仰拱基底普遍存在1.7～26.8m全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以及少量強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖的軟弱夾層，仰拱地基巖體風(fēng)化程度差異性較大，呈破碎-較破碎，仰拱地基承載力不足。

因本隧道屬于淺埋暗挖隧道，隧道開挖對(duì)圍巖擾動(dòng)大，加之其自穩(wěn)能力極差、易變形軟化，且基底內(nèi)外兩側(cè)軟弱夾層厚度不一、圍巖存在明顯的偏壓現(xiàn)象。仰拱施作完成后，豎向荷載作用于仰拱基底，荷載分布不對(duì)稱，致使基底發(fā)生不均勻沉降，使得仰拱受較大的拉應(yīng)力及剪切應(yīng)力，在兩者共同作用下發(fā)生仰拱開裂。

2.2.2地質(zhì)條件復(fù)雜

隧道穿越地層主要有中風(fēng)化灰?guī)r及強(qiáng)、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，其中強(qiáng)、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖占比較大且兩者相互交錯(cuò)，使得隧道所處地質(zhì)條件多變，開挖后相鄰區(qū)域內(nèi)圍巖應(yīng)力重分布情況復(fù)雜，隧道支護(hù)系統(tǒng)受力變化不均，極易造成應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)隧道施工后上覆巖體在滑動(dòng)面內(nèi)形成滑動(dòng)巖體，在其自重作用下發(fā)生地面沉降。加之，仰拱基底承載能力不足導(dǎo)致的不均勻沉降會(huì)引起隧道結(jié)構(gòu)整體下沉，滑動(dòng)巖土隨之下沉，當(dāng)滑動(dòng)巖體自重應(yīng)力過大時(shí)，巖體便被拉斷，地表則出現(xiàn)下沉開裂情況。

2.2.3隧道設(shè)計(jì)及施工

本隧道設(shè)計(jì)為淺埋分離式小凈距錯(cuò)臺(tái)短隧道，且因其地形而存在較為明顯的偏壓現(xiàn)象，其先行施工左洞后施工右洞。因本隧道設(shè)計(jì)較為特殊，而且2隧洞之間相隔較近，故其受力比常見隧道結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜。根據(jù)文獻(xiàn)[16- 17]可知，隧道存在偏壓時(shí)，平行隧道采用施工先左洞后右洞，然而對(duì)于錯(cuò)臺(tái)隧道則不完全適用，錯(cuò)臺(tái)隧道先行開挖右洞更有利于隧道安全。因此，隧道設(shè)計(jì)及施工方法的選取是隧道襯砌開裂的主觀致災(zāi)因素之一。

2.2.4降雨激增，地表防排水不暢

初期二襯裂縫發(fā)育與仰拱基底承載力不足導(dǎo)致仰拱產(chǎn)生不均勻沉降以及施工縫易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)場(chǎng)等因素密切相關(guān)；后期二襯裂縫調(diào)查及監(jiān)控量測(cè)中均未發(fā)現(xiàn)仰拱開裂及不均勻沉降，然而該時(shí)間段內(nèi)降雨量激增，地表水及巖體富水增多。因此，后期二襯裂縫產(chǎn)生的主要誘因與初期不同。后期二襯裂縫發(fā)育期間，隧址區(qū)正處夏季多雨時(shí)節(jié)，因雨量豐富致使地表水激增，而隧道施工期間對(duì)地表防排水措施不重視，未對(duì)地表水采取任何合理有效的防排疏導(dǎo)措施。同時(shí)，隧洞上覆巖體風(fēng)化程度高，裂隙較為發(fā)育，地表水匯集經(jīng)地表裂隙滲入巖體，使得圍巖壓力增大，導(dǎo)致巖體軟化加劇，故巖體水文變化是隧道后期二襯裂縫發(fā)育的罪魁禍?zhǔn)住?/p>

此外，地表裂縫的存在使得淺埋隧道右洞假定滑動(dòng)面前移至地表裂縫附近(如圖5所示)，隧道左洞拱頂至右洞拱頂受力情況發(fā)生極大變化也是原因之一。

圖5 小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道圍巖壓力示意圖

2.2.5新冠肺炎疫情延誤施工時(shí)機(jī)

因施工遭遇新冠肺炎疫情，此時(shí)隧道左洞已全面完成施工，而右洞開挖掌子面已貫通，仰拱剩余109m，二次襯砌剩余166m。根據(jù)JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[18]，淺埋段開挖施工應(yīng)遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤測(cè)量、速反饋、控沉陷”原則，而本隧道開挖過程中，雖其初期支護(hù)施作緊隨掌子面，但因疫情不可抗力因素，其仰拱與二襯施工卻嚴(yán)重滯后。初期支護(hù)本就屬于薄型柔性支護(hù)，應(yīng)在其與圍巖變形穩(wěn)定后及時(shí)施作仰拱及二襯，使隧道支護(hù)系統(tǒng)形成閉環(huán)受力良好，防止隧道圍巖進(jìn)一步變形影響隧道穩(wěn)定性。因此，新冠肺炎疫情致使支護(hù)系統(tǒng)施工時(shí)機(jī)延誤亦是隧道襯砌開裂的客觀因素之一。

3 小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道有限元分析

3.1 有限元分析計(jì)算模型

為進(jìn)一步探究淺埋偏壓小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道二襯開裂原因，本文選用工程常用有限元分析軟件Midas GTSNX建立模型，主要分析其開挖后的施工力學(xué)行為，故選用建立2D模型分析其開挖力學(xué)行為。因?qū)﹂T寨隧道二襯裂縫集中發(fā)生于偏壓段，故本模型根據(jù)該隧道K190+960地質(zhì)橫斷面為依據(jù)建立，隧道地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。為減小邊界約束對(duì)模型計(jì)算的影響，左邊界、右邊界及下邊界距離隧道約取3倍洞徑(50m)，地表邊界約束設(shè)置為自由約束，下邊界約束為固定約束，其余約束均為法向約束。隧道圍巖采用摩爾-庫倫模型，隧道結(jié)構(gòu)采用彈性模型，其模型如圖6所示。

表1 隧道地層及結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖6 小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道數(shù)值模型

3.2 結(jié)果分析

3.2.1隧道變形分析

經(jīng)數(shù)值模擬隧道開挖得到左、右隧洞施工完成后各部分沿豎向的變形量，如圖7所示。由圖7可知，先行洞(左隧洞)施工后，變形主要發(fā)生在左、右拱肩及仰拱位置，變形量最大值SMAX位于左拱肩，SMAX=-10.11mm，變形由拱頂逐漸向上擴(kuò)展延伸至地表，地表沉降最大值為-5.3mm。因隧道存在偏壓且圍巖力學(xué)性能差，使得隧洞內(nèi)位移最大值由拱頂向左拱肩偏移，上覆巖體沉降由隧洞正上面向山頂向延展，且方向與中、強(qiáng)風(fēng)化地質(zhì)界面一致。

圖7 小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道不同施工階段圍巖位移圖

隨著后行洞(右隧洞)的開挖，左隧洞變形趨勢(shì)隨之改變，變形最大值由左拱肩移至右拱肩，2隧洞間巖柱變形則進(jìn)一步增大且表現(xiàn)為豎向沉降，隧道上覆巖體變形區(qū)域及量值明顯增大，右隧洞變形較大區(qū)域集中于其左右拱腰之間，使得隧洞圍巖壓力增大，圍巖穩(wěn)定性降低。因左、右隧洞兩幫均發(fā)生不同程度的沉降，在兩幫土壓力作用下，隧道仰拱發(fā)生擠土效應(yīng)，因左洞基底存在較厚的全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化巖體，故左洞仰拱變形是右洞的兩倍之多。

由圖8(a)可知，隧道左洞開挖后，在圍巖壓力作用下，隧道仰拱及拱頂受力較大，因仰拱下部存在厚度不均的軟弱夾層，致使仰拱下部圍巖應(yīng)力擴(kuò)散不對(duì)稱，同時(shí)仰拱基底右側(cè)巖體力學(xué)性能逐漸變好，對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散及巖體變形均有抑制；當(dāng)右洞施工完成后，左洞應(yīng)力仰拱應(yīng)力擴(kuò)散深度加劇，而右洞因基底承載力明顯高于左洞，故其仰拱應(yīng)力影響范圍較小，而且上臺(tái)階右洞施工對(duì)左洞仰拱右下部應(yīng)力擴(kuò)散具有明顯的抑制作用，如圖8(b)可知，

圖8 小凈距錯(cuò)臺(tái)隧道不同施工階段圍巖位移圖

4 隧道襯砌開裂處治對(duì)策

通過對(duì)淺埋偏壓錯(cuò)臺(tái)隧道二次襯砌開裂誘因及數(shù)值模擬隧道開挖分析，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)隧道中隧洞靠測(cè)設(shè)基線一側(cè)隧道結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，易發(fā)生開裂現(xiàn)象。基于隧址區(qū)現(xiàn)場(chǎng)襯砌開裂情況、地質(zhì)水文及數(shù)值仿真分析，針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)不同開裂情況及部位提出以下治理對(duì)策。

4.1 臨時(shí)應(yīng)急處治

如圖9所示，對(duì)于仰拱及二襯開裂嚴(yán)重段，首先對(duì)二襯設(shè)置臨時(shí)應(yīng)急處治措施，設(shè)置工字鋼背拱，間距0.8m，預(yù)防變形突變。臨時(shí)背拱連接牢固，拱圈與二襯密貼。鋼拱架采用冷彎制作成型，鋼拱架連接鋼板采用鋼板鉆孔機(jī)機(jī)械鉆孔，為保證鉆孔精度，連接板焊接時(shí)采用定位卡槽精確定位。

圖9 二襯背拱布置圖

4.2 地表裂縫處治

地表裂縫發(fā)生時(shí)期并未到雨季，須及時(shí)采取有效處治對(duì)策，防止雨水隨裂縫下滲浸泡覆蓋層。地表裂縫采用“裂縫注漿+地表覆膜”方法處理，如圖10所示，首先將注漿管等間距預(yù)埋于地表裂縫中，使用具有一定級(jí)配間距的砂土分層將裂縫填埋至地表，待裂縫注漿施工完成后，用粘土將裂縫塞滿找平夯實(shí)，最后使用彩條布覆蓋，防止雨水灌入。

圖10 地表裂縫處治圖

4.3 仰拱裂縫處治

仰拱開裂主要源于基底承載能力不足，加之存在偏壓現(xiàn)場(chǎng)，使得仰拱不均勻沉降變化大，因此提高基底承載力是必要的。如圖11所示，兩側(cè)拱腳各設(shè)置4根φ108×6mm鋼管作為樹根樁，仰拱地基采用φ108×6mm鋼管注漿加固，鋼管長(zhǎng)度均為9m，地基加固后對(duì)仰拱回填；裂縫采用同標(biāo)號(hào)混凝土灌縫，并在表面鑿除14cm，澆筑60cm厚C40鋼筋混凝土面板。

圖11 仰拱裂縫處治圖

4.4 二襯裂縫處治

二襯裂縫數(shù)量多且雜，其中裂縫最大寬度為2mm，最深為4cm，且未發(fā)現(xiàn)裂縫滲水現(xiàn)象，因此二襯裂縫按照縫寬分別進(jìn)行處理，如圖12所示，對(duì)于大于等于0.15mm的裂縫進(jìn)行針孔注膠加固并貼碳纖維布。

圖12 二襯裂縫處治示意圖

5 結(jié)論

本文以對(duì)門寨隧道偏壓段襯砌開裂為背景，發(fā)現(xiàn)其開裂以連貫性長(zhǎng)裂縫為主，誘因?yàn)樗矶撮g高差明顯且凈距小，基底存在軟弱夾層加之圍巖裂縫重生，地表水防排水不暢及新冠肺炎疫情延誤施工時(shí)機(jī)；數(shù)值分析表明：后行洞施工會(huì)對(duì)先行洞造成較大擾動(dòng)，先行洞應(yīng)力應(yīng)變均發(fā)生很大變化，上覆巖體沉降進(jìn)一步增大，且右洞圍巖變形等值線與地表裂縫高度吻合。

基于工程實(shí)際，針對(duì)性地提出“二襯臨時(shí)背拱+地表注漿覆膜+仰拱鋼管注漿+二襯注膠補(bǔ)強(qiáng)”綜合處治措施，后期監(jiān)測(cè)顯示，處治措施起到了較好的效果，保障了隧道施工安全及工程質(zhì)量，為類似工程設(shè)計(jì)施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。