黃土隧道二次襯砌開裂原因及防治措施現(xiàn)狀與發(fā)展

喬 雄, 楊 鑫

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

0 引言

“十隧九裂”是隧道從業(yè)者的普遍認(rèn)識,表明了隧道裂縫的多發(fā)性。對于在建和已運(yùn)營的隧道,襯砌開裂往往是最多見的病害。

李佳翰[1]對266座隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出隧道病害中襯砌開裂占比高達(dá)82%,其次為滲漏水(44%)、剝落(36%)等病害。伴隨著我國的隧道建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大[2],襯砌開裂問題已成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)[3-5]。尤其是在黃土隧道中,由于黃土工程穩(wěn)定性差,易受水文地質(zhì)影響,襯砌一旦開裂,會隨著氣候、水文的變化進(jìn)一步加劇,產(chǎn)生裂口擴(kuò)寬、延長,甚至坍塌,從而危及隧道結(jié)構(gòu)的安全性[6-8]。雖然針對黃土隧道二次襯砌開裂問題的研究較多[9-12],但并未對其開裂機(jī)制及處治措施進(jìn)行系統(tǒng)梳理。因而,有必要對當(dāng)前我國黃土隧道襯砌的開裂問題進(jìn)行全面總結(jié),以期為進(jìn)一步形成全面和規(guī)范的黃土隧道襯砌開裂防治方法提供參考。

本文基于設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐與工程調(diào)研,系統(tǒng)梳理了黃土隧道二次襯砌開裂機(jī)制的研究方法、開裂原因及治理措施,并對黃土隧道襯砌開裂問題研究及治理方法的發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析與展望。

1 黃土隧道二次襯砌裂縫研究方法現(xiàn)狀

針對黃土隧道二次襯砌開裂的問題,學(xué)者們展開了大量的研究。本文統(tǒng)計(jì)了近些年有關(guān)二次襯砌開裂的研究實(shí)例,具體見表1和表2。

表1 黃土隧道二次襯砌開裂調(diào)查分析、數(shù)值模擬、監(jiān)控量測研究實(shí)例

表2 黃土隧道二次襯砌開裂理論解析、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)研究實(shí)例

由表1、表2可知,針對黃土隧道襯砌裂縫的研究可分為調(diào)查分析、數(shù)值模擬、監(jiān)控量測、理論解析、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等6種基本方法。其中,調(diào)查分析、數(shù)值模擬、監(jiān)控量測3種方法適用于隧道的施工、運(yùn)營期間的襯砌開裂分析,但在每個階段的側(cè)重又有所不同:在施工階段,常采用調(diào)查分析與監(jiān)控量測2種方法,皆具有用時短、時效強(qiáng)的特點(diǎn),能滿足隧道建設(shè)時的高效需求;而在運(yùn)營階段,常采用數(shù)值模擬的方法,通過模擬來還原現(xiàn)場,得到較為準(zhǔn)確的分析結(jié)果,符合無損檢測的要求。理論解析、現(xiàn)場試驗(yàn)和模型試驗(yàn)3種方法更多用于科學(xué)研究,是施工與運(yùn)營階段研究內(nèi)容的進(jìn)一步延伸,而通常針對同一問題采用多種方法相互驗(yàn)證更具有可靠性。針對以上6種基本方法,相關(guān)研究如下。

1.1 調(diào)查分析

隧道調(diào)查分析包括4個方面: 1)調(diào)查隧道通過地區(qū)的地質(zhì)條件、水文、氣候等情況; 2)調(diào)查隧道圍巖情況; 3)了解隧道的設(shè)計(jì)、管理和一線人員實(shí)際施工的情況; 4)對襯砌結(jié)構(gòu)的檢測。

對調(diào)查結(jié)果的分析通常是從國家制定的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范、調(diào)查人員豐富的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)和對類似工程問題的參考3方面進(jìn)行。如姜涵等[13]通過對某隧道進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查和資料分析,確定襯砌開裂是圍巖浸水惡化和隧道內(nèi)局部排水故障引起的。目前,調(diào)查分析已經(jīng)形成較為全面的框架體系,具有結(jié)論得出迅速、可參照性和執(zhí)行性良好等特點(diǎn),適用于短期或緊急情況下隧道襯砌開裂的機(jī)制分析。但調(diào)查分析大多為定性描述,準(zhǔn)確度往往不夠,尚需定量數(shù)據(jù)判定。故調(diào)查分析一般只作為研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考依據(jù),后續(xù)還應(yīng)結(jié)合數(shù)值模擬、理論解析、監(jiān)控量測、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)等方法,來提高結(jié)論的可靠度。

1.2 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬包含隧道結(jié)構(gòu)計(jì)算模型和有限元計(jì)算軟件2部分。目前,計(jì)算模型可概括為4種[32]: 荷載結(jié)構(gòu)模型、地層結(jié)構(gòu)模型、收斂約束模型和經(jīng)驗(yàn)類比模型。常用于襯砌裂縫分析的有限元軟件有4種:ABAQUS、ANSYS、MIDAS/GTS和FLAC 2D/3D。4種軟件在適用范圍(ABAQUS與ANSYS是2款大型通用有限元軟件,MIDAS/GTS和FLAC 2D/3D為巖土工程專用軟件)、計(jì)算程序(FLAC 2D/3D采用有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算)、上手難度(MIDAS/GTS操作較簡便)、二次開發(fā)等方面存在差異,但在二次襯砌的結(jié)構(gòu)受力分析方面,4種軟件的計(jì)算能力相當(dāng),無明顯差別;但可能受經(jīng)驗(yàn)、版權(quán)、精度等因素影響,使得某種軟件使用率較高。對多篇參考文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知: 在探究空洞對二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響時,約71%的學(xué)者選擇ABAQUS進(jìn)行模擬;探究節(jié)理對二次襯砌結(jié)構(gòu)的受力影響時,約58%的學(xué)者選用MIDAS/GTS進(jìn)行模擬;模擬裂縫擴(kuò)展影響可采用ANSYS或ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā);探究黃土蠕變過程中的襯砌受力時,運(yùn)用FLAC 3D、ABAQUS較多等等。如薛乙彰[17]采用ABAQUS軟件,運(yùn)用荷載-結(jié)構(gòu)法對某黃土高速公路隧道進(jìn)行模擬,分析了襯砌背后空洞、地形偏壓、圍巖含水量增加、裂隙浸水對襯砌結(jié)構(gòu)的受力、變形等影響,模擬結(jié)果可對現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查進(jìn)行驗(yàn)證。綜上,數(shù)值模擬能較大程度地還原現(xiàn)場工況,計(jì)算出假定條件下襯砌結(jié)構(gòu)的受力情況。該種方法分析能力強(qiáng)、計(jì)算結(jié)果直觀,有著很強(qiáng)的指導(dǎo)性。但模擬的合理性取決于現(xiàn)場工況的還原程度和相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確性;實(shí)際的工程環(huán)境復(fù)雜多變,為了便于計(jì)算,需簡化工程細(xì)節(jié)和忽略某些參數(shù),而此舉會影響結(jié)論的準(zhǔn)確性,故需與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)相結(jié)合,才能得到可靠的結(jié)果。

1.3 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測作為新奧法施工的核心要素之一,也是隧道病害防治的重要組成部分,主要作用體現(xiàn)在病害成因的分析、模擬結(jié)果的驗(yàn)證和施工效果的評價3方面。監(jiān)測的內(nèi)容可根據(jù)需要進(jìn)行選擇,對于隧道二次襯砌來說,主要內(nèi)容有襯砌結(jié)構(gòu)的位移變形,應(yīng)力、應(yīng)變及裂縫的發(fā)展。例如: 韓桂武等[33]通過監(jiān)測初期支護(hù)與圍巖接觸壓力、二次襯砌的鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變等,驗(yàn)證施工結(jié)構(gòu)是否滿足要求,結(jié)果表明初期支護(hù)拱腰處噴混表面應(yīng)變過大,存在開裂的風(fēng)險,二次襯砌受力在時間和空間上都存在一定變化,但最終都趨于穩(wěn)定。Xue等[34]將分布式光纖與振弦式傳感器相結(jié)合,對鋼架應(yīng)力、二次襯砌應(yīng)變等隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行全壽命監(jiān)測。劉新榮等[35]通過監(jiān)測初期支護(hù)與二次襯砌間的接觸壓力、二次襯砌鋼筋應(yīng)力、初期支護(hù)鋼架應(yīng)力和裂縫發(fā)展情況等,對黃土連拱隧道設(shè)計(jì)支護(hù)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果表明受施工水平及個別地質(zhì)條件限制,在觀測斷面的中墻和中導(dǎo)坑都發(fā)生了開裂,且左洞的二次襯砌結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了裂縫;而在后續(xù)施工中,及時對這些問題進(jìn)行了優(yōu)化變更,抑制了裂縫的發(fā)展。由此可知,監(jiān)測數(shù)據(jù)最能直觀地反映襯砌變化程度,也是實(shí)際工程中各種因素作用下的結(jié)果顯示,準(zhǔn)確度高、即時性強(qiáng)。但監(jiān)測周期需要適時的調(diào)控,周期太長容易造成數(shù)據(jù)重復(fù),浪費(fèi)人力、財(cái)力資源;周期太短則會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不全,準(zhǔn)確度降低。通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的篩選,分析異常的數(shù)據(jù)變化,結(jié)合實(shí)際工程情況可得出襯砌開裂的原因,以此可作為后期評價治理效果的依據(jù)。對于研究手段來說,監(jiān)控量測可作為對數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等結(jié)果的驗(yàn)證手段。

1.4 理論解析

目前,關(guān)于黃土隧道襯砌開裂的理論研究集中在3個方面: 1)黃土隧道圍巖壓力計(jì)算; 2)黃土隧道襯砌結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的影響; 3)襯砌結(jié)構(gòu)帶裂縫工作的安全性評價。首先,隧道圍巖壓力常采用太沙基理論、普氏理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式等4種計(jì)算方法,王春浩[36]依托某公路隧道用5種方法計(jì)算圍巖壓力后,再與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比,得出超大斷面黃土隧道圍巖壓力計(jì)算中最符合實(shí)際的是太沙基理論。但有時用這些計(jì)算方法得出的結(jié)果與實(shí)際工程圍巖壓力的數(shù)值并不相符。因此,有必要在4種方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化修正。如朱才輝等[37]提出了2種考慮黃土圍巖含水率變化的圍巖壓力計(jì)算修正方法如下。

1)基于謝家烋公式修正后的淺埋黃土隧道圍壓計(jì)算:

(1)

式中:σv為豎向圍巖壓力;γsw為增濕后黃土地層重度;H為隧道埋深;B為隧道最大開挖跨度;λw為增濕后黃土地層側(cè)壓力系數(shù);θw為增濕后黃土地層非破裂面摩擦角。

2)基于太沙基理論計(jì)算修正后的深埋黃土隧道圍壓計(jì)算:

(2)

式中:h為隧道的開挖高度;b為塌落拱跨度的一半;φw為增濕后黃土地層內(nèi)摩擦角;Kw為增濕后黃土地層側(cè)壓力系數(shù),當(dāng)Kw無實(shí)測值時,可采用Kw=1-sinφw粗略估算。

隧道結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的合理選取是隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要保障,趙占廠等[26]運(yùn)用鄧肯-張模型和旦尼爾公式計(jì)算襯砌混凝土強(qiáng)度、厚度、齡期的影響,得出強(qiáng)度的提高對襯砌結(jié)構(gòu)影響不大,但能提高襯砌的安全度;增大厚度不一定能提高襯砌安全度,而齡期則對襯砌的軸力有較大影響。牛澤林等[31]用可靠度計(jì)算方法對襯砌厚度進(jìn)行安全性評價,進(jìn)而驗(yàn)證某黃土鐵路隧道的襯砌結(jié)構(gòu)是否達(dá)標(biāo)。

到目前為止,襯砌結(jié)構(gòu)帶裂縫工作的安全性評價方法有所差異,存在基于混凝土斷裂理論、基于混凝土剛度退化理論、基于規(guī)范優(yōu)化評定等方法。趙剛[21]基于混凝土斷裂理論、JTGD 70—2004《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》、《應(yīng)力強(qiáng)度因子手冊》等計(jì)算理論,提出了由襯砌裂縫尖端穩(wěn)定性和截面承載力共同決定的帶裂縫襯砌安全性評價方法,并結(jié)合數(shù)值模擬確定了帶裂縫襯砌的安全預(yù)警等級區(qū)間?？梢?理論解析概念明確,可作為襯砌結(jié)構(gòu)受力變化的初步評估或指標(biāo)驗(yàn)證,但公式復(fù)雜、計(jì)算量大也是其顯著缺點(diǎn)?，F(xiàn)階段多是結(jié)合有限元模擬進(jìn)行深入研究,用計(jì)算機(jī)取代人工計(jì)算。

1.5 模型試驗(yàn)、現(xiàn)場試驗(yàn)

模型試驗(yàn)一般基于相似理論[38]進(jìn)行設(shè)計(jì),在室內(nèi)或室外模擬現(xiàn)場環(huán)境和襯砌結(jié)構(gòu),通過預(yù)設(shè)的精密儀器進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,再結(jié)合工程實(shí)測完善設(shè)計(jì)方案和驗(yàn)證對比,理論嚴(yán)謹(jǐn),指導(dǎo)性強(qiáng)。Song等[39]建立的1∶10的試驗(yàn)平臺(見圖1),通過現(xiàn)場實(shí)測獲得了襯砌所受荷載、溫度等數(shù)據(jù),可在驅(qū)動、加載、控制3個系統(tǒng)的共同作用下,還原黃土隧道的實(shí)際工況,探究黃土隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)的開裂機(jī)制、變形規(guī)律和破壞過程;結(jié)果表明,襯砌結(jié)構(gòu)的破壞過程共有3個階段(無裂縫的線性變形階段、有裂縫的穩(wěn)定變形階段和加速變形破壞階段),其中2個分界點(diǎn)分別對應(yīng)拱頂開裂和仰拱開裂,拉應(yīng)力過大是拱頂內(nèi)側(cè)和拱腳外側(cè)開裂的主要原因,而邊墻開裂則是局部受壓導(dǎo)致。Liu等[24]提出黃土隧道4種滑動面類型,為探究其浸水后對襯砌受力的影響,按照1∶10的比例建立隧道荷載模型進(jìn)行模擬;結(jié)果表明,滑動面浸水后對襯砌拱頂和拱腰處變形影響顯著,雙側(cè)滑動面的襯砌裂縫呈對稱分布,單側(cè)則集中出現(xiàn)在滑動面所在一側(cè),且單側(cè)滑動面浸水后襯砌彎矩遠(yuǎn)高于雙側(cè)。襯砌裂縫的發(fā)展總是以I型開始,然后逐漸發(fā)展為L型,最后發(fā)展為Y型,其中L型裂縫數(shù)量最多,并得出壓縮裂縫的出現(xiàn)是襯砌失穩(wěn)的前兆。

圖1 模型試驗(yàn)

現(xiàn)場試驗(yàn)則依托典型的隧道工程,通過現(xiàn)場觀察、監(jiān)測等手段對依托工程的各物理量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以準(zhǔn)確地反映客觀規(guī)律。Li等[40]為探究黃土圍巖浸水濕陷變形對隧道結(jié)構(gòu)的影響,在既有黃土隧道的上方展開了大型浸水現(xiàn)場試驗(yàn)(見圖2), 其結(jié)果表明: 黃土垂直裂隙發(fā)育且不均勻,橫向透水性較弱,隧道的存在會加大水侵入的深度,施工也會破壞黃土結(jié)構(gòu)。當(dāng)侵入深度越接近隧道埋深,黃土遇水濕陷的程度越大,并最終形成“燈泡”形狀;當(dāng)水侵入到隧道埋深時,周圍的黃土濕陷會擠壓隧道的兩側(cè)結(jié)構(gòu),使拱頂呈向上位移的趨勢;當(dāng)水侵入到隧道基底以下時,則導(dǎo)致不均勻沉降,引起仰拱開裂。

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)

綜上,模型試驗(yàn)多用于對隧道襯砌結(jié)構(gòu)破壞的機(jī)制研究;而現(xiàn)場試驗(yàn)不僅可以對破壞機(jī)制進(jìn)行研究,還可作為襯砌治理措施效果的評價手段。兩者都可對理論解析、數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

2 隧道二次襯砌裂縫分類研究現(xiàn)狀

開展裂縫研究,首要任務(wù)是確定分類標(biāo)準(zhǔn)。我國《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊——隧道》根據(jù)隧道襯砌裂縫的寬度將裂縫分為4級,見表3。

表3 隧道襯砌裂縫等級

在襯砌裂縫深度分類方面,甘高源[41]總結(jié)了裂縫深度的判定標(biāo)準(zhǔn),見表4。

表4 隧道襯砌裂縫深度判定標(biāo)準(zhǔn)

隧道二次襯砌裂縫分類方法如圖3所示。

在實(shí)際工程中,裂縫可能是單一型的,也可能是2種或以上的復(fù)合型裂縫。然而,即使上述裂縫分類已較為全面,但仍不能包含所有裂縫種類,故需要結(jié)合裂縫特點(diǎn)進(jìn)一步細(xì)分,如網(wǎng)狀裂縫[42]、月牙形裂縫[43]、接茬裂縫[44]、交叉口裂縫[45]、X形縫、樹枝斜縫[46]等。

上述分類中,最為廣泛的分類方法是按照裂縫的最大寬度進(jìn)行劃分,這點(diǎn)從表1中對開裂情況的統(tǒng)計(jì)中就能體現(xiàn)。采用此方法進(jìn)行劃分,既可以客觀地反映裂縫開裂的輕重程度,又可以有效地避免對復(fù)雜裂縫無法歸類的情況。其次,按隧道軸線的走向進(jìn)行分類也是較為普遍的方法,田暉[15]、薛乙章[17]等諸多學(xué)者皆采用此類方法進(jìn)行分類,便于直觀地表現(xiàn)出裂縫整體形態(tài)。

3 黃土隧道二次襯砌裂縫研究

3.1 隧道襯砌開裂位置

如圖4所示,隧道襯砌開裂位置可分為拱頂、拱腰、拱腳、邊墻、墻腳、仰拱等6個部分。對于雙聯(lián)拱隧道,襯砌開裂的位置還包括中隔墻。

圖4 隧道襯砌位置分布圖

3.2 隧道二次襯砌裂縫主要類型

為探討黃土隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)在不同位置的裂縫類型,統(tǒng)計(jì)了黃土隧道二次襯砌開裂的相關(guān)實(shí)例(見表5),并確定了黃土隧道襯砌開裂主要類型。

表5 黃土隧道二次襯砌裂縫調(diào)查實(shí)例

通常黃土隧道所穿越的地層自上而下以Q2、Q3為主。于介[49]認(rèn)為,當(dāng)隧道開挖主體為Q3黃土?xí)r,因土體的直立結(jié)構(gòu)性,導(dǎo)致淺埋段飽和含水率及變形速率會高于深埋段,使得拱部上方形成土柱作用在襯砌結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生環(huán)向張拉裂縫;當(dāng)開挖至Q2、Q3交界時,由于2處黃土的吸水變形速率不同,易在拱(腰)部產(chǎn)生松散應(yīng)力,引起結(jié)構(gòu)變形破壞。當(dāng)隧道所處地層為1～2層時,會由于2層巖(土)體的強(qiáng)度不同,遇水軟化、膨脹程度不同等,引起二次襯砌拱腰處縱向開裂[48]。

結(jié)合表5進(jìn)行分析,認(rèn)為可將黃土隧道二次襯砌裂縫的主要類型分為拱部縱向裂縫、邊墻縱向裂縫、邊墻環(huán)向裂縫和邊墻斜向裂縫4類。

其中,縱向裂縫多為受彎張口型,部分為環(huán)向收縮型,在拱頂時多為壓裂破壞,拱腰時多為拉裂破壞; 且由于拱部位置的特殊性,在處治時不應(yīng)簡單只進(jìn)行注漿封閉處理,而是要采取加固補(bǔ)強(qiáng)的方法。

環(huán)向裂縫多為受剪錯臺型裂縫,多數(shù)位于施工縫、沉降縫、伸縮縫等附近,且大多在墻腳處向上發(fā)展至邊墻、拱腰,有形成貫通裂縫的趨勢。

斜向裂縫多發(fā)生在襯砌洞室四角處,如圖5所示,往往始于左、右上角斜向上發(fā)展。完整襯砌斜向裂縫的形成與黃土圍巖內(nèi)部的斷層走向和節(jié)理、山體邊坡穩(wěn)定性密切相關(guān)。斜向裂縫屬于結(jié)構(gòu)受力裂縫,當(dāng)其與環(huán)向和縱向裂縫相交時,交匯處易發(fā)生襯砌破壞掉塊;且寬度和深度都較大時,會對隧道襯砌承載力產(chǎn)生嚴(yán)重破壞。

圖5 洞室斜向裂縫

4 黃土隧道二次襯砌開裂影響因素及原因分析

4.1 影響因素

由表1可知,黃土隧道二次襯砌開裂問題在施工和運(yùn)營階段皆有發(fā)生。通過文獻(xiàn)[50-53]中對隧道襯砌開裂病因的歸納,如文獻(xiàn)[50]中認(rèn)為隧道結(jié)構(gòu)開裂的病因整體上可分為力學(xué)與非力學(xué)因素,力學(xué)因素包括鄰近斜坡運(yùn)動、地震作用、圍巖擠壓、斷層、地下水壓、施工質(zhì)量、圍巖力學(xué)性能退化,非力學(xué)因素包括混凝土碳化、保護(hù)層厚度不足、堿-集料反應(yīng)、混凝土冷縫、凍融破壞;再結(jié)合黃土隧道實(shí)際工程中的病因分析,整理得出無論是在施工或是在運(yùn)營階段,黃土隧道二次襯砌的致裂原因大多與黃土的特性密切相關(guān),在整體上可歸為工程地質(zhì)條件、圍巖環(huán)境惡化、設(shè)計(jì)施工不當(dāng)、襯砌結(jié)構(gòu)劣化和自然(人為)破壞5大類因素。而分為2個階段時,每個階段的致裂因素又各有側(cè)重。從實(shí)際工程來看,襯砌開裂往往都是其中幾類因素共同作用下的結(jié)果。

4.1.1 工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)條件可包括地層巖性、地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)條件、不良地質(zhì)及天然建筑材料等6方面。對于黃土隧道,其影響主要體現(xiàn)在黃土特殊地貌引起的偏壓、埋深、地下水、膨脹性黃土作用、嚴(yán)寒地區(qū)的凍脹作用等。

1)地貌方面。雷浩[54]通過有限元模擬和監(jiān)控量測,探究區(qū)域地貌對黃土隧道建設(shè)的影響。結(jié)果表明,沖溝地貌對隧道建設(shè)的影響包括開挖方向、坡腳大小及地層聚水性3個方面。如隧道向溝掘進(jìn)時,會引起隧道拱頂?shù)膽?yīng)力與沉降量增大,且隨著坡腳增大,應(yīng)力與沉降量也會增大;而當(dāng)沖溝聚水侵入土體后,則會使拱頂?shù)氖芰εc沉降量進(jìn)一步加劇。

2)隧道埋深方面。淺埋隧道更容易受到地形偏壓及圍巖松弛應(yīng)力的影響,而隨著隧道埋深越大,所受偏壓及松弛應(yīng)力的影響越小,相應(yīng)地所受圍巖壓力則會越大。馬寶芬[55]通過模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等研究方法,證實(shí)了淺埋和偏壓的作用下,黃土隧道的拱頂和拱腰處都會產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象,且拱頂處埋深較大的一側(cè)應(yīng)力最大。白子斌[56]通過對17座黃土隧道進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,認(rèn)為埋深越大則圍巖壓力越大,最大值最易出現(xiàn)在拱腰部位;且相同埋深下,Ⅴ級圍巖壓力要遠(yuǎn)大于Ⅳ級,其圍壓平均值分別為219.5 kPa和83 kPa。

3)地下水作用方面。劉俊平[57]認(rèn)為地下水的存在對塬區(qū)黃土隧道的不利影響主要有3點(diǎn): 1)引起隧道基底和圍巖的濕陷; 2)使圍巖黃土成軟塑狀; 3)地下水滲流作用。

4)在黃土膨脹方面。張藝騰等[58]通過模擬得出,當(dāng)局部膨脹區(qū)域位于隧道拱頂時,沉降變形最為顯著;其次為拱腰和邊墻部位,墻腳變形最弱;并以初期支護(hù)(C25混凝土)的軸心抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.27 MPa為破壞臨界,認(rèn)為拱頂處所能承受的最大膨脹力為223 kPa,最大沉降值為87 mm。拱腰、邊墻處所能承受的最大膨脹力分別為262、292 kPa,最大沉降值分別為36、47 mm。仰拱處應(yīng)力集中,當(dāng)膨脹力超過238 kPa,沉降值超過27 mm時受拉破壞。Yan等[59]提出一種基于收斂-約束法的錨桿加固解析方法,優(yōu)化了錨桿在膨脹性黃土圍巖的相關(guān)參數(shù)計(jì)算,該方法在雙線性強(qiáng)度準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上,計(jì)算得到錨桿加固隧道膨脹圍巖的位移特征曲線(GRC),進(jìn)而確定臨界值(即黃土膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力是否達(dá)到需要錨桿支護(hù)的程度)。

5)在凍脹破壞方面。任遠(yuǎn)陽[60]認(rèn)為隧道的凍脹破壞機(jī)制可分為2個方面: ①由于滯留在混凝土孔隙、裂隙中的水分受低溫影響,引起的凍結(jié)膨脹使得孔隙、裂隙進(jìn)一步擴(kuò)張,破壞了混凝土的整體結(jié)構(gòu)性,也降低了混凝土的強(qiáng)度,即襯砌混凝土自身的凍脹破壞;②由于圍巖含水量的增加,溫度降低后,圍巖中的水分因凍脹效應(yīng)產(chǎn)生額外的凍脹力,施加在襯砌上造成較大變形或局部開裂,即圍巖水環(huán)境受冷產(chǎn)生的額外荷載破壞。運(yùn)用FLAC 3D軟件模擬凍脹作用下的黃土隧道襯砌受力情況,結(jié)果表明: 凍脹率、凍脹時間、結(jié)壁厚度、襯砌剛度、襯砌厚度等因素對襯砌凍脹破壞的影響依次減小;在這些因素的作用下,襯砌拱腳處拉應(yīng)力集中,拱底處壓應(yīng)力集中,為襯砌受力最不利位置。

4.1.2 圍巖環(huán)境惡化

圍巖環(huán)境惡化指巖(土)體受環(huán)境條件影響,圍巖由部分承載力漸變?yōu)椴怀辛蝾~外施力的過程,主要包括5個方面: 黃土的結(jié)構(gòu)特性;工程特性;蠕變特性;土體風(fēng)化,再變化形成的局部脫空、不密實(shí)及背后空洞引起的松弛地壓病害;地表裂縫、陷穴、落水洞、暗穴等地表變形病害。

1)結(jié)構(gòu)特性。張永濤[61]認(rèn)為黃土的先天性結(jié)構(gòu)脆弱,被破壞后不能隨著結(jié)構(gòu)的改變而產(chǎn)生應(yīng)力再分布,進(jìn)而達(dá)到再平衡,往往隨著變形的增大破壞也會隨之增大。

2)工程特性。黃土遇水濕陷、節(jié)理垂直發(fā)育等特性都對襯砌開裂有著較大的影響。李駿等[6]通過在試坑現(xiàn)場浸水,發(fā)現(xiàn)被擾動后的黃土濕陷變形更大,導(dǎo)致隧道圍巖壓力、基底壓縮應(yīng)力增大,拱腳處應(yīng)力集中,不均勻沉降等問題,引起襯砌開裂。楊文輝[22]通過開展模型試驗(yàn),證明了黃土圍巖浸水后會對襯砌產(chǎn)生額外應(yīng)力,且隨著浸水部位的不同,襯砌所受的應(yīng)力、裂縫開裂順序、開裂形式等都會有所不同。

3)蠕變特性。黃榮賓[62]通過現(xiàn)場實(shí)測與理論分析方法,證實(shí)了黃土圍巖蠕變作用會產(chǎn)生附加作用力,其中二次襯砌所分擔(dān)的荷載占40%～60%,受力顯著,易導(dǎo)致開裂,結(jié)構(gòu)的分擔(dān)比與接觸壓力也隨部位不同而變化。

4)脫空、空洞等病害。王敏等[63]、寧波等[64]認(rèn)為大空洞(毗鄰的大空洞更甚)會導(dǎo)致圍巖與襯砌之間形成不均勻的點(diǎn)接觸,而點(diǎn)接觸則會造成應(yīng)力集中現(xiàn)象,使得襯砌受拉破壞,通過數(shù)值模擬的方法分析出空洞的大小與位置對襯砌結(jié)構(gòu)受力的影響。傅鶴林等[65]通過對不同部位及范圍的襯砌脫空進(jìn)行模擬,分析得出脫空位置主要影響襯砌整體的危險截面百分比,不同的脫空部位之間幾乎沒有相互影響,對整體結(jié)構(gòu)的安全性影響也較小;而脫空范圍一旦超過20°夾角時,會對襯砌結(jié)構(gòu)的變形及受力造成極大影響,使得部分結(jié)構(gòu)喪失承載力,造成破壞。

5)地表變形病害。呂慶林等[66]認(rèn)為病害形成的主要因素為黃土隧道的工程地質(zhì)環(huán)境,即自然因素(如土的工程特性、水文條件、二元結(jié)構(gòu)等);其次為人為因素(如農(nóng)業(yè)灌溉、開挖干擾等)。以新莊嶺隧道為例,在農(nóng)業(yè)灌溉后,水沿著裂縫下滲時,在地表處形成多處落水洞,隧道墻腳處圍巖濕陷,造成不均勻沉降,引起襯砌受力不均而開裂。

4.1.3 設(shè)計(jì)施工不當(dāng)

設(shè)計(jì)施工不當(dāng)是隧道二次襯砌開裂病害最為常見的原因,分為設(shè)計(jì)因素和施工因素2類。結(jié)合文獻(xiàn),總結(jié)如下。

1)設(shè)計(jì)因素。包括: 圍巖劃分不準(zhǔn)確、未設(shè)計(jì)仰拱、襯砌厚度不足、鋼筋數(shù)量不足、二次襯砌鋼筋保護(hù)層不足或過厚、防排水不合理、混凝土配合比不合理、水泥標(biāo)號和材質(zhì)選擇不當(dāng)?shù)取?/p>

2)施工因素。包括: 施工管理松懈、仰拱底部虛渣過多、回填失誤或澆筑不當(dāng)引起的空洞、噴射混凝土操作不當(dāng)、初期支護(hù)與二次襯砌接觸面脫空、二次襯砌實(shí)際強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)、拱圈不均勻下沉、超欠挖、施工接縫、二次襯砌臺車長度不當(dāng)、二次襯砌薄厚不均勻、未按設(shè)計(jì)要求施工、振搗不密實(shí)等。

朱江[14]結(jié)合山西某黃土隧道二次襯砌嚴(yán)重開裂及掉塊病害,檢測分析后得出: 設(shè)計(jì)因素(原設(shè)計(jì)中病害段內(nèi)初期支護(hù)無鋼架,二次襯砌為素混凝土結(jié)構(gòu))與施工因素(左拱腰與拱頂部位存在12 cm左右偏差、初期支護(hù)與二次襯砌間存在脫空與不密實(shí)現(xiàn)象、二次襯砌厚度離散性較大等)是病害產(chǎn)生的主要原因。

4.1.4 結(jié)構(gòu)材質(zhì)劣化

結(jié)構(gòu)材質(zhì)劣化指襯砌結(jié)構(gòu)在物理作用與化學(xué)侵蝕下,其內(nèi)部發(fā)生損傷,外在表現(xiàn)為襯砌承載力的降低。二次襯砌結(jié)構(gòu)材料通常為鋼筋混凝土,其劣化往往為復(fù)雜環(huán)境多因素耦合作用下的結(jié)果,其機(jī)制大致可以概括為混凝土風(fēng)化脫落、含鹽或有害水的侵蝕、二次襯砌鋼筋銹蝕、溫度作用和水泥硬化作用、混凝土碳化、堿性集料反應(yīng)、汽車振動7類因素。如陳彥等[10]通過對某黃土隧道進(jìn)行調(diào)查分析,認(rèn)為施工中二次襯砌脫模時混凝土內(nèi)部、表面與環(huán)境溫差較大是導(dǎo)致二次襯砌混凝土開裂的因素之一。

4.1.5 自然(人為)破壞

自然(人為)破壞在黃土隧道二次襯砌致裂中的影響主要包括2個方面: 1)施加額外的力直接或間接作用在襯砌上,破壞襯砌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性; 2)提供的水環(huán)境會惡化圍巖性能、劣化襯砌與圍巖的接觸狀態(tài)、削弱圍巖的支撐能力,引起隧道荷載分布不均,誘發(fā)開裂。其中,自然破壞包括異常氣候、地震、塌方、泥石流等自然災(zāi)害。人為破壞主要包括鄰近爆破,隧道火災(zāi),農(nóng)田灌溉,人工湖、水庫、水塘修建,水管滲漏,大量填挖方等人類活動。如梁慶國等[67]、程選生等[68]、艾勝軍等[69]通過振動臺模型試驗(yàn)皆驗(yàn)證了在地震作用下,黃土隧道洞口段拱頂處動力響應(yīng)最大、受力最不利;且艾勝軍等[69]的試驗(yàn)結(jié)果還顯示: 地震作用下在洞口拱頂處易出現(xiàn)環(huán)向裂縫。

4.2 原因分析

為深入探討施工與運(yùn)營階段的黃土隧道二次襯砌致裂原因,結(jié)合參考文獻(xiàn)中的相關(guān)實(shí)例,分別從開裂數(shù)量、施工和運(yùn)營階段致裂原因進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

4.2.1 開裂隧道數(shù)量

施工和運(yùn)營階段二次襯砌開裂的隧道數(shù)量統(tǒng)計(jì)如圖6所示。

圖6 施工和運(yùn)營階段二次襯砌開裂的隧道數(shù)量統(tǒng)計(jì)

從圖6可以看出,相比施工階段,處于運(yùn)營階段的隧道更容易出現(xiàn)襯砌開裂病害。

4.2.2 施工階段致裂原因

施工階段二次襯砌致裂原因統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7 施工階段二次襯砌致裂原因統(tǒng)計(jì)

從圖7可以看出,在施工階段,隧道二次襯砌開裂的主要因素包括設(shè)計(jì)施工不當(dāng)與圍巖環(huán)境惡化2大類。設(shè)計(jì)不當(dāng)主要體現(xiàn)在圍巖劃分不準(zhǔn)確,施工不當(dāng)主要體現(xiàn)在二次襯砌脫模時機(jī)不當(dāng)及超欠挖; 而圍巖惡化主要是因?yàn)榈叵滤畯搅鞲淖?、黃土結(jié)構(gòu)與工程特性。

1)地下水徑流改變。圍巖在未開挖前,天然黃土一般處于非飽和狀態(tài),具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,孔隙裂隙水也處于一種封閉的平衡狀態(tài)中。而隨著開挖的進(jìn)行,破壞了周圍黃土及孔隙裂隙水的支撐環(huán)境,并在隧道周圍形成匯水長廊,使得水分向未飽和的圍巖滲透;而黃土含水量一旦升高,其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必然降低,自承能力也隨之降低。與此同時,襯砌則會承擔(dān)由原黃土結(jié)構(gòu)所承擔(dān)地層壓力,這種情況在施工階段二次襯砌未完全形成最終受力結(jié)構(gòu)時,惡化襯砌受力性態(tài),引起結(jié)構(gòu)開裂。

2)黃土結(jié)構(gòu)與工程特性。施工階段特性較差主要體現(xiàn)在: ①開挖卸載引起圍巖應(yīng)力重分布;②開挖卸載使得圍巖土體強(qiáng)度降低;③地下水徑流改變使得黃土含水量增大,土體浸水泥-塑化。

4.2.3 運(yùn)營階段致裂原因

運(yùn)營階段二次襯砌致裂原因統(tǒng)計(jì)如圖8所示。

圖8 運(yùn)營階段二次襯砌致裂原因統(tǒng)計(jì)

由圖8可知,相比施工階段,運(yùn)營階段中工程地質(zhì)條件、自然(人為)破壞、結(jié)構(gòu)材質(zhì)劣化3類因素的占比明顯增大,致裂因素也明顯增多。

1)時間作用。服役過程中隨著時間推移不同因素共同作用下引起的襯砌開裂愈發(fā)明顯。如車道嶺隧道[15]在運(yùn)營16年后由于排水設(shè)施失效導(dǎo)致圍巖含水量增大,洞口積水反流進(jìn)洞內(nèi),且拱頂襯砌厚度不足及冬季凍脹共同作用下引起襯砌開裂與路面破損。

2)給水環(huán)境。工程地質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在地層沖溝發(fā)育,人為因素主要體現(xiàn)在大面積的農(nóng)業(yè)灌溉,自然因素主要體現(xiàn)在持續(xù)強(qiáng)降雨的影響;而沖溝地層的聚水性,農(nóng)業(yè)灌溉與強(qiáng)降雨都是給圍巖提供水環(huán)境,使得圍巖水含量升高、土體結(jié)構(gòu)崩解、引起圍巖環(huán)境惡化。

3)黃土結(jié)構(gòu)與工程特性。黃土疏松多孔、垂直節(jié)理的工程特性也為地表水下滲提供便利,使得部分區(qū)間段內(nèi)的圍巖天然含水率較高,繼而引發(fā)濕陷、不均勻沉降等水害。同時,黃土的長期蠕變特性也使得運(yùn)營時間較長的隧道二次襯砌仍面臨動態(tài)變化的圍巖壓力。

4)施工質(zhì)量問題。往往出現(xiàn)在二次襯砌開裂病害的區(qū)段內(nèi),通過對襯砌結(jié)構(gòu)的重新檢測,基本都能發(fā)現(xiàn)在隧道施工時遺留的質(zhì)量問題。其中,襯砌背后空洞、二次襯砌厚度與設(shè)計(jì)不符等都是施工常見缺陷。

通過將文獻(xiàn)實(shí)例匯總,可以看出黃土隧道二次襯砌開裂病害產(chǎn)生的內(nèi)因是黃土的結(jié)構(gòu)與工程特性,較差的特性使得隧道無論是施工建設(shè)還是運(yùn)營維護(hù)都存在較大的難度,對技術(shù)和工藝要求也較高。而水的作用是關(guān)鍵因素也是主要外因,使得圍巖性能迅速惡化,削弱襯砌與圍巖的接觸,導(dǎo)致襯砌受力不均產(chǎn)生開裂。

5 黃土隧道襯砌開裂治理研究現(xiàn)狀

5.1 隧道二次襯砌開裂治理

開裂的二次襯砌為水的滲入提供了通道,銹蝕劣化的鋼筋和混凝土?xí)夯淼纼?nèi)的環(huán)境,進(jìn)一步發(fā)展與水有關(guān)的病害。同時,二次襯砌開裂后會對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成破壞,使隧道承載力下降,影響隧道的安全性、穩(wěn)定性和耐久性。嚴(yán)重的襯砌開裂不僅會影響美觀,甚至?xí)l(fā)生襯砌掉塊,危害行車安全。所以,預(yù)防與治理二次襯砌開裂至關(guān)重要。目前,隧道二次襯砌開裂有一套系統(tǒng)的治理體系: 先分析裂縫出現(xiàn)的原因,進(jìn)行病因處理(病因處治),再根據(jù)襯砌的開裂情況,對結(jié)構(gòu)采取加固措施(加固補(bǔ)強(qiáng)),相關(guān)研究見表6。

表6 黃土隧道二次襯砌開裂治理實(shí)例

5.1.1 病因處治

結(jié)合第4節(jié)與表6的相關(guān)研究可知,治理黃土隧道襯砌開裂的關(guān)鍵在于治水。主要處理方法為: 1)減少外部水的浸入,堅(jiān)持“防、排、堵、截”的原則,完善地表排水設(shè)施,并對圍巖進(jìn)行注漿加固,封閉圍巖的滲水通道; 2)做好襯砌結(jié)構(gòu)的防水,需合理選擇材料、規(guī)范鋪設(shè)防水布,完善洞內(nèi)引排措施等。

同時,黃土隧道襯砌開裂病因處治的重點(diǎn)為改善圍巖性能,減少襯砌受力。主要處理方法為: 1)在施工時操作規(guī)范,減少空洞、填充不密實(shí)等失誤操作的頻率; 2)對已檢測出的空洞、陷穴、落水洞等問題進(jìn)行注漿加固、回填夯實(shí)處理等。

因黃土隧道襯砌開裂的影響因素較多,且大部分為多種原因耦合所致,故處理方法需要根據(jù)具體隧道情況制定。

5.1.2 加固補(bǔ)強(qiáng)

從表6可以看出,黃土隧道的處理方法一般根據(jù)襯砌裂縫寬度來劃分裂縫等級。小裂縫用環(huán)氧樹脂或水泥砂漿封閉; 較大裂縫則根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)受力及裂縫發(fā)展情況,合理選用掛網(wǎng)噴護(hù)、套拱加固、波紋鋼加固、粘鋼法、粘貼纖維布法、嵌入鋼拱架等方法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng); 嚴(yán)重開裂時則需要重新?lián)Q拱澆筑,相關(guān)研究見表7。

表7 隧道二次襯砌開裂加固補(bǔ)強(qiáng)法

從表7可以看出,上述加固方法雖然積累了較多的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),但仍存在部分問題。

1)加固方法均有缺陷。如波紋鋼法、粘鋼法需要大型機(jī)械,且由于材料本身特性,會造成襯砌自重增大或侵限。再者波紋鋼需要進(jìn)行錨固,錨固措施會造成襯砌結(jié)構(gòu)的二次損傷;而粘鋼法則對環(huán)境的濕度、溫度有較高要求。

2)缺乏定量施工的標(biāo)準(zhǔn)。如選用鋼板時,鋼板的厚度、大小、粘貼的位置、錨固點(diǎn)的選取等都沒有具體量化;在粘貼纖維布時,黏合劑的用量、耦合程度等都沒有具體參考。

3)數(shù)值模擬方法的細(xì)節(jié)處理方面不完善。首先,在模擬修補(bǔ)后襯砌受力時,把加固部件和襯砌模擬成一個整體進(jìn)行受力分析,卻忽略了加固部件不僅要承擔(dān)整體襯砌所受的荷載,還要承受襯砌局部開裂產(chǎn)生的應(yīng)力。其次,在展開模擬分析時,其假設(shè)條件大多都是加固部件與加固面完全耦合;但在實(shí)際工程中,部件的耦合程度一向都是難以確定的,當(dāng)模擬的工程中存在不完全耦合或者界面破壞時,其模擬結(jié)果便不再具備參考價值。

5.2 隧道襯砌治理措施的發(fā)展

除上述內(nèi)容中提到的襯砌開裂治理措施外,隧道襯砌治理在混凝土性能強(qiáng)化、新材料研發(fā)、新工藝開發(fā)等方面也得到了進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

5.2.1 混凝土性能強(qiáng)化

在混凝土性能強(qiáng)化方面,高性能混凝土和纖維混凝土的運(yùn)用能有效提高二次襯砌的力學(xué)特性,張?jiān)粕萚82]認(rèn)為超高性能混凝土(UHPC)的抗壓、抗拉、耐久等性能都較為優(yōu)異,尤其是在襯砌已有初裂縫的基礎(chǔ)上進(jìn)行凍融試驗(yàn)后,結(jié)構(gòu)無明顯破壞,證明了UHPC在襯砌病害治理中的良好前景。徐禮華等[83-85]認(rèn)為混凝土結(jié)構(gòu)中加入鋼纖維、聚丙烯纖維、鋼-聚丙烯混雜纖維等,可使混凝土構(gòu)件的延性與韌性有較大提升,初裂強(qiáng)度、初裂應(yīng)變也相應(yīng)提高;同時,同月蘋等[86]也認(rèn)為,對于隧道襯砌結(jié)構(gòu)來說,鋼纖維可以有效提高結(jié)構(gòu)劈裂抗拉強(qiáng)度及韌性,阻止荷載裂縫產(chǎn)生;聚丙烯等合成纖維可以有效改善襯砌結(jié)構(gòu)的抗?jié)B透性,鋼-聚丙烯等混雜纖維合體配比則可以做到兩者兼具。

此外,還有學(xué)者提出通過微生物或化學(xué)物理反應(yīng)的方法,使得襯砌裂縫自愈合。例如: 曹妍等[87]提出5種用于治理隧道襯砌裂縫的自愈合方法,包括仿生自愈法、形狀記憶合金法、空芯光纖和空芯纖維自愈法、微生物礦化自愈法及膠囊裹覆體自愈法,并以實(shí)際工程為依托,驗(yàn)證了膠囊裹覆體自愈法的可行性。王潤煒[88]提出加入滲透結(jié)晶材料的襯砌結(jié)構(gòu),不僅在海水中起到了很好的自愈合效果,還能有效地阻止氯離子侵蝕。

5.2.2 新材料研發(fā)

在新材料研發(fā)上,結(jié)合第5.1節(jié)可知: 治理黃土隧道裂縫處治新材料重點(diǎn)圍繞防治水、改善圍巖性能及補(bǔ)強(qiáng)襯砌3方面進(jìn)行研發(fā)。

5.2.2.1 防治水

李藏哲[89]提出一種新型環(huán)保型反滲透高分子自粘防水卷材“EFRO”用于襯砌結(jié)構(gòu)層防水,通過實(shí)現(xiàn)與混凝土襯砌 “皮膚式”粘結(jié),有效解決傳統(tǒng)EVA、ECB、PVC等防水材料因施工或圍巖變化等因素破損后與二次襯砌之間存在的水竄流問題及各工序交叉作業(yè)的影響。同時,喬君惠[90]研發(fā)的Krystol科技水泥基滲透結(jié)晶型防水系列產(chǎn)品能使多孔的混凝土結(jié)構(gòu)變得密不透水,其成熟的結(jié)晶技術(shù)既可以使得襯砌整體形成防水屏障,又可以對較大裂縫自愈合,尤其是具備在背水面施工的特點(diǎn),可以起到對裂縫永久修復(fù)的效果。

5.2.2.2 改善圍巖性能

新型注漿材料是研發(fā)的重點(diǎn),卓越等[91]系統(tǒng)地梳理了現(xiàn)階段隧道圍巖注漿的新方法(上斷面開孔全斷面超前加固方式等)、新工藝(加筋注漿工藝、加筋注漿工藝等)、新材料(特種硫鋁酸鹽水泥、改性脲醛樹脂等)、配套設(shè)備(意大利CasagrandeC6鉆機(jī)、德國MC15、徐工XMZ120鉆機(jī)、日本礦巖RPD-180CBR鉆機(jī)等),充分闡述隧道圍巖注漿技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展。

5.2.2.3 襯砌補(bǔ)強(qiáng)

新材料的發(fā)展大體圍繞對現(xiàn)有修補(bǔ)材料的改性優(yōu)化與短板完善2部分展開。1)在改性優(yōu)化方面,鞠向偉等[92]研發(fā)出一種水性環(huán)氧樹脂改性水泥砂漿,具有高強(qiáng)、高黏結(jié)性的特點(diǎn),能夠?qū)疇顟B(tài)下的管片破損及裂縫進(jìn)行高效修補(bǔ)。徐少云等[93]研發(fā)出一種基于硅酸鹽水泥的新型修補(bǔ)材料NR,其抗氯鹽與硫酸鹽侵蝕的性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂材料。同時,研發(fā)的新型碳纖維復(fù)合材料[94]、粘結(jié)劑[95]耐高/低溫、耐腐蝕、耐疲勞性能更為優(yōu)越、使得隧道二次襯砌裂縫的治理更為高效。2)在短板完善方面,傳統(tǒng)的粘貼鋼板已逐漸過渡為粘貼“W”型鋼帶[96],完善了鋼板自重大、施工難的缺點(diǎn)。

5.2.3 新工藝開發(fā)

新工藝開發(fā)主要包括新型設(shè)備的支撐以及新型改良工藝。

隧道新設(shè)備發(fā)展蓬勃,例如: 針對需要進(jìn)行隧道換拱的病害治理方案時,劉志強(qiáng)等[97]提出4種新型機(jī)械設(shè)備(如圖9所示)代替人工操作,分別為帶弧形導(dǎo)軌的類仿形作業(yè)式開槽機(jī)、帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開槽機(jī)、帶水平回轉(zhuǎn)的可伸縮曲臂式開槽機(jī)、公鐵兩用載運(yùn)平臺開槽機(jī)設(shè)備,避免了人多雜亂、效率低下、安全風(fēng)險高的問題。

(a) 帶弧形導(dǎo)軌的類仿形作業(yè)式開槽機(jī)

(b) 帶橫向?qū)к壍亩喙?jié)伸縮臂式開槽機(jī)

(c) 帶水平回轉(zhuǎn)的可伸縮曲臂式開槽機(jī)

(d) 公鐵兩用載運(yùn)平臺開槽機(jī)

除此之外,襯砌防脫空主動監(jiān)測系統(tǒng)[98]、新型智能化隧道襯砌臺車[99]等新型設(shè)備都為隧道開裂病害的治理提供了有力支撐。

在新工藝方面,劉德軍等[51]提出隧道襯砌的FRP網(wǎng)格加固方法(如圖10所示),適用于二次襯砌開裂后的內(nèi)表面加固。從理論計(jì)算、數(shù)值模擬及其現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果來看,該方法具有施工高效、加固快速的特點(diǎn),并可有效改善襯砌承載和裂縫控制的能力。

(a) FRP網(wǎng)格加固法示意圖

(b) FRP網(wǎng)格加固法現(xiàn)場應(yīng)用

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

1)通過整理隧道二次襯砌開裂的相關(guān)實(shí)例,統(tǒng)計(jì)了現(xiàn)階段二次襯砌裂縫的分類情況,并確定出黃土隧道二次襯砌裂縫的類型主要分為拱部縱向裂縫、邊墻縱向裂縫、邊墻環(huán)向裂縫、邊墻斜向裂縫4種。

2)分析得出黃土隧道二次襯砌開裂的原因可分為工程地質(zhì)條件、圍巖環(huán)境惡化、設(shè)計(jì)施工不當(dāng)、結(jié)構(gòu)材質(zhì)劣化、自然(人為)破壞等5大類因素,且黃土的結(jié)構(gòu)與工程特性是襯砌開裂病害產(chǎn)生的內(nèi)因,水的作用是關(guān)鍵因素也是主要外因。

3)目前對黃土隧道二次襯砌裂縫的處治措施主要有病因處治和加固補(bǔ)強(qiáng)2類。病因處治的關(guān)鍵在于治水,其次為改善圍巖性能,減少襯砌受力;加固補(bǔ)強(qiáng)大部分采用現(xiàn)階段隧道通用的治理手段,對小裂縫采用環(huán)氧樹脂或水泥砂漿封閉,大裂縫則根據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)受力及裂縫發(fā)展情況合理地選用掛網(wǎng)噴護(hù)、套拱加固、波紋鋼加固、粘鋼法、粘貼纖維布法、嵌入鋼拱架等方法進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

6.2 展望

結(jié)合本文所提出的不足之處,認(rèn)為未來對黃土隧道裂縫的研究將集中在研究方法、裂縫分類及處治措施方面。

6.2.1 研究方法

1)調(diào)查分析方法需更多關(guān)注系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),形成圖冊、數(shù)據(jù)庫等,為裂縫的處治提供依據(jù)。

2)數(shù)值模擬方法應(yīng)進(jìn)一步精細(xì)化建模,充分考慮如黃土蠕變、土體結(jié)構(gòu)、襯砌損傷等本構(gòu)模型或施工時的復(fù)雜環(huán)境場耦合等;另外,還需考慮時間因素的影響。

3)監(jiān)控量測方法應(yīng)考慮監(jiān)測技術(shù)的革新與監(jiān)測內(nèi)容的擴(kuò)大,需注重智能化、數(shù)字化發(fā)展。

4)現(xiàn)階段的理論解析方法應(yīng)考慮多影響因素下的綜合解析,并考慮發(fā)展小型化、快捷化應(yīng)用。

5)模型試驗(yàn)需進(jìn)一步考慮還原施工過程中的動態(tài)加載、卸載、支護(hù)過程。

6.2.2 裂縫分類

現(xiàn)階段的裂縫分類主要以某一共同特征進(jìn)行劃分,而在面對多特征的復(fù)雜裂縫時,主流類型不足以進(jìn)行囊括,因此在未來可以進(jìn)一步建立多特征的裂縫分類體系。

現(xiàn)階段對襯砌裂縫分布形式、黃土隧道與環(huán)境三者間深層次聯(lián)系的認(rèn)識仍存在不足,如“縱向裂縫主要受黃土地層何種因素影響”等,因此在未來可加以研究或總結(jié),得出相關(guān)結(jié)論。

6.2.3 處治措施

在未來可以建立多種加固方法的共同施作指導(dǎo)體系來補(bǔ)全短板。現(xiàn)階段的新材料、新工藝、新技術(shù)等研發(fā)仍處于理論或試用階段,需要更為深入的研究,是未來發(fā)展的重點(diǎn)方向。