公路隧道橫通道裂縫成因淺析

唐國軍，周　祥，陳人豪

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，廣西　南寧　530029)

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公路隧道橫通道裂縫成因淺析

唐國軍，周祥，陳人豪

(廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，廣西南寧530029)

唐國軍(1974—)，高級工程師，長期從事公路隧道的勘察設計工作；

周祥(1987—)，工程師，工學碩士，主要從事公路工程勘察設計工作；

陳人豪(1990—)，碩士，助理工程師，主要從事山嶺高速公路隧道設計、檢測和科研相關工作。

摘要：文章采用數值模擬分析的方式分析了公路隧道正常段及橫通道交叉段的力學特點，并結合數值分析結果及工程實踐經驗，從公路隧道的勘察、設計、施工質量與方法、不良地質及特殊性巖土、施工和運營管理等方面，對公路隧道襯砌開裂的成因進行了探討。

關鍵詞：公路隧道；數值分析；裂縫成因；勘察；設計；施工；管理

0引言

公路隧道具有斷面大、多成扁圓狀、有加寬段和橫通道等特點，與單線鐵路隧道相比受力更為不利。隨著國家加大對基礎建設的投入，需要建造公路隧道的數量越來越多，但由于勘察設計、施工、不良地質及管理等各方面原因造成了我國已建及在建隧道大部分都存在著或多或少的病害問題，其中比較普遍的就是襯砌裂縫。公路隧道襯砌裂縫發(fā)生后，如果得不到及時評估并處理，放任其發(fā)展，會造成襯砌結構開裂、甚至破壞，縮短隧道壽命，危害行車安全。與其等到襯砌裂縫發(fā)展到危害隧道安全時再處理，不如從裂縫一開始發(fā)生時就采取針對性的措施進行補救。本文結合數值分析結果，從勘察設計、施工、不良地質及管理等方面對公路隧道橫通道襯砌裂縫的成因進行了探討，以供同行參考。

1公路隧道的一些基本知識

1.1　圍巖與支護的相互作用

公路隧道開挖后，由于臨空面形成，原始地應力場發(fā)生變化，圍巖開始向隧道內產生位移，稱之為收斂。隨著圍巖收斂的進一步發(fā)展，受影響區(qū)域由零空間逐步向隧道外圍圍巖擴展。當圍巖整體性好、強度高，隧道斷面形狀有利時，巖體變形達到一定程度就自行終止，反之圍巖變形將一直發(fā)展下去，最終導致失穩(wěn)。圍巖收斂過程中，在開挖邊界適時進行支護，圍巖變形將受到支護結構的約束，同時支護結構又受到圍巖的反力，并產生變形。選擇合適的支護時機，既可以限制圍巖變形，也使得圍巖存儲的能量得以釋放，支護結構受到的力較小，所需要的支護代價也較小。

1.2　普氏理論

深埋隧道開挖后，若不及時支護，則有可能出現洞頂巖體斷裂、破碎，甚至部分巖塊失去平衡塌落。大量的工程觀察和模型試驗的結果證明，這種塌落并非無止境，塌落到一定程度后就不再塌落了。從觀察到的現象來看，塌落終止后的界面近似拱形，這個拱稱為卸載拱。卸載拱承受上部巖體傳來的重力，并將重力傳遞到洞室兩側的巖體上。卸載拱下部的松散巖體重力將由支護結構承受。

普氏理論以卸載拱為基礎，推導出圍巖作用在隧道支護結構的垂直壓力，其計算式為：

q=γh，h=b/f，b=bt+httan(45-φ/2)，f=tan(φ*)

(1)

式中：γ——圍巖的天然重度；

h——平衡拱高；

b——天然拱的半跨度；

bt——隧道洞室的半跨度；

ht——隧道洞室的高；

f——似摩擦系數；

φ，φ*——分別為圍巖內摩擦角及似摩擦角。

隧道洞室的側向壓力可采用郎肯主動土壓力理論進行計算。

2數值模擬分析

為了分析公路隧道的受力特點，本文選取某典型Ⅲ級圍巖分離式深埋隧道以及橫通道進行數值模擬，分析其受力特點及變化趨勢，模型見圖1~2。

圖1　整體數值模型圖

圖2　隧道及橫通道模型圖

2.1　數值模擬假定：

(1)圍巖為各向同性巖體；(2)圍巖本構模型為莫爾庫侖模型；(3)不考慮滲透及不良地質及高應力等不利作用；(4)僅作開挖模擬，不考慮支護作用。

2.2　計算結果分析

2.2.1隧道最大主應力狀態(tài)分析

由最大主應力矢量圖(見下頁圖3)，分離式隧道開挖后，圍巖應力發(fā)生重分布，最大主應力沿隧道環(huán)向分部，最大主應力為壓應力。由于巖體通常具有較大的抗壓強度而具有抗拉強度，這種重分布利于圍巖的進一步穩(wěn)定。

從圖中還可以看出，圍巖開挖后，由于分離式隧道圍巖應力向隧道洞室兩側傳遞，分離式隧道橫通道所處的位置受到圍巖重分布的影響大。可見深埋分離式隧道兩側，尤其是隧道橫通道位置對圍巖自穩(wěn)及充分發(fā)揮圍巖承載力有重要意義。

圖3　最大主應力矢量圖

2.2.2位移分析

左右洞開挖后位豎向位移情況見圖4。從圖4可以看出，分離式隧道開挖后，拱頂以上圍巖向下變形，拱底以下圍巖向上回彈變形，上下部圍巖都向隧道內收斂。

沿主洞縱向縱切面位移情況見圖5。從圖5可以看出，橫通道開挖后，原承受主洞頂部巖體傳下來的重量的圍巖被挖掉，造成圍巖重分布，橫通道與主洞交叉處位移增長幅度較大。同時也能看到，圍巖位移增大有趨勢，但并不是無限擴展，而是集中在一定范圍。

沿隧道橫切面位移情況見圖6。從圖6可以看出，在主洞與橫通道交叉的一定范圍內，位移較大，且向橫道到中部逐步減小。

圖4　左右洞開挖后位豎向位移圖

圖5　沿主洞縱向縱切面位移云圖

圖6　沿隧道橫切面位移云圖

2.2.3應變分析

主洞等效應圖見圖7。從圖7可以看出，在沒有支護的情況下，分離式隧道主洞應變主要集中在隧道兩側。

主洞及橫通道等效應變圖見圖8。從圖8可以看出，在沒有支護的情況下，橫通道有較大的應變范圍及較大的應變值，這說明橫通道在沒有支護情況下將發(fā)生較大應變，若圍巖整體性差或強度低則橫通道較正常段更易塌方。

圖7　主洞等效應變圖

圖8　主洞及橫通道等效應變圖

從以上分析可以看出，公路隧道開挖后，隧道周圍巖體受到擾動較大。尤其是橫通道位置，有較大位移和應變范圍。

對于正常段，隧道支護主要承擔隧道周邊圍巖的力，對于較為松散的巖體，支護結構主要受到拱頂及兩側的圍巖壓力，但在儲存較大應變能量的圍巖中，由于支護與圍巖相互作用，支護時機不合適時，隧道還將受到圍巖向隧道收斂造成的形變壓力。

由于橫通道在交叉段影響范圍內，支護將承受比正常段更大的圍巖壓力，且由于交叉，支護的受力狀態(tài)不同于簡單的偏壓構件，受力狀態(tài)較為復雜。

可見公路隧道在勘察、設計、施工及運營管理等環(huán)節(jié)上要十分重視隧道的受力特點。要認識到隧道與圍巖的關系不能簡單地等同于荷載與結構的關系，尤其是存在交叉、加寬等地段時。要重視工程地質及水文地質條件、施工條件、管理條件等多種因素在隧道建設中的作用，以利于預防隧道病害(如襯砌裂縫)的發(fā)生。

3公路隧道裂縫成因分析

3.1　勘察設計原因

3.1.1設計原因

公路隧道位置原則上應選擇在地質良好，圍巖自穩(wěn)能力好，宜形成平衡拱的位置。對于設計斷面，應綜合考慮圍巖級別及建筑限界情況，選取合理斷面形式及支護參數，既發(fā)揮圍巖承載力，減小支護承受的圍巖壓力，同時又要避免由于圍巖過大變形造成坍塌。

設計上若選擇位置不當，尤其是所處地段處于不良地質、特殊性巖土及復雜構造地應力段，圍巖應力較為復雜，支護受力也較為復雜，襯砌結構應力狀態(tài)復雜，在不利的情況下將產生裂縫。

橫斷面形式及支護參數設計不當，既會造成支護結構受力復雜，也將造成圍巖應力復雜，尤其是加寬段及橫通道交叉處。這可能造成復雜應力作用下隧道襯砌開裂。

3.1.2勘察原因

勘察為設計提供基礎資料及建議，勘察成果對隧道區(qū)地質情況的整體把握及不良地質作用的認識十分重要。勘察過程中對圍巖參數、地質條件等的不合理推測，將直接造成設計橫斷面位置與支護參數與實際情況不相適應，從而可能造成隧道襯砌裂縫的產生。

3.2　施工原因分析

3.2.1施工質量

(1)支護參數達不到設計要求，支護承載力較設計降低

施工過程中，由于施工管理不當，施工后混凝土的原料、水灰比、振搗、處理不當，這都將會造成支護參數不足，降低支護承載力。對于正常段，主洞由于支護承載力不足，可能失穩(wěn)破壞，輕者開裂，重者發(fā)生坍塌事故。對于橫通道交叉段，一方面，主洞支護承載力不足，將會造成主洞在與橫通道交叉處產生較大的變形，從而又進一步影響橫通道區(qū)域，造成橫通道受力變形較大，襯砌出現裂縫。另一方面，橫通道襯砌厚度不足也會造成主洞支護承受較大荷載，且受力狀態(tài)更為復雜，從而造成襯砌出現裂縫。

(2)支護時間安排不合理

公路隧道主洞尤其是橫通道開挖后，長期未得到有效的支護。一方面臨空面處圍巖在水流、溫度、大氣等多種因素的作用下進一步風化，圍巖強度降低(尤其是軟巖)；另一方面圍巖得不到及時的支護，圍巖塑性應變區(qū)域進一步擴展，受擾動區(qū)域進一步擴大，支護結構需要承受的圍巖應力增大。圍巖自承載的比重降低，支護結構承受圍巖荷載比重增大，這就相當于降低了支護的承載能力，襯砌結構可能出現裂縫。

(3)超欠挖

隧道施工過程中，爆破控制不好，將會造成超欠挖。超欠挖現象在施工中比較常見，尤其是超挖。超挖后，一方面，造成開挖斷面增大，隧道開挖影響范圍也相應增大，荷載也增大。另一方面，由于經濟等多種原因，超挖部分得不到有效處理。若空洞不回填，圍巖變形將進一步發(fā)展，進一步坍塌，坍塌過程中，支護甚至承受動荷載。對于片石回填且沒有得到有效注漿，將造成支護與圍巖不密實，支護結構受力不利。欠挖造成支護有效厚度減小，承載力降低。無論是超挖或欠挖都會造成支護結構應力較大，從而可能造成裂縫的產生。

(4)地質變化未及時上報

目前施工隊伍素質不一，施工中某些隊伍存在從自身利益出發(fā)，瞞報地質變化或自行調整支護參數。特別是在橫通道交叉處，由于受力復雜，若支護參數不能適應地質變化，將可能造成襯砌開裂。

3.2.2施工方法

施工方法對隧道工程的勘察設計、施工非常重要。勘察設計上的圍巖劃分與支護參數通常都是與相應的施工方法對應。不合理的施工方法，可能造成襯砌開裂。目前常見的有：

(1)爆破

隧道爆破施工要求盡量減小對圍巖的擾動，保護圍巖承載力，提倡光面爆破。由于光面爆破，炮眼數量多，工序多，成本高，一些施工隊在施工過程中采取少鉆炮眼、鉆深孔、多放炸藥的方式。爆破進尺大，成本低。但這種爆破方式會造成巖體破裂影響區(qū)域大，爆破后超欠挖嚴重。由于爆破后巖體爆破影響區(qū)通常巖體較為松散，巖體整體性和強度較差，造成圍巖分擔荷載小，支護承受的荷載大。在公路隧道橫通道尤其是車行橫通道上表現得特別突出。公路隧道車行橫通道的主洞通常為加寬段，該段主洞斷面大，爆破影響范圍也大。無論是主洞還是橫通道的不利爆破都會增加主洞和橫通道支護的受力，降低圍巖自承載能力，從而可能引起襯砌裂縫。

(2)開挖方式

深埋隧道開挖方式不恰當，直接影響隧道支護承受的荷載。如本應采取三臺階的施工方法，卻采用全斷面開挖。采用全斷面后，無疑造成圍巖擾動區(qū)域大，圍巖自承載的比例小，支護承受的比例大，當支護承受荷載大到一定程度則可能出現裂縫。

3.3　不良地質和特殊性巖土

無論主洞還是橫通道，不良地質和特殊性巖土都可能造成襯砌結構造成裂縫，橫通道位置由于具有一定的柔性，通常可以在施工階段調整位置，但主洞較難調整。對于施工未揭露出或得不到有效處置的不良地質和特殊性巖土，則可能造成襯砌開裂。

3.3.1巖溶

巖溶問題在西南灰?guī)r區(qū)比較嚴重，由于巖溶發(fā)育的復雜性，勘察設計及施工階段都不一定能夠完全摸清。

隧道受巖溶的影響，與巖溶發(fā)育位置有關，分為拱頂區(qū)、拱腰區(qū)、拱底區(qū)。巖溶對隧道的影響需要綜合巖溶發(fā)育的規(guī)模、形態(tài)、填充物、地下水等情況綜合分析。

一般來說，拱頂巖溶發(fā)育，一方面阻斷了可能形成的卸載拱形成，另一方面在沒有填充物的情況下，隧道結構受到落石荷載的作用，在有填充物的情況下，又受到填充物的荷載作用，增大了支護結構受力。

拱腰巖溶發(fā)育，從而增大了卸載拱的支護受力，甚至在巖溶發(fā)育不對稱的情況下，支護受到偏壓荷載。

拱底巖溶發(fā)育尤其是含有深厚高壓縮性的黏土層時，由于較大的不均勻沉降，可能造成運營期隧道結構的開裂。

3.3.2膨脹巖土

在一些含有較多蒙脫石、伊利石及高嶺石的圍巖(如巖溶填充物中的某些紅粘土)，巖體具有一定膨脹性。膨脹性巖體的圍巖具有脹縮性能，水分增多時，圍巖膨脹；水分降低時，圍巖收縮。圍巖膨脹時，由于支護結構限制其變形，支護結構將承受較大的膨脹力。圍巖收縮時，由于支護結構一些部分失去彈性支承，支護結構受力性能發(fā)生較大變化。在長期脹縮過程中，支護結構受力反復變化，其承載能力也較普通結構降低。這些都可能造成支護結構襯砌裂縫的形成。

3.4　管理原因

3.4.1管理理念

隧道工程身處地下，處于復雜的巖土體中，巖土體不僅受到地質構造的影響，還受到溫度、大氣、水等多種因素影響。在施工完成后，由于隧道工程改變了原有的地質環(huán)境，隧道工程周邊巖體甚至支護都長期發(fā)生著物理、化學變化。支護結構受到的荷載及其承載能力是在不斷變化的。

目前公路隧道的建設，參建方一些人認為只需要隧道能順利施工開挖后就不會存在問題，在建設中就會存在不注重公路隧道的長期安全運營，只在乎能否順利開挖。對各種耐久性指標控制不嚴，管理不善，對各種隱患重視不足，這些都可能造成隧道襯砌出現裂縫。

3.4.2施工管理

施工控制對于隧道的長期運營質量作用是巨大的，公路隧道施工階段管理不善，往往會給后期運營管理帶來不小的安全隱患。

(1)管理不到位

公路隧道在實際施工中存在管理不到位的現象。一些參建方對原材料、施工工藝、施工質量的把控流于形式，使得支護結構的強度、各種材料耐久性較難達到設計要求。且施工不規(guī)范，施工隊伍隨意性大，不能有效貫徹設計意圖，甚至不按照設計施工。

(2)監(jiān)控量測及超前地質預報少做或不做

由于地質的復雜性，與巖土工程息息相關的工程都講究動態(tài)設計。監(jiān)控量測及超前地質預報對隧道很重要，但目前存在少做甚至不做，且得不到參建方重視的問題。監(jiān)控量測及超前地質預報可有效分析支護結構的受力性能，判斷支護結構是否與實際地質情況相適應，及時發(fā)現不良地質及消除各種安全隱患。

3.4.3運營管理

運營管理階段不定期檢查，發(fā)現問題后不及時有效處理，都可能造成隧道結構裂縫。

4結語

公路隧道建設成本高，使用年限長，維修加固費用高。無論勘察設計、施工以及運營管理哪個環(huán)節(jié)出了問題，都會對公路隧道的使用壽命有較大的影響。本文系統(tǒng)分析了公路隧道裂縫的成因，希望能給同行提供參考，以便在公路隧道建設及運營期采取適當的措施，減少造成公路隧道開裂的不利因素，提高其使用壽命。

參考文獻

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[2]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]王成.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

Discussions on the Causes of Cracks in Highway Tunnel Cross-passages

TANG Guo-jun，ZHOU Xiang，CHEN Ren-hao

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：By using the numerical simulation analysis method，this article analyzed the mechanical char-acteristics of cross section between normal section and cross passages of highway tunnels，then com-bined with numerical analysis results and practical engineering experience，and from the aspects of highway tunnel survey，design，construction quality and method，poor geology and special rock-soil，construction and operation management，it discussed the causes of highway tunnel lining cracks.

Keywords：Highway tunnel；Numerical analysis；Cause of cracks；Survey；Design；Construction；Management

收稿日期：2015-03-05

文章編號：1673-4874(2015)08-0072-06

中圖分類號：U451+.4

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.018

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