淺埋隧道拱部裂紋產生機理及處理技術

雷東婁

（中國核工業華興建設有限公司，江蘇 南京 210019）

淺埋隧道拱部裂紋產生機理及處理技術

雷東婁

（中國核工業華興建設有限公司，江蘇 南京 210019）

文章介紹云桂鐵路云南段董弄隧道地形地貌、地質構造、圍巖類型、拱部及地表裂紋產狀，分析該隧道地表及拱部裂紋的產生機理，最后介紹了其處置措施，可為類似工程提供參考。

淺埋隧道；拱部裂紋；產生機理；處置

隨著我國交通事業的高速發展，隧道施工面臨各類復雜惡劣的施工條件，淺埋隧道施工難度相對較小，出現的問題較少。但出現的問題往往缺少類似工程的解決方案參考，需要專題研究。

1 工程概況

董弄隧道位于白臘寨～廣南區間，進口里程DK414+809，出口里程DK415+554，全長745m。

1.1 地形地貌

屬構造剝蝕、侵蝕低中山地貌，地形起伏較大，地面高程1220～1305m。DK415+200～DK415+554段地面橫坡陡峻，自然坡度15～40°，局部較陡，地形等高線與線路中線近平行，為傍山隧道。該段坡面植被發育，橫向沖溝發育，基巖零星出露，隧道拱頂以上最大埋深約58m。

1.2 地層巖性及地質構造

隧道穿越地層為三疊系中統板納組下段（T[2]b（b））泥質粉砂巖夾泥巖、細砂巖及板納組上段（T[2]b（a））砂巖夾泥巖、泥質粉砂巖。

1.3 圍巖級別

本段采用V級B型復合式襯砌，采用全環I22b型鋼鋼架加強支護并輔以拱部Ф60中管棚/!108大管棚超前支護，鋼架間距0.6m，大拱腳臺階法開挖。

2 產生機理

2.1 出現的問題

（1）地表裂縫特征。根據地表裂縫調查及實測，其主要特征如下：地表裂縫縱向主要分布于線路左側（靠山側），裂縫走向近平行于線路；裂縫橫向位于隧道左線線路中線左側10～30m，并隨著隧道埋深增大逐漸遠離隧道中線。其中DK415+430～DK415+532段最遠離線路方向裂縫縱向連續，為地表主裂縫。主裂縫最大寬度約25cm，最大寬度位于DK415+460～+480段，平均寬度約10～15cm，裂縫可見錯臺，錯臺最大高度約20cm；其余裂縫寬度約3～5cm。地表裂縫新老不一，少量裂縫內可見青苔。從地表裂縫內青苔情況分析，部分裂縫可能為隧道開挖期間形成的。

（2）洞內裂紋特征。裂紋縱向分布范圍為DK415+200～DK415+554段共354m，隧道二襯拱部襯砌開裂，以縱向“V”字形外張形態裂紋為主。局部存在環、斜向裂紋，裂紋主要分布于隧道拱部偏左側位置，且呈現越向大里程方向其分布越居中的跡象。裂紋深度未貫通隧道襯砌結構，裂紋最大寬度約2mm，一般0.2～1mm，裂紋最大深度約20～25cm，總體上拱部左側裂紋寬度大于右側。

2.2 結構檢算及反分析

針對董弄隧道DK415+200～DK415+554段二襯拱部開裂情況，為進一步分析變形原因，確定襯砌結構安全性、分析現狀地形地質條件下襯砌結構的適應性，對襯砌結構開展了數值模擬分析。

隧道襯砌結構受力分析采用荷載-結構模型、平面桿系有限元位移法。隧道襯砌結構采用梁單元，圍巖采用平面桿系進行模擬。結構模型采用主動荷載加圍巖彈性約束。計算中考慮復合襯砌背后完全回填密實，考慮仰拱與襯砌共同作用，并假定襯砌背后圍巖能提供徑向彈性反力。圍巖荷載按《隧規》附錄B偏壓隧道襯砌計算方法取值，二襯承受圍巖荷載比例按70%考慮。根據上述計算模型，采用有限元軟件對董弄隧道的V級B型復合式襯砌結構按破損階段法進行強度驗算，對裂縫寬度按正常使用極限狀態法進行驗算，結果如下：現狀襯砌結構開裂后其安全系數降低，安全系數1～2，不滿足《隧規》的要求。

淺埋偏壓隧道在開挖過程中洞內初期支護變形引起隧道兩側形成破裂面，襯砌結構主要承受破裂面范圍土柱的垂直荷載。其垂直荷載大小主要由隧道埋深及土柱兩側的摩擦角控制，隨著摩擦角的減小襯砌結構承受的垂直荷載明顯增加造成襯砌結構結構開裂，同時地面橫坡及土體側向約束力對其有一定影響。

綜合現場調繪、位移監測、地質核查及補充勘測、結構檢算及反分析的結論，分析董弄隧道DK415+200～DK415+554段襯砌開裂的原因如下：

（1）董弄隧道處于嶺南巨型復雜緯向構造帶的西段與滇越巨型旋扭構造體系的復合（疊加）部位，區域地質構造較復雜。隧道處于區域性斷裂小寨逆斷層的下盤，開裂段處于董弄向斜NW翼，受斷裂及褶皺影響，隧道區節理裂隙發育，巖體破碎。隧道洞身圍巖為泥質粉砂巖夾泥巖，風化差異較大，多呈強風化狀，局部呈弱風化、全風化，結合力差，圍巖強度很低。開裂段斜坡左高又低，自然坡度約30°，為傍山隧道。從地形上看，存在偏壓現象，對隧道變形具有一定的影響。地表裂紋主要分布于左側，是隧道地形偏壓的表現。隧道穿越地層巖性為砂泥巖，以強風化為主，遇水易軟化。近幾年該區雨季降雨豐富，降雨沿自然斜坡漫流后進入早期形成的裂紋，使得拱頂圍巖含水量增大，巖土體重量增加，進一步惡化拱頂圍巖強度，加大拱頂荷載。根據洞內及地表裂縫的分布、襯砌裂紋鉆孔取芯的情況分析，襯砌開裂是由于其承受的豎向荷載過大造成的，同時地面橫坡對裂紋的分布有一定的影響。

（2）隧道開挖使得洞身圍巖松弛，存在松動圈，工序轉換時。特別是洞內初支過度變形使得松動圈范圍擴大，延伸至地表導致地表出現裂紋。根據結構檢算及反分析并結合地質補勘情況，由于開挖過程中初期支護變形較大引起隧道周邊一定范圍形成松動圈，松動圈內土柱摩擦力減小造成豎向荷載增大。隨著隧道埋深的減小，松動圈引起地表開裂后地表降雨下滲降低了土柱的摩擦力，同時巖土體重量增加，拱頂荷載加大導致拱部出現順線路方向為主的張性裂紋并引起地面產生新的錯臺，同時地形偏壓也加劇了隧道拱頂的變形。

（3）根據地質補勘情況，隧道兩側分布豎向節理密集帶。根據物探結論推測該節理密集帶，節理密集帶與線路小角度相交，于DK415+320～DK415+420段從線路右側穿越至線路左側。豎向節理密集帶的存在消弱了地形偏壓引起的水平荷載，增加了豎向荷載。這與DK415+380～DK415+440段襯砌裂紋拱部分布范圍較大，橫向分布相對居中的情況相吻合。結合洞內二村裂紋發育的部位、延伸方向分析，該裂紋為拱拱頂垂直荷載作用形成的張性裂紋。

（4）根據施工過程中監控量測顯示，該段初期支護變形以沉降為主，印證了隧道拱部豎向荷載過大。

3 處理措施

3.1 注漿加固圍巖

對隧道襯砌周邊圍巖進行注漿加固，以提高圍巖力學指標及自承載能力，避免地表水下滲惡化襯砌周邊圍巖環境，并結合隧道埋深其加固措施如下：

（1）洞內注漿加固。隧道埋深超過40m，采用洞內注漿加固圍巖。具體如下：拱墻180°以上范圍采用Ф42×3.5徑向鋼花管注漿加固襯砌周邊圍巖，鋼花管間距1.2m（環）×1.2m（縱），長5.0m。注漿材料宜采用早強、流動性好的水泥漿液，水泥漿水灰比1∶1，注漿壓力控制在0.3～0.5MPa。當注漿壓力達到設計終壓并穩定5min以上、吸漿量很少或不吸漿時即可結束該孔注漿。

（2）地表注漿加固。隧道埋深小于等于40m，采用地表注漿加固圍巖。具體如下：①加固范圍：拱頂及邊墻兩側進行袖閥管注漿加固，其中邊墻范圍為隧道兩側開挖輪廓線外7m，注漿深度范圍為仰拱頂面至拱頂以上16m；拱部范圍注漿深度為拱頂以上2～16m，拱頂以上高度不足16m時加固至地表；②注漿方式：采用袖閥管注漿，鉆孔采用Ф89mm，閥管材料采用外徑Ф76mm無縫鋼管加工制成，壁厚6mm，每米均勻環向設置溢漿孔3個，溢漿孔直徑6mm。袖閥管采用水囊式止漿塞分段進行注漿，由孔底逐段向孔口分段式注漿，不得采用鋼管樁孔口直接連接絲扣連接注漿管的一次性注漿方式。袖閥管套殼料采用膨潤土摻水泥漿，膨潤土、水泥、水的比例為1.5∶2∶2；③注漿孔布置：為保障注漿效果，注漿孔布置按中間稀、邊緣密的方式進行布孔。漿液擴散半徑不小于1.5m，隧道兩側范圍注漿孔間距1.5m×1.5m，兩側各布置4排；拱部范圍注漿孔間距2.0m×2.0m，共布置9排，注漿孔均按梅花形布置；④注漿壓力及漿液參數：注漿過程中應按先兩側后中間的順序，邊緣部位注濃漿，水灰比0.8∶1，中間部位注稀漿水灰比1∶1，注漿壓力0.8MPa，注漿終壓1.2MPa；注漿材料宜采用早強、流動性好的水泥漿液。

（3）洞內結構補強。拱部襯砌拆換范圍：結合襯砌拱部裂紋分布特征，拆換范圍應覆蓋裂紋分布范圍。同時為確保拆換范圍新筑襯砌具備自成拱能力，并結合結構計算襯砌彎矩分布情況，拆換界面盡量設置在彎矩較小處，本次確定拆換橫向范圍為隧道中線兩側各60°。

3.2 拱部襯砌拆換

拱部襯砌拆換措施：①拆除：拆除前，應先完成圍巖注漿加固。拆除時應預留拱部環向鋼筋作為新舊砼搭接鋼筋用。拆除應采用分段跳拆的方式，每次拆除長度不得大于2.0m。為保證拆除安全，拆除拱腳利用注漿鋼花管與既有襯砌鋼筋焊接作為鎖腳錨管；②防排水：拆除原襯砌后應重新鋪設防水板及無紡布，并確保新舊防水板搭接、焊接滿足規范要求，對新舊砼界面處采用鑿毛并高壓水沖洗，并涂刷界面劑，接縫處設置1道遇水膨脹橡膠止水條；③重筑：一次性澆筑拱部拆除范圍二襯及套襯，新建二襯及套襯采用C35鋼筋砼，拱部二襯內環向鋼筋采用Ф25@200mm雙層螺紋鋼筋，縱向鋼筋采用Ф14@250mm，箍筋采用Ф8鋼筋。

3.3 拱墻套襯補強

套襯施作前應嚴格按要求完成圍巖注漿加固。將原有襯砌內表面鑿除2cm，完成后將鑿毛面清理干凈，以保證新舊混凝土連接良好。原有襯砌植入Ф18定位鋼筋釬釘，釬釘長40cm，釬釘間距0.5m（環）×0.5m（縱），梅花形布置，伸入原有襯砌內20cm，并涂抹植筋膠。墻腳處打設Ф42鎖腳錨管，每處2根，每根長3.0m，縱向間距0.5m，并注1∶1水泥漿。施作套襯鋼筋混凝土，套襯施工環向施工縫設置一道遇水膨脹橡膠止水條。

3.4 其他措施

（1）明洞裂紋處理措施。對明洞段襯砌裂紋采用注環氧樹脂封閉的措施，注漿封堵完成后，于襯砌拱部120°范圍內緣涂刷防碳化層。

（2）防排水措施。為避免地表水大量下滲進一步惡化圍巖環境，同時減小地下水對結構的危害，對地表水采用截排措施。具體如下：對地表裂縫對地表裂縫采用鑿槽灌漿設置防水板封堵，鑿槽尺寸0.5m（寬）×0.5m（深），并對裂縫采用M7.5水泥砂漿灌填，灌漿后表層鋪設防水板并回填黏土隔水層。同時于該段線路左側設置2道縱向截水天溝，線路右側設置1道截水天溝，縱向截水天溝之間設置6道橫向截水溝，將地表水截引排至將線路右側河道，截水溝截面尺寸60cm（寬）×60cm（高）。

4 結束語

通過一年來對董弄隧道的地表及洞內收斂位移和拱頂下沉量觀測定量分析，得出的結論是：該處理方案對于穩定性較差的淺埋隧道偏壓產生的地表裂紋和拱頂裂紋處理起到了很好的處理效果。

[1]鐵路隧道設計規范[S].TB10003-2005.

[2]建筑地基處理技術規范[S].JGJ79-2012.

U45

A

2096-2789（2016）12-0041-02