麻竹高速公路宜城—保康段某隧道二襯開裂成因分析

彭 述

((湖北省神龍地質工程勘察院,湖北 武漢 430056)

麻竹高速公路宜城—保康段某隧道二襯開裂成因分析

彭 述

((湖北省神龍地質工程勘察院,湖北 武漢 430056)

高速公路隧道施工期間支護結構出現開裂是較常見的一種病害,多為初襯支護開裂,處理起來相對較簡單。但二襯支護開裂則不多見,產生的原因較復雜,處理起來較困難,對隧道整體結構安全及后期運營安全都有較大影響。通過麻竹高速公路宜城—保康段某隧道二襯開裂實例,結合筆者多年的隧道施工監測及超前地質預報經驗,對其成因進行剖析,并據此提出初步結論和處理措施,為隧道后續施工提供借鑒。

公路隧道;二襯開裂;病害

1 工程概況

麻城—竹溪高速公路宜城—保康段起于宜城市小河鎮胡灣村,途經宜城、南漳、保康三市縣地域,止于保康縣寺坪鎮簡家坪,全長114.110 km。

本文分析研究的某隧道為分離式長隧道,左、右洞間距25～35 m,右線起訖里程分別為YK60+665～YK62+102,全長1 437 m,隧道縱坡為1.6%上坡(表1)。隧道最大埋深約270 m。進口端位于右偏曲線上,出口位于左偏曲線上,出洞口地表自然坡度為30°～45°,植被發育。

區內海拔300～500 m,屬構造剝蝕低山區。山坡表層主要為第四系殘坡積層碎石土,黃褐色,稍濕,稍密,厚度約13.5 m;基巖及隧道圍巖為志留系頁巖,灰綠色、青灰色,泥質結構,薄層—中厚層狀,強風化層巖芯較破碎呈短柱狀及碎塊;下為中風化層,節理裂隙較發育,為軟質巖石。區內水系較發育,沿線地表水和地下水的流向均受構造及地勢制約,為山溪性河流。河水補給來源主要是雨水,也有少量地下水。

表1 隧道右線開裂段(K62+070～K61+960)襯砌設計參數一覽表

2 隧道二襯開裂表征

該隧道二襯于2013年8月底陸續出現開裂現象,開裂現象分布于里程K62+070～K61+960段,查閱施工日志得知,該段二襯自2013年7月中旬開始施工,至9月底基本完工,期間累計施工二襯180 m。

該段二襯裂縫形成時間及發展變化無明顯規律,有的裂縫在二襯完工不久即出現(照片1-照片3),如：K62+011、K62+013斷面,二襯齡期不足2天就產生了裂縫;K61+963、K61+964斷面,二襯齡期8天左右產生了裂縫;有的裂縫則在二襯完工后數十天出現(照片4),如：K61+978、K61+990斷面,二襯齡期44天后出現。有的裂縫呈緩慢擴展、延伸變化趨勢,有的則擴展變化較快,用肉眼難以直觀的初始微細縫經過約一周后裂縫明顯,如K61+998斷面,初期僅為10 cm長的細小裂縫,經過6天便延伸至4 m長,最寬處達0.75 mm。

照片1 隧道二襯裂縫近照Photo 1 Picture of the crack of tunnel secondary lining

照片2 6#裂縫貼玻璃片Photo 2 Glass sheet of 6# crack

照片3 17#裂縫貼玻璃片Photo 3 Glass sheet of 17# crack

照片4 14#裂縫貼玻璃片Photo 4 Glass sheet of 14# crack

照片5 觀測用40倍帶光源讀數顯微鏡Photo 5 40 times reading microscope with light source

3 隧道二襯裂縫匯總

經觀測統計,該隧道二襯出現裂縫里程段總長110 m,裂縫累計18條,裂縫長度最短1.4 m,最長6 m;裂縫寬度最小為0.1 mm,最寬為0.85 mm(照片5)。

整體來看,裂縫形成周期基本都超過了1個月,均處于緩慢擴張、延伸狀態,隧道病害較嚴重,若不采取有效的處理措施,裂縫將進一步擴展與延伸,進而影響到隧道整體安全。

隧道二襯裂縫匯總情況見表2。

表2 隧道二襯裂縫匯總表

注：貼片時間為第一次觀測時間;裂縫傾角為二襯裂縫側面投影與水平面的夾角。

4 隧道二襯裂縫相關資料分析

4.1 開裂段圍巖地質條件

查閱該隧道勘察報告可知,二襯開裂段(K62+070～K61+960)洞身圍巖由Ⅴ級、Ⅳ級圍巖組成。各段圍巖地質條件如下：

Ⅴ級圍巖段 主要由碎石土及強風化頁巖組成,巖體破碎呈碎裂狀結構,穩定性差,易坍塌,需采取強支護。地下水為裂隙水,開挖時呈點滴狀或淋雨狀出水。

Ⅳ級圍巖段 主要由中風化頁巖組成,屬薄層較軟巖,地下水影響較大,多呈點滴狀出水,使圍巖自穩能力變差,支護不當易產生坍塌和掉塊。

總之,該段圍巖主體為頁巖,工程性能較差,且地下水對圍巖強度及穩定性影響較大,隧道施工地質條件不利,開挖時易出現坍塌破壞,開挖支護后初襯易產生大變形。

4.2 開裂段超前地質預報結果

本段開挖前,采用LTD系列地質雷達儀進行了4次連續性超前地質預報,每次預報長度20～30 m。預報結果基本與勘察資料相吻合。雷達波譜顯示：該段雷達波衰減較快,同層條紋寬度變化不大,但有一定的起伏,多處出現弧形反射及輕微錯斷,反映出預報段圍巖巖質較軟,整體破碎,且含有裂隙水,圍巖以Ⅴ級為主,后小半段為Ⅳ級,圍巖地質條件較差。

4.3 隧道開挖后變形表現

本段隧道開挖后多處出現大變形、開裂現象,主要表現為初噴混凝土剝落使鋼拱架裸露,局部鋼拱架出現S變形等(照片6),顯示出該段支護結構所受荷載很大,原初襯設計參數偏弱,施工方后增設了臨時鋼支撐(照片7)。

照片6 初襯鋼拱架S變形Photo 6 The S deformation of steel arch at the initial lining stage

照片7 增設的臨時鋼支撐Photo 7 Additional temporary steel support

因多處鋼拱架出現S變形,原有拱形結構遭到破壞,勢必導致初襯承荷能力下降,而通過初襯傳遞到二襯的荷載勢必增大。

4.4 開裂段變形監控量測結果

該隧道二襯開裂段共布設監控量測斷面5個。每斷面拱頂下沉測點3個、水平收斂測線2對。

5個監測斷面的拱頂下沉、水平收斂曲線(圖1)反映,洞內拱頂下沉量一般在30～80 mm,水平收斂量一般在25～60 mm,下沉速率普遍偏大,且多斷面下沉速率一直不降,而施工方為了控制變形發展、維持支護結構安全,普遍采用了搶先上二襯、過度縮短二襯至掌子面距離的不科學做法。

以K62+040斷面的拱頂下沉、水平收斂監測結果為例：

圖1 K62+040斷面下沉曲線圖Fig.1 Subsidence curve of K62+040 cross-section

通過K62+040斷面監測圖表(圖2、表3-表4)數據可知,拱頂下沉量、周邊位移量均很大,且速率較大、持續時間較長。而二襯施工時正逢初支出現加速變形階段,說明二襯施工時初支結構沒有穩定,此時強行施工二襯,無疑對結構安全造成隱患和威脅。

圖2 K62+040斷面收斂曲線圖Fig.2 Convergence curve of K62+040 cross-section

4.5 襯砌質量檢測結果

二襯施工前,采用地質雷達對初支進行探測,主要探測初襯厚度、鋼拱架間距、背后空洞[1];二襯施工后,亦采用雷達對二襯厚度、鋼筋間距、背后空洞進行檢測。檢測方法及結果如照片8-照片9、圖3-圖4、表5-表6。

通過初襯、二襯雷達檢測可知,開裂段隧道襯砌施工較規范,質量滿足設計規范要求。因此裂縫產生原因與襯砌施工質量基本無關。

5 二襯開裂原因分析

通過相關資料綜合分析,以及現場觀察,可知導致二襯開裂的原因如下。

表3 K62+040斷面拱頂下沉成果表

表4 K62+040斷面周邊位移成果表

照片8 初襯質量檢測Photo 8 Quality testing of the initial lining

照片9 二襯質量檢測Photo 9 Quality testing of the second lining

(1) 隧道圍巖地質條件差,是造成二襯開裂的主要原因。頁巖與水疊加對隧道施工極為不利,開挖時易坍塌,初支后易產生大變形[2]。

(2) 施工期間為雨季,裂隙水較豐富,對于圍巖自穩無疑于雪上加霜,開挖時便出現過拱部大面積坍塌破壞,而后噴射混凝土難以充填密實,導致圍巖應力分布不均,進而使初支結構承受過大荷載。

(3) 部分地段初支結構變形過大,鋼支撐出現S變形,原本閉合環承力結構被破壞,承載能力下降,必然使作用在相應地段二襯上的荷載增大。

(4) 相應隧道段拱頂下沉、周邊位移量及變形速率較大,且支護結構不穩定階段歷時較長,在不穩定階段強行施工二襯,無疑使二襯結構尚未達到齡期強度前承受較大荷載,造成結構損害。

(5) 隧道初支結構設計參數偏弱,致使圍巖作用在初支上的荷載超過了自身的承載極限,進而導致初支結構變形。

表5 隧道右洞二襯厚度結果表

注：增1為起拱線至左邊墻之間;增2為左邊墻至左拱腰之間;增3為左拱腰至拱頂之間;增4為拱頂至右拱腰之間;增5為右拱腰至右邊墻之間;增6為右邊墻至起拱線之間。

6 結語

該隧道后期施工針對上述不利因素采取了規避措施,并加強了初支,根據初襯變形速率明顯趨穩后確定二襯施作時間。通過一系列補救措施,后期施工狀況較好,未出現二襯開裂現象,說明開裂原因分析符合實際,所采取的措施針對性強。

(1) 隧道圍巖地質條件較差時,應加強超前預支護措施,如超前單(雙)層小導管注漿加固[3],確保開挖時不出現坍塌破壞,使初支與圍巖形成統一受力體,杜絕拱部空洞等不良現象。

表6 隧道右洞二襯鋼筋間距探測成果表

圖3 二襯質量檢測測線布置示意圖Fig.3 Distribution sketch map of survey lines in the second lining quality testing

圖4 隧道二襯質量檢測雷達圖節選Fig.4 Radar map excerpt of the second lining quality testing in tunnel

(2) 在頁巖裂隙水較豐隧洞段施工時,應注重提高初支結構強度和整體性,盡快使初支結構閉合成環,保證初支整體受力安全。

(3) 初支變形大、歷時長的隧洞段,二襯并非距掌子面越近越好,二襯應在初支基本穩定后方可跟進。《錨桿噴射砼支護技術規范》(GB 50086—2001)5.3.4規定,采用兩次支護的地下工程,后期支護的施作應同時達到下列三個標準時進行：①隧洞周邊水平收斂速度<0.2 mm/d,拱頂或底板垂直位移<0.1 mm/d;②隧洞周邊水平收斂速度,以及拱頂或底板垂直位移速度明顯下降;③隧洞位移相對值已達到總相對位移量的90%。

(4) 建議對類似圍巖段按Ⅴ級加強參數進行設計,盡可能保證初襯結構受力安全,減少二襯承載。

(5) 隧道新奧法施工監控量測數據一定要及時反饋到設計、施工中,及時調整后續設計和施工參數。當變形偏大時應及時預警,制止搶先上二襯等蠻干行為,真正達到“修正設計、指導施工、確保安全”的目的。

[1] 陳建勛,馬建秦.隧道工程試驗檢測技術[M].北京:人民交通出版社,2005:121-123.

[2] 李智毅,楊裕云.工程地質學概論[M].武漢:中國地質大學出版社,1994:253-254.

[3] 黃成光.公路隧道施工[M].北京:人民交通出版社,2001:218-293.

(責任編輯：于繼紅)

Mechanism Analysis of the Second Lining Cracking in the Section fromYicheng to Baokang of Mazhu Expressway

PENG Shu

(HubeiProvinceMagicDragonInvestigationCorporationofGeologicalEngineering，Wuhan，Hubei430056)

During the construction of expressway tunnels，cracking of supporting structure is a very common defect that happens at the initial lining stage which is relatively easy to be dealt with. Compared to the initial lining stage，cracking at the secondary lining stage though rare，it however happens for more complex reasons，is more difficult to deal with，and has a greater impact on the overall structural safety of tunnels during construction and later operation stage. Thus，in order to prevent the formation of cracks and provide some guidance to future construction project，it has significant value to investigate thoroughly on the characteristics and causes of the cracking happens at secondary lining stage. In this paper，the causes and counter measures of cracking during the secondary lining stage of one tunnel that are part of Mazhu expressway (Yicheng to Baokang) have been discussed in detail，which can be referred by other projects.

expressway tunnel； the second lining cracking； defect； analyze

2016-07-13;改回日期:2016-08-09

彭述(1983-),男,工程師,土木工程專業,從事隧道監控量測及檢測方面工作。E-mail:pengshu0218@qq.com

U455.91; U459.2

A

1671-1211(2016)05-0770-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.05.023

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160810.1445.014.html 數字出版日期:2016-08-10 14:45