某在建隧道襯砌開裂原因分析

葉興軍

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某在建隧道襯砌開裂原因分析

葉興軍

（重慶市市政設計研究院，重慶 400030）

根據第三方檢測單位提供的檢測資料，結合隧址區工程地質條件和設計方案，對某在建隧道襯砌開裂的原因進行分析、排查，最終認為本隧道襯砌開裂主要是由施工和管理原因造成，不會對結構安全造成影響。經過1年多連續監測，該隧道襯砌結構穩定，裂縫處理后沒有繼續發展。

隧道；襯砌開裂；原因

目前我國公路隧道普遍采用傳統的鉆爆法開挖、錨噴支護、復合式模筑混凝土襯砌施工。調查及研究結果表明，隧道二次襯砌混凝土開裂較為普遍，大致可分為干縮裂縫、溫度裂縫、荷載變形裂縫和施工縫，涉及地質、設計、施工等多個方面。筆者以某在建城市快速路越嶺隧道為背景，根據第三方檢測單位提供的檢測資料，分析該隧道二襯開裂的主要原因。

1 基本情況介紹

某在建城市快速路越嶺隧道內徑約10.5m，凈高約7.0m，左線長3 233m，起止點樁號為ZK2+825～ZK6+058；右線長3 165m，起止點樁號為YK2+835～YK5+900。

隧道穿越山脈是以觀音峽背斜軸部隆起為主體的“背斜脊狀山”，地貌形態受地質構造和地層巖性制約，呈“一山兩槽三嶺”形態，地面高程為325～628m，隧道最大埋深288.0m左右。

觀音峽背斜走向為北北東-南南西，為一狹長的不對稱的梳狀扭轉背斜。軸部地層為飛仙關組、長興組、龍潭組，兩翼地層為嘉陵江組至新田溝組。背斜軸部位于新建隧道YK4+120附近，地表巖層傾角為10°~25°；兩翼巖層具有東陡西緩之勢，西翼傾角36°～74°，東翼傾角62°～80°。背斜軸部因褶曲形成5條次級壓扭性逆斷層。

右線進洞口YK2+835～YK2+965段為嘉陵江組3段以及2段地層，主要為白云巖、白云質灰巖，中厚層狀為主，局部夾巖溶角礫巖，圍巖級別為IV級。因YK2+936、YK2+951、YK2+961掘進發現巖溶管道及小型溶腔，設計將YK2+933～YK2+965段襯砌由Ⅳ級調整為Ⅴ級。該段隧道基本襯砌參數如表1。

表1 YK2+835-YK2+945段襯砌參數

2014年12月初至2015年3月中旬該段隧道施工掘進，3月12日至4月25日完成二次襯砌，同年5～8月該段二襯陸續發生開裂。

2 襯砌裂縫檢測情況

施工單位及業主委托的第三方檢測機構對二襯開裂段進行超聲波裂縫深度檢測、襯砌強度回彈檢測、仰拱基底鉆芯檢測、隧道結構檢測等，檢測結果如下。

2.1 裂縫分布展示圖

根據檢測資料，右線進洞口段共發現16條裂縫，裂縫寬0.02～0.46mm，多分布在邊墻中下部，距離墻腳20～100cm并向拱腳延伸。左側墻9條，除Z1為斜向外（傾角60°），其余均為環向裂縫；右側墻7條，其中3條（編號Y1，ZY4，Y6）為斜向裂縫，傾角66°～70°，其他為環向裂縫。

襯砌裂縫分布位置及形態展示圖

2.2 裂縫主要特征

襯砌裂縫的基本特征匯總如表2~3。

表2 YK2+835-YK3+965段左側邊墻裂縫情況匯總表

表3 YK2+835-YK3+960段右側邊墻裂縫情況匯總表

2.3 襯砌回彈檢測

表4 裂縫處襯砌回彈檢測結果

采用回彈儀對裂縫附近二襯混凝土強度進行檢測，回彈強度測定值均滿足設計要求，檢測結果見表4。

2.4 仰拱基底鉆芯檢測

利用用IDS-RIS探地雷達，對隧道二襯結構及仰拱施工回填質量進行掃面檢測，掃描結果顯示隧道仰拱密實無空洞，實際厚度滿足設計要求；二襯邊墻腳能清晰識別鋼筋，混凝土密實無空洞，滿足設計要求。

2.5 監控量測

檢測單位對隧道初支進行了監控量測，監控量測頻率基本滿足設計和規范要求，監控數據如表5。

3 開裂原因分析

造成隧道二襯開裂的原因有很多，總結起來無外乎地質原因、設計原因和施工原因。通過逐項分析、逐級排查的方式進行原因分析。

3.1 圍巖壓力超限

YK2+834～YK2+933段圍巖為薄-中厚層狀灰巖、白云質灰巖，圍巖級別為IV級。根據掘進情況，設計單位對洞口及其他圍巖破碎段的初支及二襯進行了加強處理。

YK2+933～YK2+965段圍巖為灰巖和巖溶角礫巖。巖溶角礫巖巖質極軟，巖體破碎，部分已粘土化，其兩側的灰巖溶蝕作用強烈，溶隙、溶孔等較發育。YK2+936、YK2+951、YK2+961發現規模不等的巖溶管道及小型溶腔。施工期間已將YK2+933～YK2+965段圍巖襯砌由Ⅳ級調整為Ⅴ級。

表5 出現裂縫段施作二襯前監控量測數據 (mm.d-1 )

由于二襯開裂主要出現在側墻中下部，而受力較大的拱頂、拱腳并未出現開裂。參考臨近隧道建設經驗，進洞口段因圍巖破碎、拱頂壓力過大，或拱頂巖體發生層間錯動、變形過大并導致二襯開裂的可能性不大。

另外，隧道施工揭露的巖溶規模較小，初支期間對已發現的巖溶管道進行專項處理，初支收斂變形正常。因溶腔或管道內沉積泥砂或物質塌落造成襯砌結構開裂的可能性不大。將巖溶發育位置與裂縫位置進行對比，一則無明顯的對應關系，二則裂縫分布稀散，不具集中發育的特征。

另外，溶腔或巖溶管道沖水，水壓力增大引起襯砌結構開裂，裂縫多分布在側墻中部以及預留孔洞等位置，且以縱向裂縫為主，與隧道裂縫位置及形態差異較大，可排除該種可能。

3.2 地基均勻性差

不均勻沉降會造成應力集中，并引起襯砌結構環向開裂。如仰拱或邊墻下地基軟弱易變形或地基軟硬差異過大，其接觸帶附近襯砌結構應力較集中。淺埋隧道軸線上地面高差過大，如穿越深切溝谷、高聳山脊等時，地應力差異過大也可能引起襯砌結構應力集中。隧道底板超挖過多或填渣厚度過大，鎖腳錨桿施工質量過差也會造成初支鋼架和二襯結構受力不均，造成應力集中并出現類似的環向裂縫。

根據工程經驗，地基均勻性差或拱頂荷載差異過大造成邊墻和仰拱應力集中，并產生環向裂縫，并向拱腳延伸。可通過拱底鉆探取芯、地質雷達掃描等方式查明松渣及仰拱厚度、仰拱施工質量、混凝土標號等予以排查。本隧道二襯裂縫多集中在邊墻底部以上，墻腳并未貫穿。襯砌回彈檢測、仰拱基底鉆芯檢測表明隧道仰拱密實，二襯邊墻腳混凝土密實，結構厚度及施工質量滿足設計要求。因地基均勻性差造成襯砌開裂的可能性不大。

3.3 其他原因分析

混凝土材料檢驗不力，配合比控制不嚴，水灰比過大，混凝土振搗不密實，二襯混凝土養護不到位，水泥水化熱產生的溫度應力及混凝土失水引起的干縮應力超過混凝土自身抗拉強度時，就會出現穩定裂縫和干縮裂縫。

研究結果表明，隧道襯砌結構溫度應力對隧道二襯的影響不僅與混凝土水化熱有關，還與二襯施工澆筑的氣溫有關。如果二襯澆筑時為最低溫度，則隧道內溫度變化為升溫，溫差將導致混凝土產生壓應力，反之產生拉應力。當最大降溫幅度達12℃時，最大環向應力達2 429MPa，已超過C30混凝土的抗拉強度（設計值為1.47MPa，極限值為2.2MPa），混凝土可能出現裂紋。對于C30混凝土，當失水量達212%時，干縮系數達144.34×10-6，相當于溫度變化15.5℃，產生的環向應力已經超過C30混凝土的抗拉強度。

其他原因，如光面爆破效果差，超挖回填不密實形成空洞；大斷面開挖施工工序不合理，未適時施做二襯導致圍巖力學性質惡化；模板拱架支撐變形；預留井施工不規范、內壁襯砌厚度不足等，均可造成二襯結構承受偏載，局部應力過大出現開裂。

該類裂縫多以環形為主，分布規律性較差。本隧道襯砌開裂可能因上述原因造成。

4 結論

隧道二襯結構開裂是公路隧道施工中常見的病害之一。裂縫不僅影響美觀也會引起地下水滲漏，同時加速鋼筋銹蝕、結構老化，造成襯砌結構整體失效，其后果較為嚴重。

經分析排查，認為本隧道二襯開裂主要是由于施工和管理原因造成，如預留井內壁襯砌結構厚度不足，角點等位置應力集中造成結構開裂；二襯混凝土養護不到位，溫度應力及干縮應力過大；二襯拆模時間過早，混凝土強度可能未達到設計值的75%等。該裂縫對隧道結構安全影響不大，連續監測3個月如裂縫不再發展即可對進行處理。

目前，該隧道已經貫通，原洞口開裂段裂縫的數量、長度及寬度等均為發生變化。該現象說明上述開裂原因分析合理，判斷正確。

[1] 楊超. 公路隧道二襯混凝土開裂的施工因素分析及對策研究[J]. 四川理工學院學報, 2010，23（04）:377-379.

[2] 李明華，鄒永祥. 大跨度隧道二襯混凝土早期裂紋數值模擬與分析[J]. 混凝土, 2014（02）：1-4．

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[4] 葉興軍，等. 成渝高速中梁山隧道擴容改造工程地質詳細勘察報告[R]. 2014.

Reasons for Cracking of A Tunnel Lining Building Taking Shape

YE Xing-jun

(Chongqing Institute of Municipal Design, Chongqing 400030)

The present paper has a discussion on reasons for cracking of a tunnel lining building taking shape based on detection data provided by the third party testing unitand believes that construction and management are responsible for the lining cracking which won't cause an effect to structure safety.

tunnel; lining cracking; reason

[P642.3]

A

1006-0995（2018）02-0285-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.022

2017-01-10

葉興軍（1978-），男，陜西山陽縣人，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設計