緊鄰既有隧道的新建隧道襯砌裂縫發展及整治方案研究*

方恩權 趙乙丁 陳寶林

(1. 廣州地鐵集團有限公司，510330，廣州； 2. 中南大學土木工程學院，410075，長沙//第一作者，高級工程師)

目前，國內外學者針對傾斜層狀巖體對隧道的影響開展了大量的工作[1-9]，對層狀巖體對地下洞室穩定性以及既有隧道與新建隧道相互影響進行了一定的闡述，但對隧道襯砌結構受層狀巖體以及緊鄰隧道雙重影響下的安全性與穩定性問題的研究還不深入。本文針對某新建隧道右邊墻嚴重開裂現象進行研究，探究開裂的原因，尋求有效的加固整治措施。

1 工程概況

1.1 基本情況

受損隧道位于中國西南某地區，屬于中低山地貌，地面高程916～1 021 m。隧道全長1 628 m，最大埋深99 m。隧道施工時穿越節理裂隙發育的單斜層狀巖體，鄰近一既有高鐵隧道。施工期結束3個月后，隧道襯砌右邊墻出現嚴重的縱向開裂現象，隧道結構安全性受到嚴重威脅。隧道線路穿越山峰、丘包和山間溶蝕凹槽，地勢延綿起伏。凹槽內無常年性流水，丘包生長樹木及灌木叢。隧道進出口及洞身溶蝕凹槽分布整個村組，人口、房屋較多。DK267+680—DK268+740正上方分布一處水塘，DK267+050—DK268+740+168右側68 m分布一處水塘。隧道穿越地層巖性主要為灰巖、泥巖、頁巖，地層單斜，巖層產狀N25°—N45°E/42°—57°S,無斷層通過，地質構造相對簡單，隧道穿越可溶巖段，巖溶強烈發育。整個隧道穿越地層復雜，巖性多變，處于地質條件敏感地段，且該隧道與渝黔線某高鐵隧道并行。圖1為隧道受損區間的地質縱斷面圖。

1.2 隧道支護參數

隧道為單線無砟軌道貨運鐵路隧道，隧洞襯砌結構設計以復合式襯砌結構為指導原則。本文分析斷面為縱向開裂嚴重區域DK267+430—DK267+615，該段采用Ⅳb型復合支護方式(見圖2)。具體支護方式和參數為：初支噴射混凝土等級C25，厚度為15 cm；拱部打設φ25中空注漿錨桿，邊墻打設φ22全長粘結型砂漿錨桿，間距1.2 m×1.2 m；拱墻φ6鋼筋網間距25 cm×25 cm；三肢格柵鋼架間距1.0～1.5 m；二襯為C30素混凝土，邊墻厚為30 cm，仰拱厚為40 cm。

圖1 隧道受損區間地質縱斷面圖

圖2 Ⅳb型復合支護設計示意圖

1.3 隧道開挖方式

隧道主要采用錨噴構筑法施工，主要工序采用機械化作業，出渣采用無軌運輸方式，二次襯砌澆筑采用模板臺車。Ⅲ級圍巖段采用全斷面施工法，Ⅳ、Ⅴ級圍巖段采用臺階法施工。

2 右邊墻縱向裂縫原因分析

2.1 裂縫調查與監測

隧道于2017年1月下旬完成所有襯砌施工。2017年8月初，現場施工員在日常巡視中發現襯砌開裂，縱向貫穿裂縫、網狀裂縫均有發現。裂縫主要出現在DK267+430—DK268+069段，寬度為0.5～3.0 mm不等，裂縫高度高于軌面1.0～3.5 m，環向網狀裂縫甚至高達6 m。在拱頂注漿過程中，部分裂縫有漿液露出。經過現場勘查，洞頂地表未發現變化，無砟軌道未發現開裂情況。隧道襯砌開裂嚴重段右邊墻裂縫分布情況如圖3 a)所示。其中里程DK267+464斷面附近有一條左右延伸約107 m的縱向裂縫，裂縫寬度約為3 mm左右，位于右側邊墻高于軌面1.5 m左右范圍內，如圖3 b)所示。發現開裂現象之后，現場對受損邊墻采取鉆芯取樣的方式進行調查，如圖3 c)所示，發現裂縫已基本貫穿，二次襯砌受損情況較為嚴重。

a) 開裂嚴重段右邊墻裂縫素描

b) DK267+464斷面附近縱向裂縫

c) 開裂段襯砌鉆孔取芯圖3 現場襯砌裂損調查圖例

為保證隧道襯砌結構的安全性，綜合考慮裂縫位置、寬度初值、裂縫類型、支護參數等條件后，共選取15處典型裂縫，于2017年9月24日開始為期一個月左右的專項監測方案。現場通過布置表貼式混凝土應變計進行裂縫發展狀況監測，部分典型監測結果如圖4所示。從監測結果可以看出所測裂縫寬度還處于增長變化階段，且有繼續發展擴大的趨勢，所以可以得出裂縫仍處于持續發展狀態。

基于上述專項監測的結果，需要對襯砌開裂的原因進行具體分析討論，并在此基礎上提出有針對性的補強處理措施來保證隧道襯砌的安全與穩定。

圖4 裂縫寬度發展情況(2017年)

2.2 邊墻縱向裂縫產生原因初步分析

根據裂縫的開裂狀態和開裂位置可以判斷襯砌開裂是由于襯砌結構右邊墻受較大拉應力造成的。現場如圖5 a)所示，裂損隧道緊鄰一既有高鐵隧道，而開裂段隧道中線與鄰近高鐵隧道中線不足15 m，且兩隧軌道面存在一定的高度差。襯砌開裂可能是由于開挖造成兩隧道之間中巖柱擾動，松散破碎的圍巖在開裂部位對隧道形成較大的拉力造成開裂。除此之外，發生開裂現象之后，現場對部分段受損襯砌進行了鑿除工作。根據圖5 b)所示，鑿除工作造成部分初支后圍巖裸露。裸露圍巖節理裂隙發育，較為破碎，呈與隧道徑向夾45°的單斜狀態。由此可以看出，傾斜巖層的地層偏壓可能也是造成二次襯砌開裂的一個重要因素。

a) 緊鄰既有高鐵隧道b) 拆除后裸露基巖

圖5 開裂原因現場調查圖例

為進一步驗證上述所調查的2種造成二襯開裂原因的正確性，本文將利用有限元軟件建立相關分析工況加以論證。

3 二次襯砌開裂的數值分析

3.1 模型的建立

為更加方便、合理地反映隧址所處單傾向層狀巖體的地質條件，數值模擬分析采用加拿大Rocsience公司開發的巖土工程彈塑性有限元分析軟件RS2(Phase2)[10]。根據現場的縱向裂縫選取典型斷面DK267+464(Ⅳb斷面)進行數值建模。該斷面隧道埋深約80 m，受損隧道中線與鄰近高鐵隧道左線間距約為13.7 m，軌面比鄰近隧道軌面標高低約2.2 m。為消除邊界效應的影響，左右邊界取3～5倍洞徑，下邊界取3倍洞高，選取160 m×120 m的幾何模型，如圖6所示。模型邊界條件如下：左、右兩邊x方向水平約束，底部y方向豎向約束，上表面自由。數值模擬采用平面應變模型，其中，地層采用實體單元模擬，選用Mohr-Coulomb屈服準則；隧道支護結構采用梁單元進行模擬。數值模型將初支和二襯視為彈性材料，并把初支中鋼架的相關力學參數等效換算到混凝土中[11]進行一定的簡化處理，如式(1)所示：

E′=E0+SgEg/Sc

(1)

式中：

E′——折算后混凝土的彈性模量；

E0——原混凝土的彈性模量；

Sg——鋼拱架的截面積；

Eg——鋼材的彈性模量；

Sc——混凝土的截面積。

圖6 數值模擬幾何模型

此處對應鄰近高鐵隧道里程約DK215+446，襯砌類型為Ⅳay非絕緣錨段復合。支護參數如下：初期支護采用厚度為23 cm的C25噴射混凝土，二次襯砌采用厚度為45 cm的C35鋼筋混凝土。

綜上所述，數值模型按照地層結構法構建，計算主要討論隧道建成后的襯砌受力情況，因此不考慮隧道開挖過程及其對圍巖擾動的影響。隧道一次開挖成型，施作襯砌，承擔圍巖荷載。

3.2 計算工況

為研究傾斜巖層、鄰近隧道是否為襯砌開裂原因，選取3種不同工況進行模擬驗證。各種工況的計算條件如表1所示。所有數值模型材料選取參數如表2所示。其中，根據地勘資料及部分拆除段裸露基巖情況對單斜圍巖進行明確定義，節理組合狀態采取平行確定型；巖體單斜傾角為45°；巖層間距為5 m；節理邊界不閉合且采取隨機分布形態。

表1 計算工況

表2 物理力學參數

3.3 數值模擬結果

表3為3種工況下模型示意圖和彎矩圖，圖中彎矩大小取同一比例尺，圖中彎矩均畫在襯砌的受拉側，并規定襯砌內表面受拉為正。

對比3個不同系列的工況不難看出，襯砌彎矩呈現明顯的不對稱性，而最大彎矩主要分布于拱腳處。現場開裂的右邊墻位置，在工況1情況下以受拉為主；同樣位置，在工況2情況下上部受拉，下部靠近拱腳位置受壓；在工況3條件下，右邊墻受拉側彎矩量值增幅明顯。邊墻部位襯砌計算結果與現場出現的開裂現象有較好的一致性，初步判斷傾斜巖層地形和臨近隧道是引起隧道襯砌右邊墻部位拉裂主要原因之一。

下面對隧道典型位置(見圖7)內力做進一步分析，參考《鐵路隧道設計規范》(TB 10003—2005)[12]對典型位置進行安全系數檢算。在獲得二襯的軸力和彎矩后，用襯砌結構構件截面承載力設計值與實際受力值進行比較，可計算得出襯砌的安全系數，將安全系數與規定的臨界值進行對比。如果計算所得的安全系數不小于規范規定的臨界值，則認為其安全性滿足規范要求。對于素混凝土結構，混凝土矩形截面中心及偏心受壓構件的抗壓強度應按式(2)計算：

KN≤φαRabh

(2)

式中：

Ra——混凝土的抗壓極限強度，MPa；

K——安全系數；

N——構件軸力，MN；

b——截面寬度，m；

h——截面厚度，m；

φ——構建的縱向彎曲系數；

α——縱向力偏心影響系數。

從抗裂要求出發，混凝土矩形截面偏心受壓構件的抗拉強度應按式(3)計算：

式中：

Rl——混凝土的抗壓極限強度，MPa；

e0——截面偏心距，m。

圖7 典型位置選取

計算表明，對混凝土矩形截面構件，當e0≤0.2 h時，抗壓強度控制承載力，按抗壓強度公式計算抗拉安全系數。所得結果如表4所示。通過對開裂處襯砌內力的對比分析可以得出：4個典型位置中，在工況1情況下，最大軸力為-1 926 kN，彎矩為-78 kN·m；在工況2情況下，最大軸力為-1 209 kN，彎矩為-84 kN·m。在工況3情況下，最大軸力為-5234 kN，彎矩為-159 kN·m。工況3情況下的軸力和彎矩數值比工況1情況下的分別增長約171.8%和103.8%；工況3情況下襯砌典型位置軸力和彎矩數值比工況2情況下的分別增長約332.9%和89.3%。可以看出，只考慮單因素條件的兩種工況，其襯砌內力相差較?。欢诳紤]疊加兩種因素條件之下，隧道右邊墻內力顯著增大。

表3 不同工況對比

表4 典型位置安全系數檢算

從結構安全系數可以明顯看出，在工況1和工況2情況下，如僅考慮傾斜巖層或鄰近隧道的影響，安全儲備雖然不高，但各截面安全系數值均在規范要求范圍內(大于2.0)，襯砌結構安全性可以得到一定的保證。但是，通過對工況3數值模擬結果進行安全系數驗算可以看出，4個典型位置安全系數都有不同程度的明顯下降，截面安全系數值均不在規范要求范圍內(小于2.0)，襯砌結構安全性不能得到保證，且可能存在開裂的風險。

3.4 縱向裂縫產生原因分析

由上述的分析可知，在同時受到單斜層狀巖體與鄰近既有隧道影響下，襯砌右側邊墻4個典型位置處結構彎矩與軸力均有較大提升，并且通過安全系數的驗算可以得出右側邊墻結構安全性在實際情況下已難以得到保證。造成本文所述隧道二次襯砌右側邊墻特殊的長、縱向裂縫的主要原因可歸納為：①隧道開挖通過單斜層狀巖體，隧道本身受到一定的地質偏壓作用，造成隧道襯砌結構體受非對稱的圍巖壓力。②該隧道與隧址附近距離既有高鐵隧道較近，隧道開挖對兩隧之間中巖柱形成較大擾動，造成應力重分布，從而造成縱向裂縫的產生。

4 襯砌裂縫整治方案及效果分析

4.1 整治方案

根據上文對嚴重開裂段縱向裂縫產生原因的討論及數值模擬結果的分析可知，對裂損段襯砌的加固補強工作必須針對具體的開裂原因。因此，需從兩方面進行考慮：一是該縱向裂縫影響的范圍較廣、開裂深度較大、裂縫仍然處于發展階段，如采用僅對受損襯砌進行注漿封縫等簡單的處理方案，不能確保襯砌整體的承載能力；二是由于造成該裂縫產生的原因有兩個，既有隧道的影響不可避免，所以對層狀破碎圍巖性質進行一定的改良可以有效抑制圍巖對砌體造成的不良影響。綜合考慮上述原因，提出如下整治方案：一是對原開裂嚴重段襯砌表面進行鑿除重構，利用布設鋼筋網及回填鋼纖維混凝土來提高襯砌結構整體承載力；二是利用注漿錨桿對兩隧之間單斜破碎圍巖進行注漿加固，改善中巖柱性質，防止開裂現象的再次發生。

整治方案的具體施工方式如下：①處理段前后設置工20a鋼架臨時支護；②鑿除表層混凝土進行植筋網錨噴補強，鑿除厚度10 cm；③對裂縫進行注漿封堵處理；④鉆設φ25×7自進式中空注漿錨桿，1 m×1 m梅花形布置；⑤設置鋼筋網，按照環向φ20@10、縱向φ16@15進行布置，并與錨桿尾部進行連接；⑥噴C30鋼纖維混凝土至原表面；⑦混凝土表面涂刷水泥基滲透結晶型防水涂料。整治方案如圖8所示。

4.2 效果分析

在裂縫監測項目結束后，對該縱向裂縫所處襯砌段采取了如圖8所示加固補強措施。為驗證該處理措施的效果，對重構加固斷面布設測量精度為2 με(με為微應變)、分辨率為1 με的JMZX-215HAT埋入式應變計，監測混凝土內部應變，以此獲得襯砌的受力狀態。對重構段斷面監測的位置及監測結果見表5。結果表明，利用錨桿注漿對隧道周邊地層條件改善效果較為明顯，重構襯砌整體安全性得到極大提升。目前斷面安全系數大于結構設計的安全系數要求，結構處于安全穩定狀態。說明該整治加固是較為有效的處置措施。但值得注意的是，根據受力情況的變化趨勢來看，內力的變化還未達到相對穩定的狀態，仍需繼續進行監測。

圖8 整治方案示意圖

表5 重構段安全系數表

5 結論

(1) 該隧道在施工期后出現的長、縱向裂縫與隧址附近圍巖條件和鄰近建筑物有密切聯系。

(2) 數值分析結果表明，隧道右邊墻區域內易發生破壞，與現場實際基本吻合。

(3) 根據不同工況的對比發現，單斜層狀巖體和鄰近既有隧道對該隧道的影響是該縱向裂縫產生的主要誘導因素。

(4) 對裂損段進行拆除重構，利用鋼纖維混凝土回填和錨桿注漿加固等補強措施，可以顯著增強襯砌結構的安全性。