隧道二次襯砌開裂原因分析及加固方案比選

石繼訓(xùn) 冉利剛 張政

摘 要：以大廣高速塘基二號隧道左洞ZK106+673～ZK106+700段二次襯砌開裂為例，對二次襯砌質(zhì)量指標(biāo)及裂縫進(jìn)行了檢測，通過數(shù)值模擬對二次襯砌進(jìn)行了結(jié)構(gòu)安全性評價，分析了二次襯砌開裂的原因，并制定了三個加固方案進(jìn)行比選，為從事隧道管理、設(shè)計和施工的現(xiàn)場技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道;二次襯砌;裂縫;加固

中圖分類號：U457+.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

截至2018年底，我國共建鐵路隧道15177座，長度16331km;公路隧道16500座，長度15940km;正在施工的各類隧道約20000 km，計劃修建的隧道約20000km[1]，隧道在交通工程中所占比例越來越高。然而，由于各種因素的影響，部分隧道在建設(shè)和運(yùn)營的過程中暴露出一些病害，這些病害會影響隧道的承載能力和耐久性，二次襯砌開裂即是隧道主要的病害之一[2～3]。

對二次襯砌開裂的原因進(jìn)行分析，并對二次襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性評價[4～5]，然后結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際制訂安全、經(jīng)濟(jì)、方便的處治方案[6～10]，是處理二次襯砌開裂常用的流程。

1工程概況

塘基二號隧道為雙向六車道分離式小凈距隧道。右線隧道長452m，左線隧道長474m。隧道進(jìn)口～中部～隧道出口的線間距分別為14.7m～17.2m～16.4m。隧道為左高右低的地形地貌，屬于淺埋偏壓隧道，左線最大埋深約73米，右線最大埋深約62米，其中右線K106+680～+760段拱肩距離地表最薄處僅5m。隧道區(qū)地表覆蓋層為第四系坡殘積層（Qdl+el） 和燕山三期侵入巖體—粗粒花崗巖（γ52-3）。其中進(jìn)口左洞ZK106+577～+810和右洞K106+597～+814段采用ⅤQ型襯砌，襯砌內(nèi)輪廓見圖1，支護(hù)參數(shù)見表1。

該隧道在交工驗(yàn)收期間發(fā)現(xiàn)左洞ZK106+673～ZK106+700段二次襯砌右拱腰處存在多條縱向裂縫，隨后業(yè)主委托檢測單位對該段的二次襯砌進(jìn)行了檢測，檢測內(nèi)容主要包括裂縫寬度和深度測試、二次襯砌厚度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土密實(shí)度和脫空缺陷檢測、二次襯砌混凝土強(qiáng)度檢測等。

2主要檢測結(jié)果

2.1裂縫檢測結(jié)果

塘基二號隧道左洞ZK106+673～+700段3個施工節(jié)段（ZK106+673～+682、ZK106+682～+691、ZK106+691～+700）二次襯砌右拱腰至拱頂范圍共出現(xiàn)了39條縱向裂縫，部分裂縫在各施工節(jié)段存在連通的情況，裂縫長1m～10m，寬為0.78mm～2.20mm，裂縫深度為61.00mm～130.00mm。

2.2二次襯砌厚度、鋼筋保護(hù)層厚度、混凝土密實(shí)度等檢測結(jié)果

二次襯砌厚度在52.5cm～123.2cm 之間;鋼筋混凝土保護(hù)層厚度在10.0cm～82.3cm之間，均超過了設(shè)計值5.8cm，保護(hù)層厚度偏厚;二次襯砌混凝土較密實(shí)，未發(fā)現(xiàn)明顯脫空或空洞等缺陷。

2.3二次襯砌混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果

通過回彈法測定ZK106+673～ZK106+682、ZK106+682～ZK106+691、ZK106+691～ZK106+700三處施工節(jié)段二次襯砌混凝土強(qiáng)度分別為 30.2MPa、39.4MPa、 37.2MPa，均符合設(shè)計C30要求。

通過鉆芯法測定ZK106+640～ZK106+720范圍內(nèi)的二次襯砌混凝土強(qiáng)度，共隨機(jī)抽取10個芯樣，抗壓強(qiáng)度分別為35.1MPa、40.2MPa、39.7MPa，32.6MPa、36.9MPa、31.1MPa、31.6MPa、44.7MPa、30.8MPa、32.6MPa，均符合設(shè)計C30要求。

3隧道二次襯砌開裂原因分析及結(jié)構(gòu)安全性評價

3.1 計算方法和計算軟件

計算方法為地層-結(jié)構(gòu)法，計算寬度取單位長度1m，采用平面應(yīng)變分析模型。計算軟件采用FLAC3D 3.0。

3.2 計算斷面及計算模型

選取開裂較為嚴(yán)重的ZK106+700段作為計算斷面，ZK106+700的橫斷面與地層分布見圖2。

計算未考慮右洞的影響。結(jié)合現(xiàn)場施工過程中初期支護(hù)施做后拱頂存在較大變形和二次襯砌施工前初支變形未收斂的實(shí)際情況，考慮二次襯砌承受100%圍巖變形壓力。為消除計算過程中的邊界效應(yīng)，隧道左、右兩側(cè)和隧道底部距離模型邊界大于3D（D為隧道開挖寬度）。計算模型如圖3所示。

3.3圍巖支護(hù)計算參數(shù)

根據(jù)地勘報告，圍巖物理力學(xué)指標(biāo)取值如表2所示。

3.4 計算結(jié)果

3.4.1隧道圍巖穩(wěn)定性

隧道圍巖失穩(wěn)破壞可以看作是塑性區(qū)逐漸發(fā)展擴(kuò)大直至貫通而進(jìn)入完全塑性狀態(tài)、無法繼續(xù)承載的過程。眾多的試驗(yàn)研究及工程實(shí)踐表明，當(dāng)隧道圍巖失穩(wěn)時，會產(chǎn)生明顯的局部剪切變形。所以，可以將隧道圍巖是否出現(xiàn)較大的剪切變形作為隧道圍巖失穩(wěn)的一個判據(jù)。

由圖4可以看出，隧道開挖后圍巖失穩(wěn)主要出現(xiàn)在隧道右側(cè)拱部和隧道左側(cè)側(cè)拱腳位置。圖5地層剪切應(yīng)變圖可以看出，因隧道開挖支護(hù)的影響，隧道右側(cè)拱部產(chǎn)生明顯的剪切應(yīng)變，該位置的圍巖產(chǎn)生了明顯的松動，作用在隧道襯砌上的圍巖變形荷載將顯著增大。

3.4.2隧道二次襯砌內(nèi)力

由圖6、圖7可知，隧道拱墻二次襯砌最大正彎矩為399.59kN？m，對應(yīng)的軸力值為562.34kN。計算結(jié)果如表4。

原施工圖該段襯砌類型為VQ型，襯砌結(jié)構(gòu)采用對稱配筋，內(nèi)外側(cè)各配置6根φ25鋼筋。經(jīng)計算，采用原設(shè)計結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范[11]要求，襯砌裂縫開裂寬度為0.141mm<0.2mm，滿足規(guī)范要求。

3.4.3二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖8表明襯砌最大主拉應(yīng)力為4.999MPa，其數(shù)值超過C30混凝土極限抗拉強(qiáng)度2.2MPa，混凝土產(chǎn)生裂縫，裂縫位置在拱頂至拱腰位置的襯砌內(nèi)表面。圖9表明襯砌最大主壓應(yīng)力為20MPa，未到達(dá)C30混凝土的極限抗壓強(qiáng)度為22.5MPa。

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作者簡介：石繼訓(xùn)（1984.12—），男，工程師，碩士研究生，主要從事隧道等地下工程的設(shè)計與研究工作（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司? 成都? ?610031）