超大跨度公路隧道襯砌的變形規律及裂縫處理

湯建元，董永澤，余鸞鸚，王德志，鞏海筱

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重慶 401120；2. 長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064)

0 引 言

近年來，隨著中國經濟的迅速發展，公路交通運輸量在逐年提高，雙車道和三車道公路隧道已無法滿足現有交通量的需要，雙洞八車道超大跨度公路隧道應運而生。超大跨度公路隧道結構具有扁平、大跨、薄拱等特點，在施工過程中會遇到圍巖復雜多變、施工工序繁瑣等問題，常會出現不同程度的病害，甚至存在嚴重的安全隱患[1-3]。其中，二次襯砌裂縫就是隧道施工及運營過程中最常見的病害之一。

目前針對超大跨度公路隧道的研究多集中在圍巖壓力和支護參數優化方面，而關于二次襯砌變形規律及其裂損的研究較少。其中，李勇峰等[4]以油坊坪隧道為依托，在對裂縫位置及長度進行統計分析的基礎上，從隧址區巖性、圍巖結構組合、偏壓3個方面闡述淺埋偏壓軟巖隧道二襯開裂的力學機理；張永興等[5]通過建立數值分析模型，分析了隧道二襯開裂的主要原因，提出了類似地質和施工條件下合理的連拱隧道施工工序；白國權、陳世榮、楊春平等[6-8]通過現場調查及監測對二襯開裂段病害原因進行了分析，提出了具體的處理措施。這些研究成果推動了該方向的發展，但由于超大跨度隧道施工工法和支護參數不盡相同[9-11]，加之隧道所處地質、氣候條件的復雜性及區域性，因此有必要對超大跨度公路隧道二次襯砌開裂后的變形規律及產生裂縫的原因進行研究[12-15]。

本文以濱萊高速改擴建工程中的姚家峪隧道為依托，對二次襯砌開裂段進行變形監測，分析二次襯砌的變形規律及產生開裂的原因，為類似工程的設計與施工提供參考。

1 工程概況

姚家峪隧道位于淄博市博山區昃家莊西南側，為分離式雙向八車道高速公路隧道。隧道全長385 m，單洞最大開挖跨度為21.48 m，最大開挖高度為14.29 m。隧址區為剝蝕低山丘陵地貌區，地表植被較發育，基巖埋深較淺，隧道最大埋深約37.2 m，左右線凈距為15～21 m，屬于淺埋小凈距隧道。隧道洞口段以中奧系灰巖、泥灰巖為主，層狀構造，巖體較破碎。隧道洞口如圖1所示。

圖1 姚家峪隧道出口現場

2 二次襯砌開裂分析

2018年3月5日，姚家峪隧道左線ZK102+950～ZK102+990和右線YK102+955～YK103+000區段的二次襯砌上出現沿隧道縱向曲折延伸的裂縫，裂縫位于起拱線附近。截至2018年9月21日，左線左側、右側均發現12條裂縫，裂縫最大寬度為0.81 mm(樁號：ZK102+975(左側))；右線左側共發現10條裂縫，右側共發現11條裂縫，裂縫最大寬度達到1.60 mm(樁號：YK102+971(右側))。隧道施工方法為上臺階CD法，隧道開裂段支護參數見表1。

表1 支護參數

隧道裂縫為縱向貫通縫，沿隧道起拱線(路面上1.65 m)上下范圍縱向開裂。其中左洞ZK102+954.5～ZK102+946、ZK102+872.5～ZK102+862.5等范圍出現4條45° 方向的環向裂縫。

通過對裂縫寬度的測量，發現大部分裂縫寬度約為0.3～1.0 mm，少部分裂縫寬度發展到1.5 mm左右；通過鉆孔取芯測得裂縫深度約為8～40 cm。隧道二次襯砌裂縫的分布范圍和具體的裂縫形態如圖2、3所示。

圖2 二次襯砌裂縫分布范圍示意

3 監控量測

3.1 監測方案

為了監測裂縫發育情況，便于后期對結構安全性進行評估，對二次襯砌開裂段進行拱頂沉降、凈空收斂及裂縫寬度監測。監測采用的儀器和測讀頻率見表2。

表2 現場監測設備及測讀頻率

圖3 現場裂縫形態

根據現場探察二次襯砌開裂的情況，分別在左、右洞開裂段布設9個監測斷面。在監測斷面的拱頂埋設膨脹掛鉤，并用高精度水準儀進行拱頂沉降監測，在監測斷面起拱線上下各埋設1對收斂測頭，用數顯收斂計進行凈空收斂監測，收斂測頭上下間距約為0.3 m。斷面測點布置與現場監測分別如圖4、5所示。

圖4 斷面測點布置

圖5 現場監測

圖7 右線拱頂沉降時態曲線

3.2 監測結果分析

3.2.1 拱頂沉降

左洞ZK102+960、ZK102+980和右洞YK102+976、YK102+980拱頂沉降及溫度時態曲線分別如圖6、7所示。由圖6、7可知：二次襯砌拱頂沉降值與氣溫變化規律一致，即隨溫度升高而增大，隨溫度降低而減小。隧道的沉降值隨溫度的波動較大；隨著進入6月后氣溫逐漸穩定，沉降速率逐漸平緩，二次襯砌已處于基本穩定狀態。

圖6 左線拱頂沉降時態曲線

圖9 右線凈空收斂時態曲線

3.2.2 凈空收斂

左、右線各斷面收斂時態曲線分別如圖8、9所示。由圖8、9可知：凈空收斂表現為整體收斂，說明隧道的二次襯砌凈空收斂是隨溫度的變化產生的整體收縮；變形前期波動較大，最大收斂值達到13.2 mm，隨著溫度的逐漸穩定，收斂變形也逐漸趨于穩定。

圖8 左線凈空收斂時態曲線

3.2.3 裂縫寬度

由左、右線裂縫寬度變化曲線(圖10、11)可知：裂縫寬度逐漸增加，隨著溫度逐漸達到穩定，裂縫寬度趨于穩定，整體變化速率較小。

圖10 左線裂縫寬度變化曲線

圖11 右線裂縫寬度變化曲線

3.3 開裂原因分析與處理措施

3.3.1 開裂原因分析

公路隧道的開裂與外部荷載、混凝土收縮、溫度應力、支護結構和施工工法均有關。根據二次襯砌拱頂沉降、凈空收斂以及裂縫寬度的變形規律[16-20]，分析二次襯砌開裂的原因。

姚家峪隧道二次襯砌為冬季施作，混凝土產生大量水化熱，而當地冬季最低氣溫為-11 ℃，施工時雖然采取掛設保溫門簾和無煙火爐的措施，但是由于隧道斷面較大且隧道已經貫通(形成貫通風)，巨大的溫差致使襯砌內外產生不均勻收縮變形。同時，巨大溫差會使二次襯砌內部產生溫度應力，而二次襯砌溫度應力作用與大體積混凝土溫度應力類似，混凝土在某一方向的長度遠小于其他2個方向，受地基較大水平阻力影響，造成對混凝土的約束?；炷潦湛s及溫差越大，襯砌越易開裂，結構越薄，溫度梯度越大，抵抗收縮變形的能力越差，加之地基對混凝土的約束影響，導致姚家峪隧道二次襯砌出現開裂。

3.3.2 處理措施

為防止二次襯砌裂縫的產生和擴大，提出以下處理措施[21-23]。

(1)當隧道襯砌沒有發生掉塊、破裂等結構性破壞時，多采用注漿加固處理。對于裂縫寬度大于0.3 mm的部分，采用低壓速灌法進行灌縫處理；對于裂縫寬度小于0.3 mm的部分，利用環氧樹脂漿液進行封閉；也可將混凝土表面鑿毛，在表面噴涂混凝土黏結用膠。

(2)冬季施工時應加強保障措施，包括隧道的保溫措施、施工設備的保護、鋼筋混凝土材料的處理等。同時，為避免地下水使圍巖性質惡化，應完善地表截排水系統，加強洞內徑向排水系統，預留永久性排水孔，防止排水堵塞引起結構脹裂。

(3)對二次襯砌開裂段進行長期的跟蹤觀測，關注裂縫發展趨勢，通過監控量測手段分析隧道二襯開裂段變形、受力狀況，并做相應的處理。

4 結 語

通過對濱萊高速姚家峪隧道二次襯砌開裂段進行監控量測，發現溫度的變化會引起變形量的增減。分析了二次襯砌產生裂縫的原因，并根據裂縫的寬度給出了處理措施。具體結論如下。

(1)洞口溫度的變化導致隧道二次襯砌發生變形，是隧道內溫度的變化引起混凝土材料的收縮，混凝土收縮變形的規律是先增大、后逐漸平緩。

(2)二次襯砌開裂段位于隧道洞口段，并沿起拱線上下縱向曲折延伸；通過對裂縫產生的原因進行分析，發現混凝土材料的收縮及溫度應力的作用是姚家峪隧道產生裂縫的主要原因。

(3)當超大跨度公路隧道隧道二次襯砌發生非結構性的襯砌開裂時，可根據裂縫寬度選取加固措施，主要的處理措施為注漿加固或噴涂混凝土黏結用膠，同時對開裂段進行長期跟蹤監測，防止裂縫持續發育。