隧道二次襯砌開裂原因分析及加固方案比選

石繼訓 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，對二次襯砌質量指標及裂縫進行了檢測，通過數值模擬對二次襯砌進行了結構安全性評價，分析了二次襯砌開裂的原因，并制定了三個加固方案進行比選，為從事隧道管理、設計和施工的現場技術人員提供參考。

關鍵詞：隧道;二次襯砌;裂縫;加固

中圖分類號：U457+.3 文獻標識碼：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，部分隧道在建設和運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行分析，并對二次襯砌結構進行安全性評價[4～5]，然后結合現場實際制訂安全、經濟、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）。其中進口左洞ZK106+577～+810和右洞K106+597～+814段采用ⅤQ型襯砌，襯砌內輪廓見圖1，支護參數見表1。

該隧道在交工驗收期間發現左洞ZK106+673～ZK106+700段二次襯砌右拱腰處存在多條縱向裂縫，隨后業主委托檢測單位對該段的二次襯砌進行了檢測，檢測內容主要包括裂縫寬度和深度測試、二次襯砌厚度、鋼筋保護層厚度、混凝土密實度和脫空缺陷檢測、二次襯砌混凝土強度檢測等。

2主要檢測結果

2.1裂縫檢測結果

塘基二號隧道左洞ZK106+673～+700段3個施工節段（ZK106+673～+682、ZK106+682～+691、ZK106+691～+700）二次襯砌右拱腰至拱頂范圍共出現了39條縱向裂縫，部分裂縫在各施工節段存在連通的情況，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、鋼筋保護層厚度、混凝土密實度等檢測結果

二次襯砌厚度在52.5cm～123.2cm 之間;鋼筋混凝土保護層厚度在10.0cm～82.3cm之間，均超過了設計值5.8cm，保護層厚度偏厚;二次襯砌混凝土較密實，未發現明顯脫空或空洞等缺陷。

2.3二次襯砌混凝土強度檢測結果

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

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

3隧道二次襯砌開裂原因分析及結構安全性評價

3.1 計算方法和計算軟件

計算方法為地層-結構法，計算寬度取單位長度1m，采用平面應變分析模型。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。結合現場施工過程中初期支護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，隧道左、右兩側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圍巖支護計算參數

根據地勘報告，圍巖物理力學指標取值如表2所示。

二次襯砌物理力學指標取值如表3所示。

3.4 計算結果

3.4.1隧道圍巖穩定性

隧道圍巖失穩破壞可以看作是塑性區逐漸發展擴大直至貫通而進入完全塑性狀態、無法繼續承載的過程。眾多的試驗研究及工程實踐表明，當隧道圍巖失穩時，會產生明顯的局部剪切變形。所以，可以將隧道圍巖是否出現較大的剪切變形作為隧道圍巖失穩的一個判據。

由圖4可以看出，隧道開挖后圍巖失穩主要出現在隧道右側拱部和隧道左側側拱腳位置。圖5地層剪切應變圖可以看出，因隧道開挖支護的影響，隧道右側拱部產生明顯的剪切應變，該位置的圍巖產生了明顯的松動，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，對應的軸力值為562.34kN。計算結果如表4。

原施工圖該段襯砌類型為VQ型，襯砌結構采用對稱配筋，內外側各配置6根φ25鋼筋。經計算，采用原設計結構安全系數滿足規范[11]要求，襯砌裂縫開裂寬度為0.141mm<0.2mm，滿足規范要求。

3.4.3二次襯砌結構應力

圖8表明襯砌最大主拉應力為4.999MPa，其數值超過C30混凝土極限抗拉強度2.2MPa，混凝土產生裂縫，裂縫位置在拱頂至拱腰位置的襯砌內表面。圖9表明襯砌最大主壓應力為20MPa，未到達C30混凝土的極限抗壓強度為22.5MPa。

3.5二次襯砌開裂原因分析及結構安全性評價

從ZK106+700實測斷面及鋼筋位置圖（見圖10）可以看出，結構最大彎矩出現在測線03位置，該位置混凝土襯砌厚度83.1cm，混凝土保護層厚度56cm，鋼筋位于混凝土受壓區，不能約束裂縫發展，這是造成該隧道二次襯砌開裂的主要原因。該截面應作為混凝土構件考慮，該位置混凝土裂縫深度為12.5cm，混凝土有效工作高度為70.6cm。

按混凝土彎壓構件計算，測線02位置襯砌安全系數最小，僅0.958<3.6，不滿足《公路隧道設計規范》（JTG 3370.1-2018）9.2.4條混凝土達到抗拉極限強度的安全系數要求，需進行加固處治。

4 加固方案比選

根據以上分析，二次襯砌混凝土強度、厚度、內凈空均滿足設計要求，但襯砌裂縫深、寬度大，結構安全系數低，而且不排除二次襯砌裂縫有進一步發展的趨勢。據此，先采用改性環氧樹脂類封閉膠和修復膠對二次襯砌裂縫進行修復，然后對二次襯砌進行加固處理。按等效替換拉區鋼筋的原則，擬定了三種二次襯砌加固方案。

4.1鑿槽嵌鋼架方案

在拱墻二次襯砌結構內表面環向鑿槽（槽深20cm，槽口寬20cm、槽底寬25cm），在槽內嵌入I18型鋼鋼架，后灌注C30微纖維微膨脹細石混凝土，鋼架沿隧道縱向間距1m，槽底低于檢修道頂面10cm。

4.2鋼架套拱方案

原施工圖中二次襯砌內輪廓與建筑限界間最小凈距為17cm，隧道內凈空可滿足厚15cm的套拱施做空間。首先對二次襯砌混凝土內表面進行鑿毛處理，然后在拱墻位置架立φ25格柵鋼架并用φ22釬釘將其固定在二次襯砌混凝土內表面，在兩榀鋼架間架立網格間距為20cm的φ8鋼筋網（焊接在二次襯砌混凝土表面的φ22釬釘上），最后噴15cm厚C30微纖維混凝土。鋼架腳嵌入檢修道頂面以下10cm。

4.3粘貼鋼板方案

采用改性環氧樹脂系列粘結劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結構物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結構物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結構的鋼筋及混凝土的應力狀態，限制裂縫的進一步發展，從而達到加固補強、提高隧道承載能力及抗裂能力的目的。

粘貼鋼板厚5mm，寬350mm，凈距150mm，采用Q345c鋼板加固，鋼板沿隧道環向布置。

4.4方案比選

三種修復方案比選見表5。

綜合以上比較表明：鑿槽嵌鋼架具有施工麻煩，工期長，會對既有結構產生一定損傷的缺點;鋼架套拱也需對原結構局部進行開槽作業，加固后影響洞內空間和景觀;粘貼鋼板方案在造價方面雖然高于鑿槽嵌鋼架和套拱方案，但明顯具有施工便利、工期短、不影響洞內景觀等優點，因此推薦粘貼鋼板方案。

5 結語

在隧道施工或運營的過程中，若發現二次襯砌出現裂縫病害，先對裂縫出現的位置、裂縫的發展方向、裂縫寬度、長度和深度進行檢測，并檢測二次襯砌混凝土的其他質量指標，然后對裂縫產生的原因進行分析，對二次襯砌進行安全性評價，最后根據裂縫對結構的影響，有針對性地制定安全、經濟、方便的處治方案。

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

（中鐵二院工程集團有限責任公司? 成都? ?610031）