某公路隧道襯砌開裂病害成因分析與治理方案

楊 帆 谷丙坤

(濟南城建集團有限公司第一分公司，山東 濟南 250031)

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某公路隧道襯砌開裂病害成因分析與治理方案

楊 帆 谷丙坤

(濟南城建集團有限公司第一分公司，山東 濟南 250031)

根據湖北某公路隧道二次襯砌開裂情況的現場測量與調查結果，結合數值模擬計算軟件，分析了隧道二襯裂損的病害成因，并模擬研究了換襯施工過程及加固后隧道的穩定性，同時與現場監測數據進行對比，確定了最終加固效果。

隧道，襯砌開裂，數值模擬，監控量測

該隧道右線在停工約半年后，個別地段出現了二襯開裂的現象，局部二襯出現了掉塊，通過長時間的襯砌裂縫跟蹤監測和現場勘察，發現大部分裂縫為拉裂破壞，且暫時仍有繼續發展的態勢。隧道二次襯砌作為隧道的重要結構儲備，出現裂縫損傷不容忽視，因此應加強后期持續的監測，并及時采取合理有效的治理措施對襯砌裂縫進行治理。

1 工程概況

該隧道位于湖北竹溪縣境內，隧道長1 085 m，最大埋深134 m，進洞口處于凹型斜坡，坡角坡度為40°～70°，坡向為112°；出洞口處于凸型斜坡，斜坡坡度40°左右，坡面植被茂密，坡向275°。隧道區位于北西向的竹溪褶皺束所屬的楊家山向斜內，所涉及的地層主要為志留系，隧址位于向斜翼部，整體產狀為單斜產狀，傾向北東，產狀為27°～40°∠34°～36°，節理發育。隧道區未見發育的區域性斷裂。

隧道在右線YK227+154～YK226+911段初支及二襯施工完成后發生變形，且局部二襯出現滲水開裂(見圖1)，二襯出現掉塊見圖2。

2 病害原因分析

根據原有二襯具體資料及現場地質條件，建立數值計算模型，通過理論分析可以得出，典型斷面K227+023襯砌開裂的位置可能發生在拱頂附近，實際情況為拱頂出現縱向裂紋，兩者較為吻合。圖3為K227+023斷面的等效塑性應變圖。

從表1和圖3,圖4可得出，隧道地處偏壓地段，在洞室相同角度范圍內右洞較左洞承受更大的拉力，最大拉力出現在拱頂偏右的位置，這與實際發現的右洞襯砌病害多于左洞襯砌病害也是相一致的，也因此驗證了理論計算的正確性。

表1 二次襯砌數值計算理論軸力與開裂承載力對比 kN

3 襯砌裂縫治理方案

隧道襯砌發現裂縫地段多達23處，分布長度達200多米的地段，且多數發生在右線，左線截面襯砌完好。在處理如此的裂縫病害時需要根據不同情況采用不同的處理方案，經過方案比選之后，最后確定最終處理方案如下：

采用拆除重建法進行治理。

拱部與邊墻結合部大角度打設中空錨桿并注漿，間距50 cm，雙排布設，單根長度3.5 m。二襯拆除前拱墻打設注漿小導管進行注漿加固，縱環間距1.0 m×1.2 m，處理參數為采用XS5a加強，具體參數視現場情況定奪。二襯及仰拱拆除分段進行，具體方法為：先拆除一段二次襯砌混凝土，長度控制在3 m以內。再拆除原初期支護，原初期支護拱架逐榀拆除，并擴挖至變更后的開挖斷面，及時初噴混凝土，架設初期支護拱架，打錨桿、掛鋼筋網，復噴混凝土至設計厚度，初期支護換拱架時，先從拱頂進行更換，再更換邊墻。初期支護更換達到拆除二襯混凝土長度(3 m以內)時，拆除仰拱填充及仰拱混凝土，施工新仰拱。按此方法循環進行，當初期支護換拱累計達到9 m時即施作一組二襯。

4 換襯施工過程數值模擬

本文通過建立整個施工過程的數值計算模型來驗證整套施工方案的切實可行性。數值模型主要以該隧道的典型斷面K227+023斷面為例，詳細闡述了分析過程以及相應的結果。該數值計算模型垂直方向尺寸選擇為：從隧道底部往下4D的深度，往上為頂部地表輪廓線，兩邊側各選擇5D的長度。

施工階段的劃分：第一階段：在施工地段架設臨時護拱，間距1 m。拱墻打設錨桿并注漿；第二階段：拆除原有二襯及初襯；第三階段：施作新的初期支護；第四階段：開挖仰拱并施作新的仰拱；第五階段：施作新的二襯。

在施工過程中，雖然拱腳與仰拱的圍巖應力將會有一定的變化，并且可能出現相對較大的變化幅度，但考慮到極易對隧道結構構成危險的是拱頂與拱腰處的非正常受力，因此在施工過程中更關心拱頂加固區和拱腰加固區圍巖的應力變化情況。

圖5～圖8為各施工步驟下隧道周邊圍巖的第一主應力分布狀況。從分析結果中可以看出，在拆除原有襯砌后隧道拱頂圍巖的應力最大，最大值為2.31 MPa，出現在右洞拱頂偏右的位置，可見在拆除原有襯砌后隧道處于最危險階段。隨著施工步驟的增加，拱頂處圍巖壓力在逐漸縮小，塑性區也在慢慢變小。并且可明顯看出，在各個施工階段下右側拱腰處的圍巖應力要明顯大于左側的，這與實際隧道截面處于偏壓地形中是一致的。中間邊墻的圍巖壓力要略大于兩側邊墻的，這與實際隧道受力規律是相符的。在隧道底部仰拱處，圍巖壓力為最小，在拱腳部位圍巖壓力要略大于仰拱位置的，但應力值均不大，可見錨桿注漿對圍巖起到了很好的加固效果。

由圖9可以得出，在該步驟結束后右洞混凝土襯砌受力仍舊不十分均勻，右側拱腰部分區域出現拉應力區，但拉應力值不大，最大值僅為1.15 MPa，未超過該區域混凝土的抗裂軸力極限值。

5 結語

1)結合現場實際地形地貌和地質條件，利用有限元數值模擬軟件MIDAS/GTS反演分析了襯砌開裂的原因，并將數值計算結果與實際狀況比對，確定偏壓引起了局部圍巖壓力過大，致使襯砌混凝土拱頂及右側拱腰處出現較大的拉應力，該拉應力大于襯砌混凝土的開裂軸力，因此該區域襯砌出現裂縫損傷。2)根據隧道現場實際情況及方案比選確定了最終切實可行的襯砌裂縫治理方案，并通過軟件對施工過程中圍巖的應力應變進行數值模擬，驗證了治理方案的切實可行性。3)通過數值模擬結果可以看出，在襯砌更換前后隧道圍巖對襯砌的壓力變化不大，襯砌混凝土受拉區域也沒有明顯的變化。但更換后的襯砌由于具有較強的承載能力，以及錨桿注漿措施的加固，足以承受隧道的偏壓應力，且具有相當的安全儲備。4)本文對襯砌更換過程中的數值模擬是根據理想狀態下的條件進行的，未考慮現場實際的弱爆破和沖擊破碎兩種拆除襯砌的方式對臨近圍巖和既有襯砌的擾動，因此為了模擬結果更貼近實際，現場施工模擬內容需要進一步改進研究。

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Astract： Rely on a highway’s secondary lining cracking situation of the tunnel in Hubei Province,collected some materials and data.Combined with the numerical simulation software of the secondary lining cracks in tunnel,analyzed the reasons for lining cracks.At the same time,there are some finite element simulations in the tunnel construction process and the stability of reinforced tunnels,and finally compared with field monitoring data,determined the final reinforcement effect.

Cause analysis of lining cracking behaviour and treatment for highway tunnel

Yang Fan Gu Bingkun

(JinanUrbanConstructionGroupCo.,Ltd,theFirstBranch,Jinan250031,China)

tunnel,lining cracks,numerical simulation,monitoring measurement

1009-6825(2016)29-0183-02

2016-08-05

楊 帆(1991- )，男，碩士,助理工程師

U457.2

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