大中山雙連拱隧道群二襯開裂成因及處治技術研究

寇光明

(1.四川公路橋梁建設集團有限公司 成都 610041； 2.成都理工大學環境與土木工程學院 成都 610041)

近年來隨著我國交通運輸事業的蓬勃發展，公路建設快速推進，公路等級大幅提高。由于分離式隧道常會受到特殊地質及地形條件、路橋隧銜接方式、工程造價、公路線形布設等因素的限制，因此，連拱隧道大量出現在山區中短公路隧道中[1]。

由于連拱隧道往往處于圍巖地質條件差且復雜多變的淺埋地段，所以不少連拱隧道進出口段均屬于偏壓隧道。這一方面給施工造成極大困難，使隧道成形及圍巖穩定性控制難度增大，影響施工進度和施工質量。另一方面由于連拱隧道屬特殊的結構斷面，后行洞爆破施作對先行洞周圍已平衡狀態的圍巖應力產生擾動，從而需進行二次調整。由于施工工序繁多，開挖和支護相互交錯，中墻頂部的圍巖多次受到應力重分布的擾動，且由于支護襯砌與中墻非同步施工，因此連拱隧道在施工過程中極易出現拱腳開裂、中墻縱向和環向裂縫、滲漏水、二次襯砌開裂等現象[2]。

本文依托云南石屏縣至元江紅龍廠高速公路四合同段大中山1、2、3、4、5號隧道工程，針對偏壓雙連拱隧道二襯開裂問題，分析二襯開裂的基本特征，開展成因分析及處治技術研究。

1 工程概況

云南省石屏至元江紅龍廠高速公路(簡稱石紅公路)為國道323線江西省瑞金市至云南省臨滄市的重要組成部分。公路設計等級為雙向四車道高速公路，大中山隧道所處路段道路設計車速為60 km/h，隧道按80 km/h進行設計。汽車荷載等級為公路-I級；路面設計標準軸載為BZZ-100。隧道建筑限界凈寬為10.25 m，凈高為5.0 m。大中山隧道群共5座隧道，分別為大中山1、2、3、4、5號隧道，全長1 435 m，均為雙連拱隧道。

地形地貌。隧道群處于云貴高原的南緣部位，所處區域的地形地貌包括山脈走向、河流分布等，顯著被地層巖性、地質構造控制。該隧道群位于撮科河左岸大岔河一帶，為構造侵蝕山地地形地貌區，溝谷縱橫，切割較深，位于溝谷斜坡中下部，谷坡陡峻；植被不發育，以雜草、灌木為主。

地質情況。第四系殘坡積褐色，灰色、灰白色碎石為隧道區的上覆地層，稍濕，稍密-中密，砂礫質充填，局部夾砂巖塊石，具松散結構；下伏地層為灰白色、紫灰色中厚層狀石英砂巖，受區域地質構造影響大，巖石節理裂隙發育，風化破碎，強風化石英砂巖，碎石狀，局部為弱風化，碎塊狀，巖體破碎，呈角(礫)碎(石)狀松散結構，隧道周圍巖體相對容易發生變形塌方。設計V級圍巖90%以上。

2 隧道二襯裂縫分布特征及原因分析

2.1 隧道二襯裂縫分布特征

根據現場情況，設定左洞為先行洞，主洞采用三臺階法開挖，上臺階環形開挖，預留核心土，先行洞二次襯砌澆筑30 m以上，后行洞(右洞)才開始進行掘進開挖。在實際施工過程中，5座隧道的后行洞掘進開挖后均不同程度地發現先行洞二次襯砌出現開裂的現象，尤其是1號隧道、3號隧道在后行洞貫通后，對應先行洞中隔墻頂位置二次襯砌開裂尤為嚴重，見圖1，出現裂縫部位大部分為中隔墻拱腳到拱頂區域。

圖1 二襯裂縫現場照片

結合整體區域地質地形情況，經對5座隧道先行洞內二次襯砌開裂現象進行仔細觀察、分析、對比，發現裂縫具有如下特征：

1) 1～5號隧道都存在先行洞二次襯砌開裂現象，特別是嚴重偏壓的1號隧道、3號隧道二次襯砌開裂較為嚴重。

2) 二襯裂縫廣泛分布于先行洞的中墻頂部位置，洞口多，洞內少，縱向多，環向少。

3) 二襯裂縫開裂處呈典型的剪切破壞，有錯臺，裂縫寬度絕大部分大于0.2 mm，且局部裂縫呈網狀分布。

4) 受山體影響，先行洞側山體越薄，開裂也越多，裂縫也越寬。

5) 先行洞裂縫跟隨后行洞開挖掘進發展，后行洞掘進至何處，先行洞二次襯砌就對應開裂至該樁號。

2.2 隧道二襯裂縫現場監測內容

由于隧道二襯出現大面積的裂縫發育區，且多為縱斜向裂縫，為了解襯砌混凝土裂縫持續發展、地表圍巖變化特征、混凝土結構體穩定情況，故采取多種方式結合進行監控，以評價隧道的穩定性。監控內容主要有：周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、裂縫觀測及后行洞初支與二襯內力監測等[3]。

2.3 隧道二襯裂縫成因分析

2.3.1設計原因

由于雙連拱隧道設計的特殊性，雙連拱隧道主洞初期支護不能形成真正意義上的封閉受力雙洞結構，極大削弱了連拱結構整體穩定性和抗剪能力。由于施工工序要求“拆除中導洞鋼支護”要在“主洞開挖”之后進行，導致主洞初支只能位于中導洞初支上，致使中隔墻成為一個孤立立柱。當拆除先行洞一側的中導洞支護時，先行洞初支側壓力會瞬間沖擊孤立的中隔墻，導致中隔墻首次受力破壞；當后行洞一側中導洞初支拆除時，更大的后行洞偏壓力瞬間沖擊中隔墻，中隔墻再迅速傳力至先行洞二次襯砌，至使中隔墻二次破壞，導致先行洞二襯在中墻頂高度處發生剪破壞，因此后行洞開挖掘進至何處，先行洞二次襯砌縱向就開裂到對應樁號。由于后行洞二次襯砌在中導洞支護全部拆除之后施做，未遭受側壓力瞬間沖擊，因此，后行洞基本未開裂。雙連拱隧道斷面見圖2。

圖2 雙連拱隧道斷面(尺寸單位：cm)

隧道V級圍巖段中隔墻最薄處只有80 cm，且為孤立立柱，中導洞臨時支護拆除時，不足以承受強大的瞬間側向沖擊力。先行洞二次襯砌與中隔墻之間設有防水板，形成分體結構，導致中墻與二襯不能很好地整體受力，其抗剪能力大大降低。

2.3.2施工原因

根據設計要求，主洞初期支護應落于中隔墻頂，采用螺栓連接，見圖3。

圖3 主洞鋼架與中隔墻頂連接設計圖

該連接處是受力的薄弱環節，鋼架與中墻相當于“鉸”的作用，不是靜定結構，連接處二者結構突變，不能很好地形成一個整體受力結構，剛度不一致。同時由于該處有中導洞的初期支護隔離，一方面施工難度較大；另一方面施工中管控不嚴，民工隊伍施工隨意性大，造成大部分鋼拱架未落于中墻頂，而直接落于中導洞的初期支護上，未形成有效的著力點，該處剪力最大，應力無法傳遞，致使向外側推移，導致左洞產生裂縫。

2.3.3地形地質原因

地形地質條件較差是隧道襯砌開裂的主要原因。大中山1～5號隧道地貌為雞爪地形，坡面橫坡較陡，地形偏壓情況異常突出，5座隧道均屬于典型的偏壓隧道。1號～5號隧道巖石均強風化，巖體破碎，圍巖自穩能力差，開挖塑性區大，加之地形嚴重偏壓，形成了極大的偏壓荷載，5座隧道的裂縫分布及剪切特性均與突出的山體偏壓相吻合。1，3號隧道偏壓更加嚴重，貫通段K28+840-860、K31+570-595段受后行洞貫通瞬間沖擊荷載影響，導致該兩段二襯開裂尤為突出。其中大中山3號隧道出口現場照片見圖4。

圖4 大中山3號隧道出口

3 隧道二襯裂縫處治

黃勇江[4]對連拱隧道二襯開裂處治方法進行了探討，主要有表面覆蓋法、低壓注漿法及開槽修補法3種。嚴中等[5]根據規范對隧道襯砌裂縫的處治技術進行了研究。薛曉輝等[6]采用埋管注漿法和“鋼拱架和注漿錨桿”法對不同隧道段的針對性處治進行了研究。

經對大中山隧道開裂的地段進行驗算，結果表明隧道大分部整體結構是安全的，但需進行裂縫治理，尤其是開裂嚴重的1、3號隧道需進行特殊處理，方能保證后期運營安全要求。

處治方案原則：①必須嚴格遵守設計和施工規范的有關規定；②根據開裂產生原因、性質和不同的受力情況，分別采取不同的治理方案；③開裂處治后應能保證結構原有的承載力、整體性、抗滲性及防水性能；④防止人為損傷結構，盡量避免大破壞，并盡全力保持既有結構外觀；⑤在安全可靠基礎上，處治方法從實際情況出發，確保技術上的可行性、施工簡單易行、符合經濟合理的原則。

3.1 處治措施

針對大中山1號隧道K28+830-K28+870、3號隧道K31+540-K31+600貫通處先行洞二襯開裂較為嚴重現象，為避免該2段二襯破壞進一步加劇，造成隧道失穩，引發較大安全隱患，制訂了應急處理措施。

1) 采取工字鋼拱架臨時支撐。支護參數為：I20a工字鋼，縱向間距100 cm，Φ25縱向連接筋，環向間距1 m。拱背用木枋填塞，保證工字鋼架與二襯密貼，拱腳焊連接鋼板，利用膨脹螺栓與仰拱混凝土固定。

2) 加強該2段二襯中墻頂三角區范圍的松散圍巖加固，從右洞中墻頂上50 cm增設3排直徑42 mm×壁厚4 mm徑向注漿小導管加固，80 cm×80 cm梅花形布置，單根長度4.0 m。

3) 右洞對應段二襯K28+830-K28+870、K31+540-K31+600作加強處理，環向主筋由Φ22變更為Φ25，提高混凝土等級由C30防水變C40防水。

3.2 裂縫處理

根據第三方連續2個月跟蹤監測數據結果分析，隧道周邊位移、拱頂下沉、地表下沉及二襯混凝土表面應力變化趨于穩定，累計變化量未超過設計預警值，裂縫無發展延伸，數據無變化或變化很小，在規范范圍內，裂縫處也無滲水，說明已處于穩定狀態，對二襯結構受力無影響，可以進行處理，處理分以下兩類進行。

3.2.1普通裂縫

針對5個隧道共性存在的二襯裂縫，根據不同普通裂縫寬度進行處理，方案如下。

1) 隧道二襯裂縫寬度小于0.2 mm的利用結構膠進行封閉。

先將裂縫鑿成V形槽，寬度1 cm，深度0.8～1 cm，并清理干凈，采用結構封閉膠對準裂縫進行涂刮，施工時盡量一次完成，避免反復涂抹。最后用調色料處理混凝土表面，使其與周圍襯砌混凝土保持一致顏色。采用噴涂式調色涂裝，使用高壓氣泵將配制好的環氧防腐液均勻噴涂于裂縫表面。

2) 隧道二襯裂縫寬度≥0.2 mm的進行注膠處理。

灌膠施工流程：施工準備→裂縫清理→鉆孔→埋管→灌漿→拆嘴→封口→調色。

①用鋼絲刷清理裂縫周圍，將灌膠底座粘貼面周圍油污清除干凈，用酒精等將裂縫兩側2～3 cm范圍清理干凈；②沿裂縫每隔20 cm鉆孔，孔深為二襯厚度2/3，不得小于15 cm，鉆孔后安裝注漿管；③先注入高壓風將縫內粉塵吹洗干凈，并觀察裂縫大致情況，在裂縫表面用結構封閉膠處理，目的是在注入漿液時不跑漿；④將注漿液裝入專用的電動式泵壓器內，通過注漿機加壓進行灌注，壓力控制在0.2～0.5 MPa，直至裂縫充滿漿液，注膠過程，見圖5。

圖5 注膠

3) 對于水平裂縫，由低端逐漸壓向高端，對于豎向裂縫由下向上注漿。

4) 壓漿結束將注膠頭拆除，用專用封裝膠泥抹平，最后打磨拋光，裂縫表面作調色處理。

3.2.2剪切性破壞裂縫

該類型裂縫出現明顯錯臺，裂縫寬且深，主要是1號隧道貫通段K28+850-K28+870、3號隧道貫通段K31+540-K31+600二襯裂縫。處理的總體方案為：注膠封縫+貼鋼板+植錨固筋。

處理范圍。先行洞右側電纜溝頂至中隔頂上1～2 m的二襯范圍。

施工流程。施工準備→鑿除松散混凝土(裂縫處理)→鋼板刻槽→鉆孔植錨固螺栓→貼鋼板→裂縫注膠→鋼板防銹處理及顏色恢復。

1) 鑿除松散混凝土。沿裂縫兩側鑿除錯斷、分層、離板、松散的混凝土，鑿除時采用小型機械配合人工施作，避開鋼筋，盡量不產生較大擾動，保證槽口規整順直，最后用高壓空氣吹凈灰塵進行清洗處理。

2) 鋼板粘貼位置刻槽。根據設計方案在二襯混凝土表面粘貼鋼板位置進行放線，刻槽寬度不低于18 cm、深30 mm，如遇施工縫位置必須錯開，槽口邊緣采用小型切割機進行切割，盡量使表口整齊順直無破損，為減少對原結構擾動破壞采用人工鑿除。

3) 鉆孔植錨固螺栓。按設計方案，為保證鋼板與二襯及中隔墻緊密結合，形成共同受力結構，采取鉆孔植M18化學錨固螺栓的方式，螺栓間距40 cm×40 cm，鉆孔深度80 cm，孔徑22 mm，孔位應避讓原結構鋼筋。鉆孔完成后用高壓風清孔，緊接著采用專用灌注機將膠黏劑由孔底灌注至孔深2/3處，單向旋轉插入錨固螺栓，直至達到80 cm深度，及時清除孔口多余的膠黏劑，鉆孔植錨固螺栓施工示意見圖6。

圖6 鉆孔植錨固螺栓

4) 粘貼鋼板。將鋼板除銹后固定在錨固螺栓上，保證鋼板與混凝土表面的間隙小于3 mm，用封邊膠將鋼板四周進行封邊處理，并預留注膠嘴，注膠嘴布置為0.5～1 m，然后用泵將貼鋼灌注膠從注膠嘴灌注到鋼板與混凝土的空隙中，注膠壓力控制在0.2～0.5 MPa，以確保鋼板與混凝土粘貼密實，粘貼鋼板施工示意見圖7。

圖7 粘貼鋼板

5) 裂縫注膠封閉處理。對裂縫仍然需要作注膠封閉處理，具體工藝與第一類裂縫寬度≥0.2 mm的裂縫處理方式相同。

6) 鋼板防銹處理及顏色恢復。經檢測確認鋼板粘貼密實效果可靠，打磨注膠嘴和排氣管、錨固螺栓頭，采用聚酸脂類防腐涂裝進行表面處理，用結構膠進行涂刮找平，使所粘貼鋼板與缺陷區域混凝土渾然一體，最后噴涂環氧膠液恢復外觀顏色。

3.3 處治結果

注膠處治完成后采用鉆芯取樣的方式檢查灌注是否飽滿。會同業主、設計、監理現場查看，芯樣注膠飽滿，保證了處治區域混凝土結構的整體性，達到了處治效果。處治后裂縫處芯樣見圖8。

圖8 裂縫鉆芯

采取應急處理措施措施的段落進行持續的二襯周邊位移和拱頂下沉監測，部分監測數據見圖9。

圖9 K31+570斷面變形監測結果

根據監測數據分析可看出，二襯加固地段變形得到控制，尤其是處治以后，裂縫粘接、鋼帶加固使二襯形成整體，外觀平順，未侵占建筑界限。經過一段時間全面觀測，隧道二襯全部正常，未發現新裂縫，說明隧道已處穩定狀態，病害已得到成功處治。

4 結語

大中山雙連拱隧道群巖體破碎，圍巖自穩能力差，開挖塑性區大，加之地形嚴重偏壓，形成了極大的偏壓荷載，5座隧道在修建過程中，二襯結構均出現不同程度的開裂，裂縫分布及剪切特性均與突出的山體偏壓一致。本文通過現場調查分析了裂縫的分布特征和形成原因。并結合監測數據制訂了處治方案，經處治完成后，效果良好，裂縫未進一步擴展，隧道趨于穩定，病害得到解決。