城市運營隧道結構病害成因分析及治理建議

王斌彬 陽 潛

（深圳高速工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

我國高速公路迎來了新一輪的建設高峰，大量高速公路隧道建成并運營。隨著公路隧道建設的迅猛發展，隧道襯砌病害成了我們越來越關注的問題，主要病害有襯砌裂縫、滲漏水以及路面滲水等。當前，在建和建成的隧道中，大量隧道襯砌存在裂縫，這些裂縫是否威脅著隧道的健康，威脅的程度有多大，這些裂縫是如何形成的，這些問題成了關注隧道健康而需要了解的問題，也是難題。當前對隧道襯砌裂縫的研究一直是隧道工程研究中的熱點問題。該文以某市城市運營隧道定檢數據為基礎，利用有限元建模分析驗證該類隧道襯砌裂縫形成原因。

1 工程概況

1.1 工程背景

某市隧道A呈近南北走向，沿線所經地區為低山、低山間沖溝、山麓等地貌。地勢呈南高北底的趨勢，隧道最大深埋180 m。隧道由南向北，為上下行雙管六車道隧道，左右行車道中線間距52.25 m，在左線進口段與右線出口段分別有E、F匝道隧道進出左右隧道。左線隧道全長2330m，右線隧道全長2275m，E匝道隧道全長369m，F匝道隧道全長393m。隧道曲線段樁號為K1+220～K1+270。

隧道B為南北走向，為雙洞六車道，左洞隧道長1228m，右洞隧道長1210m。道路標準為城市Ⅰ級主干道，設計時速60km/h。隧道曲線段樁號為K0+130～K0+160。

1.2 工程地質

場地范圍內揭露地層自上而下依次為人工填土（素填土、雜填土、人工填石），其下為第四系新近湖積淤泥質黏土、全新統沖洪積粉質黏土、淤泥質土、礫砂，上更新統湖沼沉積淤泥質黏土，晚～中更新統坡積黏土，中更新統殘積礫質黏性土，構造巖及燕山期全～微風化粗粒花崗巖。各巖土層的工程特性如下：1）人工填土層。本線址揭露的人工填土層有素填土、雜填土、人工填石。2）第四系新近湖積淤泥質黏土層。本線址范圍內零星分布。該層土屬靈敏性較高的軟土，土的工程性質差，開挖時易變形、滑塌，土的可挖性等級為Ⅰ級。3）粉質黏土層。本線址局部有分布，呈可～硬塑狀態，土的工程性質一般，開挖時可能產生變形、滑塌現象。4）礫砂層。本線址局部分布，為賦水地層，地層滲透性為弱～中等。5）坡積黏土、殘積礫質黏性土、全風化巖。該層土承載力較高，變形小，土的工程性質較好，水理性質差，遇水易崩解，承載力降低，出現砂土性質，容易出現流沙、管涌現象。6）全、強風化粗粒花崗巖。該層土地基承載力高，壓縮變形小，工程力學性質較好，水理性質差，遇水后出現砂土性質，容易出現流沙、管涌現象。7）中等風化粗粒花崗巖。該層地基承載力高，壓縮變形小，工程力學性質較好。在巖石裂隙較發育，地下水較豐富，屬較軟巖。8）微風化粗粒花崗巖。該層地基承載力高，壓縮變形小，工程力學性質較好。巖石裂隙稍發育，地下水較貧乏，屬于較硬巖。

2 現場檢測情況

2.1 隧道A曲線段病害現場檢測情況

由表1病害統計表可以看出隧道A在彎道區間曲線段（樁號：K1+250～K1+265）區間內，隧道拱部出現兩條斜向裂縫，一條環向裂縫，處出現1條襯砌斜向裂縫，裂縫的長度介于6.5 m～11.0 m，裂縫的寬度介于3.60 mm～5.00 mm，具體每條裂縫的長、寬見表1，病害現場檢測照如圖1所示。

圖1 隧道A結構性病害現場照片

表1 隧道A曲線段病害統計表

2.2 隧道B曲線段病害現場檢測情況

通過現場定期檢測發現隧道B在隧道縱向線形上處于彎道上下坡過渡區間曲線段樁號K0+145處右拱腰處出現1條襯砌斜向裂縫，裂縫長度為6.0 m，裂縫寬度為4.0 mm，現場裂縫形態如圖2所示。

圖2 隧道B（樁號：K0+145）結構性病害現場照片

2.3 隧道病害成因分析

A隧道襯砌裂縫集中區間K1+220～K1+270，樁號K1+223處拱頂出現一處環向裂縫、樁號K1+263處右拱腰處出現一條斜向裂縫、樁號K1+265處右拱腰出現1條斜向裂縫。該區間段有一處斷層破碎帶，（產狀：傾向210°～215°，傾角為75°～80°）。斷層破碎帶的存在使隧道拱頂襯砌主要承受松散地壓，另外，隧道沿縱向埋深起伏較大，沿縱向襯砌偏壓較為嚴重，襯砌結構在松散地壓或偏壓荷載作用下，裂縫較多發生在拱頂至拱腰位置，這與本次檢測新發現的兩條斜向裂縫出現的位置較為吻合。由于隧道沿縱向埋深高低起伏較大，而且跨越了3種不同級別的圍巖，沿縱向不均勻沉降較大，較大的不均勻沉降直接導致樁號K1+223處拱頂環向裂縫的產生。

B隧道在樁號K0+145處右拱腰施工縫附近襯砌斜向裂縫的產生與該處隧道處于彎道+坡度+偏壓的耦合作用有關聯，初步判斷襯砌在“坡度+彎道”過度區的差異變形較大。

3 三維有限元分析

3.1 材料計算參數

在建立三維有限元模型時，各巖土層力學參數見表2 ，圍護結構（襯砌、錨桿）力學參數見表3。

表2 各巖土層力學參數表

表3 圍護結構力學參數表

3.2 模型的建立

通過建立有限元模型定性分析偏壓荷載作用下曲隧道在“彎道處”“上下人字坡處”“彎道+上下人字坡處”的變形情況。巖土層采用摩爾庫倫彈塑性模型，模型寬度為80m，地層深度約80m。隧道及襯砌模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

3.3 有限元結果分析

由圖4可以看出隧道在彎道+坡度+偏壓作用下，隧道在彎道內側的變形較外側大，另外，在現場檢測過程中發現襯砌裂縫也主要出現在該部位。

圖4 耦合作用下襯砌總變形云圖

由圖5可以看出，襯砌在“彎道+坡度+偏壓的耦合作用”襯砌結構的差異變形較大。

圖5 過度區的變形差異

由圖6可以看出，曲線隧道在偏壓荷載作用下，彎道處隧道襯砌結構變形較其他部位大，邊墻變形最大，拱腰次之，拱頂最小。偏壓荷載作用下隧道變形受“彎道+坡度（縱坡）”影響最大，“坡度（縱坡）”處次之、“彎道處”最小。

圖6 B隧道數值分析計算結果

綜上分析可知：曲線隧道B在拱腰處（K0+145）施工縫附近襯砌斜向裂縫的產生與該處隧道處于彎道+坡度+偏壓的耦合作用有關聯。結合彈性地基梁理論可以看出，襯砌拱腰內側混凝土受拉，襯砌表面裂縫的形成可能是由于襯砌內側拉應力大于混凝土極限拉應力所致。該裂縫的新出現說明該區域圍巖壓力有所增加，進一步加劇了襯砌縱向差異變形，由此導致的附加拉應力是曲線隧道B襯砌斜向裂縫產生的主要原因。

隧道A病害在K1+223～K1+265區間段處于彎道及上下人字坡過渡區，該區間襯砌差異變形較大，襯砌在該區段容易因拉應力過大而產生裂縫。該區間段襯砌裂縫的產生與該區間段隧道處于彎道上下坡過渡區有關聯。

4 裂縫治理建議

A隧道襯砌拱部出現3條襯砌通長裂縫，且結構性裂縫位于斷層破碎帶區域，據此可推斷出斷層破碎帶的松散地壓有所增大。B隧道襯砌拱腰處出現結構性斜向裂縫，處于偏壓狀態，說明該區域圍巖壓力有所增大。襯砌結構在開裂以后，其剛度和分擔的內力均有所降低，荷載會轉移到其他截面上，為了防止襯砌結構裂縫進一步的發展，保障隧道安全運營，應及時對隧道進行加固。

針對該類曲線隧道曲線段結構性襯砌裂縫病害，為了防止裂縫進一步開裂及滲水從裂縫處滲出，建議及時采取環氧樹脂低壓注射的方式對其進行封閉，同時為了提高襯砌結構的剛度及穩定性，改善該區域襯砌的差異變形，建議對結構性裂縫開裂區段及其前后各20 m范圍內采取襯砌環形型鋼沿二次襯砌表面進行環向加固，可采用H14型鋼，型鋼鋼架間采用縱向鋼筋進行定位，為確保鋼架的定位，可在鋼架兩側設長50cm的鋼筋作為鉚釘，環向間距1m，交錯布置。為保證鋼架的穩定性和有效性，兩拱腳處和兩邊墻墻腳處加設鎖腳錨桿。同時加強巡查，必要時可對襯砌結構進行監測。

5 結論

該文在對某市兩座運營曲線隧道多年定檢的基礎上，對城市運營隧道曲線段出現的結構性襯砌裂縫進行定性數值分析，根據現場多年的定檢數據以及有限元數值分析，得到以下4個結論：1）曲線隧道曲線段多處于彎道+偏壓狀態，襯砌結構內力復雜，在車輛荷載作用下，易形成結構性襯砌通長裂縫，影響隧道的運營安全。2）曲線隧道在偏壓荷載作用下，曲率半徑最小處隧道襯砌結構變形較其他部位大，邊墻變形最大，拱腰次之，拱頂最小。3）曲線隧道在偏壓荷載作用下，拱腰部位最容易出現裂縫，如不及時處理裂縫會延伸至拱頂，或在拱頂部位出現新的裂縫。4）針對該類曲線隧道曲線段結構性裂縫病害，可采取環氧樹脂低壓注射對其進行封閉，以防繼續開裂和滲漏水，同時采取襯砌環形型鋼沿二次襯砌表面進行環向加固。