黃土隧道二次襯砌開裂原因及防治措施現狀與發展

喬 雄, 楊 鑫

(蘭州理工大學土木工程學院, 甘肅 蘭州 730050)

0 引言

“十隧九裂”是隧道從業者的普遍認識,表明了隧道裂縫的多發性。對于在建和已運營的隧道,襯砌開裂往往是最多見的病害。

李佳翰[1]對266座隧道進行統計分析,得出隧道病害中襯砌開裂占比高達82%,其次為滲漏水(44%)、剝落(36%)等病害。伴隨著我國的隧道建設規模日益擴大[2],襯砌開裂問題已成為業界關注的重點[3-5]。尤其是在黃土隧道中,由于黃土工程穩定性差,易受水文地質影響,襯砌一旦開裂,會隨著氣候、水文的變化進一步加劇,產生裂口擴寬、延長,甚至坍塌,從而危及隧道結構的安全性[6-8]。雖然針對黃土隧道二次襯砌開裂問題的研究較多[9-12],但并未對其開裂機制及處治措施進行系統梳理。因而,有必要對當前我國黃土隧道襯砌的開裂問題進行全面總結,以期為進一步形成全面和規范的黃土隧道襯砌開裂防治方法提供參考。

本文基于設計、施工實踐與工程調研,系統梳理了黃土隧道二次襯砌開裂機制的研究方法、開裂原因及治理措施,并對黃土隧道襯砌開裂問題研究及治理方法的發展趨勢進行了分析與展望。

1 黃土隧道二次襯砌裂縫研究方法現狀

針對黃土隧道二次襯砌開裂的問題,學者們展開了大量的研究。本文統計了近些年有關二次襯砌開裂的研究實例,具體見表1和表2。

表1 黃土隧道二次襯砌開裂調查分析、數值模擬、監控量測研究實例

表2 黃土隧道二次襯砌開裂理論解析、模型試驗、現場試驗研究實例

由表1、表2可知,針對黃土隧道襯砌裂縫的研究可分為調查分析、數值模擬、監控量測、理論解析、模型試驗、現場試驗等6種基本方法。其中,調查分析、數值模擬、監控量測3種方法適用于隧道的施工、運營期間的襯砌開裂分析,但在每個階段的側重又有所不同:在施工階段,常采用調查分析與監控量測2種方法,皆具有用時短、時效強的特點,能滿足隧道建設時的高效需求;而在運營階段,常采用數值模擬的方法,通過模擬來還原現場,得到較為準確的分析結果,符合無損檢測的要求。理論解析、現場試驗和模型試驗3種方法更多用于科學研究,是施工與運營階段研究內容的進一步延伸,而通常針對同一問題采用多種方法相互驗證更具有可靠性。針對以上6種基本方法,相關研究如下。

1.1 調查分析

隧道調查分析包括4個方面: 1)調查隧道通過地區的地質條件、水文、氣候等情況; 2)調查隧道圍巖情況; 3)了解隧道的設計、管理和一線人員實際施工的情況; 4)對襯砌結構的檢測。

對調查結果的分析通常是從國家制定的行業標準和規范、調查人員豐富的從業經驗和對類似工程問題的參考3方面進行。如姜涵等[13]通過對某隧道進行現場調查和資料分析,確定襯砌開裂是圍巖浸水惡化和隧道內局部排水故障引起的。目前,調查分析已經形成較為全面的框架體系,具有結論得出迅速、可參照性和執行性良好等特點,適用于短期或緊急情況下隧道襯砌開裂的機制分析。但調查分析大多為定性描述,準確度往往不夠,尚需定量數據判定。故調查分析一般只作為研究的基礎數據和參考依據,后續還應結合數值模擬、理論解析、監控量測、模型試驗、現場試驗等方法,來提高結論的可靠度。

1.2 數值模擬

數值模擬包含隧道結構計算模型和有限元計算軟件2部分。目前,計算模型可概括為4種[32]: 荷載結構模型、地層結構模型、收斂約束模型和經驗類比模型。常用于襯砌裂縫分析的有限元軟件有4種:ABAQUS、ANSYS、MIDAS/GTS和FLAC 2D/3D。4種軟件在適用范圍(ABAQUS與ANSYS是2款大型通用有限元軟件,MIDAS/GTS和FLAC 2D/3D為巖土工程專用軟件)、計算程序(FLAC 2D/3D采用有限差分數值計算)、上手難度(MIDAS/GTS操作較簡便)、二次開發等方面存在差異,但在二次襯砌的結構受力分析方面,4種軟件的計算能力相當,無明顯差別;但可能受經驗、版權、精度等因素影響,使得某種軟件使用率較高。對多篇參考文獻進行統計分析可知: 在探究空洞對二次襯砌結構的受力影響時,約71%的學者選擇ABAQUS進行模擬;探究節理對二次襯砌結構的受力影響時,約58%的學者選用MIDAS/GTS進行模擬;模擬裂縫擴展影響可采用ANSYS或ABAQUS進行二次開發;探究黃土蠕變過程中的襯砌受力時,運用FLAC 3D、ABAQUS較多等等。如薛乙彰[17]采用ABAQUS軟件,運用荷載-結構法對某黃土高速公路隧道進行模擬,分析了襯砌背后空洞、地形偏壓、圍巖含水量增加、裂隙浸水對襯砌結構的受力、變形等影響,模擬結果可對現場實際調查進行驗證。綜上,數值模擬能較大程度地還原現場工況,計算出假定條件下襯砌結構的受力情況。該種方法分析能力強、計算結果直觀,有著很強的指導性。但模擬的合理性取決于現場工況的還原程度和相關參數的準確性;實際的工程環境復雜多變,為了便于計算,需簡化工程細節和忽略某些參數,而此舉會影響結論的準確性,故需與現場實測數據相結合,才能得到可靠的結果。

1.3 監控量測

監控量測作為新奧法施工的核心要素之一,也是隧道病害防治的重要組成部分,主要作用體現在病害成因的分析、模擬結果的驗證和施工效果的評價3方面。監測的內容可根據需要進行選擇,對于隧道二次襯砌來說,主要內容有襯砌結構的位移變形,應力、應變及裂縫的發展。例如: 韓桂武等[33]通過監測初期支護與圍巖接觸壓力、二次襯砌的鋼筋應力和混凝土應變等,驗證施工結構是否滿足要求,結果表明初期支護拱腰處噴混表面應變過大,存在開裂的風險,二次襯砌受力在時間和空間上都存在一定變化,但最終都趨于穩定。Xue等[34]將分布式光纖與振弦式傳感器相結合,對鋼架應力、二次襯砌應變等隧道結構進行全壽命監測。劉新榮等[35]通過監測初期支護與二次襯砌間的接觸壓力、二次襯砌鋼筋應力、初期支護鋼架應力和裂縫發展情況等,對黃土連拱隧道設計支護的合理性進行驗證,結果表明受施工水平及個別地質條件限制,在觀測斷面的中墻和中導坑都發生了開裂,且左洞的二次襯砌結構也出現了裂縫;而在后續施工中,及時對這些問題進行了優化變更,抑制了裂縫的發展。由此可知,監測數據最能直觀地反映襯砌變化程度,也是實際工程中各種因素作用下的結果顯示,準確度高、即時性強。但監測周期需要適時的調控,周期太長容易造成數據重復,浪費人力、財力資源;周期太短則會導致數據不全,準確度降低。通過對監測數據進行合理的篩選,分析異常的數據變化,結合實際工程情況可得出襯砌開裂的原因,以此可作為后期評價治理效果的依據。對于研究手段來說,監控量測可作為對數值模擬、模型試驗等結果的驗證手段。

1.4 理論解析

目前,關于黃土隧道襯砌開裂的理論研究集中在3個方面: 1)黃土隧道圍巖壓力計算; 2)黃土隧道襯砌結構相關參數的影響; 3)襯砌結構帶裂縫工作的安全性評價。首先,隧道圍巖壓力常采用太沙基理論、普氏理論、謝家烋公式、比爾鮑曼公式等4種計算方法,王春浩[36]依托某公路隧道用5種方法計算圍巖壓力后,再與現場實測結果對比,得出超大斷面黃土隧道圍巖壓力計算中最符合實際的是太沙基理論。但有時用這些計算方法得出的結果與實際工程圍巖壓力的數值并不相符。因此,有必要在4種方法的基礎上進行優化修正。如朱才輝等[37]提出了2種考慮黃土圍巖含水率變化的圍巖壓力計算修正方法如下。

1)基于謝家烋公式修正后的淺埋黃土隧道圍壓計算:

(1)

式中:σv為豎向圍巖壓力;γsw為增濕后黃土地層重度;H為隧道埋深;B為隧道最大開挖跨度;λw為增濕后黃土地層側壓力系數;θw為增濕后黃土地層非破裂面摩擦角。

2)基于太沙基理論計算修正后的深埋黃土隧道圍壓計算:

(2)

式中:h為隧道的開挖高度;b為塌落拱跨度的一半;φw為增濕后黃土地層內摩擦角;Kw為增濕后黃土地層側壓力系數,當Kw無實測值時,可采用Kw=1-sinφw粗略估算。

隧道結構相關參數的合理選取是隧道結構穩定性的重要保障,趙占廠等[26]運用鄧肯-張模型和旦尼爾公式計算襯砌混凝土強度、厚度、齡期的影響,得出強度的提高對襯砌結構影響不大,但能提高襯砌的安全度;增大厚度不一定能提高襯砌安全度,而齡期則對襯砌的軸力有較大影響。牛澤林等[31]用可靠度計算方法對襯砌厚度進行安全性評價,進而驗證某黃土鐵路隧道的襯砌結構是否達標。

到目前為止,襯砌結構帶裂縫工作的安全性評價方法有所差異,存在基于混凝土斷裂理論、基于混凝土剛度退化理論、基于規范優化評定等方法。趙剛[21]基于混凝土斷裂理論、JTGD 70—2004《公路隧道設計規范》、《應力強度因子手冊》等計算理論,提出了由襯砌裂縫尖端穩定性和截面承載力共同決定的帶裂縫襯砌安全性評價方法,并結合數值模擬確定了帶裂縫襯砌的安全預警等級區間。可見,理論解析概念明確,可作為襯砌結構受力變化的初步評估或指標驗證,但公式復雜、計算量大也是其顯著缺點。現階段多是結合有限元模擬進行深入研究,用計算機取代人工計算。

1.5 模型試驗、現場試驗

模型試驗一般基于相似理論[38]進行設計,在室內或室外模擬現場環境和襯砌結構,通過預設的精密儀器進行數據記錄,再結合工程實測完善設計方案和驗證對比,理論嚴謹,指導性強。Song等[39]建立的1∶10的試驗平臺(見圖1),通過現場實測獲得了襯砌所受荷載、溫度等數據,可在驅動、加載、控制3個系統的共同作用下,還原黃土隧道的實際工況,探究黃土隧道二次襯砌結構的開裂機制、變形規律和破壞過程;結果表明,襯砌結構的破壞過程共有3個階段(無裂縫的線性變形階段、有裂縫的穩定變形階段和加速變形破壞階段),其中2個分界點分別對應拱頂開裂和仰拱開裂,拉應力過大是拱頂內側和拱腳外側開裂的主要原因,而邊墻開裂則是局部受壓導致。Liu等[24]提出黃土隧道4種滑動面類型,為探究其浸水后對襯砌受力的影響,按照1∶10的比例建立隧道荷載模型進行模擬;結果表明,滑動面浸水后對襯砌拱頂和拱腰處變形影響顯著,雙側滑動面的襯砌裂縫呈對稱分布,單側則集中出現在滑動面所在一側,且單側滑動面浸水后襯砌彎矩遠高于雙側。襯砌裂縫的發展總是以I型開始,然后逐漸發展為L型,最后發展為Y型,其中L型裂縫數量最多,并得出壓縮裂縫的出現是襯砌失穩的前兆。

圖1 模型試驗

現場試驗則依托典型的隧道工程,通過現場觀察、監測等手段對依托工程的各物理量進行數據分析,以準確地反映客觀規律。Li等[40]為探究黃土圍巖浸水濕陷變形對隧道結構的影響,在既有黃土隧道的上方展開了大型浸水現場試驗(見圖2), 其結果表明: 黃土垂直裂隙發育且不均勻,橫向透水性較弱,隧道的存在會加大水侵入的深度,施工也會破壞黃土結構。當侵入深度越接近隧道埋深,黃土遇水濕陷的程度越大,并最終形成“燈泡”形狀;當水侵入到隧道埋深時,周圍的黃土濕陷會擠壓隧道的兩側結構,使拱頂呈向上位移的趨勢;當水侵入到隧道基底以下時,則導致不均勻沉降,引起仰拱開裂。

圖2 現場試驗

綜上,模型試驗多用于對隧道襯砌結構破壞的機制研究;而現場試驗不僅可以對破壞機制進行研究,還可作為襯砌治理措施效果的評價手段。兩者都可對理論解析、數值模擬結果進行對比驗證。

2 隧道二次襯砌裂縫分類研究現狀

開展裂縫研究,首要任務是確定分類標準。我國《鐵路工務技術手冊——隧道》根據隧道襯砌裂縫的寬度將裂縫分為4級,見表3。

表3 隧道襯砌裂縫等級

在襯砌裂縫深度分類方面,甘高源[41]總結了裂縫深度的判定標準,見表4。

表4 隧道襯砌裂縫深度判定標準

隧道二次襯砌裂縫分類方法如圖3所示。

在實際工程中,裂縫可能是單一型的,也可能是2種或以上的復合型裂縫。然而,即使上述裂縫分類已較為全面,但仍不能包含所有裂縫種類,故需要結合裂縫特點進一步細分,如網狀裂縫[42]、月牙形裂縫[43]、接茬裂縫[44]、交叉口裂縫[45]、X形縫、樹枝斜縫[46]等。

上述分類中,最為廣泛的分類方法是按照裂縫的最大寬度進行劃分,這點從表1中對開裂情況的統計中就能體現。采用此方法進行劃分,既可以客觀地反映裂縫開裂的輕重程度,又可以有效地避免對復雜裂縫無法歸類的情況。其次,按隧道軸線的走向進行分類也是較為普遍的方法,田暉[15]、薛乙章[17]等諸多學者皆采用此類方法進行分類,便于直觀地表現出裂縫整體形態。

3 黃土隧道二次襯砌裂縫研究

3.1 隧道襯砌開裂位置

如圖4所示,隧道襯砌開裂位置可分為拱頂、拱腰、拱腳、邊墻、墻腳、仰拱等6個部分。對于雙聯拱隧道,襯砌開裂的位置還包括中隔墻。

圖4 隧道襯砌位置分布圖

3.2 隧道二次襯砌裂縫主要類型

為探討黃土隧道二次襯砌結構在不同位置的裂縫類型,統計了黃土隧道二次襯砌開裂的相關實例(見表5),并確定了黃土隧道襯砌開裂主要類型。

表5 黃土隧道二次襯砌裂縫調查實例

通常黃土隧道所穿越的地層自上而下以Q2、Q3為主。于介[49]認為,當隧道開挖主體為Q3黃土時,因土體的直立結構性,導致淺埋段飽和含水率及變形速率會高于深埋段,使得拱部上方形成土柱作用在襯砌結構上產生環向張拉裂縫;當開挖至Q2、Q3交界時,由于2處黃土的吸水變形速率不同,易在拱(腰)部產生松散應力,引起結構變形破壞。當隧道所處地層為1～2層時,會由于2層巖(土)體的強度不同,遇水軟化、膨脹程度不同等,引起二次襯砌拱腰處縱向開裂[48]。

結合表5進行分析,認為可將黃土隧道二次襯砌裂縫的主要類型分為拱部縱向裂縫、邊墻縱向裂縫、邊墻環向裂縫和邊墻斜向裂縫4類。

其中,縱向裂縫多為受彎張口型,部分為環向收縮型,在拱頂時多為壓裂破壞,拱腰時多為拉裂破壞; 且由于拱部位置的特殊性,在處治時不應簡單只進行注漿封閉處理,而是要采取加固補強的方法。

環向裂縫多為受剪錯臺型裂縫,多數位于施工縫、沉降縫、伸縮縫等附近,且大多在墻腳處向上發展至邊墻、拱腰,有形成貫通裂縫的趨勢。

斜向裂縫多發生在襯砌洞室四角處,如圖5所示,往往始于左、右上角斜向上發展。完整襯砌斜向裂縫的形成與黃土圍巖內部的斷層走向和節理、山體邊坡穩定性密切相關。斜向裂縫屬于結構受力裂縫,當其與環向和縱向裂縫相交時,交匯處易發生襯砌破壞掉塊;且寬度和深度都較大時,會對隧道襯砌承載力產生嚴重破壞。

圖5 洞室斜向裂縫

4 黃土隧道二次襯砌開裂影響因素及原因分析

4.1 影響因素

由表1可知,黃土隧道二次襯砌開裂問題在施工和運營階段皆有發生。通過文獻[50-53]中對隧道襯砌開裂病因的歸納,如文獻[50]中認為隧道結構開裂的病因整體上可分為力學與非力學因素,力學因素包括鄰近斜坡運動、地震作用、圍巖擠壓、斷層、地下水壓、施工質量、圍巖力學性能退化,非力學因素包括混凝土碳化、保護層厚度不足、堿-集料反應、混凝土冷縫、凍融破壞;再結合黃土隧道實際工程中的病因分析,整理得出無論是在施工或是在運營階段,黃土隧道二次襯砌的致裂原因大多與黃土的特性密切相關,在整體上可歸為工程地質條件、圍巖環境惡化、設計施工不當、襯砌結構劣化和自然(人為)破壞5大類因素。而分為2個階段時,每個階段的致裂因素又各有側重。從實際工程來看,襯砌開裂往往都是其中幾類因素共同作用下的結果。

4.1.1 工程地質條件

工程地質條件可包括地層巖性、地形地貌、地質構造、水文地質條件、不良地質及天然建筑材料等6方面。對于黃土隧道,其影響主要體現在黃土特殊地貌引起的偏壓、埋深、地下水、膨脹性黃土作用、嚴寒地區的凍脹作用等。

1)地貌方面。雷浩[54]通過有限元模擬和監控量測,探究區域地貌對黃土隧道建設的影響。結果表明,沖溝地貌對隧道建設的影響包括開挖方向、坡腳大小及地層聚水性3個方面。如隧道向溝掘進時,會引起隧道拱頂的應力與沉降量增大,且隨著坡腳增大,應力與沉降量也會增大;而當沖溝聚水侵入土體后,則會使拱頂的受力與沉降量進一步加劇。

2)隧道埋深方面。淺埋隧道更容易受到地形偏壓及圍巖松弛應力的影響,而隨著隧道埋深越大,所受偏壓及松弛應力的影響越小,相應地所受圍巖壓力則會越大。馬寶芬[55]通過模型試驗、數值模擬等研究方法,證實了淺埋和偏壓的作用下,黃土隧道的拱頂和拱腰處都會產生應力集中的現象,且拱頂處埋深較大的一側應力最大。白子斌[56]通過對17座黃土隧道進行統計分析,認為埋深越大則圍巖壓力越大,最大值最易出現在拱腰部位;且相同埋深下,Ⅴ級圍巖壓力要遠大于Ⅳ級,其圍壓平均值分別為219.5 kPa和83 kPa。

3)地下水作用方面。劉俊平[57]認為地下水的存在對塬區黃土隧道的不利影響主要有3點: 1)引起隧道基底和圍巖的濕陷; 2)使圍巖黃土成軟塑狀; 3)地下水滲流作用。

4)在黃土膨脹方面。張藝騰等[58]通過模擬得出,當局部膨脹區域位于隧道拱頂時,沉降變形最為顯著;其次為拱腰和邊墻部位,墻腳變形最弱;并以初期支護(C25混凝土)的軸心抗拉強度設計值1.27 MPa為破壞臨界,認為拱頂處所能承受的最大膨脹力為223 kPa,最大沉降值為87 mm。拱腰、邊墻處所能承受的最大膨脹力分別為262、292 kPa,最大沉降值分別為36、47 mm。仰拱處應力集中,當膨脹力超過238 kPa,沉降值超過27 mm時受拉破壞。Yan等[59]提出一種基于收斂-約束法的錨桿加固解析方法,優化了錨桿在膨脹性黃土圍巖的相關參數計算,該方法在雙線性強度準則的基礎上,計算得到錨桿加固隧道膨脹圍巖的位移特征曲線(GRC),進而確定臨界值(即黃土膨脹產生的應力是否達到需要錨桿支護的程度)。

5)在凍脹破壞方面。任遠陽[60]認為隧道的凍脹破壞機制可分為2個方面: ①由于滯留在混凝土孔隙、裂隙中的水分受低溫影響,引起的凍結膨脹使得孔隙、裂隙進一步擴張,破壞了混凝土的整體結構性,也降低了混凝土的強度,即襯砌混凝土自身的凍脹破壞;②由于圍巖含水量的增加,溫度降低后,圍巖中的水分因凍脹效應產生額外的凍脹力,施加在襯砌上造成較大變形或局部開裂,即圍巖水環境受冷產生的額外荷載破壞。運用FLAC 3D軟件模擬凍脹作用下的黃土隧道襯砌受力情況,結果表明: 凍脹率、凍脹時間、結壁厚度、襯砌剛度、襯砌厚度等因素對襯砌凍脹破壞的影響依次減小;在這些因素的作用下,襯砌拱腳處拉應力集中,拱底處壓應力集中,為襯砌受力最不利位置。

4.1.2 圍巖環境惡化

圍巖環境惡化指巖(土)體受環境條件影響,圍巖由部分承載力漸變為不承力或額外施力的過程,主要包括5個方面: 黃土的結構特性;工程特性;蠕變特性;土體風化,再變化形成的局部脫空、不密實及背后空洞引起的松弛地壓病害;地表裂縫、陷穴、落水洞、暗穴等地表變形病害。

1)結構特性。張永濤[61]認為黃土的先天性結構脆弱,被破壞后不能隨著結構的改變而產生應力再分布,進而達到再平衡,往往隨著變形的增大破壞也會隨之增大。

2)工程特性。黃土遇水濕陷、節理垂直發育等特性都對襯砌開裂有著較大的影響。李駿等[6]通過在試坑現場浸水,發現被擾動后的黃土濕陷變形更大,導致隧道圍巖壓力、基底壓縮應力增大,拱腳處應力集中,不均勻沉降等問題,引起襯砌開裂。楊文輝[22]通過開展模型試驗,證明了黃土圍巖浸水后會對襯砌產生額外應力,且隨著浸水部位的不同,襯砌所受的應力、裂縫開裂順序、開裂形式等都會有所不同。

3)蠕變特性。黃榮賓[62]通過現場實測與理論分析方法,證實了黃土圍巖蠕變作用會產生附加作用力,其中二次襯砌所分擔的荷載占40%～60%,受力顯著,易導致開裂,結構的分擔比與接觸壓力也隨部位不同而變化。

4)脫空、空洞等病害。王敏等[63]、寧波等[64]認為大空洞(毗鄰的大空洞更甚)會導致圍巖與襯砌之間形成不均勻的點接觸,而點接觸則會造成應力集中現象,使得襯砌受拉破壞,通過數值模擬的方法分析出空洞的大小與位置對襯砌結構受力的影響。傅鶴林等[65]通過對不同部位及范圍的襯砌脫空進行模擬,分析得出脫空位置主要影響襯砌整體的危險截面百分比,不同的脫空部位之間幾乎沒有相互影響,對整體結構的安全性影響也較小;而脫空范圍一旦超過20°夾角時,會對襯砌結構的變形及受力造成極大影響,使得部分結構喪失承載力,造成破壞。

5)地表變形病害。呂慶林等[66]認為病害形成的主要因素為黃土隧道的工程地質環境,即自然因素(如土的工程特性、水文條件、二元結構等);其次為人為因素(如農業灌溉、開挖干擾等)。以新莊嶺隧道為例,在農業灌溉后,水沿著裂縫下滲時,在地表處形成多處落水洞,隧道墻腳處圍巖濕陷,造成不均勻沉降,引起襯砌受力不均而開裂。

4.1.3 設計施工不當

設計施工不當是隧道二次襯砌開裂病害最為常見的原因,分為設計因素和施工因素2類。結合文獻,總結如下。

1)設計因素。包括: 圍巖劃分不準確、未設計仰拱、襯砌厚度不足、鋼筋數量不足、二次襯砌鋼筋保護層不足或過厚、防排水不合理、混凝土配合比不合理、水泥標號和材質選擇不當等。

2)施工因素。包括: 施工管理松懈、仰拱底部虛渣過多、回填失誤或澆筑不當引起的空洞、噴射混凝土操作不當、初期支護與二次襯砌接觸面脫空、二次襯砌實際強度不達標、拱圈不均勻下沉、超欠挖、施工接縫、二次襯砌臺車長度不當、二次襯砌薄厚不均勻、未按設計要求施工、振搗不密實等。

朱江[14]結合山西某黃土隧道二次襯砌嚴重開裂及掉塊病害,檢測分析后得出: 設計因素(原設計中病害段內初期支護無鋼架,二次襯砌為素混凝土結構)與施工因素(左拱腰與拱頂部位存在12 cm左右偏差、初期支護與二次襯砌間存在脫空與不密實現象、二次襯砌厚度離散性較大等)是病害產生的主要原因。

4.1.4 結構材質劣化

結構材質劣化指襯砌結構在物理作用與化學侵蝕下,其內部發生損傷,外在表現為襯砌承載力的降低。二次襯砌結構材料通常為鋼筋混凝土,其劣化往往為復雜環境多因素耦合作用下的結果,其機制大致可以概括為混凝土風化脫落、含鹽或有害水的侵蝕、二次襯砌鋼筋銹蝕、溫度作用和水泥硬化作用、混凝土碳化、堿性集料反應、汽車振動7類因素。如陳彥等[10]通過對某黃土隧道進行調查分析,認為施工中二次襯砌脫模時混凝土內部、表面與環境溫差較大是導致二次襯砌混凝土開裂的因素之一。

4.1.5 自然(人為)破壞

自然(人為)破壞在黃土隧道二次襯砌致裂中的影響主要包括2個方面: 1)施加額外的力直接或間接作用在襯砌上,破壞襯砌的結構穩定性; 2)提供的水環境會惡化圍巖性能、劣化襯砌與圍巖的接觸狀態、削弱圍巖的支撐能力,引起隧道荷載分布不均,誘發開裂。其中,自然破壞包括異常氣候、地震、塌方、泥石流等自然災害。人為破壞主要包括鄰近爆破,隧道火災,農田灌溉,人工湖、水庫、水塘修建,水管滲漏,大量填挖方等人類活動。如梁慶國等[67]、程選生等[68]、艾勝軍等[69]通過振動臺模型試驗皆驗證了在地震作用下,黃土隧道洞口段拱頂處動力響應最大、受力最不利;且艾勝軍等[69]的試驗結果還顯示: 地震作用下在洞口拱頂處易出現環向裂縫。

4.2 原因分析

為深入探討施工與運營階段的黃土隧道二次襯砌致裂原因,結合參考文獻中的相關實例,分別從開裂數量、施工和運營階段致裂原因進行統計分析。

4.2.1 開裂隧道數量

施工和運營階段二次襯砌開裂的隧道數量統計如圖6所示。

圖6 施工和運營階段二次襯砌開裂的隧道數量統計

從圖6可以看出,相比施工階段,處于運營階段的隧道更容易出現襯砌開裂病害。

4.2.2 施工階段致裂原因

施工階段二次襯砌致裂原因統計如圖7所示。

圖7 施工階段二次襯砌致裂原因統計

從圖7可以看出,在施工階段,隧道二次襯砌開裂的主要因素包括設計施工不當與圍巖環境惡化2大類。設計不當主要體現在圍巖劃分不準確,施工不當主要體現在二次襯砌脫模時機不當及超欠挖; 而圍巖惡化主要是因為地下水徑流改變、黃土結構與工程特性。

1)地下水徑流改變。圍巖在未開挖前,天然黃土一般處于非飽和狀態,具有一定的結構強度,孔隙裂隙水也處于一種封閉的平衡狀態中。而隨著開挖的進行,破壞了周圍黃土及孔隙裂隙水的支撐環境,并在隧道周圍形成匯水長廊,使得水分向未飽和的圍巖滲透;而黃土含水量一旦升高,其結構強度必然降低,自承能力也隨之降低。與此同時,襯砌則會承擔由原黃土結構所承擔地層壓力,這種情況在施工階段二次襯砌未完全形成最終受力結構時,惡化襯砌受力性態,引起結構開裂。

2)黃土結構與工程特性。施工階段特性較差主要體現在: ①開挖卸載引起圍巖應力重分布;②開挖卸載使得圍巖土體強度降低;③地下水徑流改變使得黃土含水量增大,土體浸水泥-塑化。

4.2.3 運營階段致裂原因

運營階段二次襯砌致裂原因統計如圖8所示。

圖8 運營階段二次襯砌致裂原因統計

由圖8可知,相比施工階段,運營階段中工程地質條件、自然(人為)破壞、結構材質劣化3類因素的占比明顯增大,致裂因素也明顯增多。

1)時間作用。服役過程中隨著時間推移不同因素共同作用下引起的襯砌開裂愈發明顯。如車道嶺隧道[15]在運營16年后由于排水設施失效導致圍巖含水量增大,洞口積水反流進洞內,且拱頂襯砌厚度不足及冬季凍脹共同作用下引起襯砌開裂與路面破損。

2)給水環境。工程地質的影響主要體現在地層沖溝發育,人為因素主要體現在大面積的農業灌溉,自然因素主要體現在持續強降雨的影響;而沖溝地層的聚水性,農業灌溉與強降雨都是給圍巖提供水環境,使得圍巖水含量升高、土體結構崩解、引起圍巖環境惡化。

3)黃土結構與工程特性。黃土疏松多孔、垂直節理的工程特性也為地表水下滲提供便利,使得部分區間段內的圍巖天然含水率較高,繼而引發濕陷、不均勻沉降等水害。同時,黃土的長期蠕變特性也使得運營時間較長的隧道二次襯砌仍面臨動態變化的圍巖壓力。

4)施工質量問題。往往出現在二次襯砌開裂病害的區段內,通過對襯砌結構的重新檢測,基本都能發現在隧道施工時遺留的質量問題。其中,襯砌背后空洞、二次襯砌厚度與設計不符等都是施工常見缺陷。

通過將文獻實例匯總,可以看出黃土隧道二次襯砌開裂病害產生的內因是黃土的結構與工程特性,較差的特性使得隧道無論是施工建設還是運營維護都存在較大的難度,對技術和工藝要求也較高。而水的作用是關鍵因素也是主要外因,使得圍巖性能迅速惡化,削弱襯砌與圍巖的接觸,導致襯砌受力不均產生開裂。

5 黃土隧道襯砌開裂治理研究現狀

5.1 隧道二次襯砌開裂治理

開裂的二次襯砌為水的滲入提供了通道,銹蝕劣化的鋼筋和混凝土會惡化隧道內的環境,進一步發展與水有關的病害。同時,二次襯砌開裂后會對結構的穩定性造成破壞,使隧道承載力下降,影響隧道的安全性、穩定性和耐久性。嚴重的襯砌開裂不僅會影響美觀,甚至會發生襯砌掉塊,危害行車安全。所以,預防與治理二次襯砌開裂至關重要。目前,隧道二次襯砌開裂有一套系統的治理體系: 先分析裂縫出現的原因,進行病因處理(病因處治),再根據襯砌的開裂情況,對結構采取加固措施(加固補強),相關研究見表6。

表6 黃土隧道二次襯砌開裂治理實例

5.1.1 病因處治

結合第4節與表6的相關研究可知,治理黃土隧道襯砌開裂的關鍵在于治水。主要處理方法為: 1)減少外部水的浸入,堅持“防、排、堵、截”的原則,完善地表排水設施,并對圍巖進行注漿加固,封閉圍巖的滲水通道; 2)做好襯砌結構的防水,需合理選擇材料、規范鋪設防水布,完善洞內引排措施等。

同時,黃土隧道襯砌開裂病因處治的重點為改善圍巖性能,減少襯砌受力。主要處理方法為: 1)在施工時操作規范,減少空洞、填充不密實等失誤操作的頻率; 2)對已檢測出的空洞、陷穴、落水洞等問題進行注漿加固、回填夯實處理等。

因黃土隧道襯砌開裂的影響因素較多,且大部分為多種原因耦合所致,故處理方法需要根據具體隧道情況制定。

5.1.2 加固補強

從表6可以看出,黃土隧道的處理方法一般根據襯砌裂縫寬度來劃分裂縫等級。小裂縫用環氧樹脂或水泥砂漿封閉; 較大裂縫則根據襯砌結構受力及裂縫發展情況,合理選用掛網噴護、套拱加固、波紋鋼加固、粘鋼法、粘貼纖維布法、嵌入鋼拱架等方法進行加固補強; 嚴重開裂時則需要重新換拱澆筑,相關研究見表7。

表7 隧道二次襯砌開裂加固補強法

從表7可以看出,上述加固方法雖然積累了較多的應用經驗,但仍存在部分問題。

1)加固方法均有缺陷。如波紋鋼法、粘鋼法需要大型機械,且由于材料本身特性,會造成襯砌自重增大或侵限。再者波紋鋼需要進行錨固,錨固措施會造成襯砌結構的二次損傷;而粘鋼法則對環境的濕度、溫度有較高要求。

2)缺乏定量施工的標準。如選用鋼板時,鋼板的厚度、大小、粘貼的位置、錨固點的選取等都沒有具體量化;在粘貼纖維布時,黏合劑的用量、耦合程度等都沒有具體參考。

3)數值模擬方法的細節處理方面不完善。首先,在模擬修補后襯砌受力時,把加固部件和襯砌模擬成一個整體進行受力分析,卻忽略了加固部件不僅要承擔整體襯砌所受的荷載,還要承受襯砌局部開裂產生的應力。其次,在展開模擬分析時,其假設條件大多都是加固部件與加固面完全耦合;但在實際工程中,部件的耦合程度一向都是難以確定的,當模擬的工程中存在不完全耦合或者界面破壞時,其模擬結果便不再具備參考價值。

5.2 隧道襯砌治理措施的發展

除上述內容中提到的襯砌開裂治理措施外,隧道襯砌治理在混凝土性能強化、新材料研發、新工藝開發等方面也得到了進一步研究和應用。

5.2.1 混凝土性能強化

在混凝土性能強化方面,高性能混凝土和纖維混凝土的運用能有效提高二次襯砌的力學特性,張云升等[82]認為超高性能混凝土(UHPC)的抗壓、抗拉、耐久等性能都較為優異,尤其是在襯砌已有初裂縫的基礎上進行凍融試驗后,結構無明顯破壞,證明了UHPC在襯砌病害治理中的良好前景。徐禮華等[83-85]認為混凝土結構中加入鋼纖維、聚丙烯纖維、鋼-聚丙烯混雜纖維等,可使混凝土構件的延性與韌性有較大提升,初裂強度、初裂應變也相應提高;同時,同月蘋等[86]也認為,對于隧道襯砌結構來說,鋼纖維可以有效提高結構劈裂抗拉強度及韌性,阻止荷載裂縫產生;聚丙烯等合成纖維可以有效改善襯砌結構的抗滲透性,鋼-聚丙烯等混雜纖維合體配比則可以做到兩者兼具。

此外,還有學者提出通過微生物或化學物理反應的方法,使得襯砌裂縫自愈合。例如: 曹妍等[87]提出5種用于治理隧道襯砌裂縫的自愈合方法,包括仿生自愈法、形狀記憶合金法、空芯光纖和空芯纖維自愈法、微生物礦化自愈法及膠囊裹覆體自愈法,并以實際工程為依托,驗證了膠囊裹覆體自愈法的可行性。王潤煒[88]提出加入滲透結晶材料的襯砌結構,不僅在海水中起到了很好的自愈合效果,還能有效地阻止氯離子侵蝕。

5.2.2 新材料研發

在新材料研發上,結合第5.1節可知: 治理黃土隧道裂縫處治新材料重點圍繞防治水、改善圍巖性能及補強襯砌3方面進行研發。

5.2.2.1 防治水

李藏哲[89]提出一種新型環保型反滲透高分子自粘防水卷材“EFRO”用于襯砌結構層防水,通過實現與混凝土襯砌 “皮膚式”粘結,有效解決傳統EVA、ECB、PVC等防水材料因施工或圍巖變化等因素破損后與二次襯砌之間存在的水竄流問題及各工序交叉作業的影響。同時,喬君惠[90]研發的Krystol科技水泥基滲透結晶型防水系列產品能使多孔的混凝土結構變得密不透水,其成熟的結晶技術既可以使得襯砌整體形成防水屏障,又可以對較大裂縫自愈合,尤其是具備在背水面施工的特點,可以起到對裂縫永久修復的效果。

5.2.2.2 改善圍巖性能

新型注漿材料是研發的重點,卓越等[91]系統地梳理了現階段隧道圍巖注漿的新方法(上斷面開孔全斷面超前加固方式等)、新工藝(加筋注漿工藝、加筋注漿工藝等)、新材料(特種硫鋁酸鹽水泥、改性脲醛樹脂等)、配套設備(意大利CasagrandeC6鉆機、德國MC15、徐工XMZ120鉆機、日本礦巖RPD-180CBR鉆機等),充分闡述隧道圍巖注漿技術的現狀與發展。

5.2.2.3 襯砌補強

新材料的發展大體圍繞對現有修補材料的改性優化與短板完善2部分展開。1)在改性優化方面,鞠向偉等[92]研發出一種水性環氧樹脂改性水泥砂漿,具有高強、高黏結性的特點,能夠對帶水狀態下的管片破損及裂縫進行高效修補。徐少云等[93]研發出一種基于硅酸鹽水泥的新型修補材料NR,其抗氯鹽與硫酸鹽侵蝕的性能明顯優于傳統環氧樹脂材料。同時,研發的新型碳纖維復合材料[94]、粘結劑[95]耐高/低溫、耐腐蝕、耐疲勞性能更為優越、使得隧道二次襯砌裂縫的治理更為高效。2)在短板完善方面,傳統的粘貼鋼板已逐漸過渡為粘貼“W”型鋼帶[96],完善了鋼板自重大、施工難的缺點。

5.2.3 新工藝開發

新工藝開發主要包括新型設備的支撐以及新型改良工藝。

隧道新設備發展蓬勃,例如: 針對需要進行隧道換拱的病害治理方案時,劉志強等[97]提出4種新型機械設備(如圖9所示)代替人工操作,分別為帶弧形導軌的類仿形作業式開槽機、帶橫向導軌的多節伸縮臂式開槽機、帶水平回轉的可伸縮曲臂式開槽機、公鐵兩用載運平臺開槽機設備,避免了人多雜亂、效率低下、安全風險高的問題。

(a) 帶弧形導軌的類仿形作業式開槽機

(b) 帶橫向導軌的多節伸縮臂式開槽機

(c) 帶水平回轉的可伸縮曲臂式開槽機

(d) 公鐵兩用載運平臺開槽機

除此之外,襯砌防脫空主動監測系統[98]、新型智能化隧道襯砌臺車[99]等新型設備都為隧道開裂病害的治理提供了有力支撐。

在新工藝方面,劉德軍等[51]提出隧道襯砌的FRP網格加固方法(如圖10所示),適用于二次襯砌開裂后的內表面加固。從理論計算、數值模擬及其現場試驗結果來看,該方法具有施工高效、加固快速的特點,并可有效改善襯砌承載和裂縫控制的能力。

(a) FRP網格加固法示意圖

(b) FRP網格加固法現場應用

6 結論與展望

6.1 結論

1)通過整理隧道二次襯砌開裂的相關實例,統計了現階段二次襯砌裂縫的分類情況,并確定出黃土隧道二次襯砌裂縫的類型主要分為拱部縱向裂縫、邊墻縱向裂縫、邊墻環向裂縫、邊墻斜向裂縫4種。

2)分析得出黃土隧道二次襯砌開裂的原因可分為工程地質條件、圍巖環境惡化、設計施工不當、結構材質劣化、自然(人為)破壞等5大類因素,且黃土的結構與工程特性是襯砌開裂病害產生的內因,水的作用是關鍵因素也是主要外因。

3)目前對黃土隧道二次襯砌裂縫的處治措施主要有病因處治和加固補強2類。病因處治的關鍵在于治水,其次為改善圍巖性能,減少襯砌受力;加固補強大部分采用現階段隧道通用的治理手段,對小裂縫采用環氧樹脂或水泥砂漿封閉,大裂縫則根據襯砌結構受力及裂縫發展情況合理地選用掛網噴護、套拱加固、波紋鋼加固、粘鋼法、粘貼纖維布法、嵌入鋼拱架等方法進行加固補強。

6.2 展望

結合本文所提出的不足之處,認為未來對黃土隧道裂縫的研究將集中在研究方法、裂縫分類及處治措施方面。

6.2.1 研究方法

1)調查分析方法需更多關注系統經驗的總結,形成圖冊、數據庫等,為裂縫的處治提供依據。

2)數值模擬方法應進一步精細化建模,充分考慮如黃土蠕變、土體結構、襯砌損傷等本構模型或施工時的復雜環境場耦合等;另外,還需考慮時間因素的影響。

3)監控量測方法應考慮監測技術的革新與監測內容的擴大,需注重智能化、數字化發展。

4)現階段的理論解析方法應考慮多影響因素下的綜合解析,并考慮發展小型化、快捷化應用。

5)模型試驗需進一步考慮還原施工過程中的動態加載、卸載、支護過程。

6.2.2 裂縫分類

現階段的裂縫分類主要以某一共同特征進行劃分,而在面對多特征的復雜裂縫時,主流類型不足以進行囊括,因此在未來可以進一步建立多特征的裂縫分類體系。

現階段對襯砌裂縫分布形式、黃土隧道與環境三者間深層次聯系的認識仍存在不足,如“縱向裂縫主要受黃土地層何種因素影響”等,因此在未來可加以研究或總結,得出相關結論。

6.2.3 處治措施

在未來可以建立多種加固方法的共同施作指導體系來補全短板。現階段的新材料、新工藝、新技術等研發仍處于理論或試用階段,需要更為深入的研究,是未來發展的重點方向。