王 寧，王景春，劉維華

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

隧道病害一般是在其長期使用過程中產(chǎn)生，并對公路的正常運(yùn)營安全構(gòu)成極大威脅。對這一重要工程問題，學(xué)術(shù)界和工程界對病害的原因、檢測、處理等進(jìn)行了大量的研究工作。但近年來，隨著我國一些山區(qū)高等級公路建設(shè)的加快，地形困難條件下的雙連隧道越來越多的被采用。由于結(jié)構(gòu)和技術(shù)復(fù)雜，跨度大、施工工序多，導(dǎo)致一些工程在建過程中襯砌即發(fā)生裂損、滲漏水等病害問題。這些病害若施工中未查明原因，也未采取妥善處理措施，極易造成隧道長期的安全隱患。襯砌開裂原因十分復(fù)雜，在產(chǎn)生機(jī)理解釋和理論分析還存在許多不完善的地方，雖然結(jié)合了一些量測、觀察及無損檢測手段，但理論分析中還存在較多經(jīng)驗成分，研究工作有待進(jìn)一步深入。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，對于雙連拱隧道襯砌開裂及處理已經(jīng)展開了有益的研究，但對于裂損過程的力學(xué)機(jī)理研究并不多見。本文結(jié)合九龍連拱隧道施工中出現(xiàn)的襯砌裂損問題，通過施工過程詳細(xì)調(diào)查觀測，隧道結(jié)構(gòu)變形及受力特性分析，對其襯砌裂損原因進(jìn)行探討。

1 九龍隧道進(jìn)口襯砌裂損段概況

1.1 支護(hù)設(shè)計方案

九龍隧道位于國道213線小勐養(yǎng)至磨憨高速公路，連拱結(jié)構(gòu)形式，全長520 m，隧道凈寬10.5 m，拱高6.75 m，單心圓曲墻結(jié)構(gòu)。進(jìn)口段初支由φ25中空注漿錨桿長3.5 m，雙層鋼筋網(wǎng)15 cm×15 cm，C20噴射混凝土，I20b型工字鋼拱架間距40 cm，結(jié)合超前小導(dǎo)管或超前管棚組成。二次襯砌模筑混凝土為C25，厚度60 cm。

1.2 地質(zhì)情況

隧道進(jìn)口段埋深25～69 m，埋深淺，圍巖穩(wěn)定性差。左線和右線地表坡度近45°，高差約10 m。K6+110—K6+350段存在擠壓破碎帶如圖1所示，寬約12～14 m，走向 SW255°，傾向 NW15°，傾角 70°～ 80°。K6+285—K6+290段有兩條裂隙斜向45°角分布，其中夾泥，無裂隙水。K6+255—K6+285段巖體破碎，風(fēng)化裂隙發(fā)育。K6+160—K6+255段設(shè)計Ⅴ級圍巖，強(qiáng)風(fēng)化巖，結(jié)構(gòu)松散，有少量裂隙水，穩(wěn)定性差。

1.3 開挖方案

隧道采用中導(dǎo)洞鉆爆法開挖，洞口大管棚超前支護(hù)。施工采用方案:中導(dǎo)洞貫通后進(jìn)行中隔墻施工及中隔墻頂部、中隔墻右側(cè)回填，左線先開挖，掌子面與二襯距離不大于60 m，左線二襯施工完后進(jìn)行右線開挖，且右線二襯與掌子面距離保持在20 m。

2 襯砌裂損分布特征

左洞K6+290—K6+160區(qū)段二襯施工完成后，在左洞右側(cè)拱部出現(xiàn)不規(guī)則裂縫，寬度1～3 mm不等，最寬處達(dá)3 mm。該段初期支護(hù)施工時間為2005年11月中旬至2006年5月上旬，二次襯砌施工時間為2006年2月中旬至2006年5月底。此外，2006年5月底，在左洞K6+290—K6+273段中隔墻頂1.5～2.0 m位置發(fā)現(xiàn)裂縫，裂縫寬度1～2 mm不等。裂縫部位分布如圖2所示。

根據(jù)實際地質(zhì)圍巖情況及檢測結(jié)果，開裂地段隧道埋深淺，線路與山體斜交，左右線地表高差大，形成了偏壓，提出對該段(K6+245—K6+205)進(jìn)行地表注漿固結(jié)山體的處理方案。后經(jīng)觀測發(fā)現(xiàn)，K6+245—K6+225段初期支護(hù)不斷下沉，最多達(dá)14～20 cm。2006年3月22日K6+205拱頂靠中隔墻出現(xiàn)小塌方，形成直徑2 m空腔。2006年5月28日，右線由K6+288開挖施工進(jìn)尺3 m后，發(fā)現(xiàn)左線K6+290—K6+285段靠中隔墻頂二襯出現(xiàn)微裂。在后幾天的控制開挖中，左線二襯裂縫連續(xù)縱向延伸至K6+273。在K6+245—K6+205段(塌方及塌方影響區(qū))，襯砌嚴(yán)重開裂。2006年8月15日發(fā)現(xiàn)K6+223—K6+215段(靠中隔墻)二襯混凝土表面剝落面積2 m2左右，拱部縱向出現(xiàn)呈網(wǎng)狀、樹枝狀裂縫。通過處理后裂縫沒有變化，圍巖與支護(hù)已穩(wěn)定。

圖1 九龍隧道左線拱頂中線地質(zhì)剖面

圖2 左洞K6+290—K6+240段襯砌裂損及測點(diǎn)分布示意

3 建模計算與支護(hù)特性分析

3.1 分析模型及參數(shù)

為了分析襯砌開裂的力學(xué)機(jī)理，建立數(shù)值分析模型。模型沿隧道橫截面左右為60 m，垂直向下為3倍洞高，即30 m，上部模型邊界按洞口段實際地形坐標(biāo)高程取至地表?？v向取150 m計算范圍。邊界條件:底面Y方向豎向約束，左右外邊界面及Z方向前后邊界面水平法向約束，上邊界為自由邊界。

圍巖為實體四面體等參元，注漿錨桿采用植入式桁架單元模擬，初支(噴混凝土+鋼筋網(wǎng)+縱向連接鋼筋)和臨時支護(hù)采用等效后的殼單元模擬，二次襯砌采用殼單元模擬。

基本假定:圍巖為理想彈塑性，斷層破碎帶按實際近似分布，參數(shù)按照現(xiàn)場勘查值概化處理(黏聚力100 kPa，內(nèi)摩擦角25°)，構(gòu)造應(yīng)力場根據(jù)勘查資料取1.2。支護(hù)鋼筋作等效處理。每循環(huán)開挖掘進(jìn)按10 m考慮以節(jié)省計算工作量。模型中各材料所采用的參數(shù)見表1。

表1 模型中所采用的各材料指標(biāo)值

3.2 襯砌工作力學(xué)性狀

襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫多數(shù)是由于材料受拉、受剪而引起，為了分析洞內(nèi)襯砌的受力特性，研究產(chǎn)生裂縫的原因，取隧道襯砌內(nèi)表面最大拉應(yīng)力σ1為考察對象。

在CS5施工階段(左線二襯一次施作完成)，左洞襯砌下表面σ1主應(yīng)力分布較為均勻，除局部產(chǎn)生了拉應(yīng)力外大部分處于受壓狀態(tài)。局部最大拉應(yīng)力為0.363 MPa，最小拉應(yīng)力一般在 －0.063～0.121 MPa之間。CS11施工開挖步右側(cè)隧道開挖施工通過該段左側(cè)襯砌區(qū)段后，得到的左側(cè)襯砌內(nèi)表面最大拉應(yīng)力分布特點(diǎn):在左線洞身襯砌內(nèi)表面右側(cè)靠中隔墻與拱頂之間，最大拉應(yīng)力σ1明顯大于其他部位，其最大值為1.385 MPa，且沿環(huán)向向兩側(cè)逐漸減小。表明右線隧道開挖施工后，導(dǎo)致左線隧道內(nèi)力發(fā)生了較大變化。

左線隧道右側(cè)拱頂至中隔墻頂位置，存在較大范圍剪切應(yīng)力集中區(qū)域，數(shù)值在0.79～0.33 MPa左右，而其它絕大多數(shù)部位剪應(yīng)力值均較小。右線隧道開挖導(dǎo)致左線隧道襯砌內(nèi)力發(fā)生了變化，增大了襯砌內(nèi)部應(yīng)力值。

為分析襯砌環(huán)向各點(diǎn)主應(yīng)力分布，提取左、右線距原點(diǎn)30 m截面處內(nèi)表面主應(yīng)力，為了便于分析觀察，將各點(diǎn)主應(yīng)力繪制曲線見圖3和圖4。

圖3 CS5與CS22左線襯砌環(huán)向最大拉應(yīng)力

圖4 CS17與CS22右線襯砌環(huán)向最大拉應(yīng)力

由圖3可見，環(huán)向各點(diǎn)在右線施工前后最大拉應(yīng)力分布有較大變化。CS5階段二襯剛施作后，沿襯砌環(huán)向距左側(cè)墻角各點(diǎn)內(nèi)表面最大拉應(yīng)力很小，其中內(nèi)表面受拉僅出現(xiàn)在左側(cè)邊墻及拱頂偏右位置，拉應(yīng)力值0.03～0.08 MPa。CS22右線隧道開挖施工完畢后，其左線襯砌橫截面各點(diǎn)曲線形狀分布趨勢不變，但最大拉應(yīng)力顯著增大。其中最大拉應(yīng)力在拱頂及靠近中隔墻位置，最大值在距拱頂水平4.4 m處，為1.14 MPa，增幅為原來的13倍。理論計算分析裂縫位置與實際開裂部位吻合。

由圖4可知，CS17階段右線隧道襯砌后其內(nèi)部最大主應(yīng)力σ1環(huán)向均不大，其中拱頂和右側(cè)拱腰表面受拉，拉應(yīng)力在0.04～0.07 MPa左右。CS22右線隧道施工結(jié)束時，曲線形狀和趨勢與原來相同，襯砌內(nèi)部主拉應(yīng)力增大。其中從右側(cè)拱腰至左側(cè)中隔墻位置襯砌內(nèi)表面全部受拉，但最大拉應(yīng)力幅值在0.082～0.182 MPa之間，最大主拉應(yīng)力位置在中隔墻與拱頂之間，總體增幅約為原來的2倍，但數(shù)值不大。

將左、右線襯砌各點(diǎn)主拉應(yīng)力比較發(fā)現(xiàn)，其受力特性的趨勢和方向正好相反，即曲線彎曲方向相反，但均由墻腳向中隔墻位置區(qū)域增大。除左線隧道襯砌拱頂和中隔墻位置出現(xiàn)主壓應(yīng)力峰值外，左右線隧道襯砌內(nèi)表面受力均較小。綜合分析認(rèn)為，在K6+260—K6+160段山體覆蓋層較薄，且在垂直隧道軸線方向上高差變化較大，存在明顯的偏壓現(xiàn)象。由于右側(cè)山體偏壓作用，導(dǎo)致左線隧道右拱肩部及中隔墻附近在偏壓荷載下向隧道左側(cè)偏移。左線隧道的襯砌先行施工二次襯砌緊跟，右線開挖滯后左線二襯，使左右洞應(yīng)力調(diào)整時造成左洞襯砌內(nèi)力過大引起開裂。

3.3 中隔墻內(nèi)力分析

中隔墻受力狀態(tài)關(guān)系到整個隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。選取距原點(diǎn)50 m中隔墻剖面，計算得到中隔墻最大壓應(yīng)力場σ3分布如圖5所示。由圖可見，施工結(jié)束時中隔墻右側(cè)頂部由于偏壓作用，支護(hù)襯砌作用于該部位的壓力較大，最大壓應(yīng)力為－6.82 MPa，山體偏壓導(dǎo)致右側(cè)圍巖壓力較大，因而中隔墻墻腰至拱部右側(cè)受壓力作用較大。

圖5 CS22階段50 m處中隔墻σ3主應(yīng)力

施工結(jié)束時中隔墻最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在右側(cè)中隔墻基礎(chǔ)位置，由于右側(cè)偏壓力作用，使得中隔墻整體向左位移，因而基礎(chǔ)底部右側(cè)受壓，最大拉應(yīng)力2.11 MPa，此外拱頂偏左位置也出現(xiàn)一定的拉應(yīng)力，整體上看中隔墻受力不大，能夠保證其穩(wěn)定性。

4 地表沉陷位移分析

通過施工模擬分析，獲得施工結(jié)束后圍巖位移場分布。為分析地表沉陷變形位移，取地表各節(jié)點(diǎn)沉降位移，如表2所示。地表沉降較大區(qū)域分布于山坡埋深較淺部位，且偏向左線隧道方向，范圍在10～50 m之間地表沉陷量較大。右線隧道施工后地表下沉增大，最大沉降－4.06 mm，各階段地表沉降曲線形狀和趨勢相同。

表2 左線隧道洞頂?shù)乇砀鼽c(diǎn)沉降值 mm

5 結(jié)語

本文以云南小勐養(yǎng)—磨憨高速公路九龍雙聯(lián)拱隧道為實例，介紹了隧道左線襯砌裂損出現(xiàn)的情況及其分布區(qū)域。通過現(xiàn)場調(diào)研，地形地質(zhì)條件、施工過程的研究及三維數(shù)值模擬，探討了該隧道進(jìn)口段左線地表圍巖塌陷及襯砌結(jié)構(gòu)開裂力學(xué)機(jī)理和成因。

理論分析和現(xiàn)場實踐研究表明，該隧道開裂段山體偏壓明顯，左線隧道襯砌右拱肩部及中隔墻附近偏壓力過大，塌方影響區(qū)圍巖擾動而未進(jìn)行加固使襯砌荷載加大。同時，開裂區(qū)處于斷層破碎帶，節(jié)理發(fā)育，層間結(jié)合力差。左右線距離近，二襯先行施作，右線開挖對其產(chǎn)生影響。因此，復(fù)雜結(jié)構(gòu)隧道在施工前必須充分考慮地質(zhì)勘查資料，根據(jù)環(huán)境條件及時改變施工方案和襯砌設(shè)計，確保隧道施工的安全性。

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