李富明,肖　洋,花曉鳴

(中鐵西南科學研究院有限公司，四川 成都　610031)

近十幾年來，隨著我國交通基礎設施的大量建設，越來越多的新建隧道洞口段面臨著淺埋、偏壓、軟弱圍巖等不良地質情況[1-3]。此類隧道在洞口段往往施工工序較復雜，從而造成對圍巖的多次擾動，產(chǎn)生較大的應力和位移，直接影響隧道支護結構的受力和變形[4-5]。淺埋偏壓隧道的二次襯砌大多存在開裂、破損、掉塊，甚至坍塌等病害，嚴重影響了隧道主體結構的安全性和耐久性[6]。隧道二次襯砌開裂原因復雜，影響因素較多，淺埋偏壓隧道二次襯砌開裂機理的研究對二次襯砌病害的處治具有重要意義。

本文以武(漢)深(圳)高速公路坪田淺埋偏壓隧道為研究對象，探討二次襯砌的開裂機理及處治方案，為類似淺埋偏壓隧道的建設提供參考。

1　工程概況

在建武(漢)深(圳)高速公路仁化至新豐段坪田雙線隧道長約 2 800 m，位于中低山區(qū)。隧道進口處于山前斜坡地帶，右側發(fā)育一山間溝谷，斜坡的坡度約40°～45°，屬于高角度偏壓隧道[7]。地表植被發(fā)育。受多道斷裂構造影響，巖體極破碎，層間軟弱夾層較發(fā)育，總體巖層產(chǎn)狀為150°～180°∠25°～45°，主要發(fā)育3組節(jié)理，產(chǎn)狀分別為J1，340°∠67°；J2，75°∠64°；J3，280°∠75°。隧道施工現(xiàn)場見圖1。

圖1　隧道施工現(xiàn)場

暴雨后巡查時發(fā)現(xiàn)隧道右洞進口段二次襯砌出現(xiàn)多處裂縫。縱向裂縫主要集中在拱頂偏左拱腰和仰拱。YK279+235—YK279+269段二次襯砌出現(xiàn)2條縱向裂縫，位于拱頂偏左側拱腰，長10～30 m、寬1～5 mm；YK279+245—YK279+300段仰拱混凝土出現(xiàn)多條縱向裂縫，分布在仰拱中軸線附近，長10～25 m、寬5～10 mm；YK279+305—YK279+329段二次襯砌出現(xiàn)環(huán)向裂縫，裂縫寬度0.5～2.0 mm。見圖2。

圖2　隧道右洞進口段二次襯砌開裂情況統(tǒng)計

該隧道淺埋段右洞已開始施工，采用雙側壁導坑法開挖。先開挖右側導坑，再開挖左側導坑，最后開挖中部。

2　二次襯砌開裂的影響因素

1)地形地貌

隧道進口段地形陡峭，右側緊臨一山間溝谷，地勢左高右低，存在偏壓[8]。隧道軸線與右側沖溝谷底的相對高差約50 m。洞口段表層發(fā)育厚約9 m的全風化殘坡積碎石土，其下為厚約20 m的強風化變質砂巖。

2)施工的擾動

受施工開挖擾動的影響，隧道周圍巖土體的應力發(fā)生重分布，加之降雨入滲，一方面使得洞身周圍巖土體松動，增強了巖土體的透水能力，從而降低圍巖的物理力學參數(shù)，穩(wěn)定性降低[9]。另一方面使得隧道結構左側荷載增幅大于右側。

3)地下水的作用

隧道的施工改變了地下水的滲流路徑，使得地下水匯集在隧道左側上方，巖土體吸水加載，造成隧道左側水壓力明顯增大，左右側荷載增幅相差很大，導致二次襯砌上方及仰拱張拉開裂。

3　二次襯砌開裂機理的有限元分析

3.1　計算模型的建立及參數(shù)的確定

采用大型有限元分析軟件MIDAS GTS NX對隧道施工過程進行分析[10]。模型大小：沿隧道軸向取60 m，隧道橫向取90 m，隧道底部取30 m(3倍洞徑)。模型各側面設置相應法向位移約束，底部邊界為固定約束，頂部為自由邊界。三維數(shù)值計算模型見圖3。

圖3　計算模型

圍巖采用Mohr-coulomb模型，初期支護和二次襯砌采用Elastic模型，注漿和錨桿通過提高加固區(qū)圍巖的物理力學參數(shù)進行模擬。圍巖和支護結構的物理力學參數(shù)見表1。

表1　圍巖和支護結構的物理力學參數(shù)

3.2　結果分析

分別從圍巖和二次襯砌的應力、位移出發(fā)分析二次襯砌的開裂機理和受力情況。為避免邊界效應影響分析結果的準確性，取模型中間位置的斷面為研究斷面。

1)應力

當二次襯砌全部施作完成后，在隧道左拱腰、拱頂和仰拱出現(xiàn)拉應力區(qū)，最大拉應力約0.334 MPa；隧道圍巖應力場總體分布不對稱，從而造成隧道支護結構左右受力不對稱。

2)隧道二次襯砌結構受力

隧道施工完成后二次襯砌最大主應力分布見圖4?？梢姡憾我r砌最大主應力基本為正值，即產(chǎn)生拉應力。

圖4　二次襯砌最大主應力分布(單位：MPa)

拱頂偏左拱腰處拉應力為1.431 MPa、仰拱拉應力為1.738 MPa，都接近或超過C40混凝土抗拉強度1.71 MPa。故工程現(xiàn)場拱頂偏左拱腰和仰拱出現(xiàn)沿著隧道走向的縱向裂縫。

右拱腰拉應力為0.318 MPa、左邊墻拉應力為0.373 MPa、右邊墻拉應力為0.281 MPa。其數(shù)值遠小于混凝土抗拉強度，故現(xiàn)場這些位置均未見二次襯砌縱向開裂現(xiàn)象。

3)隧道二次襯砌位移

二次襯砌不同部位豎向位移見表2。隧道二次襯砌拱頂偏左拱腰和仰拱處豎向位移最大，均約3.7 mm，為最危險截面。

拱頂偏左拱腰處出現(xiàn)向右下的變形，仰拱處出現(xiàn)向左上的變形，與側向偏壓作用線方向基本一致。拱頂偏左拱腰和仰拱處豎向位移最大與隧道二次襯砌實際開裂情況一致。

表2　二次襯砌不同部位豎向位移　mm

4　處治方案研究

采取地表監(jiān)測和深孔測斜相結合的監(jiān)測方案。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、有限元分析結果和二次襯砌實際開裂情況，對隧道采取“洞內(nèi)臨時支撐+底板注漿+洞外坡體注漿”的綜合處治方案。

5　結論

1)二次襯砌開裂主要受到地形地貌、施工擾動和地下水的影響，施工開挖造成了圍巖應力的重分布，加之降雨入滲，一方面降低了圍巖的物理力學參數(shù)，圍巖穩(wěn)定性變差，另一方面使隧道左上方荷載增幅大于右側，從而導致二次襯砌拱頂偏左拱腰和仰拱處發(fā)生張拉開裂。

2)有限元分析顯示：二次襯砌最大的拉應力區(qū)主要集中在拱頂偏左拱腰和仰拱處，其數(shù)值接近或超過二次襯砌混凝土抗拉強度。與隧道現(xiàn)場二次襯砌開裂位置吻合。

3)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)、有限元分析結果和二次襯砌實際開裂情況，對隧道采取“洞內(nèi)臨時支撐+底板注漿+洞外坡體注漿”的綜合處治方案。

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