寇光明

(1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司 成都 610041； 2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院 成都 610041)

近年來(lái)隨著我國(guó)交通運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，公路建設(shè)快速推進(jìn)，公路等級(jí)大幅提高。由于分離式隧道常會(huì)受到特殊地質(zhì)及地形條件、路橋隧銜接方式、工程造價(jià)、公路線(xiàn)形布設(shè)等因素的限制，因此，連拱隧道大量出現(xiàn)在山區(qū)中短公路隧道中[1]。

由于連拱隧道往往處于圍巖地質(zhì)條件差且復(fù)雜多變的淺埋地段，所以不少連拱隧道進(jìn)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(wěn)定性控制難度增大，影響施工進(jìn)度和施工質(zhì)量。另一方面由于連拱隧道屬特殊的結(jié)構(gòu)斷面，后行洞爆破施作對(duì)先行洞周?chē)哑胶鉅顟B(tài)的圍巖應(yīng)力產(chǎn)生擾動(dòng)，從而需進(jìn)行二次調(diào)整。由于施工工序繁多，開(kāi)挖和支護(hù)相互交錯(cuò)，中墻頂部的圍巖多次受到應(yīng)力重分布的擾動(dòng)，且由于支護(hù)襯砌與中墻非同步施工，因此連拱隧道在施工過(guò)程中極易出現(xiàn)拱腳開(kāi)裂、中墻縱向和環(huán)向裂縫、滲漏水、二次襯砌開(kāi)裂等現(xiàn)象[2]。

本文依托云南石屏縣至元江紅龍廠(chǎng)高速公路四合同段大中山1、2、3、4、5號(hào)隧道工程，針對(duì)偏壓雙連拱隧道二襯開(kāi)裂問(wèn)題，分析二襯開(kāi)裂的基本特征，開(kāi)展成因分析及處治技術(shù)研究。

1 工程概況

云南省石屏至元江紅龍廠(chǎng)高速公路(簡(jiǎn)稱(chēng)石紅公路)為國(guó)道323線(xiàn)江西省瑞金市至云南省臨滄市的重要組成部分。公路設(shè)計(jì)等級(jí)為雙向四車(chē)道高速公路，大中山隧道所處路段道路設(shè)計(jì)車(chē)速為60 km/h，隧道按80 km/h進(jìn)行設(shè)計(jì)。汽車(chē)荷載等級(jí)為公路-I級(jí)；路面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)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(hào)隧道，全長(zhǎng)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(qū)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(zhì)構(gòu)造控制。該隧道群位于撮科河左岸大岔河一帶，為構(gòu)造侵蝕山地地形地貌區(qū)，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(fā)育，以雜草、灌木為主。

地質(zhì)情況。第四系殘坡積褐色，灰色、灰白色碎石為隧道區(qū)的上覆地層，稍濕，稍密-中密，砂礫質(zhì)充填，局部夾砂巖塊石，具松散結(jié)構(gòu)；下伏地層為灰白色、紫灰色中厚層狀石英砂巖，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響大，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，風(fēng)化破碎，強(qiáng)風(fēng)化石英砂巖，碎石狀，局部為弱風(fēng)化，碎塊狀，巖體破碎，呈角(礫)碎(石)狀松散結(jié)構(gòu)，隧道周?chē)鷰r體相對(duì)容易發(fā)生變形塌方。設(shè)計(jì)V級(jí)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(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)定左洞為先行洞，主洞采用三臺(tái)階法開(kāi)挖，上臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖，預(yù)留核心土，先行洞二次襯砌澆筑30 m以上，后行洞(右洞)才開(kāi)始進(jìn)行掘進(jìn)開(kāi)挖。在實(shí)際施工過(guò)程中，5座隧道的后行洞掘進(jìn)開(kāi)挖后均不同程度地發(fā)現(xiàn)先行洞二次襯砌出現(xiàn)開(kāi)裂的現(xiàn)象，尤其是1號(hào)隧道、3號(hào)隧道在后行洞貫通后，對(duì)應(yīng)先行洞中隔墻頂位置二次襯砌開(kāi)裂尤為嚴(yán)重，見(jiàn)圖1，出現(xiàn)裂縫部位大部分為中隔墻拱腳到拱頂區(qū)域。

圖1 二襯裂縫現(xiàn)場(chǎng)照片

結(jié)合整體區(qū)域地質(zhì)地形情況，經(jīng)對(duì)5座隧道先行洞內(nèi)二次襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)觀察、分析、對(duì)比，發(fā)現(xiàn)裂縫具有如下特征：

1) 1～5號(hào)隧道都存在先行洞二次襯砌開(kāi)裂現(xiàn)象，特別是嚴(yán)重偏壓的1號(hào)隧道、3號(hào)隧道二次襯砌開(kāi)裂較為嚴(yán)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(nèi)少，縱向多，環(huán)向少。

3) 二襯裂縫開(kāi)裂處呈典型的剪切破壞，有錯(cuò)臺(tái)，裂縫寬度絕大部分大于0.2 mm，且局部裂縫呈網(wǎng)狀分布。

4) 受山體影響，先行洞側(cè)山體越薄，開(kāi)裂也越多，裂縫也越寬。

5) 先行洞裂縫跟隨后行洞開(kāi)挖掘進(jìn)發(fā)展，后行洞掘進(jìn)至何處，先行洞二次襯砌就對(duì)應(yīng)開(kāi)裂至該樁號(hào)。

2.2 隧道二襯裂縫現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容

由于隧道二襯出現(xiàn)大面積的裂縫發(fā)育區(qū)，且多為縱斜向裂縫，為了解襯砌混凝土裂縫持續(xù)發(fā)展、地表圍巖變化特征、混凝土結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定情況，故采取多種方式結(jié)合進(jìn)行監(jiān)控，以評(píng)價(jià)隧道的穩(wěn)定性。監(jiān)控內(nèi)容主要有：周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、裂縫觀測(cè)及后行洞初支與二襯內(nèi)力監(jiān)測(cè)等[3]。

2.3 隧道二襯裂縫成因分析

2.3.1設(shè)計(jì)原因

由于雙連拱隧道設(shè)計(jì)的特殊性，雙連拱隧道主洞初期支護(hù)不能形成真正意義上的封閉受力雙洞結(jié)構(gòu)，極大削弱了連拱結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和抗剪能力。由于施工工序要求“拆除中導(dǎo)洞鋼支護(hù)”要在“主洞開(kāi)挖”之后進(jìn)行，導(dǎo)致主洞初支只能位于中導(dǎo)洞初支上，致使中隔墻成為一個(gè)孤立立柱。當(dāng)拆除先行洞一側(cè)的中導(dǎo)洞支護(hù)時(shí)，先行洞初支側(cè)壓力會(huì)瞬間沖擊孤立的中隔墻，導(dǎo)致中隔墻首次受力破壞；當(dāng)后行洞一側(cè)中導(dǎo)洞初支拆除時(shí)，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(dǎo)致先行洞二襯在中墻頂高度處發(fā)生剪破壞，因此后行洞開(kāi)挖掘進(jìn)至何處，先行洞二次襯砌縱向就開(kāi)裂到對(duì)應(yīng)樁號(hào)。由于后行洞二次襯砌在中導(dǎo)洞支護(hù)全部拆除之后施做，未遭受側(cè)壓力瞬間沖擊，因此，后行洞基本未開(kāi)裂。雙連拱隧道斷面見(jiàn)圖2。

圖2 雙連拱隧道斷面(尺寸單位：cm)

隧道V級(jí)圍巖段中隔墻最薄處只有80 cm，且為孤立立柱，中導(dǎo)洞臨時(shí)支護(hù)拆除時(shí)，不足以承受強(qiáng)大的瞬間側(cè)向沖擊力。先行洞二次襯砌與中隔墻之間設(shè)有防水板，形成分體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(jù)設(shè)計(jì)要求，主洞初期支護(hù)應(yīng)落于中隔墻頂，采用螺栓連接，見(jiàn)圖3。

圖3 主洞鋼架與中隔墻頂連接設(shè)計(jì)圖

該連接處是受力的薄弱環(huán)節(jié)，鋼架與中墻相當(dāng)于“鉸”的作用，不是靜定結(jié)構(gòu)，連接處二者結(jié)構(gòu)突變，不能很好地形成一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)，剛度不一致。同時(shí)由于該處有中導(dǎo)洞的初期支護(hù)隔離，一方面施工難度較大；另一方面施工中管控不嚴(yán)，民工隊(duì)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(dǎo)洞的初期支護(hù)上，未形成有效的著力點(diǎn)，該處剪力最大，應(yīng)力無(wú)法傳遞，致使向外側(cè)推移，導(dǎo)致左洞產(chǎn)生裂縫。

2.3.3地形地質(zhì)原因

地形地質(zhì)條件較差是隧道襯砌開(kāi)裂的主要原因。大中山1～5號(hào)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(hào)～5號(hào)隧道巖石均強(qiáng)風(fēng)化，巖體破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖塑性區(qū)大，加之地形嚴(yán)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(hào)隧道偏壓更加嚴(yán)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(dǎo)致該兩段二襯開(kāi)裂尤為突出。其中大中山3號(hào)隧道出口現(xiàn)場(chǎng)照片見(jiàn)圖4。

圖4 大中山3號(hào)隧道出口

3 隧道二襯裂縫處治

黃勇江[4]對(duì)連拱隧道二襯開(kāi)裂處治方法進(jìn)行了探討，主要有表面覆蓋法、低壓注漿法及開(kāi)槽修補(bǔ)法3種。嚴(yán)中等[5]根據(jù)規(guī)范對(duì)隧道襯砌裂縫的處治技術(shù)進(jìn)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(duì)不同隧道段的針對(duì)性處治進(jìn)行了研究。

經(jīng)對(duì)大中山隧道開(kāi)裂的地段進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)果表明隧道大分部整體結(jié)構(gòu)是安全的，但需進(jìn)行裂縫治理，尤其是開(kāi)裂嚴(yán)重的1、3號(hào)隧道需進(jìn)行特殊處理，方能保證后期運(yùn)營(yíng)安全要求。

處治方案原則：①必須嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)和施工規(guī)范的有關(guān)規(guī)定；②根據(jù)開(kāi)裂產(chǎn)生原因、性質(zhì)和不同的受力情況，分別采取不同的治理方案；③開(kāi)裂處治后應(yīng)能保證結(jié)構(gòu)原有的承載力、整體性、抗?jié)B性及防水性能；④防止人為損傷結(jié)構(gòu)，盡量避免大破壞，并盡全力保持既有結(jié)構(gòu)外觀；⑤在安全可靠基礎(chǔ)上，處治方法從實(shí)際情況出發(fā)，確保技術(shù)上的可行性、施工簡(jiǎn)單易行、符合經(jīng)濟(jì)合理的原則。

3.1 處治措施

針對(duì)大中山1號(hào)隧道K28+830-K28+870、3號(hào)隧道K31+540-K31+600貫通處先行洞二襯開(kāi)裂較為嚴(yán)重現(xiàn)象，為避免該2段二襯破壞進(jìn)一步加劇，造成隧道失穩(wěn)，引發(fā)較大安全隱患，制訂了應(yīng)急處理措施。

1) 采取工字鋼拱架臨時(shí)支撐。支護(hù)參數(shù)為：I20a工字鋼，縱向間距100 cm，Φ25縱向連接筋，環(huán)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(qiáng)該2段二襯中墻頂三角區(qū)范圍的松散圍巖加固，從右洞中墻頂上50 cm增設(shè)3排直徑42 mm×壁厚4 mm徑向注漿小導(dǎo)管加固，80 cm×80 cm梅花形布置，單根長(zhǎng)度4.0 m。

3) 右洞對(duì)應(yīng)段二襯K28+830-K28+870、K31+540-K31+600作加強(qiáng)處理，環(huán)向主筋由Φ22變更為Φ25，提高混凝土等級(jí)由C30防水變C40防水。

3.2 裂縫處理

根據(jù)第三方連續(xù)2個(gè)月跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)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(yīng)力變化趨于穩(wěn)定，累計(jì)變化量未超過(guò)設(shè)計(jì)預(yù)警值，裂縫無(wú)發(fā)展延伸，數(shù)據(jù)無(wú)變化或變化很小，在規(guī)范范圍內(nèi)，裂縫處也無(wú)滲水，說(shuō)明已處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)二襯結(jié)構(gòu)受力無(wú)影響，可以進(jìn)行處理，處理分以下兩類(lèi)進(jìn)行。

3.2.1普通裂縫

針對(duì)5個(gè)隧道共性存在的二襯裂縫，根據(jù)不同普通裂縫寬度進(jìn)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(jié)構(gòu)膠進(jìn)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(jié)構(gòu)封閉膠對(duì)準(zhǔn)裂縫進(jìn)行涂刮，施工時(shí)盡量一次完成，避免反復(fù)涂抹。最后用調(diào)色料處理混凝土表面，使其與周?chē)r砌混凝土保持一致顏色。采用噴涂式調(diào)色涂裝，使用高壓氣泵將配制好的環(huán)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(jìn)行注膠處理。

灌膠施工流程：施工準(zhǔn)備→裂縫清理→鉆孔→埋管→灌漿→拆嘴→封口→調(diào)色。

①用鋼絲刷清理裂縫周?chē)瑢⒐嗄z底座粘貼面周?chē)臀矍宄蓛?，用酒精等將裂縫兩側(cè)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(fēng)將縫內(nèi)粉塵吹洗干凈，并觀察裂縫大致情況，在裂縫表面用結(jié)構(gòu)封閉膠處理，目的是在注入漿液時(shí)不跑漿；④將注漿液裝入專(zhuān)用的電動(dòng)式泵壓器內(nèi)，通過(guò)注漿機(jī)加壓進(jìn)行灌注，壓力控制在0.2～0.5 MPa，直至裂縫充滿(mǎn)漿液，注膠過(guò)程，見(jiàn)圖5。

圖5 注膠

3) 對(duì)于水平裂縫，由低端逐漸壓向高端，對(duì)于豎向裂縫由下向上注漿。

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

3.2.2剪切性破壞裂縫

該類(lèi)型裂縫出現(xiàn)明顯錯(cuò)臺(tái)，裂縫寬且深，主要是1號(hào)隧道貫通段K28+850-K28+870、3號(hào)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(cè)電纜溝頂至中隔頂上1～2 m的二襯范圍。

施工流程。施工準(zhǔn)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(fù)。

1) 鑿除松散混凝土。沿裂縫兩側(cè)鑿除錯(cuò)斷、分層、離板、松散的混凝土，鑿除時(shí)采用小型機(jī)械配合人工施作，避開(kāi)鋼筋，盡量不產(chǎn)生較大擾動(dòng)，保證槽口規(guī)整順直，最后用高壓空氣吹凈灰塵進(jìn)行清洗處理。

2) 鋼板粘貼位置刻槽。根據(jù)設(shè)計(jì)方案在二襯混凝土表面粘貼鋼板位置進(jìn)行放線(xiàn)，刻槽寬度不低于18 cm、深30 mm，如遇施工縫位置必須錯(cuò)開(kāi)，槽口邊緣采用小型切割機(jī)進(jìn)行切割，盡量使表口整齊順直無(wú)破損，為減少對(duì)原結(jié)構(gòu)擾動(dòng)破壞采用人工鑿除。

3) 鉆孔植錨固螺栓。按設(shè)計(jì)方案，為保證鋼板與二襯及中隔墻緊密結(jié)合，形成共同受力結(jié)構(gòu)，采取鉆孔植M18化學(xué)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(yīng)避讓原結(jié)構(gòu)鋼筋。鉆孔完成后用高壓風(fēng)清孔，緊接著采用專(zhuān)用灌注機(jī)將膠黏劑由孔底灌注至孔深2/3處，單向旋轉(zhuǎn)插入錨固螺栓，直至達(dá)到80 cm深度，及時(shí)清除孔口多余的膠黏劑，鉆孔植錨固螺栓施工示意見(jiàn)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(jìn)行封邊處理，并預(yù)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(shí)，粘貼鋼板施工示意見(jiàn)圖7。

圖7 粘貼鋼板

5) 裂縫注膠封閉處理。對(duì)裂縫仍然需要作注膠封閉處理，具體工藝與第一類(lèi)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(fù)。經(jīng)檢測(cè)確認(rèn)鋼板粘貼密實(shí)效果可靠，打磨注膠嘴和排氣管、錨固螺栓頭，采用聚酸脂類(lèi)防腐涂裝進(jìn)行表面處理，用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行涂刮找平，使所粘貼鋼板與缺陷區(qū)域混凝土渾然一體，最后噴涂環(huán)氧膠液恢復(fù)外觀顏色。

3.3 處治結(jié)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(mǎn)。會(huì)同業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理現(xiàn)場(chǎng)查看，芯樣注膠飽滿(mǎn)，保證了處治區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)的整體性，達(dá)到了處治效果。處治后裂縫處芯樣見(jiàn)圖8。

圖8 裂縫鉆芯

采取應(yīng)急處理措施措施的段落進(jìn)行持續(xù)的二襯周邊位移和拱頂下沉監(jiān)測(cè)，部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖9。

圖9 K31+570斷面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)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(jīng)過(guò)一段時(shí)間全面觀測(cè)，隧道二襯全部正常，未發(fā)現(xiàn)新裂縫，說(shuō)明隧道已處穩(wěn)定狀態(tài)，病害已得到成功處治。

4 結(jié)語(yǔ)

大中山雙連拱隧道群巖體破碎，圍巖自穩(wěn)能力差，開(kāi)挖塑性區(qū)大，加之地形嚴(yán)重偏壓，形成了極大的偏壓荷載，5座隧道在修建過(guò)程中，二襯結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)不同程度的開(kāi)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析了裂縫的分布特征和形成原因。并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)制訂了處治方案，經(jīng)處治完成后，效果良好，裂縫未進(jìn)一步擴(kuò)展，隧道趨于穩(wěn)定，病害得到解決。