石繼訓(xùn) 冉利剛 張政

摘 要：以大廣高速塘基二號隧道左洞ZK106+673～ZK106+700段二次襯砌開裂為例，對二次襯砌質(zhì)量指標及裂縫進行了檢測，通過數(shù)值模擬對二次襯砌進行了結(jié)構(gòu)安全性評價，分析了二次襯砌開裂的原因，并制定了三個加固方案進行比選，為從事隧道管理、設(shè)計和施工的現(xiàn)場技術(shù)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：隧道;二次襯砌;裂縫;加固

中圖分類號：U457+.3 文獻標識碼：A

截至2018年底，我國共建鐵路隧道15177座，長度16331km;公路隧道16500座，長度15940km;正在施工的各類隧道約20000 km，計劃修建的隧道約20000km[1]，隧道在交通工程中所占比例越來越高。然而，由于各種因素的影響，部分隧道在建設(shè)和運營的過程中暴露出一些病害，這些病害會影響隧道的承載能力和耐久性，二次襯砌開裂即是隧道主要的病害之一[2～3]。

對二次襯砌開裂的原因進行分析，并對二次襯砌結(jié)構(gòu)進行安全性評價[4～5]，然后結(jié)合現(xiàn)場實際制訂安全、經(jīng)濟、方便的處治方案[6～10]，是處理二次襯砌開裂常用的流程。

1工程概況

塘基二號隧道為雙向六車道分離式小凈距隧道。右線隧道長452m，左線隧道長474m。隧道進口～中部～隧道出口的線間距分別為14.7m～17.2m～16.4m。隧道為左高右低的地形地貌，屬于淺埋偏壓隧道，左線最大埋深約73米，右線最大埋深約62米，其中右線K106+680～+760段拱肩距離地表最薄處僅5m。隧道區(qū)地表覆蓋層為第四系坡殘積層（Qdl+el） 和燕山三期侵入巖體—粗粒花崗巖（γ52-3）。其中進口左洞ZK106+577～+810和右洞K106+597～+814段采用ⅤQ型襯砌，襯砌內(nèi)輪廓見圖1，支護參數(shù)見表1。

該隧道在交工驗收期間發(fā)現(xiàn)左洞ZK106+673～ZK106+700段二次襯砌右拱腰處存在多條縱向裂縫，隨后業(yè)主委托檢測單位對該段的二次襯砌進行了檢測，檢測內(nèi)容主要包括裂縫寬度和深度測試、二次襯砌厚度、鋼筋保護層厚度、混凝土密實度和脫空缺陷檢測、二次襯砌混凝土強度檢測等。

2主要檢測結(jié)果

2.1裂縫檢測結(jié)果

塘基二號隧道左洞ZK106+673～+700段3個施工節(jié)段（ZK106+673～+682、ZK106+682～+691、ZK106+691～+700）二次襯砌右拱腰至拱頂范圍共出現(xiàn)了39條縱向裂縫，部分裂縫在各施工節(jié)段存在連通的情況，裂縫長1m～10m，寬為0.78mm～2.20mm，裂縫深度為61.00mm～130.00mm。

2.2二次襯砌厚度、鋼筋保護層厚度、混凝土密實度等檢測結(jié)果

二次襯砌厚度在52.5cm～123.2cm 之間;鋼筋混凝土保護層厚度在10.0cm～82.3cm之間，均超過了設(shè)計值5.8cm，保護層厚度偏厚;二次襯砌混凝土較密實，未發(fā)現(xiàn)明顯脫空或空洞等缺陷。

2.3二次襯砌混凝土強度檢測結(jié)果

通過回彈法測定ZK106+673～ZK106+682、ZK106+682～ZK106+691、ZK106+691～ZK106+700三處施工節(jié)段二次襯砌混凝土強度分別為 30.2MPa、39.4MPa、 37.2MPa，均符合設(shè)計C30要求。

通過鉆芯法測定ZK106+640～ZK106+720范圍內(nèi)的二次襯砌混凝土強度，共隨機抽取10個芯樣，抗壓強度分別為35.1MPa、40.2MPa、39.7MPa，32.6MPa、36.9MPa、31.1MPa、31.6MPa、44.7MPa、30.8MPa、32.6MPa，均符合設(shè)計C30要求。

3隧道二次襯砌開裂原因分析及結(jié)構(gòu)安全性評價

3.1 計算方法和計算軟件

計算方法為地層-結(jié)構(gòu)法，計算寬度取單位長度1m，采用平面應(yīng)變分析模型。計算軟件采用FLAC3D 3.0。

3.2 計算斷面及計算模型

選取開裂較為嚴重的ZK106+700段作為計算斷面，ZK106+700的橫斷面與地層分布見圖2。

計算未考慮右洞的影響。結(jié)合現(xiàn)場施工過程中初期支護施做后拱頂存在較大變形和二次襯砌施工前初支變形未收斂的實際情況，考慮二次襯砌承受100%圍巖變形壓力。為消除計算過程中的邊界效應(yīng)，隧道左、右兩側(cè)和隧道底部距離模型邊界大于3D（D為隧道開挖寬度）。計算模型如圖3所示。

3.3圍巖支護計算參數(shù)

根據(jù)地勘報告，圍巖物理力學(xué)指標取值如表2所示。

二次襯砌物理力學(xué)指標取值如表3所示。

3.4 計算結(jié)果

3.4.1隧道圍巖穩(wěn)定性

隧道圍巖失穩(wěn)破壞可以看作是塑性區(qū)逐漸發(fā)展擴大直至貫通而進入完全塑性狀態(tài)、無法繼續(xù)承載的過程。眾多的試驗研究及工程實踐表明，當隧道圍巖失穩(wěn)時，會產(chǎn)生明顯的局部剪切變形。所以，可以將隧道圍巖是否出現(xiàn)較大的剪切變形作為隧道圍巖失穩(wěn)的一個判據(jù)。

由圖4可以看出，隧道開挖后圍巖失穩(wěn)主要出現(xiàn)在隧道右側(cè)拱部和隧道左側(cè)側(cè)拱腳位置。圖5地層剪切應(yīng)變圖可以看出，因隧道開挖支護的影響，隧道右側(cè)拱部產(chǎn)生明顯的剪切應(yīng)變，該位置的圍巖產(chǎn)生了明顯的松動，作用在隧道襯砌上的圍巖變形荷載將顯著增大。

3.4.2隧道二次襯砌內(nèi)力

由圖6、圖7可知，隧道拱墻二次襯砌最大正彎矩為399.59kN？m，對應(yīng)的軸力值為562.34kN。計算結(jié)果如表4。

原施工圖該段襯砌類型為VQ型，襯砌結(jié)構(gòu)采用對稱配筋，內(nèi)外側(cè)各配置6根φ25鋼筋。經(jīng)計算，采用原設(shè)計結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿足規(guī)范[11]要求，襯砌裂縫開裂寬度為0.141mm<0.2mm，滿足規(guī)范要求。

3.4.3二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力

圖8表明襯砌最大主拉應(yīng)力為4.999MPa，其數(shù)值超過C30混凝土極限抗拉強度2.2MPa，混凝土產(chǎn)生裂縫，裂縫位置在拱頂至拱腰位置的襯砌內(nèi)表面。圖9表明襯砌最大主壓應(yīng)力為20MPa，未到達C30混凝土的極限抗壓強度為22.5MPa。

3.5二次襯砌開裂原因分析及結(jié)構(gòu)安全性評價

從ZK106+700實測斷面及鋼筋位置圖（見圖10）可以看出，結(jié)構(gòu)最大彎矩出現(xiàn)在測線03位置，該位置混凝土襯砌厚度83.1cm，混凝土保護層厚度56cm，鋼筋位于混凝土受壓區(qū)，不能約束裂縫發(fā)展，這是造成該隧道二次襯砌開裂的主要原因。該截面應(yīng)作為混凝土構(gòu)件考慮，該位置混凝土裂縫深度為12.5cm，混凝土有效工作高度為70.6cm。

按混凝土彎壓構(gòu)件計算，測線02位置襯砌安全系數(shù)最小，僅0.958<3.6，不滿足《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTG 3370.1-2018）9.2.4條混凝土達到抗拉極限強度的安全系數(shù)要求，需進行加固處治。

4 加固方案比選

根據(jù)以上分析，二次襯砌混凝土強度、厚度、內(nèi)凈空均滿足設(shè)計要求，但襯砌裂縫深、寬度大，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)低，而且不排除二次襯砌裂縫有進一步發(fā)展的趨勢。據(jù)此，先采用改性環(huán)氧樹脂類封閉膠和修復(fù)膠對二次襯砌裂縫進行修復(fù)，然后對二次襯砌進行加固處理。按等效替換拉區(qū)鋼筋的原則，擬定了三種二次襯砌加固方案。

4.1鑿槽嵌鋼架方案

在拱墻二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)表面環(huán)向鑿槽（槽深20cm，槽口寬20cm、槽底寬25cm），在槽內(nèi)嵌入I18型鋼鋼架，后灌注C30微纖維微膨脹細石混凝土，鋼架沿隧道縱向間距1m，槽底低于檢修道頂面10cm。

4.2鋼架套拱方案

原施工圖中二次襯砌內(nèi)輪廓與建筑限界間最小凈距為17cm，隧道內(nèi)凈空可滿足厚15cm的套拱施做空間。首先對二次襯砌混凝土內(nèi)表面進行鑿毛處理，然后在拱墻位置架立φ25格柵鋼架并用φ22釬釘將其固定在二次襯砌混凝土內(nèi)表面，在兩榀鋼架間架立網(wǎng)格間距為20cm的φ8鋼筋網(wǎng)（焊接在二次襯砌混凝土表面的φ22釬釘上），最后噴15cm厚C30微纖維混凝土。鋼架腳嵌入檢修道頂面以下10cm。

4.3粘貼鋼板方案

采用改性環(huán)氧樹脂系列粘結(jié)劑將鋼板粘貼在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的受拉緣或薄弱部位，使之與原結(jié)構(gòu)物形成整體共同受力，以提高其剛度，改善原結(jié)構(gòu)的鋼筋及混凝土的應(yīng)力狀態(tài)，限制裂縫的進一步發(fā)展，從而達到加固補強、提高隧道承載能力及抗裂能力的目的。

粘貼鋼板厚5mm，寬350mm，凈距150mm，采用Q345c鋼板加固，鋼板沿隧道環(huán)向布置。

4.4方案比選

三種修復(fù)方案比選見表5。

綜合以上比較表明：鑿槽嵌鋼架具有施工麻煩，工期長，會對既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定損傷的缺點;鋼架套拱也需對原結(jié)構(gòu)局部進行開槽作業(yè)，加固后影響洞內(nèi)空間和景觀;粘貼鋼板方案在造價方面雖然高于鑿槽嵌鋼架和套拱方案，但明顯具有施工便利、工期短、不影響洞內(nèi)景觀等優(yōu)點，因此推薦粘貼鋼板方案。

5 結(jié)語

在隧道施工或運營的過程中，若發(fā)現(xiàn)二次襯砌出現(xiàn)裂縫病害，先對裂縫出現(xiàn)的位置、裂縫的發(fā)展方向、裂縫寬度、長度和深度進行檢測，并檢測二次襯砌混凝土的其他質(zhì)量指標，然后對裂縫產(chǎn)生的原因進行分析，對二次襯砌進行安全性評價，最后根據(jù)裂縫對結(jié)構(gòu)的影響，有針對性地制定安全、經(jīng)濟、方便的處治方案。

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作者簡介：石繼訓(xùn)（1984.12—），男，工程師，碩士研究生，主要從事隧道等地下工程的設(shè)計與研究工作（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

（中鐵二院工程集團有限責任公司? 成都? ?610031）