王斌彬 陽(yáng) 潛

（深圳高速工程檢測(cè)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

我國(guó)高速公路迎來(lái)了新一輪的建設(shè)高峰，大量高速公路隧道建成并運(yùn)營(yíng)。隨著公路隧道建設(shè)的迅猛發(fā)展，隧道襯砌病害成了我們?cè)絹?lái)越關(guān)注的問(wèn)題，主要病害有襯砌裂縫、滲漏水以及路面滲水等。當(dāng)前，在建和建成的隧道中，大量隧道襯砌存在裂縫，這些裂縫是否威脅著隧道的健康，威脅的程度有多大，這些裂縫是如何形成的，這些問(wèn)題成了關(guān)注隧道健康而需要了解的問(wèn)題，也是難題。當(dāng)前對(duì)隧道襯砌裂縫的研究一直是隧道工程研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。該文以某市城市運(yùn)營(yíng)隧道定檢數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用有限元建模分析驗(yàn)證該類隧道襯砌裂縫形成原因。

1 工程概況

1.1 工程背景

某市隧道A呈近南北走向，沿線所經(jīng)地區(qū)為低山、低山間沖溝、山麓等地貌。地勢(shì)呈南高北底的趨勢(shì)，隧道最大深埋180 m。隧道由南向北，為上下行雙管六車道隧道，左右行車道中線間距52.25 m，在左線進(jìn)口段與右線出口段分別有E、F匝道隧道進(jìn)出左右隧道。左線隧道全長(zhǎng)2330m，右線隧道全長(zhǎng)2275m，E匝道隧道全長(zhǎng)369m，F(xiàn)匝道隧道全長(zhǎng)393m。隧道曲線段樁號(hào)為K1+220～K1+270。

隧道B為南北走向，為雙洞六車道，左洞隧道長(zhǎng)1228m，右洞隧道長(zhǎng)1210m。道路標(biāo)準(zhǔn)為城市Ⅰ級(jí)主干道，設(shè)計(jì)時(shí)速60km/h。隧道曲線段樁號(hào)為K0+130～K0+160。

1.2 工程地質(zhì)

場(chǎng)地范圍內(nèi)揭露地層自上而下依次為人工填土（素填土、雜填土、人工填石），其下為第四系新近湖積淤泥質(zhì)黏土、全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、礫砂，上更新統(tǒng)湖沼沉積淤泥質(zhì)黏土，晚～中更新統(tǒng)坡積黏土，中更新統(tǒng)殘積礫質(zhì)黏性土，構(gòu)造巖及燕山期全～微風(fēng)化粗?；◢弾r。各巖土層的工程特性如下：1）人工填土層。本線址揭露的人工填土層有素填土、雜填土、人工填石。2）第四系新近湖積淤泥質(zhì)黏土層。本線址范圍內(nèi)零星分布。該層土屬靈敏性較高的軟土，土的工程性質(zhì)差，開(kāi)挖時(shí)易變形、滑塌，土的可挖性等級(jí)為Ⅰ級(jí)。3）粉質(zhì)黏土層。本線址局部有分布，呈可～硬塑狀態(tài)，土的工程性質(zhì)一般，開(kāi)挖時(shí)可能產(chǎn)生變形、滑塌現(xiàn)象。4）礫砂層。本線址局部分布，為賦水地層，地層滲透性為弱～中等。5）坡積黏土、殘積礫質(zhì)黏性土、全風(fēng)化巖。該層土承載力較高，變形小，土的工程性質(zhì)較好，水理性質(zhì)差，遇水易崩解，承載力降低，出現(xiàn)砂土性質(zhì)，容易出現(xiàn)流沙、管涌現(xiàn)象。6）全、強(qiáng)風(fēng)化粗?；◢弾r。該層土地基承載力高，壓縮變形小，工程力學(xué)性質(zhì)較好，水理性質(zhì)差，遇水后出現(xiàn)砂土性質(zhì)，容易出現(xiàn)流沙、管涌現(xiàn)象。7）中等風(fēng)化粗?；◢弾r。該層地基承載力高，壓縮變形小，工程力學(xué)性質(zhì)較好。在巖石裂隙較發(fā)育，地下水較豐富，屬較軟巖。8）微風(fēng)化粗?；◢弾r。該層地基承載力高，壓縮變形小，工程力學(xué)性質(zhì)較好。巖石裂隙稍發(fā)育，地下水較貧乏，屬于較硬巖。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

2.1 隧道A曲線段病害現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

由表1病害統(tǒng)計(jì)表可以看出隧道A在彎道區(qū)間曲線段（樁號(hào)：K1+250～K1+265）區(qū)間內(nèi)，隧道拱部出現(xiàn)兩條斜向裂縫，一條環(huán)向裂縫，處出現(xiàn)1條襯砌斜向裂縫，裂縫的長(zhǎng)度介于6.5 m～11.0 m，裂縫的寬度介于3.60 mm～5.00 mm，具體每條裂縫的長(zhǎng)、寬見(jiàn)表1，病害現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)照如圖1所示。

圖1 隧道A結(jié)構(gòu)性病害現(xiàn)場(chǎng)照片

表1 隧道A曲線段病害統(tǒng)計(jì)表

2.2 隧道B曲線段病害現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定期檢測(cè)發(fā)現(xiàn)隧道B在隧道縱向線形上處于彎道上下坡過(guò)渡區(qū)間曲線段樁號(hào)K0+145處右拱腰處出現(xiàn)1條襯砌斜向裂縫，裂縫長(zhǎng)度為6.0 m，裂縫寬度為4.0 mm，現(xiàn)場(chǎng)裂縫形態(tài)如圖2所示。

圖2 隧道B（樁號(hào)：K0+145）結(jié)構(gòu)性病害現(xiàn)場(chǎng)照片

2.3 隧道病害成因分析

A隧道襯砌裂縫集中區(qū)間K1+220～K1+270，樁號(hào)K1+223處拱頂出現(xiàn)一處環(huán)向裂縫、樁號(hào)K1+263處右拱腰處出現(xiàn)一條斜向裂縫、樁號(hào)K1+265處右拱腰出現(xiàn)1條斜向裂縫。該區(qū)間段有一處斷層破碎帶，（產(chǎn)狀：傾向210°～215°，傾角為75°～80°）。斷層破碎帶的存在使隧道拱頂襯砌主要承受松散地壓，另外，隧道沿縱向埋深起伏較大，沿縱向襯砌偏壓較為嚴(yán)重，襯砌結(jié)構(gòu)在松散地壓或偏壓荷載作用下，裂縫較多發(fā)生在拱頂至拱腰位置，這與本次檢測(cè)新發(fā)現(xiàn)的兩條斜向裂縫出現(xiàn)的位置較為吻合。由于隧道沿縱向埋深高低起伏較大，而且跨越了3種不同級(jí)別的圍巖，沿縱向不均勻沉降較大，較大的不均勻沉降直接導(dǎo)致樁號(hào)K1+223處拱頂環(huán)向裂縫的產(chǎn)生。

B隧道在樁號(hào)K0+145處右拱腰施工縫附近襯砌斜向裂縫的產(chǎn)生與該處隧道處于彎道+坡度+偏壓的耦合作用有關(guān)聯(lián)，初步判斷襯砌在“坡度+彎道”過(guò)度區(qū)的差異變形較大。

3 三維有限元分析

3.1 材料計(jì)算參數(shù)

在建立三維有限元模型時(shí)，各巖土層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2 ，圍護(hù)結(jié)構(gòu)（襯砌、錨桿）力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 各巖土層力學(xué)參數(shù)表

表3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)表

3.2 模型的建立

通過(guò)建立有限元模型定性分析偏壓荷載作用下曲隧道在“彎道處”“上下人字坡處”“彎道+上下人字坡處”的變形情況。巖土層采用摩爾庫(kù)倫彈塑性模型，模型寬度為80m，地層深度約80m。隧道及襯砌模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

3.3 有限元結(jié)果分析

由圖4可以看出隧道在彎道+坡度+偏壓作用下，隧道在彎道內(nèi)側(cè)的變形較外側(cè)大，另外，在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫也主要出現(xiàn)在該部位。

圖4 耦合作用下襯砌總變形云圖

由圖5可以看出，襯砌在“彎道+坡度+偏壓的耦合作用”襯砌結(jié)構(gòu)的差異變形較大。

圖5 過(guò)度區(qū)的變形差異

由圖6可以看出，曲線隧道在偏壓荷載作用下，彎道處隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形較其他部位大，邊墻變形最大，拱腰次之，拱頂最小。偏壓荷載作用下隧道變形受“彎道+坡度（縱坡）”影響最大，“坡度（縱坡）”處次之、“彎道處”最小。

圖6 B隧道數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果

綜上分析可知：曲線隧道B在拱腰處（K0+145）施工縫附近襯砌斜向裂縫的產(chǎn)生與該處隧道處于彎道+坡度+偏壓的耦合作用有關(guān)聯(lián)。結(jié)合彈性地基梁理論可以看出，襯砌拱腰內(nèi)側(cè)混凝土受拉，襯砌表面裂縫的形成可能是由于襯砌內(nèi)側(cè)拉應(yīng)力大于混凝土極限拉應(yīng)力所致。該裂縫的新出現(xiàn)說(shuō)明該區(qū)域圍巖壓力有所增加，進(jìn)一步加劇了襯砌縱向差異變形，由此導(dǎo)致的附加拉應(yīng)力是曲線隧道B襯砌斜向裂縫產(chǎn)生的主要原因。

隧道A病害在K1+223～K1+265區(qū)間段處于彎道及上下人字坡過(guò)渡區(qū)，該區(qū)間襯砌差異變形較大，襯砌在該區(qū)段容易因拉應(yīng)力過(guò)大而產(chǎn)生裂縫。該區(qū)間段襯砌裂縫的產(chǎn)生與該區(qū)間段隧道處于彎道上下坡過(guò)渡區(qū)有關(guān)聯(lián)。

4 裂縫治理建議

A隧道襯砌拱部出現(xiàn)3條襯砌通長(zhǎng)裂縫，且結(jié)構(gòu)性裂縫位于斷層破碎帶區(qū)域，據(jù)此可推斷出斷層破碎帶的松散地壓有所增大。B隧道襯砌拱腰處出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性斜向裂縫，處于偏壓狀態(tài)，說(shuō)明該區(qū)域圍巖壓力有所增大。襯砌結(jié)構(gòu)在開(kāi)裂以后，其剛度和分擔(dān)的內(nèi)力均有所降低，荷載會(huì)轉(zhuǎn)移到其他截面上，為了防止襯砌結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)一步的發(fā)展，保障隧道安全運(yùn)營(yíng)，應(yīng)及時(shí)對(duì)隧道進(jìn)行加固。

針對(duì)該類曲線隧道曲線段結(jié)構(gòu)性襯砌裂縫病害，為了防止裂縫進(jìn)一步開(kāi)裂及滲水從裂縫處滲出，建議及時(shí)采取環(huán)氧樹脂低壓注射的方式對(duì)其進(jìn)行封閉，同時(shí)為了提高襯砌結(jié)構(gòu)的剛度及穩(wěn)定性，改善該區(qū)域襯砌的差異變形，建議對(duì)結(jié)構(gòu)性裂縫開(kāi)裂區(qū)段及其前后各20 m范圍內(nèi)采取襯砌環(huán)形型鋼沿二次襯砌表面進(jìn)行環(huán)向加固，可采用H14型鋼，型鋼鋼架間采用縱向鋼筋進(jìn)行定位，為確保鋼架的定位，可在鋼架兩側(cè)設(shè)長(zhǎng)50cm的鋼筋作為鉚釘，環(huán)向間距1m，交錯(cuò)布置。為保證鋼架的穩(wěn)定性和有效性，兩拱腳處和兩邊墻墻腳處加設(shè)鎖腳錨桿。同時(shí)加強(qiáng)巡查，必要時(shí)可對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

該文在對(duì)某市兩座運(yùn)營(yíng)曲線隧道多年定檢的基礎(chǔ)上，對(duì)城市運(yùn)營(yíng)隧道曲線段出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)性襯砌裂縫進(jìn)行定性數(shù)值分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)多年的定檢數(shù)據(jù)以及有限元數(shù)值分析，得到以下4個(gè)結(jié)論：1）曲線隧道曲線段多處于彎道+偏壓狀態(tài)，襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力復(fù)雜，在車輛荷載作用下，易形成結(jié)構(gòu)性襯砌通長(zhǎng)裂縫，影響隧道的運(yùn)營(yíng)安全。2）曲線隧道在偏壓荷載作用下，曲率半徑最小處隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形較其他部位大，邊墻變形最大，拱腰次之，拱頂最小。3）曲線隧道在偏壓荷載作用下，拱腰部位最容易出現(xiàn)裂縫，如不及時(shí)處理裂縫會(huì)延伸至拱頂，或在拱頂部位出現(xiàn)新的裂縫。4）針對(duì)該類曲線隧道曲線段結(jié)構(gòu)性裂縫病害，可采取環(huán)氧樹脂低壓注射對(duì)其進(jìn)行封閉，以防繼續(xù)開(kāi)裂和滲漏水，同時(shí)采取襯砌環(huán)形型鋼沿二次襯砌表面進(jìn)行環(huán)向加固。