浅埋隧道拱部裂纹产生机理及处理技术

雷东娄

（中国核工业华兴建设有限公司，江苏 南京 210019）

浅埋隧道拱部裂纹产生机理及处理技术

雷东娄

（中国核工业华兴建设有限公司，江苏 南京 210019）

文章介绍云桂铁路云南段董弄隧道地形地貌、地质构造、围岩类型、拱部及地表裂纹产状，分析该隧道地表及拱部裂纹的产生机理，最后介绍了其处置措施，可为类似工程提供参考。

浅埋隧道；拱部裂纹；产生机理；处置

随着我国交通事业的高速发展，隧道施工面临各类复杂恶劣的施工条件，浅埋隧道施工难度相对较小，出现的问题较少。但出现的问题往往缺少类似工程的解决方案参考，需要专题研究。

1 工程概况

董弄隧道位于白腊寨～广南区间，进口里程DK414+809，出口里程DK415+554，全长745m。

1.1 地形地貌

属构造剥蚀、侵蚀低中山地貌，地形起伏较大，地面高程1220～1305m。DK415+200～DK415+554段地面横坡陡峻，自然坡度15～40°，局部较陡，地形等高线与线路中线近平行，为傍山隧道。该段坡面植被发育，横向冲沟发育，基岩零星出露，隧道拱顶以上最大埋深约58m。

1.2 地层岩性及地质构造

隧道穿越地层为三叠系中统板纳组下段（T[2]b（b））泥质粉砂岩夹泥岩、细砂岩及板纳组上段（T[2]b（a））砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩。

1.3 围岩级别

本段采用V级B型复合式衬砌，采用全环I22b型钢钢架加强支护并辅以拱部Ф60中管棚/!108大管棚超前支护，钢架间距0.6m，大拱脚台阶法开挖。

2 产生机理

2.1 出现的问题

（1）地表裂缝特征。根据地表裂缝调查及实测，其主要特征如下：地表裂缝纵向主要分布于线路左侧（靠山侧），裂缝走向近平行于线路；裂缝横向位于隧道左线线路中线左侧10～30m，并随着隧道埋深增大逐渐远离隧道中线。其中DK415+430～DK415+532段最远离线路方向裂缝纵向连续，为地表主裂缝。主裂缝最大宽度约25cm，最大宽度位于DK415+460～+480段，平均宽度约10～15cm，裂缝可见错台，错台最大高度约20cm；其余裂缝宽度约3～5cm。地表裂缝新老不一，少量裂缝内可见青苔。从地表裂缝内青苔情况分析，部分裂缝可能为隧道开挖期间形成的。

（2）洞内裂纹特征。裂纹纵向分布范围为DK415+200～DK415+554段共354m，隧道二衬拱部衬砌开裂，以纵向“V”字形外张形态裂纹为主。局部存在环、斜向裂纹，裂纹主要分布于隧道拱部偏左侧位置，且呈现越向大里程方向其分布越居中的迹象。裂纹深度未贯通隧道衬砌结构，裂纹最大宽度约2mm，一般0.2～1mm，裂纹最大深度约20～25cm，总体上拱部左侧裂纹宽度大于右侧。

2.2 结构检算及反分析

针对董弄隧道DK415+200～DK415+554段二衬拱部开裂情况，为进一步分析变形原因，确定衬砌结构安全性、分析现状地形地质条件下衬砌结构的适应性，对衬砌结构开展了数值模拟分析。

隧道衬砌结构受力分析采用荷载-结构模型、平面杆系有限元位移法。隧道衬砌结构采用梁单元，围岩采用平面杆系进行模拟。结构模型采用主动荷载加围岩弹性约束。计算中考虑复合衬砌背后完全回填密实，考虑仰拱与衬砌共同作用，并假定衬砌背后围岩能提供径向弹性反力。围岩荷载按《隧规》附录B偏压隧道衬砌计算方法取值，二衬承受围岩荷载比例按70%考虑。根据上述计算模型，采用有限元软件对董弄隧道的V级B型复合式衬砌结构按破损阶段法进行强度验算，对裂缝宽度按正常使用极限状态法进行验算，结果如下：现状衬砌结构开裂后其安全系数降低，安全系数1～2，不满足《隧规》的要求。

浅埋偏压隧道在开挖过程中洞内初期支护变形引起隧道两侧形成破裂面，衬砌结构主要承受破裂面范围土柱的垂直荷载。其垂直荷载大小主要由隧道埋深及土柱两侧的摩擦角控制，随着摩擦角的减小衬砌结构承受的垂直荷载明显增加造成衬砌结构结构开裂，同时地面横坡及土体侧向约束力对其有一定影响。

综合现场调绘、位移监测、地质核查及补充勘测、结构检算及反分析的结论，分析董弄隧道DK415+200～DK415+554段衬砌开裂的原因如下：

（1）董弄隧道处于岭南巨型复杂纬向构造带的西段与滇越巨型旋扭构造体系的复合（叠加）部位，区域地质构造较复杂。隧道处于区域性断裂小寨逆断层的下盘，开裂段处于董弄向斜NW翼，受断裂及褶皱影响，隧道区节理裂隙发育，岩体破碎。隧道洞身围岩为泥质粉砂岩夹泥岩，风化差异较大，多呈强风化状，局部呈弱风化、全风化，结合力差，围岩强度很低。开裂段斜坡左高又低，自然坡度约30°，为傍山隧道。从地形上看，存在偏压现象，对隧道变形具有一定的影响。地表裂纹主要分布于左侧，是隧道地形偏压的表现。隧道穿越地层岩性为砂泥岩，以强风化为主，遇水易软化。近几年该区雨季降雨丰富，降雨沿自然斜坡漫流后进入早期形成的裂纹，使得拱顶围岩含水量增大，岩土体重量增加，进一步恶化拱顶围岩强度，加大拱顶荷载。根据洞内及地表裂缝的分布、衬砌裂纹钻孔取芯的情况分析，衬砌开裂是由于其承受的竖向荷载过大造成的，同时地面横坡对裂纹的分布有一定的影响。

（2）隧道开挖使得洞身围岩松弛，存在松动圈，工序转换时。特别是洞内初支过度变形使得松动圈范围扩大，延伸至地表导致地表出现裂纹。根据结构检算及反分析并结合地质补勘情况，由于开挖过程中初期支护变形较大引起隧道周边一定范围形成松动圈，松动圈内土柱摩擦力减小造成竖向荷载增大。随着隧道埋深的减小，松动圈引起地表开裂后地表降雨下渗降低了土柱的摩擦力，同时岩土体重量增加，拱顶荷载加大导致拱部出现顺线路方向为主的张性裂纹并引起地面产生新的错台，同时地形偏压也加剧了隧道拱顶的变形。

（3）根据地质补勘情况，隧道两侧分布竖向节理密集带。根据物探结论推测该节理密集带，节理密集带与线路小角度相交，于DK415+320～DK415+420段从线路右侧穿越至线路左侧。竖向节理密集带的存在消弱了地形偏压引起的水平荷载，增加了竖向荷载。这与DK415+380～DK415+440段衬砌裂纹拱部分布范围较大，横向分布相对居中的情况相吻合。结合洞内二村裂纹发育的部位、延伸方向分析，该裂纹为拱拱顶垂直荷载作用形成的张性裂纹。

（4）根据施工过程中监控量测显示，该段初期支护变形以沉降为主，印证了隧道拱部竖向荷载过大。

3 处理措施

3.1 注浆加固围岩

对隧道衬砌周边围岩进行注浆加固，以提高围岩力学指标及自承载能力，避免地表水下渗恶化衬砌周边围岩环境，并结合隧道埋深其加固措施如下：

（1）洞内注浆加固。隧道埋深超过40m，采用洞内注浆加固围岩。具体如下：拱墙180°以上范围采用Ф42×3.5径向钢花管注浆加固衬砌周边围岩，钢花管间距1.2m（环）×1.2m（纵），长5.0m。注浆材料宜采用早强、流动性好的水泥浆液，水泥浆水灰比1∶1，注浆压力控制在0.3～0.5MPa。当注浆压力达到设计终压并稳定5min以上、吸浆量很少或不吸浆时即可结束该孔注浆。

（2）地表注浆加固。隧道埋深小于等于40m，采用地表注浆加固围岩。具体如下：①加固范围：拱顶及边墙两侧进行袖阀管注浆加固，其中边墙范围为隧道两侧开挖轮廓线外7m，注浆深度范围为仰拱顶面至拱顶以上16m；拱部范围注浆深度为拱顶以上2～16m，拱顶以上高度不足16m时加固至地表；②注浆方式：采用袖阀管注浆，钻孔采用Ф89mm，阀管材料采用外径Ф76mm无缝钢管加工制成，壁厚6mm，每米均匀环向设置溢浆孔3个，溢浆孔直径6mm。袖阀管采用水囊式止浆塞分段进行注浆，由孔底逐段向孔口分段式注浆，不得采用钢管桩孔口直接连接丝扣连接注浆管的一次性注浆方式。袖阀管套壳料采用膨润土掺水泥浆，膨润土、水泥、水的比例为1.5∶2∶2；③注浆孔布置：为保障注浆效果，注浆孔布置按中间稀、边缘密的方式进行布孔。浆液扩散半径不小于1.5m，隧道两侧范围注浆孔间距1.5m×1.5m，两侧各布置4排；拱部范围注浆孔间距2.0m×2.0m，共布置9排，注浆孔均按梅花形布置；④注浆压力及浆液参数：注浆过程中应按先两侧后中间的顺序，边缘部位注浓浆，水灰比0.8∶1，中间部位注稀浆水灰比1∶1，注浆压力0.8MPa，注浆终压1.2MPa；注浆材料宜采用早强、流动性好的水泥浆液。

（3）洞内结构补强。拱部衬砌拆换范围：结合衬砌拱部裂纹分布特征，拆换范围应覆盖裂纹分布范围。同时为确保拆换范围新筑衬砌具备自成拱能力，并结合结构计算衬砌弯矩分布情况，拆换界面尽量设置在弯矩较小处，本次确定拆换横向范围为隧道中线两侧各60°。

3.2 拱部衬砌拆换

拱部衬砌拆换措施：①拆除：拆除前，应先完成围岩注浆加固。拆除时应预留拱部环向钢筋作为新旧砼搭接钢筋用。拆除应采用分段跳拆的方式，每次拆除长度不得大于2.0m。为保证拆除安全，拆除拱脚利用注浆钢花管与既有衬砌钢筋焊接作为锁脚锚管；②防排水：拆除原衬砌后应重新铺设防水板及无纺布，并确保新旧防水板搭接、焊接满足规范要求，对新旧砼界面处采用凿毛并高压水冲洗，并涂刷界面剂，接缝处设置1道遇水膨胀橡胶止水条；③重筑：一次性浇筑拱部拆除范围二衬及套衬，新建二衬及套衬采用C35钢筋砼，拱部二衬内环向钢筋采用Ф25@200mm双层螺纹钢筋，纵向钢筋采用Ф14@250mm，箍筋采用Ф8钢筋。

3.3 拱墙套衬补强

套衬施作前应严格按要求完成围岩注浆加固。将原有衬砌内表面凿除2cm，完成后将凿毛面清理干净，以保证新旧混凝土连接良好。原有衬砌植入Ф18定位钢筋钎钉，钎钉长40cm，钎钉间距0.5m（环）×0.5m（纵），梅花形布置，伸入原有衬砌内20cm，并涂抹植筋胶。墙脚处打设Ф42锁脚锚管，每处2根，每根长3.0m，纵向间距0.5m，并注1∶1水泥浆。施作套衬钢筋混凝土，套衬施工环向施工缝设置一道遇水膨胀橡胶止水条。

3.4 其他措施

（1）明洞裂纹处理措施。对明洞段衬砌裂纹采用注环氧树脂封闭的措施，注浆封堵完成后，于衬砌拱部120°范围内缘涂刷防碳化层。

（2）防排水措施。为避免地表水大量下渗进一步恶化围岩环境，同时减小地下水对结构的危害，对地表水采用截排措施。具体如下：对地表裂缝对地表裂缝采用凿槽灌浆设置防水板封堵，凿槽尺寸0.5m（宽）×0.5m（深），并对裂缝采用M7.5水泥砂浆灌填，灌浆后表层铺设防水板并回填黏土隔水层。同时于该段线路左侧设置2道纵向截水天沟，线路右侧设置1道截水天沟，纵向截水天沟之间设置6道横向截水沟，将地表水截引排至将线路右侧河道，截水沟截面尺寸60cm（宽）×60cm（高）。

4 结束语

通过一年来对董弄隧道的地表及洞内收敛位移和拱顶下沉量观测定量分析，得出的结论是：该处理方案对于稳定性较差的浅埋隧道偏压产生的地表裂纹和拱顶裂纹处理起到了很好的处理效果。

[1]铁路隧道设计规范[S].TB10003-2005.

[2]建筑地基处理技术规范[S].JGJ79-2012.

U45

A

2096-2789（2016）12-0041-02