某公路隧道衬砌开裂病害成因分析与治理方案

杨 帆 谷丙坤

(济南城建集团有限公司第一分公司，山东 济南 250031)



某公路隧道衬砌开裂病害成因分析与治理方案

杨 帆 谷丙坤

(济南城建集团有限公司第一分公司，山东 济南 250031)

根据湖北某公路隧道二次衬砌开裂情况的现场测量与调查结果，结合数值模拟计算软件，分析了隧道二衬裂损的病害成因，并模拟研究了换衬施工过程及加固后隧道的稳定性，同时与现场监测数据进行对比，确定了最终加固效果。

隧道，衬砌开裂，数值模拟，监控量测

该隧道右线在停工约半年后，个别地段出现了二衬开裂的现象，局部二衬出现了掉块，通过长时间的衬砌裂缝跟踪监测和现场勘察，发现大部分裂缝为拉裂破坏，且暂时仍有继续发展的态势。隧道二次衬砌作为隧道的重要结构储备，出现裂缝损伤不容忽视，因此应加强后期持续的监测，并及时采取合理有效的治理措施对衬砌裂缝进行治理。

1 工程概况

该隧道位于湖北竹溪县境内，隧道长1 085 m，最大埋深134 m，进洞口处于凹型斜坡，坡角坡度为40°～70°，坡向为112°；出洞口处于凸型斜坡，斜坡坡度40°左右，坡面植被茂密，坡向275°。隧道区位于北西向的竹溪褶皱束所属的杨家山向斜内，所涉及的地层主要为志留系，隧址位于向斜翼部，整体产状为单斜产状，倾向北东，产状为27°～40°∠34°～36°，节理发育。隧道区未见发育的区域性断裂。

隧道在右线YK227+154～YK226+911段初支及二衬施工完成后发生变形，且局部二衬出现渗水开裂(见图1)，二衬出现掉块见图2。

2 病害原因分析

根据原有二衬具体资料及现场地质条件，建立数值计算模型，通过理论分析可以得出，典型断面K227+023衬砌开裂的位置可能发生在拱顶附近，实际情况为拱顶出现纵向裂纹，两者较为吻合。图3为K227+023断面的等效塑性应变图。

从表1和图3,图4可得出，隧道地处偏压地段，在洞室相同角度范围内右洞较左洞承受更大的拉力，最大拉力出现在拱顶偏右的位置，这与实际发现的右洞衬砌病害多于左洞衬砌病害也是相一致的，也因此验证了理论计算的正确性。

表1 二次衬砌数值计算理论轴力与开裂承载力对比 kN

3 衬砌裂缝治理方案

隧道衬砌发现裂缝地段多达23处，分布长度达200多米的地段，且多数发生在右线，左线截面衬砌完好。在处理如此的裂缝病害时需要根据不同情况采用不同的处理方案，经过方案比选之后，最后确定最终处理方案如下：

采用拆除重建法进行治理。

拱部与边墙结合部大角度打设中空锚杆并注浆，间距50 cm，双排布设，单根长度3.5 m。二衬拆除前拱墙打设注浆小导管进行注浆加固，纵环间距1.0 m×1.2 m，处理参数为采用XS5a加强，具体参数视现场情况定夺。二衬及仰拱拆除分段进行，具体方法为：先拆除一段二次衬砌混凝土，长度控制在3 m以内。再拆除原初期支护，原初期支护拱架逐榀拆除，并扩挖至变更后的开挖断面，及时初喷混凝土，架设初期支护拱架，打锚杆、挂钢筋网，复喷混凝土至设计厚度，初期支护换拱架时，先从拱顶进行更换，再更换边墙。初期支护更换达到拆除二衬混凝土长度(3 m以内)时，拆除仰拱填充及仰拱混凝土，施工新仰拱。按此方法循环进行，当初期支护换拱累计达到9 m时即施作一组二衬。

4 换衬施工过程数值模拟

本文通过建立整个施工过程的数值计算模型来验证整套施工方案的切实可行性。数值模型主要以该隧道的典型断面K227+023断面为例，详细阐述了分析过程以及相应的结果。该数值计算模型垂直方向尺寸选择为：从隧道底部往下4D的深度，往上为顶部地表轮廓线，两边侧各选择5D的长度。

施工阶段的划分：第一阶段：在施工地段架设临时护拱，间距1 m。拱墙打设锚杆并注浆；第二阶段：拆除原有二衬及初衬；第三阶段：施作新的初期支护；第四阶段：开挖仰拱并施作新的仰拱；第五阶段：施作新的二衬。

在施工过程中，虽然拱脚与仰拱的围岩应力将会有一定的变化，并且可能出现相对较大的变化幅度，但考虑到极易对隧道结构构成危险的是拱顶与拱腰处的非正常受力，因此在施工过程中更关心拱顶加固区和拱腰加固区围岩的应力变化情况。

图5～图8为各施工步骤下隧道周边围岩的第一主应力分布状况。从分析结果中可以看出，在拆除原有衬砌后隧道拱顶围岩的应力最大，最大值为2.31 MPa，出现在右洞拱顶偏右的位置，可见在拆除原有衬砌后隧道处于最危险阶段。随着施工步骤的增加，拱顶处围岩压力在逐渐缩小，塑性区也在慢慢变小。并且可明显看出，在各个施工阶段下右侧拱腰处的围岩应力要明显大于左侧的，这与实际隧道截面处于偏压地形中是一致的。中间边墙的围岩压力要略大于两侧边墙的，这与实际隧道受力规律是相符的。在隧道底部仰拱处，围岩压力为最小，在拱脚部位围岩压力要略大于仰拱位置的，但应力值均不大，可见锚杆注浆对围岩起到了很好的加固效果。

由图9可以得出，在该步骤结束后右洞混凝土衬砌受力仍旧不十分均匀，右侧拱腰部分区域出现拉应力区，但拉应力值不大，最大值仅为1.15 MPa，未超过该区域混凝土的抗裂轴力极限值。

5 结语

1)结合现场实际地形地貌和地质条件，利用有限元数值模拟软件MIDAS/GTS反演分析了衬砌开裂的原因，并将数值计算结果与实际状况比对，确定偏压引起了局部围岩压力过大，致使衬砌混凝土拱顶及右侧拱腰处出现较大的拉应力，该拉应力大于衬砌混凝土的开裂轴力，因此该区域衬砌出现裂缝损伤。2)根据隧道现场实际情况及方案比选确定了最终切实可行的衬砌裂缝治理方案，并通过软件对施工过程中围岩的应力应变进行数值模拟，验证了治理方案的切实可行性。3)通过数值模拟结果可以看出，在衬砌更换前后隧道围岩对衬砌的压力变化不大，衬砌混凝土受拉区域也没有明显的变化。但更换后的衬砌由于具有较强的承载能力，以及锚杆注浆措施的加固，足以承受隧道的偏压应力，且具有相当的安全储备。4)本文对衬砌更换过程中的数值模拟是根据理想状态下的条件进行的，未考虑现场实际的弱爆破和冲击破碎两种拆除衬砌的方式对临近围岩和既有衬砌的扰动，因此为了模拟结果更贴近实际，现场施工模拟内容需要进一步改进研究。

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Astract： Rely on a highway’s secondary lining cracking situation of the tunnel in Hubei Province,collected some materials and data.Combined with the numerical simulation software of the secondary lining cracks in tunnel,analyzed the reasons for lining cracks.At the same time,there are some finite element simulations in the tunnel construction process and the stability of reinforced tunnels,and finally compared with field monitoring data,determined the final reinforcement effect.

Cause analysis of lining cracking behaviour and treatment for highway tunnel

Yang Fan Gu Bingkun

(JinanUrbanConstructionGroupCo.,Ltd,theFirstBranch,Jinan250031,China)

tunnel,lining cracks,numerical simulation,monitoring measurement

1009-6825(2016)29-0183-02

2016-08-05

杨 帆(1991- )，男，硕士,助理工程师

U457.2

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