某隧道拱顶纵向开裂及断面变形监测研究

欧阳景峰 周庠天

(1.江西赣粤高速公路股份有限公司九景管理处，江西 九江 332000； 2.柳州欧维姆结构检测技术有限公司，广西 柳州 545036)

某隧道拱顶纵向开裂及断面变形监测研究

欧阳景峰1周庠天2

(1.江西赣粤高速公路股份有限公司九景管理处，江西 九江 332000； 2.柳州欧维姆结构检测技术有限公司，广西 柳州 545036)

隧道的安全性对保证高速公路的畅通运行至关重要，针对某高速公路隧道拱顶纵向开裂，为了研究隧道拱顶开裂成因，对其衬砌开裂情况进行检测和分析，指出开裂原因主要为衬砌材质不合理、构造不满足设计要求和围岩偏压三个因素，采用注浆法对裂缝进行修补，取得了良好的效果，并对裂缝的长度和宽度进行监测，建立了隧道断面变形的实时监测系统，实时监测隧道的拱顶下沉和净空收敛，可为同类型隧道裂缝的处治与实时监测提供借鉴和参考。

隧道，纵向裂缝，成因，处治，变形监测

1 概述

近年来，我国的高速公路建设取得巨大发展，作为高速公路的关键节点，隧道的安全性对高速公路的畅通运行至关重要，随着时间的推移一些早期修建的隧道出现了不同类型和程度的病害，其中比较典型的便是裂缝，对隧道的安全性构成了严重的威胁，造成其开裂的主要原因有偏压、局部空洞和不均匀沉降等因素[1]，成为业界的研究热点之一，有学者为评判公路隧道衬砌结构裂缝的稳定性，建立了一种基于断裂力学的公路隧道素混凝土衬砌裂缝稳定性理论分析方法[2]，也有学者基于灰色突变理论建立了隧道衬砌裂缝诊断模型[3]，基于杂交有限元—离散元法FDEM针对隧道衬砌的开裂过程进行数值分析[4]，这些研究都为揭示隧道的开裂机理提供了理论支撑，针对隧道裂缝的智能检测研究也应运而生，例如隧道衬砌裂缝自动监测系统等[5,6]。目前针对隧道裂缝的修补，主要有埋管注浆法和钢拱架+注浆锚杆法[7]，也有学者提出了早强纤维编织网增强混凝土(TRC)加固法[8]，此外采用环氧树脂对裂缝进行充填、环向钢板箍贴二衬进行处治[9]，采用型钢网格混凝土加固[10]，地表旋喷桩加固综合治理[11]等，也应用的比较多，这些方法各有特点及适用工况。本文以某高速公路上的隧道为工程依托，针对其裂缝开裂进行检测、分析和处治，并建立监测系统实时监测隧道断面变形，可为国内同类型隧道开裂的处治和断面变形实时监测提供借鉴和参考。

2 依托工程

隧道为双向两车道，单洞净宽×净高：10.25 m×7.425 m，洞身衬砌采用三心圆曲墙式。检测发现的裂缝位于拱顶，纵向，起伏状，2010年7月检测时裂缝长度为8 m，宽度为1.6 mm，深度约43 mm，两点渗水，2016年检测时，裂缝长度为19.5 m，约2 mm，深度约45 mm，有白色晶体析出，可知裂缝存在一定程度的发展，长度约以2 m/年的速度朝隧道纵向延伸，宽度及深度也存在一定程度的扩展，2010年和2016年的裂缝分别见图1,图2。

3 裂缝成因分析及处治对策

3.1裂缝成因分析

根据检测结果，隧道裂缝段洞口衬砌类型为素混凝土，抗折能力较差，见表1，经雷达扫描发现该段拱顶部位实测二衬混凝土厚度小于设计厚度，不满足设计要求，局部形成薄弱区域，易出现裂缝，检测结果见表2,表3，其次该隧道洞口段属围岩偏压段，围岩偏压不利于二衬受力，易产生变形裂缝。

表1 右线隧道设计参数表

表2 隧道右线地质雷达检测结果表

表3 隧道右线衬砌厚度表 cm

综上所述，通过对检测结果进行分析可知，隧道拱顶纵向开裂的主要原因为衬砌材质不合理、构造不满足设计要求和围岩偏压三个因素。

3.2裂缝处治对策

基于裂缝的检测、监测结果和成因分析，裂缝的处治对策如下，采用低压注射法修补裂缝，流程如下：

1)使用压缩空气对裂缝进行清理。

2)使用封口胶在裂缝两侧每固定间隔黏接注射筒底座，对裂缝全长进行封缝。

3)待封口胶固化后，进行注胶，待胶液固化后，进行表面清理，整平混凝土表面。

4)进行薄膜覆盖养护。

由于隧道衬砌在荷载和其他外界因素作用下，该处裂缝病害存在继续发展可能，对裂缝长度和宽度变化规律进行长期监测，裂缝长度监测主要有尖端标记法和砂浆涂抹法，本次采用尖端标记法进行裂缝长度的监测。裂缝宽度监测主要有标点量测法和裂缝计测量法，本次采用裂缝计测量法进行裂缝宽度的监测。监测位置布置：距洞口约15 m和25 m两个断面，每半小时采集一次。

4 隧道断面变形实时监测

为了掌握隧道裂缝的发展，分析隧道拱顶沉降和净空收敛之间关系，以便及时有效进行处治以确保安全，对该隧道拱顶沉降和净空收敛进行监测，每代表性地段1个～2个断面，每断面1个测点。

4.1系统架构与功能

为了实现自动化、信息化、实时性等效果，基于隧道结构特点，建立隧道监测系统，架构图见图3，拱顶沉降和净空收敛监测的布置图见图4。

1)实现远程自动化监测和无线传输。

2)实现监测信息化管理，不同人员具有不同的访问权限，可以查看不同的内容。

3)系统自动分析监测的数据及其变化规律，判断隧道结构的安全状况。

4)系统会自动对监测异常的数据报警，并实时通知相关人员处理。

4.2系统技术指标

系统技术指标见表4。

表4 系统技术指标

4.3拱顶下沉监测

1)监测原理。

采用等比法对拱顶沉降监测，监测布置图见图5，距离AB和距离AC分别由激光测距仪和全站仪测得，拱顶沉降计算示意图如图6所示，由等比法可得式(1)，式(2)。

=

(1)

(2)

其中，AF=AB-BF；Δh为累计拱顶沉降量。

2)测点布设。

在距洞口10 m和20 m两个断面布设测点，设2套监测设备，拱顶沉降/收敛监测采用FTM-50S激光测距仪，配套FS-D04数据采集系统V1.0。

4.4净空收敛监测

通过激光测距仪监测拱腰处净空收敛，根据拱腰净空收敛测量隧道围岩的净空收敛，监测断面和监测设备与拱顶沉降监测项一致。

5 结语

针对某高速公路隧道拱顶纵向开裂，对其隧道拱顶纵向开裂进行监测和成因分析，并对隧道断面的拱顶下沉和净空收敛进行实时监测，结论如下：

1)隧道拱顶纵向开裂原因主要为衬砌材质差、构造不满足设计要求和围岩偏压三个因素，隧道结构设计中应重视衬砌的材质选择和构造要求，同时对隧道的结构进行优化，尽量减少围岩偏压对隧道开裂的影响；

2)隧道拱顶出现裂缝后，对隧道的拱顶下沉和净空收敛监测至关重要，可为以后隧道裂缝的成因分析、处治和健康监测系统提供基础研究数据。

[1] 秦 溱.连拱隧道衬砌裂缝现场调查与数值模拟分析[J].中外公路，2016，36(6)：199-203.

[2] 王亚琼，刘占良，张素磊，等.在役公路隧道素混凝土衬砌裂缝稳定性分析[J].中国公路学报，2015，28(7)：77-85.

[3] 张素磊，陈 淮，王亚琼.基于灰色突变理论的隧道衬砌裂缝诊断模型[J].交通运输工程学报，2015，15(3)：34-40.

[4] 刘新根，刘学增，齐 磊，等.公路隧道衬砌病害力学模拟研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2015，34(3)：26-31.

[5] 王耀东，余祖俊，白 彪，等.基于图像处理的地铁隧道裂缝识别算法研究[J].仪器仪表学报，2014，35(7)：1489-1496.

[6] 王 睿，漆泰岳，雷 波，等.隧道衬砌裂缝特征提取方法研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34(6)：1211-1217.

[7] 薛晓辉，张 军，宿钟鸣，等.带裂缝隧道衬砌安全性评价及处治技术研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2016，35(1)：28-32.

[8] 刘德军，黄宏伟，岳清瑞，等.隧道衬砌张拉裂缝开裂机制及快速修复方法初探[J].土木工程学报，2015，48(S1)：236-243.

[9] 杨明举，黄景林.隧道衬砌开裂探析及处治措施[J].公路，2014(8)：304-307.

[10] 赵建邦.某高速公路隧道仰拱开裂处治设计方案研究[J].公路，2014(5)：147-149.

[11] 赵虎生.梨树塔隧道病害成因分析及综合治理[J].公路，2014(5)：63-68.

Longitudinalcrackandsectiondeformationmonitoringofatunnelvault

OuyangJingfeng1ZhouXiangtian2

(1.JiujingManagementOffice,JiangxiGanyueHighwayJointStockLimitedCompany,Jiujiang332000,China; 2.LiuzhouOVMStructuralDetectionTechnologyCo.,Ltd,Liuzhou545036,China)

Tunnel safety is crucial important to ensure operation safety of highway. Based on longitudinal cracking in a highway tunnel, in order to study causes of vault cracks in tunnel, lining cracking was detected and analyzed, three main reasons of tunnel vault cracking were pointed out as follows: lining material adopted was unreasonable, structure can’t meet design requirements, and rock mass bias, grouting method was used to repair cracks, good effects were achieved, length and width of crack were monitored, real-time monitoring system of tunnel deformation was established, tunnel vault sink and lateral convergence were monitored real time, which can provide reference for the same type of tunnel crack treatment and real-time monitoring.

tunnel, longitudinal crack, cause, treatment, real-time monitoring

1009-6825(2017)32-0161-03

2017-09-04

欧阳景峰(1969- )，男，工程师; 周庠天(1973- )，男，高级工程师

U457

A