紧邻既有隧道的新建隧道衬砌裂缝发展及整治方案研究*

方恩权 赵乙丁 陈宝林

(1. 广州地铁集团有限公司，510330，广州； 2. 中南大学土木工程学院，410075，长沙//第一作者，高级工程师)

目前，国内外学者针对倾斜层状岩体对隧道的影响开展了大量的工作[1-9]，对层状岩体对地下洞室稳定性以及既有隧道与新建隧道相互影响进行了一定的阐述，但对隧道衬砌结构受层状岩体以及紧邻隧道双重影响下的安全性与稳定性问题的研究还不深入。本文针对某新建隧道右边墙严重开裂现象进行研究，探究开裂的原因，寻求有效的加固整治措施。

1 工程概况

1.1 基本情况

受损隧道位于中国西南某地区，属于中低山地貌，地面高程916～1 021 m。隧道全长1 628 m，最大埋深99 m。隧道施工时穿越节理裂隙发育的单斜层状岩体，邻近一既有高铁隧道。施工期结束3个月后，隧道衬砌右边墙出现严重的纵向开裂现象，隧道结构安全性受到严重威胁。隧道线路穿越山峰、丘包和山间溶蚀凹槽，地势延绵起伏。凹槽内无常年性流水，丘包生长树木及灌木丛。隧道进出口及洞身溶蚀凹槽分布整个村组，人口、房屋较多。DK267+680—DK268+740正上方分布一处水塘，DK267+050—DK268+740+168右侧68 m分布一处水塘。隧道穿越地层岩性主要为灰岩、泥岩、页岩，地层单斜，岩层产状N25°—N45°E/42°—57°S,无断层通过，地质构造相对简单，隧道穿越可溶岩段，岩溶强烈发育。整个隧道穿越地层复杂，岩性多变，处于地质条件敏感地段，且该隧道与渝黔线某高铁隧道并行。图1为隧道受损区间的地质纵断面图。

1.2 隧道支护参数

隧道为单线无砟轨道货运铁路隧道，隧洞衬砌结构设计以复合式衬砌结构为指导原则。本文分析断面为纵向开裂严重区域DK267+430—DK267+615，该段采用Ⅳb型复合支护方式(见图2)。具体支护方式和参数为：初支喷射混凝土等级C25，厚度为15 cm；拱部打设φ25中空注浆锚杆，边墙打设φ22全长粘结型砂浆锚杆，间距1.2 m×1.2 m；拱墙φ6钢筋网间距25 cm×25 cm；三肢格栅钢架间距1.0～1.5 m；二衬为C30素混凝土，边墙厚为30 cm，仰拱厚为40 cm。

图1 隧道受损区间地质纵断面图

图2 Ⅳb型复合支护设计示意图

1.3 隧道开挖方式

隧道主要采用锚喷构筑法施工，主要工序采用机械化作业，出渣采用无轨运输方式，二次衬砌浇筑采用模板台车。Ⅲ级围岩段采用全断面施工法，Ⅳ、Ⅴ级围岩段采用台阶法施工。

2 右边墙纵向裂缝原因分析

2.1 裂缝调查与监测

隧道于2017年1月下旬完成所有衬砌施工。2017年8月初，现场施工员在日常巡视中发现衬砌开裂，纵向贯穿裂缝、网状裂缝均有发现。裂缝主要出现在DK267+430—DK268+069段，宽度为0.5～3.0 mm不等，裂缝高度高于轨面1.0～3.5 m，环向网状裂缝甚至高达6 m。在拱顶注浆过程中，部分裂缝有浆液露出。经过现场勘查，洞顶地表未发现变化，无砟轨道未发现开裂情况。隧道衬砌开裂严重段右边墙裂缝分布情况如图3 a)所示。其中里程DK267+464断面附近有一条左右延伸约107 m的纵向裂缝，裂缝宽度约为3 mm左右，位于右侧边墙高于轨面1.5 m左右范围内，如图3 b)所示。发现开裂现象之后，现场对受损边墙采取钻芯取样的方式进行调查，如图3 c)所示，发现裂缝已基本贯穿，二次衬砌受损情况较为严重。

a) 开裂严重段右边墙裂缝素描

b) DK267+464断面附近纵向裂缝

c) 开裂段衬砌钻孔取芯图3 现场衬砌裂损调查图例

为保证隧道衬砌结构的安全性，综合考虑裂缝位置、宽度初值、裂缝类型、支护参数等条件后，共选取15处典型裂缝，于2017年9月24日开始为期一个月左右的专项监测方案。现场通过布置表贴式混凝土应变计进行裂缝发展状况监测，部分典型监测结果如图4所示。从监测结果可以看出所测裂缝宽度还处于增长变化阶段，且有继续发展扩大的趋势，所以可以得出裂缝仍处于持续发展状态。

基于上述专项监测的结果，需要对衬砌开裂的原因进行具体分析讨论，并在此基础上提出有针对性的补强处理措施来保证隧道衬砌的安全与稳定。

图4 裂缝宽度发展情况(2017年)

2.2 边墙纵向裂缝产生原因初步分析

根据裂缝的开裂状态和开裂位置可以判断衬砌开裂是由于衬砌结构右边墙受较大拉应力造成的。现场如图5 a)所示，裂损隧道紧邻一既有高铁隧道，而开裂段隧道中线与邻近高铁隧道中线不足15 m，且两隧轨道面存在一定的高度差。衬砌开裂可能是由于开挖造成两隧道之间中岩柱扰动，松散破碎的围岩在开裂部位对隧道形成较大的拉力造成开裂。除此之外，发生开裂现象之后，现场对部分段受损衬砌进行了凿除工作。根据图5 b)所示，凿除工作造成部分初支后围岩裸露。裸露围岩节理裂隙发育，较为破碎，呈与隧道径向夹45°的单斜状态。由此可以看出，倾斜岩层的地层偏压可能也是造成二次衬砌开裂的一个重要因素。

a) 紧邻既有高铁隧道b) 拆除后裸露基岩

图5 开裂原因现场调查图例

为进一步验证上述所调查的2种造成二衬开裂原因的正确性，本文将利用有限元软件建立相关分析工况加以论证。

3 二次衬砌开裂的数值分析

3.1 模型的建立

为更加方便、合理地反映隧址所处单倾向层状岩体的地质条件，数值模拟分析采用加拿大Rocsience公司开发的岩土工程弹塑性有限元分析软件RS2(Phase2)[10]。根据现场的纵向裂缝选取典型断面DK267+464(Ⅳb断面)进行数值建模。该断面隧道埋深约80 m，受损隧道中线与邻近高铁隧道左线间距约为13.7 m，轨面比邻近隧道轨面标高低约2.2 m。为消除边界效应的影响，左右边界取3～5倍洞径，下边界取3倍洞高，选取160 m×120 m的几何模型，如图6所示。模型边界条件如下：左、右两边x方向水平约束，底部y方向竖向约束，上表面自由。数值模拟采用平面应变模型，其中，地层采用实体单元模拟，选用Mohr-Coulomb屈服准则；隧道支护结构采用梁单元进行模拟。数值模型将初支和二衬视为弹性材料，并把初支中钢架的相关力学参数等效换算到混凝土中[11]进行一定的简化处理，如式(1)所示：

E′=E0+SgEg/Sc

(1)

式中：

E′——折算后混凝土的弹性模量；

E0——原混凝土的弹性模量；

Sg——钢拱架的截面积；

Eg——钢材的弹性模量；

Sc——混凝土的截面积。

图6 数值模拟几何模型

此处对应邻近高铁隧道里程约DK215+446，衬砌类型为Ⅳay非绝缘锚段复合。支护参数如下：初期支护采用厚度为23 cm的C25喷射混凝土，二次衬砌采用厚度为45 cm的C35钢筋混凝土。

综上所述，数值模型按照地层结构法构建，计算主要讨论隧道建成后的衬砌受力情况，因此不考虑隧道开挖过程及其对围岩扰动的影响。隧道一次开挖成型，施作衬砌，承担围岩荷载。

3.2 计算工况

为研究倾斜岩层、邻近隧道是否为衬砌开裂原因，选取3种不同工况进行模拟验证。各种工况的计算条件如表1所示。所有数值模型材料选取参数如表2所示。其中，根据地勘资料及部分拆除段裸露基岩情况对单斜围岩进行明确定义，节理组合状态采取平行确定型；岩体单斜倾角为45°；岩层间距为5 m；节理边界不闭合且采取随机分布形态。

表1 计算工况

表2 物理力学参数

3.3 数值模拟结果

表3为3种工况下模型示意图和弯矩图，图中弯矩大小取同一比例尺，图中弯矩均画在衬砌的受拉侧，并规定衬砌内表面受拉为正。

对比3个不同系列的工况不难看出，衬砌弯矩呈现明显的不对称性，而最大弯矩主要分布于拱脚处。现场开裂的右边墙位置，在工况1情况下以受拉为主；同样位置，在工况2情况下上部受拉，下部靠近拱脚位置受压；在工况3条件下，右边墙受拉侧弯矩量值增幅明显。边墙部位衬砌计算结果与现场出现的开裂现象有较好的一致性，初步判断倾斜岩层地形和临近隧道是引起隧道衬砌右边墙部位拉裂主要原因之一。

下面对隧道典型位置(见图7)内力做进一步分析，参考《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2005)[12]对典型位置进行安全系数检算。在获得二衬的轴力和弯矩后，用衬砌结构构件截面承载力设计值与实际受力值进行比较，可计算得出衬砌的安全系数，将安全系数与规定的临界值进行对比。如果计算所得的安全系数不小于规范规定的临界值，则认为其安全性满足规范要求。对于素混凝土结构，混凝土矩形截面中心及偏心受压构件的抗压强度应按式(2)计算：

KN≤φαRabh

(2)

式中：

Ra——混凝土的抗压极限强度，MPa；

K——安全系数；

N——构件轴力，MN；

b——截面宽度，m；

h——截面厚度，m；

φ——构建的纵向弯曲系数；

α——纵向力偏心影响系数。

从抗裂要求出发，混凝土矩形截面偏心受压构件的抗拉强度应按式(3)计算：

式中：

Rl——混凝土的抗压极限强度，MPa；

e0——截面偏心距，m。

图7 典型位置选取

计算表明，对混凝土矩形截面构件，当e0≤0.2 h时，抗压强度控制承载力，按抗压强度公式计算抗拉安全系数。所得结果如表4所示。通过对开裂处衬砌内力的对比分析可以得出：4个典型位置中，在工况1情况下，最大轴力为-1 926 kN，弯矩为-78 kN·m；在工况2情况下，最大轴力为-1 209 kN，弯矩为-84 kN·m。在工况3情况下，最大轴力为-5234 kN，弯矩为-159 kN·m。工况3情况下的轴力和弯矩数值比工况1情况下的分别增长约171.8%和103.8%；工况3情况下衬砌典型位置轴力和弯矩数值比工况2情况下的分别增长约332.9%和89.3%。可以看出，只考虑单因素条件的两种工况，其衬砌内力相差较小；而在考虑叠加两种因素条件之下，隧道右边墙内力显著增大。

表3 不同工况对比

表4 典型位置安全系数检算

从结构安全系数可以明显看出，在工况1和工况2情况下，如仅考虑倾斜岩层或邻近隧道的影响，安全储备虽然不高，但各截面安全系数值均在规范要求范围内(大于2.0)，衬砌结构安全性可以得到一定的保证。但是，通过对工况3数值模拟结果进行安全系数验算可以看出，4个典型位置安全系数都有不同程度的明显下降，截面安全系数值均不在规范要求范围内(小于2.0)，衬砌结构安全性不能得到保证，且可能存在开裂的风险。

3.4 纵向裂缝产生原因分析

由上述的分析可知，在同时受到单斜层状岩体与邻近既有隧道影响下，衬砌右侧边墙4个典型位置处结构弯矩与轴力均有较大提升，并且通过安全系数的验算可以得出右侧边墙结构安全性在实际情况下已难以得到保证。造成本文所述隧道二次衬砌右侧边墙特殊的长、纵向裂缝的主要原因可归纳为：①隧道开挖通过单斜层状岩体，隧道本身受到一定的地质偏压作用，造成隧道衬砌结构体受非对称的围岩压力。②该隧道与隧址附近距离既有高铁隧道较近，隧道开挖对两隧之间中岩柱形成较大扰动，造成应力重分布，从而造成纵向裂缝的产生。

4 衬砌裂缝整治方案及效果分析

4.1 整治方案

根据上文对严重开裂段纵向裂缝产生原因的讨论及数值模拟结果的分析可知，对裂损段衬砌的加固补强工作必须针对具体的开裂原因。因此，需从两方面进行考虑：一是该纵向裂缝影响的范围较广、开裂深度较大、裂缝仍然处于发展阶段，如采用仅对受损衬砌进行注浆封缝等简单的处理方案，不能确保衬砌整体的承载能力；二是由于造成该裂缝产生的原因有两个，既有隧道的影响不可避免，所以对层状破碎围岩性质进行一定的改良可以有效抑制围岩对砌体造成的不良影响。综合考虑上述原因，提出如下整治方案：一是对原开裂严重段衬砌表面进行凿除重构，利用布设钢筋网及回填钢纤维混凝土来提高衬砌结构整体承载力；二是利用注浆锚杆对两隧之间单斜破碎围岩进行注浆加固，改善中岩柱性质，防止开裂现象的再次发生。

整治方案的具体施工方式如下：①处理段前后设置工20a钢架临时支护；②凿除表层混凝土进行植筋网锚喷补强，凿除厚度10 cm；③对裂缝进行注浆封堵处理；④钻设φ25×7自进式中空注浆锚杆，1 m×1 m梅花形布置；⑤设置钢筋网，按照环向φ20@10、纵向φ16@15进行布置，并与锚杆尾部进行连接；⑥喷C30钢纤维混凝土至原表面；⑦混凝土表面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料。整治方案如图8所示。

4.2 效果分析

在裂缝监测项目结束后，对该纵向裂缝所处衬砌段采取了如图8所示加固补强措施。为验证该处理措施的效果，对重构加固断面布设测量精度为2 με(με为微应变)、分辨率为1 με的JMZX-215HAT埋入式应变计，监测混凝土内部应变，以此获得衬砌的受力状态。对重构段断面监测的位置及监测结果见表5。结果表明，利用锚杆注浆对隧道周边地层条件改善效果较为明显，重构衬砌整体安全性得到极大提升。目前断面安全系数大于结构设计的安全系数要求，结构处于安全稳定状态。说明该整治加固是较为有效的处置措施。但值得注意的是，根据受力情况的变化趋势来看，内力的变化还未达到相对稳定的状态，仍需继续进行监测。

图8 整治方案示意图

表5 重构段安全系数表

5 结论

(1) 该隧道在施工期后出现的长、纵向裂缝与隧址附近围岩条件和邻近建筑物有密切联系。

(2) 数值分析结果表明，隧道右边墙区域内易发生破坏，与现场实际基本吻合。

(3) 根据不同工况的对比发现，单斜层状岩体和邻近既有隧道对该隧道的影响是该纵向裂缝产生的主要诱导因素。

(4) 对裂损段进行拆除重构，利用钢纤维混凝土回填和锚杆注浆加固等补强措施，可以显著增强衬砌结构的安全性。