衬砌开裂对隧道结构安全性的影响分析

摘要：文章基于高速公路运营隧道衬砌结构安全性的分析，对隧道衬砌开裂情况进行了调查，结合规范进行了隧道结构安全等级评定和衬砌刚度验算，对衬砌开裂后稳定性和安全性不足的测段进行加固设计，并进行了设计验算，验证了该加固方案可行。

关键词：衬砌开裂;隧道;结构安全性;刚度验算;加固

0 引言

我国已成为世界上隧道通车里程最长的国家，很多隧道运营时间较长，出现了衬砌开裂、渗漏水等病害，给隧道运营管理带来了很大的安全隐患。近年来，衬砌裂缝对隧道结构安全性的影响越来越受到重视，很多学者相继投入研究，他们采用混凝土断裂力学理论、平面有限元位移法、扩展有限元法等方法对裂缝的分布规律、扩展过程、成因进行分析，并重点对裂缝影响隧道衬砌结构的安全性进行研究，取得了大量的研究成果。

现阶段，我国公路隧道多采用新奥法进行设计与施工，隧道支护参数设计通常采用工程类比法，即以隧道围岩为主要设计主题，根据以往的施工案例进行类比和计算确定支护参数。山岭隧道衬砌结构形式主要是以复合式衬砌为主，即采用以锚喷支护为初期衬砌，素混凝土或钢筋混凝土结构为二次衬砌，中间加设防水层的衬砌形式。本文在对隧道衬砌裂缝进行充分调查的基础上，对各测段衬砌刚度进行验算，并对不稳定测段进行加固设计验算。

1 工程概况

某高速公路隧道始建于2001年，设计采用分离式单洞双车道结构，隧道净宽为9.0 m，净高为5.2 m，隧道内车道宽度为3.5 m，两侧路缘带各为0.25 m，人工检修道宽度为0.75 m。隧道围岩等级主要为Ⅳ级和Ⅴ级，围岩破碎，裂隙、纹理发育，洞口段为残坡积碎石土，内部主要为中元古界双桥山粉砂岩夹粉砂质板岩。围岩主要为强风化岩，施工中发现少量渗漏水。隧道初期支护结构采用锚杆（3.5 m长中空注浆锚杆）+钢筋网+钢拱架（I18或I20）+喷射混凝土（26 cm厚C25喷射混凝土）复合支护结构，二次衬砌采用50 cm厚的C25钢筋混凝土，全洞布设塑料防水板。

经过十几年的运营使用，该隧道二次衬砌出现了多处开裂，尤其以洞口附近50 m范围内浅埋段开裂最为严重。为了确保隧道总体结构稳定，对隧道衬砌裂缝进行调查，分析裂缝成因，进行安全性验算，为制定养护加固方案提供依据。

2 衬砌裂缝调查

2.1 裂缝调查方法和内容

衬砌裂缝调查的内容主要包括裂缝宽度、深度和裂缝宽度变化量等。调查方法主要采用测量仪器，利用电子成像技术、超声波探测技术等进行检测。

隧道衬砌裂缝宽度（w）调查选用GTJ-FKY裂缝测宽仪进行，利用现代电子成像技术对裂缝宽度进行测量，测量精度可以达到0.02 mm，测量范围为0～5 mm。隧道衬砌裂缝深度（d调查选用GTJ-FKY裂缝深度测试仪进行，利用超声波技术对衬砌裂缝进行测量，通过在裂缝两侧分别布置T，R换能器，测定两个换能器内边缘间距l′，读取声时值ti，得到裂缝深度di。裂缝宽度变化量（Δw调查可以对裂缝发展情况进行检测，一般采用JM振弦式测缝计进行测量，在裂缝两侧布置两个带螺纹的锚头，将测缝计连接在裂缝两侧的锚头上，通过定期采集数据得到裂缝宽度的变化量，监测裂缝发展趋势。

2.2 衬砌裂缝调查结果

针对隧道衬砌的开裂情况，选取5个测段进行重点调查，每个监测段为20 m，调查结果如表1所示。

对所选取的5个测段调查结果进行分析可知，各测段裂缝的分布位置、深度、宽度、发展趋势、成因等存在较大的差异。K1测段围岩地质条件较差，裂隙节理发育，属强风化岩石，围岩自稳能力差，衬砌结构所承受的荷载较大，裂缝产生在起拱线上方，宽度较小，但深度较大，且已基本稳定。K2测段隧道存在偏压现象，在左侧拱肩出现斜向裂缝，裂缝长度较大，达5.9 m，深度较小，仅为4.76 cm。K3测段隧道衬砌是在低温情况下浇筑的混凝土，由于保温措施不良，衬砌拱部出现大量的微裂缝，呈网状，宽度、深度、长度均较小，在温度变化下会进一步发展，存在剥落的危险。K4和K5测段襯砌混凝土浇筑质量不合格，施工缝位置开裂严重，深度较大，呈环状分布。

3 衬砌裂缝对隧道结构的安全性影响分析

3.1 衬砌开裂隧道结构安全等级评定

在对衬砌开裂隧道结构安全性进行分析前，首先对衬砌结构安全等级进行评定。根据《公路隧道养护技术规范》（JTG H12-2015）中对隧道衬砌裂缝的定性判定标准，分为四个等级，评定标准如表2所示。根据隧道裂缝调查结果，结合裂缝长度、宽度、深度等因素进行定量分析，评定标准如表3和表4所示。根据定量和定性分析结果，对衬砌开裂隧道结构安全等级进行综合评定。

根据表1所列裂缝调查结果，结合表2～4，综合考虑隧道衬砌裂缝的长度、深度、宽度、宽度变化量等因素，对5个测段的衬砌安全等级进行评定，结果如表5所示。

3.2 衬砌开裂隧道衬砌刚度验算

隧道衬砌开裂，会降低衬砌结构的刚度，影响衬砌结构的承载能力和安全性。结合以往的研究成果，采用刚度退化理论对开裂衬砌结构进行刚度验算，有助于对隧道衬砌结构进行安全性分析。文章基于刚度退化理论，假设衬砌初始刚度为B0;B1为衬砌结构开裂后割线刚度;B2为钢筋屈服时割线刚度;ρ为衬砌截面受拉钢筋的配筋率（%），计算公式如下：

式中：a1、b1、a2、b2为系数，本项目二次衬砌采用C25混凝土，取值：a1=0.63，b1=0.56，a2=1.15，b2=0.77;配筋率ρ=0.49。

在式（1）和式（2）中，B1/B0为衬砌结构开裂后割线刚度与初始刚度之比;B2/B0为钢筋屈服时割线刚度与初始刚度之比;ρ为衬砌截面受拉钢筋的配筋率（%）。

在实际验算过程中，根据裂缝开裂情况选取合适的刚度比。当裂缝宽度≥3 mm时，取B2/B0，且取值≤0.6，>0.6时取0.6;当裂缝宽度≤0.5 mm时，取B1/B0，且取值≤1，>1时取1;其余范围采用线性插值法确定。对5个测段刚度比的计算结果如表6所示。

对表6所示数据进行分析，K5段验算所得刚度比仅为0.37，说明该测段衬砌结构剛度退化程度较高，且已严重影响隧道衬砌结构的整体稳定性与安全性，必须采取措施进行加固。其余测段隧道刚度退化程度相对较低，不会影响隧道衬砌的整体稳定性与安全性，对裂缝部位进行处理即可，不需进行加固。

4 衬砌开裂隧道加固处治

4.1 加固设计方案

由于K5测段隧道衬砌开裂已经严重影响隧道的稳定性和安全性，需要采取措施进行加固，本项目采用在二次衬砌内部加设钢拱架喷射混凝土形成加固套拱的方式进行加固。隧道加固设计如图1所示。具体设计参数如下：

（1）钢拱架选择I18型工字钢，布置间距为0.8 m。

（2）喷射混凝土标号为C25，厚度为26 cm。

（3）分别在隧道两侧设置C25混凝土支墩，左侧顶宽100 cm，右侧顶宽80 cm。为防止影响右侧排水，做3∶1放坡处理。

（4）在原有衬砌上布置钻孔植筋，钢筋选用22 mm螺纹钢，并弯折与钢拱架焊接为一个整体。

（5）在钢拱架外侧焊接8 mm，200 mm×200 mm钢筋网片。

4.2 加固方案验算

本测段隧道围岩等级为V级，围岩稳定性差，二次衬砌承担了大量的荷载，围岩弹性抗力取V级围岩的最大值。考虑到隧道初期支护和原有二次衬砌可以承受一部分围岩压力，加固后隧道计算参数选择如下：围岩重度γ=20（kN/m3）、二衬重度γ=25（kN/m3）、弹性抗力系数k=200 MPa/m。围岩压力分为三部分：上部围岩压力选536 kPa、拱顶水平侧压力选145 kPa、拱底水平侧压力选197 kPa。使用同济曙光软件进行分析整理，荷载情况分析如图2所示。隧道加固后轴力与弯矩计算结果如图3所示。

根据图2和图3所示结果，确定隧道受力最不利截面位于拱顶，最大轴力为1 725 kN，最大弯矩为1 312 kN·m，安全系数为2.71，高于规范要求的≥2.40，说明加固方案可行。

5 结语

通过对隧道衬砌开裂情况进行调查，对5个测段隧道衬砌结构的稳定性和安全性进行分析，并对不稳定测段进行加固设计，得出以下结论：

（1）通过对隧道衬砌开裂情况进行调查，结合规范对隧道结构进行安全等级评定和衬砌刚度验算，确定K5测段衬砌刚度比为0.37，说明裂缝病害已严重威胁隧道围岩的安全，必须进行加固处理。

（2）对K5测段加固方案进行验收，确定隧道受力最不利截面位于拱顶，最大轴力为1 725 kN，最大弯矩为1 312 kN·m，安全系数为2.71，高于规范要求的≥2.40，说明加固方案可行。

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作者简介：陶兴辉（1973—），工程师，研究方向：公路隧道施工与管理。