城市運營隧道結構病害成因分析及治理建議

王斌彬 陽 潛

（深圳高速工程檢測有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

我國高速公路迎來了新一輪的建設高峰，大量高速公路隧道建成并運營。隨著公路隧道建設的迅猛發(fā)展，隧道襯砌病害成了我們越來越關注的問題，主要病害有襯砌裂縫、滲漏水以及路面滲水等。當前，在建和建成的隧道中，大量隧道襯砌存在裂縫，這些裂縫是否威脅著隧道的健康，威脅的程度有多大，這些裂縫是如何形成的，這些問題成了關注隧道健康而需要了解的問題，也是難題。當前對隧道襯砌裂縫的研究一直是隧道工程研究中的熱點問題。該文以某市城市運營隧道定檢數(shù)據(jù)為基礎，利用有限元建模分析驗證該類隧道襯砌裂縫形成原因。

1 工程概況

1.1 工程背景

某市隧道A呈近南北走向，沿線所經(jīng)地區(qū)為低山、低山間沖溝、山麓等地貌。地勢呈南高北底的趨勢，隧道最大深埋180 m。隧道由南向北，為上下行雙管六車道隧道，左右行車道中線間距52.25 m，在左線進口段與右線出口段分別有E、F匝道隧道進出左右隧道。左線隧道全長2330m，右線隧道全長2275m，E匝道隧道全長369m，F(xiàn)匝道隧道全長393m。隧道曲線段樁號為K1+220～K1+270。

隧道B為南北走向，為雙洞六車道，左洞隧道長1228m，右洞隧道長1210m。道路標準為城市Ⅰ級主干道，設計時速60km/h。隧道曲線段樁號為K0+130～K0+160。

1.2 工程地質(zhì)

場地范圍內(nèi)揭露地層自上而下依次為人工填土（素填土、雜填土、人工填石），其下為第四系新近湖積淤泥質(zhì)黏土、全新統(tǒng)沖洪積粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、礫砂，上更新統(tǒng)湖沼沉積淤泥質(zhì)黏土，晚～中更新統(tǒng)坡積黏土，中更新統(tǒng)殘積礫質(zhì)黏性土，構造巖及燕山期全～微風化粗?；◢弾r。各巖土層的工程特性如下：1）人工填土層。本線址揭露的人工填土層有素填土、雜填土、人工填石。2）第四系新近湖積淤泥質(zhì)黏土層。本線址范圍內(nèi)零星分布。該層土屬靈敏性較高的軟土，土的工程性質(zhì)差，開挖時易變形、滑塌，土的可挖性等級為Ⅰ級。3）粉質(zhì)黏土層。本線址局部有分布，呈可～硬塑狀態(tài)，土的工程性質(zhì)一般，開挖時可能產(chǎn)生變形、滑塌現(xiàn)象。4）礫砂層。本線址局部分布，為賦水地層，地層滲透性為弱～中等。5）坡積黏土、殘積礫質(zhì)黏性土、全風化巖。該層土承載力較高，變形小，土的工程性質(zhì)較好，水理性質(zhì)差，遇水易崩解，承載力降低，出現(xiàn)砂土性質(zhì)，容易出現(xiàn)流沙、管涌現(xiàn)象。6）全、強風化粗?；◢弾r。該層土地基承載力高，壓縮變形小，工程力學性質(zhì)較好，水理性質(zhì)差，遇水后出現(xiàn)砂土性質(zhì)，容易出現(xiàn)流沙、管涌現(xiàn)象。7）中等風化粗?；◢弾r。該層地基承載力高，壓縮變形小，工程力學性質(zhì)較好。在巖石裂隙較發(fā)育，地下水較豐富，屬較軟巖。8）微風化粗?；◢弾r。該層地基承載力高，壓縮變形小，工程力學性質(zhì)較好。巖石裂隙稍發(fā)育，地下水較貧乏，屬于較硬巖。

2 現(xiàn)場檢測情況

2.1 隧道A曲線段病害現(xiàn)場檢測情況

由表1病害統(tǒng)計表可以看出隧道A在彎道區(qū)間曲線段（樁號：K1+250～K1+265）區(qū)間內(nèi)，隧道拱部出現(xiàn)兩條斜向裂縫，一條環(huán)向裂縫，處出現(xiàn)1條襯砌斜向裂縫，裂縫的長度介于6.5 m～11.0 m，裂縫的寬度介于3.60 mm～5.00 mm，具體每條裂縫的長、寬見表1，病害現(xiàn)場檢測照如圖1所示。

圖1 隧道A結構性病害現(xiàn)場照片

表1 隧道A曲線段病害統(tǒng)計表

2.2 隧道B曲線段病害現(xiàn)場檢測情況

通過現(xiàn)場定期檢測發(fā)現(xiàn)隧道B在隧道縱向線形上處于彎道上下坡過渡區(qū)間曲線段樁號K0+145處右拱腰處出現(xiàn)1條襯砌斜向裂縫，裂縫長度為6.0 m，裂縫寬度為4.0 mm，現(xiàn)場裂縫形態(tài)如圖2所示。

圖2 隧道B（樁號：K0+145）結構性病害現(xiàn)場照片

2.3 隧道病害成因分析

A隧道襯砌裂縫集中區(qū)間K1+220～K1+270，樁號K1+223處拱頂出現(xiàn)一處環(huán)向裂縫、樁號K1+263處右拱腰處出現(xiàn)一條斜向裂縫、樁號K1+265處右拱腰出現(xiàn)1條斜向裂縫。該區(qū)間段有一處斷層破碎帶，（產(chǎn)狀：傾向210°～215°，傾角為75°～80°）。斷層破碎帶的存在使隧道拱頂襯砌主要承受松散地壓，另外，隧道沿縱向埋深起伏較大，沿縱向襯砌偏壓較為嚴重，襯砌結構在松散地壓或偏壓荷載作用下，裂縫較多發(fā)生在拱頂至拱腰位置，這與本次檢測新發(fā)現(xiàn)的兩條斜向裂縫出現(xiàn)的位置較為吻合。由于隧道沿縱向埋深高低起伏較大，而且跨越了3種不同級別的圍巖，沿縱向不均勻沉降較大，較大的不均勻沉降直接導致樁號K1+223處拱頂環(huán)向裂縫的產(chǎn)生。

B隧道在樁號K0+145處右拱腰施工縫附近襯砌斜向裂縫的產(chǎn)生與該處隧道處于彎道+坡度+偏壓的耦合作用有關聯(lián)，初步判斷襯砌在“坡度+彎道”過度區(qū)的差異變形較大。

3 三維有限元分析

3.1 材料計算參數(shù)

在建立三維有限元模型時，各巖土層力學參數(shù)見表2 ，圍護結構（襯砌、錨桿）力學參數(shù)見表3。

表2 各巖土層力學參數(shù)表

表3 圍護結構力學參數(shù)表

3.2 模型的建立

通過建立有限元模型定性分析偏壓荷載作用下曲隧道在“彎道處”“上下人字坡處”“彎道+上下人字坡處”的變形情況。巖土層采用摩爾庫倫彈塑性模型，模型寬度為80m，地層深度約80m。隧道及襯砌模型如圖3所示。

圖3 有限元分析模型

3.3 有限元結果分析

由圖4可以看出隧道在彎道+坡度+偏壓作用下，隧道在彎道內(nèi)側的變形較外側大，另外，在現(xiàn)場檢測過程中發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫也主要出現(xiàn)在該部位。

圖4 耦合作用下襯砌總變形云圖

由圖5可以看出，襯砌在“彎道+坡度+偏壓的耦合作用”襯砌結構的差異變形較大。

圖5 過度區(qū)的變形差異

由圖6可以看出，曲線隧道在偏壓荷載作用下，彎道處隧道襯砌結構變形較其他部位大，邊墻變形最大，拱腰次之，拱頂最小。偏壓荷載作用下隧道變形受“彎道+坡度（縱坡）”影響最大，“坡度（縱坡）”處次之、“彎道處”最小。

圖6 B隧道數(shù)值分析計算結果

綜上分析可知：曲線隧道B在拱腰處（K0+145）施工縫附近襯砌斜向裂縫的產(chǎn)生與該處隧道處于彎道+坡度+偏壓的耦合作用有關聯(lián)。結合彈性地基梁理論可以看出，襯砌拱腰內(nèi)側混凝土受拉，襯砌表面裂縫的形成可能是由于襯砌內(nèi)側拉應力大于混凝土極限拉應力所致。該裂縫的新出現(xiàn)說明該區(qū)域圍巖壓力有所增加，進一步加劇了襯砌縱向差異變形，由此導致的附加拉應力是曲線隧道B襯砌斜向裂縫產(chǎn)生的主要原因。

隧道A病害在K1+223～K1+265區(qū)間段處于彎道及上下人字坡過渡區(qū)，該區(qū)間襯砌差異變形較大，襯砌在該區(qū)段容易因拉應力過大而產(chǎn)生裂縫。該區(qū)間段襯砌裂縫的產(chǎn)生與該區(qū)間段隧道處于彎道上下坡過渡區(qū)有關聯(lián)。

4 裂縫治理建議

A隧道襯砌拱部出現(xiàn)3條襯砌通長裂縫，且結構性裂縫位于斷層破碎帶區(qū)域，據(jù)此可推斷出斷層破碎帶的松散地壓有所增大。B隧道襯砌拱腰處出現(xiàn)結構性斜向裂縫，處于偏壓狀態(tài)，說明該區(qū)域圍巖壓力有所增大。襯砌結構在開裂以后，其剛度和分擔的內(nèi)力均有所降低，荷載會轉移到其他截面上，為了防止襯砌結構裂縫進一步的發(fā)展，保障隧道安全運營，應及時對隧道進行加固。

針對該類曲線隧道曲線段結構性襯砌裂縫病害，為了防止裂縫進一步開裂及滲水從裂縫處滲出，建議及時采取環(huán)氧樹脂低壓注射的方式對其進行封閉，同時為了提高襯砌結構的剛度及穩(wěn)定性，改善該區(qū)域襯砌的差異變形，建議對結構性裂縫開裂區(qū)段及其前后各20 m范圍內(nèi)采取襯砌環(huán)形型鋼沿二次襯砌表面進行環(huán)向加固，可采用H14型鋼，型鋼鋼架間采用縱向鋼筋進行定位，為確保鋼架的定位，可在鋼架兩側設長50cm的鋼筋作為鉚釘，環(huán)向間距1m，交錯布置。為保證鋼架的穩(wěn)定性和有效性，兩拱腳處和兩邊墻墻腳處加設鎖腳錨桿。同時加強巡查，必要時可對襯砌結構進行監(jiān)測。

5 結論

該文在對某市兩座運營曲線隧道多年定檢的基礎上，對城市運營隧道曲線段出現(xiàn)的結構性襯砌裂縫進行定性數(shù)值分析，根據(jù)現(xiàn)場多年的定檢數(shù)據(jù)以及有限元數(shù)值分析，得到以下4個結論：1）曲線隧道曲線段多處于彎道+偏壓狀態(tài)，襯砌結構內(nèi)力復雜，在車輛荷載作用下，易形成結構性襯砌通長裂縫，影響隧道的運營安全。2）曲線隧道在偏壓荷載作用下，曲率半徑最小處隧道襯砌結構變形較其他部位大，邊墻變形最大，拱腰次之，拱頂最小。3）曲線隧道在偏壓荷載作用下，拱腰部位最容易出現(xiàn)裂縫，如不及時處理裂縫會延伸至拱頂，或在拱頂部位出現(xiàn)新的裂縫。4）針對該類曲線隧道曲線段結構性裂縫病害，可采取環(huán)氧樹脂低壓注射對其進行封閉，以防繼續(xù)開裂和滲漏水，同時采取襯砌環(huán)形型鋼沿二次襯砌表面進行環(huán)向加固。