山區富水軟巖隧道進口段仰拱及拱墻二襯病害原因分析及處治措施探討

陳志遠

（1.泉州市交通工程規劃建設管理處;2.泉州德化廈沙高速公路有限公司，泉州 362000）

0 引言

山區富水軟巖隧道地質條件復雜， 其圍巖一般具有巖體極破碎、結構松散、強度低、壓縮性高、遇水承載力大幅降低的特點， 施工過程中安全風險性高， 變形控制困難。當變形達到一定程度時，容易導致隧道支護結構產生裂縫病害，危及隧道施工與結構安全，成為山區隧道施工中的重點及難點。 本文結合廈沙高速公路德化段某隧道進口段右洞仰拱及拱墻二襯裂縫病害實際情況， 分析富水軟巖隧道支護裂縫病害出現的原因， 介紹裂縫病害的處理技術方案，提出了相應的防治措施。

1 工程概況

廈沙高速公路德化段某隧道為分離式隧道， 隧道左右線均位于直線上， 左右洞凈距18.5m。 右洞長1450m，進口樁號為YK84+955，出口樁號為YK86+405，縱坡/坡長為：-0.5%/45，-1.9%/1405；左洞長1527m，進口樁號為ZK84+936，出口樁號為ZK86+463，縱坡/坡長為：-0.5%/64，-1.9%/1463；設計行車速度：80 km/h；單洞建筑限界：凈高5m，凈寬10.25m；隧道進口采用削竹式洞門。 隧址區屬構造-侵蝕中山地貌，地表植被較發育，風化層較厚。進口左側山坡自然坡度約15～25°， 為淺埋偏壓。 右線YK84+970.0～YK85+100 隧道進口段，圍巖為薄層坡積碎石土及較厚層強風化巖,局部有中風化花崗巖，巖體極破碎，圍巖[BQ]＜250，圍巖為V 級，勘察期間圍巖地下穩定水位低于洞頂。隧道進口右洞采用正交進洞，成洞面位置的覆蓋層厚度約3m 左右， 左洞進口采用35°斜交進洞，成洞面位置的覆蓋層厚度約2.5m 左右，如圖1 所示。

圖1 廈沙高速德化段某隧道工程概況

隧道進口右洞明洞結構為現澆帶仰拱鋼筋混凝土變截面曲墻式封閉襯砌結構；暗洞襯砌結構采用復合式支護結構形式，初期支護以鋼拱架、錨桿、鋼筋網及噴混凝土組成聯合支護體系，二襯結構采用模注防水混凝土結構。

2 隧道病害情況

病害發生時，該隧道進口段左洞尚在開挖掘進，右洞已完成二襯及仰拱填充層施工。 在施工過程中，自2016年10 月份開始，右洞YK84+968～YK85+090 段仰拱開始出現縱向裂縫， 至2017 年11 月病害處治前， 隧道右線YK84+963～YK85+100 仰拱襯砌裂縫寬度最大達5cm，后經鉆孔探得仰拱裂縫呈上寬下窄“V”字形開裂。 2017 年8 月9 日，隧道右洞YK85+050～080 段二襯右側邊墻于8月11 日開始出現一道縱向裂縫，后存在發展趨勢并逐漸出現縱向、橫向、環向等裂縫，至11 月初仰拱病害處治完成時二襯裂縫發展趨于穩定。YK84+960～YK85+080 段二襯裂縫共有22 條， 其中環向裂縫4 條 （最大縫寬7.4mm）、斜向裂縫1 條（縫寬0.27mm）、縱向裂縫9 條（最大縫寬0.68mm）、網狀裂縫8 處（最大縫寬0.54mm）；個別伸縮縫錯臺等，如圖2 所示。

圖2 隧道拱墻二襯裂縫形象展示圖

3 隧道病害原因分析

3.1 初步原因分析

經過現場對二襯進行專項質量的檢測及評估， 二襯強度、厚度及鋼筋保護層厚度均滿足設計要求。根據現場病害調查并綜合分析論證， 其裂縫病害產生的主要原因初步分析如下：

（1）隧址區屬構造-侵蝕中山地貌，地表植被較發育，地形起伏較大。隧道進口段處于地質薄弱地段，圍巖為薄層坡積碎石土及較厚層強風化巖及粉質砂。 而項目所在地德化縣地處戴云山麓，地勢較高，小氣候突出，雨季暴雨頻發，強度大。隧道洞頂位于沖溝內，地表水極為發育，隧道進口段施工過程中，大量地表水匯集至隧道洞口段，并滲透至隧道內，對隧道軟弱圍巖造成極為不利的影響。

（2）隧道進口段基底存在一定厚度的松散土層，該層強度低，壓縮性高。 隧道開挖后地下水較大，根據現場鉆孔揭示，地下水位位于隧道路面設計標高以下50～65cm，排水不暢，隧道基底松散層圍巖遇水軟化、泥化，產生較大的塑性變形區，基底圍巖彈性抗力及巖體參數降低，地基承載力下降、圍巖水平側壓力增大，從而使隧道邊墻基底下沉并發生向內擠壓，作用于二襯結構上的荷載增大，導致仰拱底鼓開裂、拱墻二襯縱向開裂等病害。 同時，隧道邊墻基底下沉產生塑性滑移， 繼而產生較大的主動土壓力，導致邊墻兩側拉剪破壞，襯砌產生環向裂縫。

因此， 初步判斷圍巖地質和水文條件是引起仰拱和拱墻二襯病害的主要原因。 同時，左洞開挖時右洞圍巖應力重新分布及施工時虛渣未清除完畢便開始施作仰拱結構、混凝土發生收縮等因素，也是誘發裂縫的原因之一。

表1 二襯力學參數表

表2 圍巖參數表

3.2 有限元建模驗算分析結構安全性

針對隧道基底松散層圍巖遇水軟化、 泥化導致仰拱及拱墻二襯產生裂縫的原因，采用ANSYS 有限元分析軟件建模進行分析驗算。 二襯采用荷載-結構法進行計算，根據平面彈性有限元原理， 把隧道的二襯離散為由梁單元組成的平面桿系， 圍巖對二襯的約束作用通過只受壓不受拉的桿單元來模擬。 二襯共劃分為98 個單元，數值模型如圖3 所示，荷載及約束模型如圖4 所示。

圖3 二襯數值模型

圖4 荷載及約束模型

根據公路隧道設計規范規定，對于鋼筋混凝土結構，當鋼筋達到計算強度或混凝土達到抗壓或抗剪極限強度時， 在永久荷載和基本可變荷載作用下二襯的強度安全系數應大于2。 計算參數如表1、2 所示；根據規范規定V級圍巖二襯的釋放荷載分擔比為60%～80%，取最不利情況，即二襯承擔80%的荷載。 經計算淺埋段（取隧道深淺埋分界深度31.1m 為最不利埋深位置進行計算） 二襯內力遠大于深埋段，為不利工況，后續計算均在上述淺埋段工況基礎上進行， 計算時考慮自重荷載和混凝土收縮徐變（降溫10℃模擬）。通過對以下2 種工況進行對比分析，計算其安全系數是否滿足規范要求：工況1：原設計支護參數情況下二襯受力分析；工況2：仰拱底部有虛渣情況下二襯受力分析 （采用降低拱底圍巖彈性抗力系數來模擬仰拱底部有虛渣， 彈性抗力系數由150MPa/m 降為120MPa/m），如圖5 所示。

圖5 不同工況下二襯受力分析圖

經計算分析二襯控制點內力和安全系數如表3、表4所示。 在工況1 情況下，該隧道V 級圍巖淺埋段暗洞二襯結構所有截面強度安全系數均大于2，滿足規范要求，襯砌結構以小偏心受壓為主，結構斷面合理，結構整體變形亦滿足規范要求；在工況2 情況下，即仰拱底部有虛渣時，控制點拱頂(32 單元）和仰拱（91 單元）處彎矩增大較多，襯砌結構大偏心受壓，所能承受的軸力降低，強度安全系數小于2，不滿足規范要求。 隨著隧道基底松散層圍巖遇水不斷軟化、泥化，圍巖參數持續降低，二襯結構內力超出允許內力，導致二襯產生裂縫病害，由此可見分析結果與初步原因判斷相吻合。

表3 原設計支護參數情況下二襯內力和安全系數檢算

表4 仰拱底部有虛渣情況下二襯內力和安全系數檢算

4 裂縫病害處治措施

根據上述分析的原因，經綜合論證，采用加快左洞支護施工+加強引排地下水+拱腳鎖腳補強+仰拱基底加固+仰拱開挖返工+拱墻二襯裂縫修補的方式對右洞病害進行綜合整治。

4.1 加快左洞支護施工進度

加強左洞貫通段落工序銜接和資源調配， 加快左洞仰拱、二襯施工，使左洞貫通段落盡快閉合成環受力，以減輕對右洞的擾動效應。 并且左洞二襯在滿足設計厚度情況下，混凝土強度由C25 提高至C40；環向主筋直徑由20mm 調整為25mm，間距由20cm 加密為10cm，提高支護結構和圍巖的聯合承載力，減少圍巖變形。

4.2 加強地下水引排措施

清通隧道洞內排水設施， 確保隧道排水暗溝和排水管的通暢，減少隧道底部外水壓力，減小對圍巖變形及支護結構的不利影響。 同時，在YK85+000～YK85+100 仰拱病害段落對應的洞外右側施作3 孔排水管徑為110mm，長度分別為54m、83m、117m， 仰角分別為3°、2°、1°的排水平孔，排水平孔末端鉆至仰拱基底以下約1m 位置，以有效降低隧道地下水位， 避免地下水的匯集使仰拱基底進一步軟化，如圖6 所示。

圖6 洞外側面平孔排水示意圖

4.3 拱腳鎖腳補強處理

對裂縫段落二襯拱腳處施作兩排鎖腳鋼花管， 上下兩層間距40cm,分別采用φ50 和φ89 鋼花管，以75cm～100cm 的間距從鋼拱架間隙中分別以45°和60°插入，注意避開縱向排水管。 鋼花管管長6m，注漿采用單液水泥漿，注漿壓力0.5～1.0MPa，先行施工右洞YK85+049～084段， 后再施工YK84+960～YK85+049 段和左洞ZK84+949～ZK84+990 段。 注漿完成后應對注漿效果進行檢查、整改，確保注漿效果滿足設計要求。通過加固拱腳處的圍巖， 從而減小拱腳處塑性區范圍并通過小導管自身剛度以減小側向水平力對仰拱基底的擠壓作用， 避免仰拱病害進一步擴展， 同時對隧道上部結構起到一定的加強保護作用， 在仰拱拆換時為隧道上部結構提供一定的基底支撐，確保病害處治時施工安全，如圖7 所示。

4.4 仰拱基底加固

圖7 拱腳鎖腳鋼花管注漿布置示意圖

對仰拱出現裂縫病害的段落采用φ50、φ108 鋼花管注漿方法進行加固。 在仰拱填充表面施作徑向φ50 小導管，長6m，1.0×1.0 梅花型布置，注漿采用水泥漿-水玻璃雙液漿，水灰比為1∶0.5，注漿壓力0.5～1.0MPa；在隧道仰拱面兩側分別施作徑向φ108 中管棚， 長6m， 縱向間距0.5m， 注漿采用水泥漿-水玻璃雙液漿， 注漿壓力0.3～0.5MPa。注漿壓力應根據現場試驗進行調整，保證漿液能在土體一定范圍內擴散， 且保證漿液不擴散至隧道排水系統。并對已進行基底注漿的段落進行取芯，研判注漿效果，若未達到預期，則對注漿工法進行調整，確保注漿強化基底作用，如圖8 所示。

圖8 仰拱基底鋼花管注漿加固布置圖

4.5 仰拱裂縫處理

在進行拱腳鎖腳、仰拱基底加固的同時，對仰拱裂縫加強觀測。隨著以上加固措施逐漸完成，仰拱裂縫基本趨于穩定， 病害未見明顯持續發展， 證明加固措施效果良好。 進而采取以下方案對仰拱裂縫進行處理：

(1）仰拱拆除。 對仰拱出現縱向裂縫段落的回填層分兩段落進行挖除，然后挖除仰拱二襯及初支。仰拱初支鋼拱架拆換時應分段落跳槽拆換， 一次拆換一般不超過兩榀鋼拱架。拆除過程應采用人工小型器具如破碎錘、風鎬拆除開挖，嚴禁爆破。

(2）仰拱重新施作。 對仰拱基底積水、虛渣、軟基等進行清除，然后再按照原設計架設安裝初支鋼拱架、綁扎仰拱鋼筋、澆筑混凝土。 在仰拱混凝土終凝后，澆注仰拱填充層。 填充層頂部采用鋼筋網進行補強處理。

4.6 二襯裂縫病害修復

仰拱處治施工期間加強對隧道的監控量測， 觀測二襯是否產生新的裂縫及既有裂縫的發展狀況。 在完成以上加固措施后，隧道拱墻二襯裂縫發展最終趨于穩定，未見明顯或異常發展， 表明隧道病害產生原因與上述分析的原因是相吻合的，仰拱病害處治措施及時有效。二襯裂縫穩定后不會對隧道結構安全進一步造成影響， 因此根據裂縫的開裂程度對二襯裂縫病害采取以下相應的修復方法。

（1）擴縫封閉法（裂縫寬度小于0.2mm）。 順裂縫方向刻槽，槽寬1cm，槽深1.5cm；吹清縫內灰砂，用丙酮清洗干凈。將配置好的結構膠壓涂入槽內進行封閉。裂縫成細而多時用環氧樹脂類膠， 裂縫細而深時用甲基丙烯酸脂類膠。

（2）刻槽注漿法結構補強（裂縫寬度為0.2mm～0.4mm）。沿裂縫方向開一6cm 寬、5cm 深的矩形槽， 吹清槽內灰砂，用丙酮清洗干凈。針對延伸方向基本與襯砌表面垂直的裂縫，采用騎縫注漿；針對延伸方向與襯砌表面有一定角度的裂縫，采用斜縫注漿。在矩形槽內充填10mm 厚的環氧樹脂和40mm 厚的環氧砂漿進行封閉， 壓氣試驗合格后，注環氧樹脂漿液。

（3）鍍鋅鋼板局部加固結構補強法（裂縫寬度大于等于0.4mm）。 在粘貼鋼帶位置進行基面處理，將二襯混凝土向內鑿除2cm，鑿除基面應保證平整圓順。鍍鋅鋼帶幅寬100cm、厚8mm ，采用植筋錨固及壓注粘鋼結構膠的方式將鋼板與全斷面環向襯砌連成一體。 每環縱向間距100cm，對二襯墻腳以上范圍進行處治。

裂縫修復完成后，最后對混凝土表面進行修整，涂刷與原襯砌表面相同顏色涂料。

5 運營期監測情況及處治效果評價

該隧道于2017 年12 月通車運營至今已兩年多，為保證隧道運營期安全， 對該隧道右洞YK84+955～YK85+130 進行運營期監測工作，監測內容包括對拱頂沉降、水平收斂、收斂處二襯沉降、拱腳處沉降等進行監測。 根據最近一期監測數據， 拱頂沉降累計變化量為-3.39mm～-1.28mm； 水平收斂變形量累計變化量為-1.28mm ～3.57mm；收斂處二襯沉降累計變化量為-7.8mm～-0.1mm；右洞左側拱腳處仰拱累計變化量為-9.183mm ～-0.783mm，如圖9 所示。 沉降及水平收斂數據雖存在波動變化，但并未往同一方向發生較大變形，各監測數據累計變化量較小，且均小于安全警戒值。其中最近5 期累計變化量趨于穩定并來回波動，未發生較大變化。

另外，經巡視檢查，該病害段落未發現新增裂縫且既有裂縫未見明顯或異常發展， 結合監測數據分析認為該隧道右洞整體并無異?，F象，結構相對比較穩定，隧道處于安全狀態，證明病害處治措施效果良好，病害處理技術方案是可行的。

圖9 監測數據圖

6 結語

富水軟弱圍巖隧道施工中， 隧道支護結構受圍巖地質情況、地下水分布、開挖工法選擇、支護參數設計及調整、施工質量控制等關鍵因素影響較大，建議在施工中積極采取應對措施，實行動態設計、動態管理。 特別要注重加強隧道基底軟基和地下水處理，并加強地表沉降、拱頂下沉、周邊位移收斂等監控量測，根據實際情況及時調整支護參數，增強初支的支護能力，約束圍巖的變形，增強圍巖承載能力，同時加大對隧道開挖、支護結構施工質量的監管，避免因各種因素誘發隧道支護結構病害。