连拱隧道衬砌裂缝治理

杜华锋

1 工程概述

二(连浩特)广(州)高速公路(粤境)怀集犁公顶隧道设计为双向6车道双连拱隧道，长325.1 m，隧道最大埋深为83.06 m。隧道净空为14.0 m×5.0 m，曲墙复合式衬砌结构。根据工程地质调绘及勘探成果，隧道区未发现断层等不良地质体及物探异常带存在，地层总体表现为单斜构造。地层岩性主要为寒武系中统高滩组变质粉砂岩及其风化层，洞深及进口端岩层产状:走向NW329°～352°，倾向 SW239°～262°＜32°～42°。岩层走向与隧道轴线交角在32°～55°之间。隧道起止里程为K107+968.5～K108+293.6。整体施工设计依据“新奥法”指导施工。

隧道中导洞于2007年10月贯通并于11月完成中隔墙施工，隧道左洞于2008年3月贯通并于6月完成二衬施工，隧道右洞于2008年10月贯通并于2009年1月完成二衬施工。在2008年7月右洞开挖期间，在掌子面至K107+998处时，发现洞口K107+973和K107+983两处沉降监测断面沉降数值未能按设计收敛。同时左洞在K107+983～K107+988处发现二衬在中隔墙侧拱肩处有一条3.5 m长、5 mm宽的纵向裂缝，并有4条斜缝约20 cm～30 cm从纵向裂缝向外发展。根据重庆交通科研设计院和广东省公路勘察规划设计院地质雷达扫描结果，发现在K107+980～K107+988段初期支护断面不规整，二衬后存在空洞，且在拱肩处二衬厚度小于设计值约4 cm，且裂缝已贯通，初步判断二衬已被完全破坏。另外在K107+988处发现一条环向裂缝，基本贯穿整板二衬，且在裂缝对应的仰拱也出现横向裂缝，在裂缝范围内存在渗水。裂缝分布示意图见图1。

2 裂缝成因分析

通过对施工资料和监理记录的查看，经过设计、检测、监理和施工单位的现场勘察及讨论，一致认为出现上述衬砌裂缝的原因主要有以下几点:1)地基不均匀沉降引起的裂缝。由于出现隧道裂缝的范围距离洞口15 m～20 m左右，刚好是由全风化向强风化过渡段，岩体破碎，裂隙水发育。在左洞衬砌封闭后裂隙水向隧道底部发育，导致全风化变质粉砂岩强度降低、基底变软。可以从K107+988处环向贯通裂缝和仰拱渗水来印证。2)隧道施工引起的不均匀沉降裂缝。由于双连拱隧道施工工序复杂，隧道围岩要经受多次施工扰动，围岩受力的变化引起几次不同方向的沉降。特别是在左洞衬砌封闭右洞开挖时，由于侧撑岩体的卸除以及地基软弱，在左洞拱肩处二衬临空面由受压转变成受拉状态。加上右洞受开挖工序影响，二衬施工时间较长，直接导致了纵向裂缝的出现及发展。隧道开挖工序见图2。3)初期支护和二次衬砌之间存在空洞。由于二次衬砌混凝土施工过程中，泵送混凝土速度过快、振捣不充分，直接导致在二衬和初衬之间形成封闭气囊，从而导致二衬和初衬之间形成空洞。而空洞的产生，直接导致二衬在施工过程中的受拉区域应力进一步集中，加速了受拉裂缝的产生。而应力过于集中，从而导致受拉裂缝周边辐射裂缝，也就是沿纵向裂缝出现的斜缝的产生。4)二衬混凝土厚度不够。由于二衬裂缝出现段处于洞口浅埋段，引起二衬厚度不足原因有:a.设计阶段对开挖中围岩多次变形而引起断面沉降不均没有充分考虑，导致在中隔墙侧普遍存在初衬侵入限界;b.在洞口段围岩较差的情况下，采用“新奥法”施工工艺，设计预留沉降量不足(10 cm)，而施工时没有根据沉降监测资料及时做出调整，导致初衬侵入限界;c.初衬和二次衬砌施工的间隔时间较长，单纯依据“新奥法”工艺，等待初衬完全收敛，延误了二衬的最佳施工时间;d.中隔墙在施工过程中，模板侧撑强度不够，导致中隔墙整体尺寸偏大，侵入二衬限界。

3 衬砌裂缝防治措施

1)基底补强。针对隧道基底软弱或施工后基底水浸导致承载力下降，目前普遍采用基底注浆加固的方法。结合隧道开挖和超前支护形式，在洞口围岩Ⅴ级段采用φ42注浆小导管，按1 m×1 m梅花形布设。浆液采用42.5普通硅酸盐水泥单液浆，水灰比1∶1，注浆压力控制在2.0 MPa。在Ⅳ级与Ⅴ级过渡段且地下水发育段，采用水泥、水玻璃双液浆。水泥浆为水灰比1∶1的42.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度35 Be'，模数2.6，水玻璃与水泥浆体积比1∶1。2)施工工序及要求调整。对于后续施工的右洞，在严格按照设计步骤进行开挖的过程中，控制12，13，14三个台阶的开挖长度在10 m以内。同时对于第14道程序，也就是仰拱开挖时，将仰拱的施工调整为跳拱施工。即每次施工4 m后，跳隔4 m进行下一道仰拱施工。此举用以减少左洞中隔墙侧在仰拱开挖后临空面，从而减小二衬受拉应力。3)衬砌空洞处理。对左洞也就是先行洞一侧二衬后有空洞的部位，采用注浆的方法来充填，确保初衬和二衬之间能紧密接触，使二衬能均匀受力，避免局部应力集中而对二衬造成破坏。注浆前，在空洞沿隧道轴线的两端高点位处分别布设注浆孔和排气孔，开孔时要严格控制凿孔深度，避免刺破二衬后防水板。注浆的浆液采用水灰比1∶1的32.5普通硅酸盐水泥，压力控制在1.0 MPa以下，以防止压力过大对衬砌和防水板造成破坏。4)二衬工序加强管理及二衬补强。在二衬施工前一定要做好监控量测，确保二衬台车不能偏位。同时对混凝土浇筑的体积和初凝时间有深刻的认识，控制好泵送的速度，切实做到不急不缓。确保混凝土泵送过程中，振捣均匀，气泡能均匀排出，从而杜绝空洞的产生。对于二衬已经出现裂缝段，贴好监测纸条做好裂缝发展记录。对于裂缝不再发展段，直接对裂缝刻槽并压注环氧树脂，使裂缝处衬砌粘结为整体。对于裂缝继续发展造成二衬使用性能破坏的，要对二衬进行返工处理。在返工前要对完全破坏的段落先进行加固处理，防止施工时结构失稳造成坍塌事故。加固采用和初期支护相同的Ⅰ20b钢拱架，间距为1.0 m，并用Ф22钢筋进行纵向连接，环向间距0.75 m。返工时对二衬混凝土进行先拱后墙人工凿除，凿除长度控制在2 m以内。对于初衬侵入二衬的部位要对初衬进行修整，确保二衬的厚度达到要求。对初衬修整部位，同时要做好防水处理，以免在二衬完成补强后形成渗水。

4 结语

通过上述对二广高速犁公顶隧道衬砌裂缝的探讨和处理，经后续跟踪即对后续施工的指导，杜绝了衬砌裂缝的发生，各项监测数据也吻合了设计要求。这些证明对双连拱隧道裂缝的原因分析和治理措施都是正确的。综合上述，可以形成下述几点结论:

1)双连拱隧道基本都是处于偏压和浅埋地段，地质情况较差，一定要加强测量监测工作，切实做到以监控量测数据作为隧道施工的根本指导，确保每道工序都及时、合理。

2)在双连拱隧道进口段，特别是对Ⅳ，Ⅴ级围岩，“新奥法”的理念指导施工不太适合。由于洞口偏压和埋深浅，在施工扰动后，洞身岩体的应力释放很难趋于收敛，如果不及时跟进二衬施工，洞口段极易失稳坍塌。同时二衬设计必须考虑二衬要承受洞身失稳状态的受力，加大洞口段二衬的保险系数。

3)在施工过程中，密切注意裂隙水受施工扰动后的发育情况，提前做好隧道内水的排泄方案，绝对避免隧道基底积水而造成基底软弱。同时要加强对隧道衬砌完成后的监测，及时发现问题并制定相应的解决方案，将危险扼杀在萌芽阶段。

4)由于双连拱隧道中隔墙是整个施工过程中受力转变最大的一个结构，所以施工的每一道工序一定要做好侧撑或相应的补强支护方案，避免中隔墙受力转变后偏位或受到损害。同时也要做好测量和模板的支护方案，确保中隔墙达到设计要求，避免影响后期二衬的施工。

［1］JTG F60-2009，公路隧道施工技术规范［S］.

［2］王建秀，朱合华，唐益群，等.双连拱公路隧道裂缝成因及防治措施［J］.岩石力学与工程学报，2005(2):195-202.

［3］袁成海.三仙岽隧道衬砌裂缝检测与安全评价［J］.山西建筑，2010，36(13):296-297.