隧道偏压明洞错台成因及工程对策

陈国富

(上海同济建设工程质量检测站， 上海　200092)



隧道偏压明洞错台成因及工程对策

陈国富

(上海同济建设工程质量检测站， 上海200092)

摘要：明洞衬砌结构对隧道工程安全运营起到至关重要的作用，衬砌发生错台会对隧道洞口结构安全产生严重影响。针对华东地区某公路隧道偏压明洞段衬砌错台等病害，采用现场调研和数值模拟相结合的方法分析其产生原因，并提出相应的对策。研究成果表明： 隧道错台主要与边坡坡体浅层土体的侧压力有关，建议对边坡进行位移监测和对边坡坡脚位置及抗偏压墙处采用反压回填法进行处治，实施效果较好，可为类似隧道病害的整治提供参考。

关键词：隧道偏压； 明洞; 错台； 病害处理； 数值模拟； 反压回填法

0引言

我国山岭地区地质、地形、地貌等自然条件复杂多变，加之人为因素的影响，隧道中渗漏水、衬砌开裂及错台、路面沉陷或隆起等病害较多[1]。在隧道进出口位置处，由于受偏压荷载作用，隧道偏压现象较为常见。由于受地形、地质条件影响，隧道洞口开挖后，围岩的二次应力极为复杂[2]。隧道结构两侧承受不同荷载而使衬砌结构内力出现不对称的隧道即为偏压隧道[3-4]。隧道偏压多位于浅埋地段，设计上主要采用荷载-结构法，施工中存在偏压时多采用增大结构刚度、强度及断面面积的方法。洞口处可采用带抗偏压墙的偏压式明洞或采用反压回填、削坡等措施改变偏压荷载，减小隧道偏压[5-7]。目前，许多学者针对隧道偏压问题进行了大量的总结和研究工作。如潘洪科等[8]根据某隧道的监控量测数据和隧道地质情况，从力学角度分析、归纳隧道裂缝产生的原因，得出偏压是产生隧道衬砌裂缝的主要因素。近年来，隧道衬砌施工多采用整体式液压大模板衬砌台车、混凝土输送泵等自动化机械技术，使衬砌质量和外观平整度等方面都有很大程度的提高，但由于诸多因素(如施工期模板拼装问题、运营期结构受力改变等)的制约，隧道衬砌模板间的施工缝错台病害仍不可避免[9-10]。国内现阶段的相关研究主要集中在发生于施工阶段的衬砌结构缝错台，对于运营期因外力作用变化导致的结构缝错台却鲜有涉及[11-12]，且针对隧道错台病害整治，国内现阶段缺乏系统的经验总结和完善的规范标准。因此，有必要结合工程实际对隧道错台开展研究和探讨，明确其受力特性，为制订合理的错台治理措施提供依据。本文针对隧道洞口段明洞施工缝错台病害，采用现场调查、数值模拟等方法，分析病害产生的原因，并提出有效的明洞错台处置措施。

1工程概况

华东地区某公路隧道为左右线分离双连拱公路隧道，隧道建筑限界净宽10.25 m，净高5.0 m，净空面积62.99 m2，内轮廓设计采用三心圆曲墙式。明洞段衬砌采用C25钢筋混凝土结构，右洞进口段采用半明半暗施工方法，洞身段采用复合式衬砌。隧道进口端右线结构见图1。

图1　隧道进口端右线结构(单位： mm)

Fig. 1Cross-section of tunnel entrance of right line tunnel tube(mm)

该隧道进口端存在明显的地形偏压。右线进口端采用明挖法施工，上方回填约2 m厚黏土，明洞、暗洞分界位置在第4模和第5模交界处附近；左线进口端被坡体覆盖，明洞长度较右线短。

该隧道建成通车后，右线进口端第4模和第5模交界处二次衬砌沿施工缝出现错台，错台范围自断面左拱脚至右拱脚(见图2)。第4模明洞衬砌位移较明显，且在左拱腰处最大(约3 cm)，向左、右拱脚处逐渐减少，边墙部位未出现错台(见图3)。第5模二次衬砌未发生明显位移。右洞抗偏压墙在第4模和第5模交界处开裂(见图4)。

2衬砌错台数值模拟

采用数值模拟方法[13]，考虑边坡下滑力(蠕变产生)、上覆黏土饱和压力等影响因素，建立不同工况计算分析断面变形规律，推测错台产生的可能原因，以便为加固处治提供针对性方案。该明洞没有仰拱，且现场调查中未发现仰拱以上路面变形，仅拱顶及拱腰位置发生错台，故认为隧道基础承载力较好，暂不考虑其对衬砌错台的影响。

图2　隧道二次衬砌沿结构缝错台

图4　右洞进口端第4模和第5模间对应抗偏压墙处开裂

Fig. 4Crack on asymmetrically-pressured wall located at the lining ring dislocation

2.1计算工况

计算方法采用荷载-结构法[7，14]，抗偏压墙及其基座采用实体单元模拟，衬砌采用梁单元模拟。根据结构所受外荷载的来源，取以下3种计算工况。

1)工况1： 只考虑上覆土体自重；

2)工况2： 考虑上覆土体自重和边坡影响；

3)工况3： 只考虑上覆土层饱和影响。

2.2计算参数

计算参数见表1，上覆土层厚度取2 m。

表1　计算参数表

2.3数值模拟结果

2.3.1工况1： 只考虑上覆土体自重

工况1中，隧道结构处于超浅埋段，结构主要受上覆黏土层和回填层侧压力作用，荷载结构计算模型见图5，计算所得的衬砌位移见图6。

图5　工况1： 荷载结构模型

图6　工况1： 结构计算变形图(单位： m)

从图6可以看出： 数值模拟衬砌结构最大位移位于拱顶位置，而实际变形最大位移位于左拱腰位置；数值模拟衬砌在拱顶位置存在内侵，且仅在右拱腰—右边墙位置存在外扩，与断面实际变形情况存在差异。据此推断，断面处的结构变形不仅只有上覆土体的作用，还存在其他影响因素。

2.3.2工况2： 考虑上覆土体自重和边坡影响

边坡岩体主要为砂岩，强风化作用下，岩体节理、裂隙发育，黏聚力及抗剪强度降低；同时，隧址区雨季较集中，降雨入渗使得强风化砂岩岩体含水量、重度增大，抗剪强度进一步降低。因此，推测在强风化及降雨作用下，边坡在风化差异分界线处可能形成潜在滑动面(边坡岩体风化程度分界线位于隧道左侧拱腰位置)，导致坡体发生蠕变，对结构产生一定的推力。采用不平衡推力法，推算边坡的剩余下滑力为275 kN/m。据此，建立荷载结构模型见图7，计算所得的衬砌位移见图8。

图7　工况2： 荷载结构模型

图8　工况2： 结构计算变形图(单位： m)

从图8可以看出： 数值模拟衬砌最大位移位于左拱腰位置，与实际情况基本一致；数值模拟衬砌左拱脚—拱顶呈内侵趋势，右拱腰—右拱脚位置呈外扩趋势，与实际变形情况相符。据此推断，断面处结构变形主要由边坡和上覆土体共同作用形成。

2.3.3工况3： 只考虑上覆土层饱和影响

考虑到隧道区雨季较集中，雨水下渗使上覆黏土饱和，导致隧道上覆土压力增大。假设上覆土体已达到饱和，计算所得的位移变形见图9。

图9　工况3： 结构计算变形图(单位： m)

从图9可以看出，隧道洞顶上覆土饱和土压力增大，位移最大值位于拱顶位置，较工况1最大位移量增加0.7 mm，变形规律与工况1基本一致，与实际检测变形规律有一定差异。可见上覆土层较薄，饱和后压力增加不大，对结构变形影响较小，故隧道错台可不考虑上覆土层饱和的影响。

综上所述，该隧道右线进口端的衬砌结构，在坡体浅层蠕变及上覆土体自重的综合作用下，计算变形情况与实际变形情况相符，推测结构变形主要与滑动坡体及上覆土体的作用有关，在两者的共同作用下导致结构缝处出现错台。

3衬砌错台治理对策

通过现场调查及数值模拟，明洞产生错台与边坡对结构的侧压力及洞顶上覆土体自重有关。为使断面处的结构变形不再增大，建议处治原则为： 在对边坡变形进行监测及对边坡坡脚悬吊处进行反压处理的基础上，采用“反压回填”方法进行整治。反压回填法建议方案有以下2种[15]。

1)方案1。在错台外侧抗偏压墙外回填土方，在回填土主动侧压力及弹性抗力的作用下，抵抗抗偏压墙及隧道结构的变形，在明洞结构顶部覆土层上方再回填一定量的土方，以保证隧道结构拱顶部位混凝土不会因弯矩过大而出现裂损(见图10)。

图10　方案1处治示意图

2)方案2。在错台外侧抗偏压墙外浇筑混凝土，在混凝土静压力及弹性抗力的作用下，抵抗抗偏压墙及隧道结构的变形，在明洞结构顶部覆土层上方再回填一定量的土方，以保证隧道结构拱顶部位混凝土不会因弯矩过大而出现裂损(见图11)。

图11　方案2处治示意图

结合现场实际施工条件，最终采用了“明洞洞顶回填土+抗偏压墙侧反压土”的方案，土方就近取材(不应在洞口段挖方)，分层压实，压实系数大于0.93。此外，疏通或增设坡表排水盲沟，降低大气降水下渗量。考虑现场检测及时，错台量相对较小，不影响结构正常使用，结构本身不再采取处治对策。

施工完成后定期进行监测，截至目前，洞口段错台停止发展，断面内轮廓未再出现明显的变形趋势，表明上述处治方案是合理的、可行的。

4结论与体会

基于衬砌错台现场调查及其内轮廓检测，对该隧道错台成因进行综合分析，并提出相应的处治方案，得出以下结论。

1)该隧道右线进口端第4模和第5模交界处，衬砌沿施工缝出现错台，错台范围自断面左拱脚至右拱脚，第4模衬砌位移较明显，且在左拱腰处最大(约3 cm)，向左右拱脚处逐渐减少，边墙部位未出现错台。右洞抗偏压墙(第4模和第5模交界处)纵向开裂。

2)右线进口明洞段错台产生的主要原因是： 受洞口边坡岩土体差异风化、大气降雨下渗的影响，围岩力学性能下降，直接作用于挡墙的侧压力与上覆围岩自重作用显著增大。

3)处置措施为： 衬砌错台处，在对边坡坡脚悬吊处进行压脚处理的基础上，采用“明洞洞顶回填土+抗偏压墙外反压土”的方法进行处治。

综合处治完成近一年，洞口段错台未继续发展，断面内轮廓未再出现明显的变形趋势，表明上述处治方案是合理的，且处治效果良好。

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Causes and Countermeasures for Lining Ring Dislocation of

Asymmetrically-pressured Cut-and-cover Tunnel

CHEN Guofu

(ShanghaiTongjiConstructionQualityInspectionStation,Shanghai200092,China)

Abstract:The lining structure plays a vital role in the safe operation of cut-and-cover tunnels, and the dislocation of lining ring will affect the safety of the tunnel entrance structure. Based on the site investigation and numerical simulation, the causes and countermeasures for the dislocation of lining ring of an asymmetrically-pressured cut-and-cover section of a tunnel in East China are analyzed in this paper. The study results show that the lining ring dislocation is mainly related to lateral pressure of soil on the slope. In addition, countermeasures, such as slope displacement monitoring and slope feet and asymmetrically-pressured wall balanced backfilling, are suggested, and the results show that these countermeasures achieve good effect. The paper can provide reference for the similar projects in the future.

Keywords:asymmetrically-pressured tunnel; cut-and-cover method; lining ring dislocation; disease treatment; numerical simulation; balanced backfilling method

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)01-0092-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.014

作者简介：陈国富(1981—)，男，安徽泗县人，2006年毕业于合肥学院，土木工程专业，本科，工程师，主要从事隧道及地下结构工程监测、检测、病害调查与安全评估、加固养护工作。E-mail： chenguofufhfu@163.com。

收稿日期：2015-08-03； 修回日期： 2015-09-24