古牛坡隧道二次衬砌开裂处治设计

杨春平

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵阳　550001)

古牛坡隧道二次衬砌开裂处治设计

杨春平

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司， 贵阳550001)

摘要：古牛坡隧道地处贵州省西部高原山区，地形地质复杂，围岩较差。隧道2次衬砌在防火涂料施工完毕后出现开裂。对该隧道2次衬砌裂缝进行监测及处治，使2次衬砌最终达到相对稳定的状态。其2次衬砌开裂处治设计方案对今后类似工程具有一定借鉴意义。

关键词：古牛坡隧道；2次衬砌；开裂；处治设计

1工程概况

古牛坡隧道位于贵州省绥阳至遵义高速公路[1]，为分离式中隧道。其左幅起止桩号ZK19+456～ZK20+060，长640 m，最大埋深126 m；右幅起止桩号YK19+450～YK20+050，长600 m，最大埋深115 m。左幅进口线形位于平面半径为1 900 m的圆曲线上，出口段位于直线上；右幅平面线形位于平面半径为2 600 m的圆曲线上。左右幅均为下坡，坡度为-1.33%。隧址区地处云贵高原贵州省西部高原山区，受侵蚀-溶蚀影响，地形条件较为复杂。隧址区覆盖层为残坡积层(Qel+dl)粉质粘土，基岩为石炭系下统摆佐组(C1b)灰白色厚层状白云质灰岩、石炭系下统大塘组(C1d)灰色-灰黑色泥岩局部夹粉砂岩。围岩以Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级为主。隧道洞身衬砌设计以新奥法原理为指导[2]，采用复合式衬砌，即以系统锚杆(或注浆钢花管)、钢筋网、喷射混凝土、工字型钢拱架或格栅拱架作为初期支护，并根据不同的围岩级别(Ⅴ、Ⅳ级)辅以大管棚、超前小导管等超前支护措施，2次衬砌采用模筑混凝土或钢筋混凝土，在初期支护与2次衬砌之间敷设1.5 mm厚防水板及350 g/m2无纺土工布作为防水层，并根据围岩级别和洞室埋深条件拟定相应的支护参数[3]。

22次衬砌开裂介绍

古牛坡隧道2次衬砌防火涂料施工完毕后，2013年10月，在例行巡查中发现隧道2次衬砌开裂，具体如下：左幅拱部裂缝呈树杈状发展，宽度约为3 mm，局部有环向裂缝，拱腰多为纵向裂缝，长度多为3～5 m；右幅裂缝主要呈纵向发展，多集中于电缆槽上方1～3 m及拱腰位置，宽度约为1～3 mm。

32次衬砌监测方案设计

为了对隧道2次衬砌裂缝处治设计提供相关资料及处理依据，拟定了裂缝检测方案，以进一步监测裂缝发展情况。监测主要从2次衬砌表面裂缝入手，记录裂缝的变化过程，查看裂缝是否继续扩大或出现新的变化[4]。监测工作主要包括：2次衬砌沉降情况监测(环向裂缝)，裂缝深度、裂缝宽度和裂缝长度扩展情况监测[5]。

3.12次衬砌沉降监测

主要作用：针对环向裂缝，监测该裂缝所在环的2次衬砌是否仍处于沉降期内或沉降速率是否满足设计要求。

监测方法：从拱顶沿裂缝两侧分别埋设1个沉降观测点，以测量裂缝两侧相对沉降量。另外，在靠近开裂环两边的未开裂环2次衬砌拱顶各布置1个沉降观测点，其与裂缝处的2点都位于隧道拱顶部位，并形成一字，以校核有裂缝段沉降。观测点具体布置如图1所示。

图1　沉降观测点布置

3.2裂缝深度扩展监测

主要作用：监测裂缝的深度有无扩大。

监测方法：利用超声波检测混凝土结构的裂缝深度是一种重要的混凝土无损检测方法。古牛坡隧道采用DJCS-05型裂缝测深仪进行裂缝深度量测，避免了用常规量测仪器量测时较为繁复的量测和计算过程。其测深原理为：振动能量在混凝土内传播，穿过裂缝时，振动能量在裂缝端点产生衍射，衍射角与裂缝深度具有几何关系，且依据该几何关系，可实现裂缝的高精度测深。DJCS-05型裂缝测深仪主要由信号发射、接收,信号处理、显示、键盘操作、数据传输等单元组成。首先由信号发射单元向混凝土内部发射超声波，接收换能器接收超声波信号,信号处理单元对接收的信号进行处理，根据收发间距换算裂缝的深度并显示、储存。DJCS-05型裂缝测深仪工作原理如图2所示。

3.3裂缝宽度扩展监测

主要作用：监测裂缝的宽度有无扩大。

监测方法：将CJ-301 型振弦式测缝计垂直于裂缝布设，以便对裂缝宽度发展情况进行监测。CJ-301 型振弦式测缝计主要由振弦式应变计构成。一般的振弦式应变计采用薄壁圆管结构，以钢弦作为传感器元件，其结构如图3所示。

图2　DJCS-05型裂缝测深仪工作原理示意

图3　振弦式应变计结构示意

振弦式应变计工作方式为脉冲电流间歇激发式，当所测结构物发生应变时，应变计左右端座将产生相对位移并传递给钢弦，使钢弦受力发生变化，从而导致钢弦固有频率发生改变。应变计输出脉冲信号，脉冲信号通过线圈时激振钢弦并检测出线圈所感应到的信号频率，经换算便可得到被测结构物的应变量。

3.4裂缝长度扩展监测

主要作用：查看裂缝是否继续延伸。

监测方法：采用放大镜和游标卡尺，按十字线方式来确定裂缝起止点的相对位置。准确记录裂缝的初始长度，并将其作为原始数据，便于与后续测量数据进行对比分析。2次衬砌裂缝长度扩展监测如图4所示。

图4　2次衬砌裂缝长度扩展监测示意

42次衬砌开裂及监测分析

古牛坡隧道地质勘察资料揭示，隧址区无大的地质构造及不良地质，地下水位较低；隧道贯通1年多来，未有地震暴雨等强烈地质灾害发生，即使2次衬砌有局部裂缝，但整体还是平顺，未有掉块、凸起，裂缝处未见漏水和冒浆现象，地表也未见大的裂缝。由上述裂缝监测可知，该隧道2次衬砌裂缝长度、宽度、深度无明显变化，初步判断2次衬砌处于较稳定状态，其为下一步裂缝处治提供了相关依据。

5处治方案设计

基于古牛坡隧道后期运营安全的考虑，并根据相关监测结果，对该隧道2次衬砌裂缝采取了如下处理措施。

1) 隧道两侧边墙及墙脚使用Φ76 mm注浆钢花管加固[6]，以保证2次衬砌安全，其相关设计如图5所示。

2) 2次衬砌裂缝清理干净并保持干燥。

3) 环向及纵向裂缝用环氧树脂充填密实。

4) 将开裂的2次衬砌表面清理干净，保持干燥，外贴1 cm厚钢带，中间用改性环氧树脂粘结，并用M24化学锚栓锚固。胶粘剂必须用A级胶，通过压力灌浆形成饱满而高强的钢层。2次衬砌外表面粘结钢带相关设计如图6所示[7]，M24化学锚栓布置如图7所示。

5) 根据混凝土裂缝观测及2次衬砌检测结果，对于支护结构整体不稳定的区域，采用加密注浆小导管支护，以保护支护结构整体安全。对于支护结构整体稳定的区域，支护设计时可取消拱部注浆小导管并加强拱脚注浆小导管[8]。

图5　注浆加固设计示意

6) 施做完毕后的钢板表面喷涂环氧类防锈漆进行防锈处理，最后喷涂防火涂料。

7) 凿除拱部局部防火涂料，以便长期观察2次衬砌裂缝发展情况。

8) 施工时注意安全，做好相应的交通管制，避免发生交通事故。化学锚栓施工时必须佩带手套、口罩、护目镜、安全帽等相关防护用品。若锚固剂不慎溅到皮肤和衣服上，立即用清水冲洗干净，情况严重的立即就医。

6处治效果评价

采取上述措施后，对处治后的古牛坡隧道2次衬砌裂缝进行了持续跟踪监测，确定2次衬砌沉降、裂缝均处于稳定状态。同时，采用有限元对不同围岩级别的隧道2次衬砌内力及安全系数进行了验证计算[9]，计算结果如图8所示。

图6　粘贴钢带设计示意

图7　M24化学锚栓布置示意

注：N 为轴力，kN；M为弯矩，kN·m；A为安全系数。

从图8可以看出，3种围岩条件下衬砌结构形式的2次衬砌内力都较小，最大轴力(165 kN)、最大弯矩(-15.97 kN·m)都发生在Ⅴ级围岩断面；2次衬砌安全系数较大。

7结束语

古牛坡隧道2次衬砌裂缝采取相关措施处治后，从监控量测和数值模拟计算看，2次衬砌裂缝未出现渗漏水及扩展现象，隧道结构是安全的，处治措施达到了应有效果，其可为类似工程施工提供借鉴。

参 考 文 献

[1]贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司.贵州省绥阳至遵义高速公路青山至檬梓桥段古牛坡隧道二次衬砌裂缝开裂处治咨询报告[R].贵阳：贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司，2013.

[2]重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004．

[3]关宝树.隧道施工要点集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[4]王华牢，刘学增，李宁，等.裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究[J].岩石力学与工程学报，2010，29(增1)：2651-2656.

[5]叶飞，朱合华.连供隧道衬砌裂缝的三维监测研究[J].现代隧道技术，2006，43(2)：30-33.

[6]李柱.隧道衬砌病害检测与处治措施的研究[D].重庆：重庆交通大学，2011.

[7]陈礼伟.浅析隧道产生病害的原因[J].隧道建设，2004，24(2)：83-85.

[8]陈东柱.高速铁路隧道衬砌裂缝病害及整治措施研究[D].长沙：中南大学，2012.

[9]刘庭金，朱合华，丁文其.某高速公路隧道二次衬砌安全性分析[J].岩石力学与工程学报，2004(1)：75-78.

Design of Treatment for Cracking of Secondary Lining in Guniupo Tunnel

YANG Chunping

Abstract:Guniupo Tunnel is located in plateau mountain area in the west of Guizhou Province with complicated terrain and geology and bad wall rock. Cracking appeared on the secondary lining after construction of fireproof coating. The secondary lining cracks were monitored and treated, enabling the secondary lining to reach relatively stable status finally. The design scheme of treatment for cracking of the secondary lining exhibits certain reference significance for similar projects in the future.

Keywords:Guniupo Tunnel; secondary lining; cracking; treatment design

文章编号：1009-6477(2016)02-0098-04

中图分类号：U455.91

文献标识码：B

作者简介：杨春平(1984-)，男，四川省广安市人，硕士，工程师。

收稿日期：2015-11-23

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.02.022