马洪隧道衬砌裂缝成因分析

2016-09-06福建农业职业技术学院尤文贵福建船政交通职业学院谢美凤

中国建设信息化 2016年24期

文｜福建农业职业技术学院尤文贵 / 福建船政交通职业学院谢美凤

1 概述

马洪隧道地处永安市洪田镇，系双连拱隧道。进出口桩号为K19+783～K20+077，全长294m，其中K19+783～+799为明洞部分。左洞裂缝主要集中在ZK19+874～YK20+031，右洞裂缝主要集中在YK19+836～+907，及YK20+001～+027段。裂缝以垂直隧道纵轴的环向裂缝为主，除边墙开洞位置外，大部分裂缝下部自沟底起，左洞裂缝数量多余右洞，中隔墙裂比外墙多。

隧道采用双洞交叉施工，施工结束发现局部区域出现环向裂缝。发现裂缝后，施工方对裂缝进行了表面抹浆处理，现场观测发现，大部分抹浆已开裂或局部剥落，裂缝两侧未见明显错台。部分裂缝穿越了二衬钢筋保护层厚度，但所有裂缝均未贯穿隧道二衬。

为了解裂缝出现原因，为裂缝整治方式的选择提供依据，下文将从工程地质条件、施工工序、二衬质量、二衬模板台车、二衬混凝土体积干缩变形等方面展开分析。

2 工程地质条件分析

根据勘察设计资料，马洪隧道地处剥蚀丘陵地貌，基岩埋藏较深，隧道穿越近南北向山脊，地形起伏较大，场区进口较缓出口较陡，隧道最大埋深为53.5m。隧道围岩以Ⅴ级为主，大部分围岩为残坡积层及全风化～碎块状强风化变质砂岩、变质粉砂岩，呈松散状碎裂结构，无自稳能力，以松动破坏为主，埋深大部分有明显的挤压破坏，易发生较大的坍塌，侧壁不稳。隧道围岩条件较差，容易引起不均匀变形以及地基不均匀沉降；围岩条件差，二衬施作以后围岩变形没有完全稳定，且低强度围岩具有流变性质，二衬仍承受一定的作用力。

图1 隧道结构横断面

图2 中隔墙σ3分布云图

图4 右洞二衬σ3分布云图

采用MIDAS有限元软件分析隧道开挖结束结构力学特性，为简化计算，将初支影响区域设置为围岩加固区，隧道结构横断面参见图1。由于隧道埋深较浅，隧道结构局部将承受拉应力，而混凝土抗拉性能相对较差，容易导致出现拉裂缝。为确定拉应力对隧道结构的影响，通过计算确定隧道中隔墙、隧道左右洞二衬第三主应力σ3分布情况（图2～图4）。计算结果中以拉应力为正，压应力为负。

分析得出中隔墙中有51.4%的单元处于拉应力区域，左洞二衬中有91.1%的单元处于拉应力区域，右洞二衬中有71.9%的单元处于拉应力区域。大部分拉应力等值线与隧道纵轴垂直或接近垂直，这与隧道裂缝走向相接近。拉应力的存在是隧道结构产生裂缝的主要原因之一。隧道结构最大拉应力主要集中在K19+885～+980地段，左洞在该地段存在8条环向裂缝，右洞在该地段存在2条环向裂缝。

3 施工工序分析

施工过程中，先做中导洞，并同时施作中隔墙。隧道左右洞施工间距为30～50m，左洞先施工。双洞均采用上下台阶开挖法，间距控制在30～50m范围内，仰拱施作紧随下台阶开挖。二衬施作位置距离掌子面100m左右。由于施工工序比较复杂，隧道围岩要受多次施工扰动，连拱中左拱先封闭受力，开挖右洞时引起的再分配应力作用在左洞的支护和衬砌上，同时由于围岩条件差，隧道埋深浅，因而容易导致产生不均匀变形裂缝。现场发现左洞裂缝比右洞多，与施工工序的安排有很大关系。

4 二衬质量分析

二衬质量检测包括以下几个方面：

（1）采用钢筋位置测定仪检测二衬钢筋保护层厚度，分析保护层厚度及均匀性对二衬受力、变形特性的影响。

（2）采用地质雷达扫描二衬，定量测定二衬厚度，了解裂缝附近二衬混凝土背后空洞情况。

（3）对裂缝附近二衬混凝土取芯，进行混凝土抗压试验。检验二衬混凝土强度是否满足设计要求，并对其均匀性进行分析。

在此基础上判定二衬施工质量是否满足要求。

4.1 钢筋保护层厚度

检测中利用钢筋位置测定仪，在裂缝两侧各1m范围内，在拱顶、拱腰和边墙三个部位测定钢筋保护层厚度。马洪隧道钢筋保护层设计厚度为5.5cm，此厚度为至钢筋轴心的距离。采用钢筋位置测定仪得到的是检测面至钢筋外表面的距离。因此钢筋位置测定仪获得的数据加上钢筋半径方为检测到得钢筋保护层厚度。检测发现，除个别位置满足设计要求，YK19+787、YK19+862边墙局部位置钢筋保护层厚度小于设计值以外，其余大部分检测位置钢筋保护层厚度大于设计要求。

从锚固和耐久性的角度来看，保护层厚度越大越好，但从受力的角度看则正好相反。因此在保证锚固、耐久性的条件下，保护层厚度应尽量取小。检测得出二衬大部分位置钢筋保护层厚度过大，这不利于二衬抗弯，容易引发裂缝。

对测得的钢筋保护层厚度数据进行数理统计分析（表1），发现左右洞沿桩号方向二衬钢筋保护层厚度变化较大，边墙、拱腰、拱顶均如此。钢筋保护层厚度差异较大，可引发隧道二衬沿桩号方向力学性能的差异，在二衬的受力情况下，易导致变形不协调，进而引起裂缝的产生。

4.2 二衬厚度及空洞情况

采用地质雷达扫描二衬拱顶、拱腰和边墙，以检测二衬钢筋存在情况、厚度及背后空洞情况。二衬设计厚度为50cm，且埋设钢筋网。检测结果表明二衬中左洞ZK19+900～+914拱顶和左边墙，ZK19+878～+890左拱腰，ZK19+890～ +900、ZK19+920～ +926、ZK19+998～ZK20+006右拱脚二衬厚度不足；右洞中YK19+854～+866、YK19+872～+874拱顶二衬厚度不足。其余位置二衬厚度满足要求，背后未见空洞。

二衬厚度差异与初衬平顺度直接相关。初期支护的平顺度直接影响着二衬混凝土的受力状况及内部收缩变形自由度。良好的平顺度能在一定程度上避免二衬混凝土外部应力的集中，同时直接影响到二衬混凝土厚度的均匀性，如果二衬混凝土的厚度均匀性差，则在外应力作用下极易在厚度薄弱部位出现二衬混凝土裂缝。分析发现，马洪隧道中二衬厚度不足的位置与裂缝位置有很好的对应，因此裂缝的出现与二衬厚度分布不均、部分位置二衬厚度薄弱有关。

4.3 二衬模板台车

隧道施工过程中，采用的台车长度为12m。在施工过程中，因为衬砌台车模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等可导致混凝土结构裂缝的产生。二衬混凝土衬砌台车的长度对裂缝形成也有较大影响，每模纵向长度越长，二衬混凝土出现裂缝的可能性则越大。同时台车长度越长，相邻沉降缝之间的距离增大。由于隧道围岩条件（包括地基）差，容易产生不均匀变形，加之二衬钢筋保护层厚度和混凝土强度不均匀，这对沉降缝的设置也提出了较高要求。但是衬砌模板台车长度过大，达到12m，沉降缝的作用很难充分发挥出来，因而容易导致裂缝的产生。