某在建隧道衬砌开裂原因分析

叶兴军



某在建隧道衬砌开裂原因分析

叶兴军

（重庆市市政设计研究院，重庆 400030）

根据第三方检测单位提供的检测资料，结合隧址区工程地质条件和设计方案，对某在建隧道衬砌开裂的原因进行分析、排查，最终认为本隧道衬砌开裂主要是由施工和管理原因造成，不会对结构安全造成影响。经过1年多连续监测，该隧道衬砌结构稳定，裂缝处理后没有继续发展。

隧道；衬砌开裂；原因

目前我国公路隧道普遍采用传统的钻爆法开挖、锚喷支护、复合式模筑混凝土衬砌施工。调查及研究结果表明，隧道二次衬砌混凝土开裂较为普遍，大致可分为干缩裂缝、温度裂缝、荷载变形裂缝和施工缝，涉及地质、设计、施工等多个方面。笔者以某在建城市快速路越岭隧道为背景，根据第三方检测单位提供的检测资料，分析该隧道二衬开裂的主要原因。

1 基本情况介绍

某在建城市快速路越岭隧道内径约10.5m，净高约7.0m，左线长3 233m，起止点桩号为ZK2+825～ZK6+058；右线长3 165m，起止点桩号为YK2+835～YK5+900。

隧道穿越山脉是以观音峡背斜轴部隆起为主体的“背斜脊状山”，地貌形态受地质构造和地层岩性制约，呈“一山两槽三岭”形态，地面高程为325～628m，隧道最大埋深288.0m左右。

观音峡背斜走向为北北东-南南西，为一狭长的不对称的梳状扭转背斜。轴部地层为飞仙关组、长兴组、龙潭组，两翼地层为嘉陵江组至新田沟组。背斜轴部位于新建隧道YK4+120附近，地表岩层倾角为10°~25°；两翼岩层具有东陡西缓之势，西翼倾角36°～74°，东翼倾角62°～80°。背斜轴部因褶曲形成5条次级压扭性逆断层。

右线进洞口YK2+835～YK2+965段为嘉陵江组3段以及2段地层，主要为白云岩、白云质灰岩，中厚层状为主，局部夹岩溶角砾岩，围岩级别为IV级。因YK2+936、YK2+951、YK2+961掘进发现岩溶管道及小型溶腔，设计将YK2+933～YK2+965段衬砌由Ⅳ级调整为Ⅴ级。该段隧道基本衬砌参数如表1。

表1 YK2+835-YK2+945段衬砌参数

2014年12月初至2015年3月中旬该段隧道施工掘进，3月12日至4月25日完成二次衬砌，同年5～8月该段二衬陆续发生开裂。

2 衬砌裂缝检测情况

施工单位及业主委托的第三方检测机构对二衬开裂段进行超声波裂缝深度检测、衬砌强度回弹检测、仰拱基底钻芯检测、隧道结构检测等，检测结果如下。

2.1 裂缝分布展示图

根据检测资料，右线进洞口段共发现16条裂缝，裂缝宽0.02～0.46mm，多分布在边墙中下部，距离墙脚20～100cm并向拱脚延伸。左侧墙9条，除Z1为斜向外（倾角60°），其余均为环向裂缝；右侧墙7条，其中3条（编号Y1，ZY4，Y6）为斜向裂缝，倾角66°～70°，其他为环向裂缝。

衬砌裂缝分布位置及形态展示图

2.2 裂缝主要特征

衬砌裂缝的基本特征汇总如表2~3。

表2 YK2+835-YK3+965段左侧边墙裂缝情况汇总表

表3 YK2+835-YK3+960段右侧边墙裂缝情况汇总表

2.3 衬砌回弹检测

表4 裂缝处衬砌回弹检测结果

采用回弹仪对裂缝附近二衬混凝土强度进行检测，回弹强度测定值均满足设计要求，检测结果见表4。

2.4 仰拱基底钻芯检测

利用用IDS-RIS探地雷达，对隧道二衬结构及仰拱施工回填质量进行扫面检测，扫描结果显示隧道仰拱密实无空洞，实际厚度满足设计要求；二衬边墙脚能清晰识别钢筋，混凝土密实无空洞，满足设计要求。

2.5 监控量测

检测单位对隧道初支进行了监控量测，监控量测频率基本满足设计和规范要求，监控数据如表5。

3 开裂原因分析

造成隧道二衬开裂的原因有很多，总结起来无外乎地质原因、设计原因和施工原因。通过逐项分析、逐级排查的方式进行原因分析。

3.1 围岩压力超限

YK2+834～YK2+933段围岩为薄-中厚层状灰岩、白云质灰岩，围岩级别为IV级。根据掘进情况，设计单位对洞口及其他围岩破碎段的初支及二衬进行了加强处理。

YK2+933～YK2+965段围岩为灰岩和岩溶角砾岩。岩溶角砾岩岩质极软，岩体破碎，部分已粘土化，其两侧的灰岩溶蚀作用强烈，溶隙、溶孔等较发育。YK2+936、YK2+951、YK2+961发现规模不等的岩溶管道及小型溶腔。施工期间已将YK2+933～YK2+965段围岩衬砌由Ⅳ级调整为Ⅴ级。

表5 出现裂缝段施作二衬前监控量测数据 (mm.d-1 )

由于二衬开裂主要出现在侧墙中下部，而受力较大的拱顶、拱脚并未出现开裂。参考临近隧道建设经验，进洞口段因围岩破碎、拱顶压力过大，或拱顶岩体发生层间错动、变形过大并导致二衬开裂的可能性不大。

另外，隧道施工揭露的岩溶规模较小，初支期间对已发现的岩溶管道进行专项处理，初支收敛变形正常。因溶腔或管道内沉积泥砂或物质塌落造成衬砌结构开裂的可能性不大。将岩溶发育位置与裂缝位置进行对比，一则无明显的对应关系，二则裂缝分布稀散，不具集中发育的特征。

另外，溶腔或岩溶管道冲水，水压力增大引起衬砌结构开裂，裂缝多分布在侧墙中部以及预留孔洞等位置，且以纵向裂缝为主，与隧道裂缝位置及形态差异较大，可排除该种可能。

3.2 地基均匀性差

不均匀沉降会造成应力集中，并引起衬砌结构环向开裂。如仰拱或边墙下地基软弱易变形或地基软硬差异过大，其接触带附近衬砌结构应力较集中。浅埋隧道轴线上地面高差过大，如穿越深切沟谷、高耸山脊等时，地应力差异过大也可能引起衬砌结构应力集中。隧道底板超挖过多或填渣厚度过大，锁脚锚杆施工质量过差也会造成初支钢架和二衬结构受力不均，造成应力集中并出现类似的环向裂缝。

根据工程经验，地基均匀性差或拱顶荷载差异过大造成边墙和仰拱应力集中，并产生环向裂缝，并向拱脚延伸。可通过拱底钻探取芯、地质雷达扫描等方式查明松渣及仰拱厚度、仰拱施工质量、混凝土标号等予以排查。本隧道二衬裂缝多集中在边墙底部以上，墙脚并未贯穿。衬砌回弹检测、仰拱基底钻芯检测表明隧道仰拱密实，二衬边墙脚混凝土密实，结构厚度及施工质量满足设计要求。因地基均匀性差造成衬砌开裂的可能性不大。

3.3 其他原因分析

混凝土材料检验不力，配合比控制不严，水灰比过大，混凝土振捣不密实，二衬混凝土养护不到位，水泥水化热产生的温度应力及混凝土失水引起的干缩应力超过混凝土自身抗拉强度时，就会出现稳定裂缝和干缩裂缝。

研究结果表明，隧道衬砌结构温度应力对隧道二衬的影响不仅与混凝土水化热有关，还与二衬施工浇筑的气温有关。如果二衬浇筑时为最低温度，则隧道内温度变化为升温，温差将导致混凝土产生压应力，反之产生拉应力。当最大降温幅度达12℃时，最大环向应力达2 429MPa，已超过C30混凝土的抗拉强度（设计值为1.47MPa，极限值为2.2MPa），混凝土可能出现裂纹。对于C30混凝土，当失水量达212%时，干缩系数达144.34×10-6，相当于温度变化15.5℃，产生的环向应力已经超过C30混凝土的抗拉强度。

其他原因，如光面爆破效果差，超挖回填不密实形成空洞；大断面开挖施工工序不合理，未适时施做二衬导致围岩力学性质恶化；模板拱架支撑变形；预留井施工不规范、内壁衬砌厚度不足等，均可造成二衬结构承受偏载，局部应力过大出现开裂。

该类裂缝多以环形为主，分布规律性较差。本隧道衬砌开裂可能因上述原因造成。

4 结论

隧道二衬结构开裂是公路隧道施工中常见的病害之一。裂缝不仅影响美观也会引起地下水渗漏，同时加速钢筋锈蚀、结构老化，造成衬砌结构整体失效，其后果较为严重。

经分析排查，认为本隧道二衬开裂主要是由于施工和管理原因造成，如预留井内壁衬砌结构厚度不足，角点等位置应力集中造成结构开裂；二衬混凝土养护不到位，温度应力及干缩应力过大；二衬拆模时间过早，混凝土强度可能未达到设计值的75%等。该裂缝对隧道结构安全影响不大，连续监测3个月如裂缝不再发展即可对进行处理。

目前，该隧道已经贯通，原洞口开裂段裂缝的数量、长度及宽度等均为发生变化。该现象说明上述开裂原因分析合理，判断正确。

[1] 杨超. 公路隧道二衬混凝土开裂的施工因素分析及对策研究[J]. 四川理工学院学报, 2010，23（04）:377-379.

[2] 李明华，邹永祥. 大跨度隧道二衬混凝土早期裂纹数值模拟与分析[J]. 混凝土, 2014（02）：1-4．

[3] 许文锋，某隧道衬砌开裂的安全性分析及治理[J]. 公路, 2008（05）:211-214．

[4] 叶兴军，等. 成渝高速中梁山隧道扩容改造工程地质详细勘察报告[R]. 2014.

Reasons for Cracking of A Tunnel Lining Building Taking Shape

YE Xing-jun

(Chongqing Institute of Municipal Design, Chongqing 400030)

The present paper has a discussion on reasons for cracking of a tunnel lining building taking shape based on detection data provided by the third party testing unitand believes that construction and management are responsible for the lining cracking which won't cause an effect to structure safety.

tunnel; lining cracking; reason

[P642.3]

A

1006-0995（2018）02-0285-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.022

2017-01-10

叶兴军（1978-），男，陕西山阳县人，高级工程师，主要从事岩土工程勘察设计