超大跨度公路隧道衬砌的变形规律及裂缝处理

汤建元，董永泽，余鸾鹦，王德志，巩海筱

(1.中交第三公路工程局第四工程分公司，重庆 401120；2. 长安大学 公路学院， 陕西 西安 710064)

0 引 言

近年来，随着中国经济的迅速发展，公路交通运输量在逐年提高，双车道和三车道公路隧道已无法满足现有交通量的需要，双洞八车道超大跨度公路隧道应运而生。超大跨度公路隧道结构具有扁平、大跨、薄拱等特点，在施工过程中会遇到围岩复杂多变、施工工序繁琐等问题，常会出现不同程度的病害，甚至存在严重的安全隐患[1-3]。其中，二次衬砌裂缝就是隧道施工及运营过程中最常见的病害之一。

目前针对超大跨度公路隧道的研究多集中在围岩压力和支护参数优化方面，而关于二次衬砌变形规律及其裂损的研究较少。其中，李勇峰等[4]以油坊坪隧道为依托，在对裂缝位置及长度进行统计分析的基础上，从隧址区岩性、围岩结构组合、偏压3个方面阐述浅埋偏压软岩隧道二衬开裂的力学机理；张永兴等[5]通过建立数值分析模型，分析了隧道二衬开裂的主要原因，提出了类似地质和施工条件下合理的连拱隧道施工工序；白国权、陈世荣、杨春平等[6-8]通过现场调查及监测对二衬开裂段病害原因进行了分析，提出了具体的处理措施。这些研究成果推动了该方向的发展，但由于超大跨度隧道施工工法和支护参数不尽相同[9-11]，加之隧道所处地质、气候条件的复杂性及区域性，因此有必要对超大跨度公路隧道二次衬砌开裂后的变形规律及产生裂缝的原因进行研究[12-15]。

本文以滨莱高速改扩建工程中的姚家峪隧道为依托，对二次衬砌开裂段进行变形监测，分析二次衬砌的变形规律及产生开裂的原因，为类似工程的设计与施工提供参考。

1 工程概况

姚家峪隧道位于淄博市博山区昃家庄西南侧，为分离式双向八车道高速公路隧道。隧道全长385 m，单洞最大开挖跨度为21.48 m，最大开挖高度为14.29 m。隧址区为剥蚀低山丘陵地貌区，地表植被较发育，基岩埋深较浅，隧道最大埋深约37.2 m，左右线净距为15～21 m，属于浅埋小净距隧道。隧道洞口段以中奥系灰岩、泥灰岩为主，层状构造，岩体较破碎。隧道洞口如图1所示。

图1 姚家峪隧道出口现场

2 二次衬砌开裂分析

2018年3月5日，姚家峪隧道左线ZK102+950～ZK102+990和右线YK102+955～YK103+000区段的二次衬砌上出现沿隧道纵向曲折延伸的裂缝，裂缝位于起拱线附近。截至2018年9月21日，左线左侧、右侧均发现12条裂缝，裂缝最大宽度为0.81 mm(桩号：ZK102+975(左侧))；右线左侧共发现10条裂缝，右侧共发现11条裂缝，裂缝最大宽度达到1.60 mm(桩号：YK102+971(右侧))。隧道施工方法为上台阶CD法，隧道开裂段支护参数见表1。

表1 支护参数

隧道裂缝为纵向贯通缝，沿隧道起拱线(路面上1.65 m)上下范围纵向开裂。其中左洞ZK102+954.5～ZK102+946、ZK102+872.5～ZK102+862.5等范围出现4条45° 方向的环向裂缝。

通过对裂缝宽度的测量，发现大部分裂缝宽度约为0.3～1.0 mm，少部分裂缝宽度发展到1.5 mm左右；通过钻孔取芯测得裂缝深度约为8～40 cm。隧道二次衬砌裂缝的分布范围和具体的裂缝形态如图2、3所示。

图2 二次衬砌裂缝分布范围示意

3 监控量测

3.1 监测方案

为了监测裂缝发育情况，便于后期对结构安全性进行评估，对二次衬砌开裂段进行拱顶沉降、净空收敛及裂缝宽度监测。监测采用的仪器和测读频率见表2。

表2 现场监测设备及测读频率

图3 现场裂缝形态

根据现场探察二次衬砌开裂的情况，分别在左、右洞开裂段布设9个监测断面。在监测断面的拱顶埋设膨胀挂钩，并用高精度水准仪进行拱顶沉降监测，在监测断面起拱线上下各埋设1对收敛测头，用数显收敛计进行净空收敛监测，收敛测头上下间距约为0.3 m。断面测点布置与现场监测分别如图4、5所示。

图4 断面测点布置

图5 现场监测

图7 右线拱顶沉降时态曲线

3.2 监测结果分析

3.2.1 拱顶沉降

左洞ZK102+960、ZK102+980和右洞YK102+976、YK102+980拱顶沉降及温度时态曲线分别如图6、7所示。由图6、7可知：二次衬砌拱顶沉降值与气温变化规律一致，即随温度升高而增大，随温度降低而减小。隧道的沉降值随温度的波动较大；随着进入6月后气温逐渐稳定，沉降速率逐渐平缓，二次衬砌已处于基本稳定状态。

图6 左线拱顶沉降时态曲线

图9 右线净空收敛时态曲线

3.2.2 净空收敛

左、右线各断面收敛时态曲线分别如图8、9所示。由图8、9可知：净空收敛表现为整体收敛，说明隧道的二次衬砌净空收敛是随温度的变化产生的整体收缩；变形前期波动较大，最大收敛值达到13.2 mm，随着温度的逐渐稳定，收敛变形也逐渐趋于稳定。

图8 左线净空收敛时态曲线

3.2.3 裂缝宽度

由左、右线裂缝宽度变化曲线(图10、11)可知：裂缝宽度逐渐增加，随着温度逐渐达到稳定，裂缝宽度趋于稳定，整体变化速率较小。

图10 左线裂缝宽度变化曲线

图11 右线裂缝宽度变化曲线

3.3 开裂原因分析与处理措施

3.3.1 开裂原因分析

公路隧道的开裂与外部荷载、混凝土收缩、温度应力、支护结构和施工工法均有关。根据二次衬砌拱顶沉降、净空收敛以及裂缝宽度的变形规律[16-20]，分析二次衬砌开裂的原因。

姚家峪隧道二次衬砌为冬季施作，混凝土产生大量水化热，而当地冬季最低气温为-11 ℃，施工时虽然采取挂设保温门帘和无烟火炉的措施，但是由于隧道断面较大且隧道已经贯通(形成贯通风)，巨大的温差致使衬砌内外产生不均匀收缩变形。同时，巨大温差会使二次衬砌内部产生温度应力，而二次衬砌温度应力作用与大体积混凝土温度应力类似，混凝土在某一方向的长度远小于其他2个方向，受地基较大水平阻力影响，造成对混凝土的约束。混凝土收缩及温差越大，衬砌越易开裂，结构越薄，温度梯度越大，抵抗收缩变形的能力越差，加之地基对混凝土的约束影响，导致姚家峪隧道二次衬砌出现开裂。

3.3.2 处理措施

为防止二次衬砌裂缝的产生和扩大，提出以下处理措施[21-23]。

(1)当隧道衬砌没有发生掉块、破裂等结构性破坏时，多采用注浆加固处理。对于裂缝宽度大于0.3 mm的部分，采用低压速灌法进行灌缝处理；对于裂缝宽度小于0.3 mm的部分，利用环氧树脂浆液进行封闭；也可将混凝土表面凿毛，在表面喷涂混凝土黏结用胶。

(2)冬季施工时应加强保障措施，包括隧道的保温措施、施工设备的保护、钢筋混凝土材料的处理等。同时，为避免地下水使围岩性质恶化，应完善地表截排水系统，加强洞内径向排水系统，预留永久性排水孔，防止排水堵塞引起结构胀裂。

(3)对二次衬砌开裂段进行长期的跟踪观测，关注裂缝发展趋势，通过监控量测手段分析隧道二衬开裂段变形、受力状况，并做相应的处理。

4 结 语

通过对滨莱高速姚家峪隧道二次衬砌开裂段进行监控量测，发现温度的变化会引起变形量的增减。分析了二次衬砌产生裂缝的原因，并根据裂缝的宽度给出了处理措施。具体结论如下。

(1)洞口温度的变化导致隧道二次衬砌发生变形，是隧道内温度的变化引起混凝土材料的收缩，混凝土收缩变形的规律是先增大、后逐渐平缓。

(2)二次衬砌开裂段位于隧道洞口段，并沿起拱线上下纵向曲折延伸；通过对裂缝产生的原因进行分析，发现混凝土材料的收缩及温度应力的作用是姚家峪隧道产生裂缝的主要原因。

(3)当超大跨度公路隧道隧道二次衬砌发生非结构性的衬砌开裂时，可根据裂缝宽度选取加固措施，主要的处理措施为注浆加固或喷涂混凝土黏结用胶，同时对开裂段进行长期跟踪监测，防止裂缝持续发育。