隧道二次衬砌开裂原因分析及加固方案比选

石继训 冉利刚 张政

摘 要：以大广高速塘基二号隧道左洞ZK106+673～ZK106+700段二次衬砌开裂为例，对二次衬砌质量指标及裂缝进行了检测，通过数值模拟对二次衬砌进行了结构安全性评价，分析了二次衬砌开裂的原因，并制定了三个加固方案进行比选，为从事隧道管理、设计和施工的现场技术人员提供参考。

关键词：隧道;二次衬砌;裂缝;加固

中图分类号：U457+.3 文献标识码：A

截至2018年底，我国共建铁路隧道15177座，长度16331km;公路隧道16500座，长度15940km;正在施工的各类隧道约20000 km，计划修建的隧道约20000km[1]，隧道在交通工程中所占比例越来越高。然而，由于各种因素的影响，部分隧道在建设和运营的过程中暴露出一些病害，这些病害会影响隧道的承载能力和耐久性，二次衬砌开裂即是隧道主要的病害之一[2～3]。

对二次衬砌开裂的原因进行分析，并对二次衬砌结构进行安全性评价[4～5]，然后结合现场实际制订安全、经济、方便的处治方案[6～10]，是处理二次衬砌开裂常用的流程。

1工程概况

塘基二号隧道为双向六车道分离式小净距隧道。右线隧道长452m，左线隧道长474m。隧道进口～中部～隧道出口的线间距分别为14.7m～17.2m～16.4m。隧道为左高右低的地形地貌，属于浅埋偏压隧道，左线最大埋深约73米，右线最大埋深约62米，其中右线K106+680～+760段拱肩距离地表最薄处仅5m。隧道区地表覆盖层为第四系坡残积层（Qdl+el） 和燕山三期侵入岩体—粗粒花岗岩（γ52-3）。其中进口左洞ZK106+577～+810和右洞K106+597～+814段采用ⅤQ型衬砌，衬砌内轮廓见图1，支护参数见表1。

该隧道在交工验收期间发现左洞ZK106+673～ZK106+700段二次衬砌右拱腰处存在多条纵向裂缝，随后业主委托检测单位对该段的二次衬砌进行了检测，检测内容主要包括裂缝宽度和深度测试、二次衬砌厚度、钢筋保护层厚度、混凝土密实度和脱空缺陷检测、二次衬砌混凝土强度检测等。

2主要检测结果

2.1裂缝检测结果

塘基二号隧道左洞ZK106+673～+700段3个施工节段（ZK106+673～+682、ZK106+682～+691、ZK106+691～+700）二次衬砌右拱腰至拱顶范围共出现了39条纵向裂缝，部分裂缝在各施工节段存在连通的情况，裂缝长1m～10m，宽为0.78mm～2.20mm，裂缝深度为61.00mm～130.00mm。

2.2二次衬砌厚度、钢筋保护层厚度、混凝土密实度等检测结果

二次衬砌厚度在52.5cm～123.2cm 之間;钢筋混凝土保护层厚度在10.0cm～82.3cm之间，均超过了设计值5.8cm，保护层厚度偏厚;二次衬砌混凝土较密实，未发现明显脱空或空洞等缺陷。

2.3二次衬砌混凝土强度检测结果

通过回弹法测定ZK106+673～ZK106+682、ZK106+682～ZK106+691、ZK106+691～ZK106+700三处施工节段二次衬砌混凝土强度分别为 30.2MPa、39.4MPa、 37.2MPa，均符合设计C30要求。

通过钻芯法测定ZK106+640～ZK106+720范围内的二次衬砌混凝土强度，共随机抽取10个芯样，抗压强度分别为35.1MPa、40.2MPa、39.7MPa，32.6MPa、36.9MPa、31.1MPa、31.6MPa、44.7MPa、30.8MPa、32.6MPa，均符合设计C30要求。

3隧道二次衬砌开裂原因分析及结构安全性评价

3.1 计算方法和计算软件

计算方法为地层-结构法，计算宽度取单位长度1m，采用平面应变分析模型。计算软件采用FLAC3D 3.0。

3.2 计算断面及计算模型

选取开裂较为严重的ZK106+700段作为计算断面，ZK106+700的横断面与地层分布见图2。

计算未考虑右洞的影响。结合现场施工过程中初期支护施做后拱顶存在较大变形和二次衬砌施工前初支变形未收敛的实际情况，考虑二次衬砌承受100%围岩变形压力。为消除计算过程中的边界效应，隧道左、右两侧和隧道底部距离模型边界大于3D（D为隧道开挖宽度）。计算模型如图3所示。

3.3围岩支护计算参数

根据地勘报告，围岩物理力学指标取值如表2所示。

二次衬砌物理力学指标取值如表3所示。

3.4 计算结果

3.4.1隧道围岩稳定性

隧道围岩失稳破坏可以看作是塑性区逐渐发展扩大直至贯通而进入完全塑性状态、无法继续承载的过程。众多的试验研究及工程实践表明，当隧道围岩失稳时，会产生明显的局部剪切变形。所以，可以将隧道围岩是否出现较大的剪切变形作为隧道围岩失稳的一个判据。

由图4可以看出，隧道开挖后围岩失稳主要出现在隧道右侧拱部和隧道左侧侧拱脚位置。图5地层剪切应变图可以看出，因隧道开挖支护的影响，隧道右侧拱部产生明显的剪切应变，该位置的围岩产生了明显的松动，作用在隧道衬砌上的围岩变形荷载将显著增大。

3.4.2隧道二次衬砌内力

由图6、图7可知，隧道拱墙二次衬砌最大正弯矩为399.59kN？m，对应的轴力值为562.34kN。计算结果如表4。

原施工图该段衬砌类型为VQ型，衬砌结构采用对称配筋，内外侧各配置6根φ25钢筋。经计算，采用原设计结构安全系数满足规范[11]要求，衬砌裂缝开裂宽度为0.141mm<0.2mm，满足规范要求。

3.4.3二次衬砌结构应力

图8表明衬砌最大主拉应力为4.999MPa，其数值超过C30混凝土极限抗拉强度2.2MPa，混凝土产生裂缝，裂缝位置在拱顶至拱腰位置的衬砌内表面。图9表明衬砌最大主压应力为20MPa，未到达C30混凝土的极限抗压强度为22.5MPa。

3.5二次衬砌开裂原因分析及结构安全性评价

从ZK106+700实测断面及钢筋位置图（见图10）可以看出，结构最大弯矩出现在测线03位置，该位置混凝土衬砌厚度83.1cm，混凝土保护层厚度56cm，钢筋位于混凝土受压区，不能约束裂缝发展，这是造成该隧道二次衬砌开裂的主要原因。该截面应作为混凝土构件考虑，该位置混凝土裂缝深度为12.5cm，混凝土有效工作高度为70.6cm。

按混凝土弯压构件计算，测线02位置衬砌安全系数最小，仅0.958<3.6，不满足《公路隧道设计规范》（JTG 3370.1-2018）9.2.4条混凝土达到抗拉极限强度的安全系数要求，需进行加固处治。

4 加固方案比选

根据以上分析，二次衬砌混凝土强度、厚度、内净空均满足设计要求，但衬砌裂缝深、宽度大，结构安全系数低，而且不排除二次衬砌裂缝有进一步发展的趋势。据此，先采用改性环氧树脂类封闭胶和修复胶对二次衬砌裂缝进行修复，然后对二次衬砌进行加固处理。按等效替换拉区钢筋的原则，拟定了三种二次衬砌加固方案。

4.1凿槽嵌钢架方案

在拱墙二次衬砌结构内表面环向凿槽（槽深20cm，槽口宽20cm、槽底宽25cm），在槽内嵌入I18型钢钢架，后灌注C30微纤维微膨胀细石混凝土，钢架沿隧道纵向间距1m，槽底低于检修道顶面10cm。

4.2钢架套拱方案

原施工图中二次衬砌内轮廓与建筑限界间最小净距为17cm，隧道内净空可满足厚15cm的套拱施做空间。首先对二次衬砌混凝土内表面进行凿毛处理，然后在拱墙位置架立φ25格栅钢架并用φ22钎钉将其固定在二次衬砌混凝土内表面，在两榀钢架间架立网格间距为20cm的φ8钢筋网（焊接在二次衬砌混凝土表面的φ22钎钉上），最后喷15cm厚C30微纤维混凝土。钢架脚嵌入检修道顶面以下10cm。

4.3粘贴钢板方案

采用改性环氧树脂系列粘结剂将钢板粘贴在钢筋混凝土结构物的受拉缘或薄弱部位，使之与原结构物形成整体共同受力，以提高其刚度，改善原结构的钢筋及混凝土的应力状态，限制裂缝的进一步发展，从而达到加固补强、提高隧道承载能力及抗裂能力的目的。

粘贴钢板厚5mm，宽350mm，净距150mm，采用Q345c钢板加固，钢板沿隧道环向布置。

4.4方案比选

三种修复方案比选见表5。

综合以上比较表明：凿槽嵌钢架具有施工麻烦，工期长，会对既有结构产生一定损伤的缺点;钢架套拱也需对原结构局部进行开槽作业，加固后影响洞内空间和景观;粘贴钢板方案在造价方面虽然高于凿槽嵌钢架和套拱方案，但明显具有施工便利、工期短、不影响洞内景观等优点，因此推荐粘贴钢板方案。

5 结语

在隧道施工或运营的过程中，若发现二次衬砌出现裂缝病害，先对裂缝出现的位置、裂缝的发展方向、裂缝宽度、长度和深度进行检测，并检测二次衬砌混凝土的其他质量指标，然后对裂缝产生的原因进行分析，对二次衬砌进行安全性评价，最后根据裂缝对结构的影响，有针对性地制定安全、经济、方便的处治方案。

参考文献：

References

[1] 严金秀.中国隧道工程技术发展40年[J].隧道建设，2019，39（4）：537-544.

Yan Jinxiu.Achievements and Challenges of Tunneling Technology in China over Past 40 Years [J].Tunnel Construction， 2019，39（4）：537-544.

[2] 王华牢，李 宁.带裂缝的隧道衬砌刚度验算与加固[J].长安大學学报（自然科学版），2009，29（1）：64-67.

WANG Hua-lao，LI Ning.Stiffness Checking and Reinforcement of Tunnel Lining with Cracks[J]. Journal of Chang an University （Na tural Science Edition） ，2009，29（1）：64-67.

[3] 李玉文，唐协，张兆杰.公路隧道病害与防治对策[J].西南公路，2016，（2）：35-41.

Li Yuwen ， Tang Xie ， Zhang Zhaojie . Highway tunnel Diseases and Prevention Countermeasures[J].Southwest Highway，2016，（2）：35-41.

[4] 熊先波.隧道典型病害与结构安全性评估研究[D].重庆交通大学学位论文，重庆，2013.

Tunnel structure safety assessment and the typical disease research[D]. Chongqing Jiaotong University degree thesis，Chongqing，2013.

[5] 王晓形.运营期隧道带裂缝二衬承载力评价[J].地下空间与工程学报，2012，8（增刊1）：1455-1458.

Wang Xiaoxing.Evaluation of Carrying Capacity of Tunnel with Cracks of Secondary Lining during Operation Period[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2012，8（Supplement 1）：1455-1458.

[6] 刘学增，桑运龙，包浩杉.叠合式套拱加固带裂缝隧道衬砌受力机理分析[J].土木工程學报，2013，46（10）：127-134.

Liu Xuezeng ， Sang Yunlong ， Bao Haoshan.Analysis of bearing mechanism of cracked tunnel lining reinforced with stacked umbrella arch[J].China Civil Engineering Journal，2013，46（10）：127-134.

[7] 中华人民共和国行业推荐性标准.公路隧道加固技术规范：JTG/T 5440-2018[S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.

Industry Recommendation Standards of the People's Republic of China.Technical code for highway tunnel reinforcement： JTG/T 5440-2018[S]. Beijing：People 's Traffic Press Limited，2019.

[8] 李治国，张玉军.衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术[J].现代隧道技术，2004，41（1）：26-31.

Li Zhiguo ， Zhang Yujun .Stability analysis for tunnels with cracked linings and the techniques for repairing the cracked liningsfor repairing the cracked linings[J].Modern Tunnelling Technology，2004，41（1）：26-31.

[9] 秦洲，田正，刘宝华.公路隧道二次衬砌粘贴钢板加固技术研究[J].公路，2018，（8）：266-270.

Qin Zhou ， Tian Zheng ， Liu Baohua.Study on Reinforcement Technology of Adhesive Steel Plate for Secondary Lining of Highway Tunnel[J]. Highway，2018，（8）：266-270.

[10] 白国权.隧道二衬严重开裂段病害综合治理研究[J].铁道标准设计，2014，58（8）：133-137.

BAI Guo-quan.Research on Comprehensive Treatment for SevereCracking of Tunnel Secondary Lining[J].RAILWAY STANDARD DESIGN，2014，58（8）：133-137.

[11 ]中华人民共和国行业标准.公路隧道设计规范：JTG 3370.1-2018 [S].北京：人民交通出版社股份有限公司，2019.

作者简介：石继训（1984.12—），男，工程师，硕士研究生，主要从事隧道等地下工程的设计与研究工作（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

（中铁二院工程集团有限责任公司  成都   610031）