隧道端墙式洞门裂缝的成因分析和处治

黄 达， 任 会， 陈立峰

(1.湖南省高速公路集团有限公司， 湖南 郴州 423000； 2.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

1 概述

界牌岭隧道是厦门至成都国家高速公路湖南省汝城(湘赣界)至郴州段一座中短隧道，位于汝城县文明乡西南部，为岩溶低山地貌。该隧道于2012年12月正式建成通车，汝城端采用端墙式洞门，运营过程中发现洞门墙与隧道明洞拱圈连接处两侧45°方向一直延伸至墙顶出现较为明显的裂缝，裂缝两侧的墙面饰面板出现掉落。裂缝的存在给公路的正常运营带来了安全隐患，需对开裂原因及结构安全性进行评价，并提出可行的加固方案。

2 地质条件

汝城端洞口于2008年11月开工，在施工中曾因下部开挖导致上部堆积层呈牵引式下滑。洞口段围岩为粉质粘土、砂质页岩、炭质页岩夹薄煤层等，岩质软硬不均，岩层倾向东，为顺向坡。洞口以内60 m地段，出露含煤层(标高468～494 m)，其中煤层为顺层的软弱夹层，遇水易软化，自稳能力差，该段路面标高477.12 m，洞门段处于坡残积土(粉质粘土)滑坡体上。地基的岩土力学指标参数见表1。

3 洞门墙设计参数

汝城端洞门桩号为ZK76+410、YK76+400，左洞洞门设计标高为476.93 m，挖深5.5 m；右洞洞门设计标高为476.8 m，挖深3.8 m。洞门墙采用 C15片石混凝土浇筑，墙背直立，墙身表面设置10∶1坡度。墙身厚度底部为2.01 m，顶部为1.05 m，墙高14.07 m，埋置深度为2.1 m。洞门墙后部为明洞，顶部设置2 m厚回填土，回填土表面设置0.5 m×0.5 m的矩形截排水沟。

表1 洞门墙地基的岩(土)物理力学指标参数表岩土名称容许承载力抗剪强度σ0/kPa凝聚力C/kPa内摩擦角φ/(°)基底摩擦系数亚粘土1180.03520.00.25碎石土250—34.00.45强风化砂岩400—31.50.45强风化页岩260—31.50.35

4 洞门墙裂缝情况

2015年初，隧道洞门墙出现较明显的裂缝(见图1)。裂缝从右洞左侧、左洞右侧拱圈向洞门墙顶部发展，且已经贯通，最大开裂宽度20 mm。从2018年6月开始，养护部门在洞门墙设置2处观测点，定期对裂缝的发展进行观测。

通过连续观测发现：2号测点裂缝前半年时间内扩展了9 mm，后半年时间基本稳定，变化比较明显的时间点为2018年的11月；1号测点裂缝则一直缓慢发展。

图1 裂缝外观

5 裂缝成因分析

5.1 洞门墙裂缝类型

结合本项目特点，分析洞门端墙开裂主要有3种原因[1-3]。

5.1.1水害

洞门端墙背后地表水、地下水排泄不畅，水土压力过大导致洞门墙向临空面倾斜、对地基形成较明显的偏压应力，并随地下水的丰期和枯期形成循环，致使地基产生不均匀沉降。

5.1.2软基

结合前述地质条件可知，洞门墙基底地基岩质软硬不均，且夹有煤层，由于煤层遇水存在体积膨胀，从而导致软化，故在长期的地下水影响下，端墙基础出现承载力下降现象。

5.1.3震动

毗邻隧道有一个较大规模的露天采矿区，矿区开采采用表面爆破的方式。动荷载长期作用于结构，形成比较明显的惯性冲击作用，导致地基压缩和下沉。

5.2 洞门墙-地基耦合分析

采用MIDAD GTS建立有限元计算模型，通过对天然地基及基底脱空后的模型进行计算对比，判断洞门端墙裂缝的形式、位置，并作出评价。在模型中，地基对洞门墙结构的支撑采用弹性地基梁模拟，地基的刚度采用仅受压的地基弹簧模拟，以地基反力系数方式录入。洞门墙则采用平面应力模型模拟，由于洞门墙与拱圈之间并未发生滑移，故其连接采用刚性连接。将地勘报告提供的地基反力系数作为起算值，再分别降低其反力系数来进行反分析，通过研究洞门端墙的应力变化来确定开裂的位置及形式。

5.2.1地基反力系数(基床系数)

地基反力系数k是采用Winkler地基模型进行地基基础设计的一个重要参数，主要用于基础弯矩、挠度和剪力等的计算。一般认为地基土某点的变形s与其所受的压力p成正比，即p/s=k。本文中地基反力系数k专指法向地基反力系数, 其中将水平向和竖向的地基反力系数分别称为水平地基反力系数kh和竖向地基反力系数kv。

根据文克勒地基模型中梁的扰曲微分方程和静力平衡条件，可得到下式[4-6]。

(1)

式中：f为基础梁扰度，m；E为基础梁材料弹性模量，kPa；I为基础梁截面惯性矩，m4；p为基底反力，kPa；q为基础梁上部均布荷载，kN/m；B为基础梁的宽度，m。

文克勒地基基础梁计算简图见图2，其中R为基础梁上部的集中力，kN；M为基础梁受到的外部弯矩，kN·m。由于地基反力p=k·y，根据变形协调条件y=f，可得到挠度与地基反力系数k之间的等式：

(2)

图2 文克勒地基基础梁计算简图

由于本项目的洞门墙刚度(EI)较大，在地基上部荷载不变的情况下，地基反力系数的变化将造成地基变形(挠度)较大，严重时会导致墙底脱空。在实际工程中主要有3种方法来确定基床系数：经验取值法、按基础沉降Sm反算法、载荷试验法。本文拟采用工程地质报告中提供值作为起算值，以有限元反分析确定当前值。

5.2.2洞门墙应力分析

采用平面应力单元模拟洞门端墙，其轴向应力和主应力图如图3所示。

图3 轴向应力与剪应力成分

采用梁单元模拟明洞衬砌，外荷载主要是洞门墙和明洞衬砌所受的重力。由于洞门墙基础当前的地基反力系数不易得到，明洞部分荷载小于洞门墙部分的荷载，故先取施工期的天然地基反力系数(k=80 MPa/m)作为基准起算值，然后将地基反力系数按照明洞和洞门端墙2个不同的组成部分分别削弱来模拟地基软化对洞门端墙的影响，以反算洞门墙材料的最大拉应力(开裂应力)作为终止计算条件，表2为计算结果。

从洞门墙主应力的分布图(见图4)可以知道，靠近明洞边墙的顶部为应力最大位置，当地基系数从施工期的80 MPa/m降低至40 MPa/m时，墙顶最大主应力为1 MPa>0.91 MPa(C15片石混凝土轴心抗拉强度设计值)，在端墙自重荷载和循环水土压力的长期作用下，隧道端墙从顶部裂开并沿主应力迹线逐渐延伸至明洞边墙。

表2 洞门墙有限元计算最不利点应力结果表地基形态基底弹性抗力系数k/(MPa·m-1)端墙明洞拱圈外侧45°应力/kPa洞门墙顶应力/kPa主应力迹线天然地基8080350680以拱圈内侧为轴的抛物线形状分布8080350680侵蚀后地基408049085040405201 000(开裂)

图4 洞门墙最大主应力分布图(k=40 MPa/m)

从上述计算分析得到以下结论：

1)端墙式洞门主应力迹线呈以拱圈内侧为轴的抛物线分布，端墙顶部应力接近拱圈外侧45°方向应力的2倍。

2) 端墙和明洞的基础在地下水侵蚀与爆破震动荷载的长期作用下，基底软弱层存在一个逐渐蠕变过程，当地基弹性抗力系数降低到天然地基的一半时，墙顶会首先出现裂缝。

3) 端墙地基软化较明洞地基软化对洞门墙的影响大，二者同时削弱则可直接导致结构开裂。

5.3 裂缝评价

从洞门墙裂缝的观测和变形发展情况看，从洞门墙顶部延伸至拱圈的裂缝主要是由于地基弱化造成洞门墙发生沉降，导致内部应力重分布而出现拉应力超过材料的抗拉强度所致。墙体开裂后，端墙整体性削弱，但未发生明显的移位或倾斜，其整体保持稳定。故端墙裂缝会导致墙体的外观和水密性受损而整体性影响不大，需要加强观测并及时封闭裂缝，避免墙面被泥浆污染。

6 裂缝处理方案及实施效果

端墙开裂主要因墙底基础承载力不足所致，处理方案以注浆压密为主，通过基底无损灌浆提高地基完整性，减少不均匀沉降发生。本项目沿端墙基底按照1 m间距布置φ108 mm注浆钢花管，注浆完成后钢花管可作为树根桩予以保留，增强基底的承载力[7-9]。注浆参数如下：采用水泥浆液，添加水玻璃作为速凝剂；注浆压力0.5～1.0 MPa；水灰比1∶0.5～1∶1。

注浆方法:采用跳孔间隔注浆,以设计注浆孔为中心,在其周围一定范围内开始注浆, 先两端,后中间,注浆范围层层缩小。在注浆过程中如发生串浆和跑浆现象,则关闭孔口阀门或堵塞孔口,待其它注浆孔注浆完毕后再打开阀门继续注浆。施工中要注意观察压浆效果, 直至达到理想的压密和固结目的[10]。

为及时疏排洞门墙背后的地下积水，采用在洞门墙上钻泄水孔进行排水卸压。泄水孔采用孔径φ108 mm有孔无缝钢花管,管外包裹无纺土工布，以防堵塞。

2019年10月施工完成后，经过近3个月的连续观测，发现洞门墙的裂缝没有继续发展，洞门墙稳定性和使用寿命提高，运营安全得到保证。

7 结语

隧道端墙洞门与明洞组合，是一种稳定洞口高边仰坡、限制坡体滑移较经济的工程措施。但在不均匀地层、地下水发育、动荷载等因素作用下，地基将逐渐弱化，需要在工程建设过程中及时处理和完善，以确保洞门墙结构的稳定和安全。

1)建设期需加固好地基，使端墙部分的地基在附加应力影响范围内保持完整和均匀，尤其是需要处理易遇水软化的煤层这类地层。

2)需重视洞门墙后背的积水问题，地下水发育路段需采用盲沟、泄水管等方式疏排洞门墙后部的地下水，防止地下水绕洞门墙渗流，从而削弱洞门墙的地基承载力。

3)地基弱化以后，洞门墙的裂缝首先会从墙顶开始出现，建议在洞门墙顶部设置2～3层抗裂钢筋网，优化洞门墙内的应力分布，防止洞门墙开裂；为防止洞门顶部脱落和掉块，建议在明洞衬砌的周边设置连接钢筋与端墙连接，增强明洞衬砌和洞门墙的整体性，防止洞门墙的开裂导致掉块。