城市运营隧道结构病害成因分析及治理建议

王斌彬 阳 潜

（深圳高速工程检测有限公司，广东 深圳 518000）

0 引言

我国高速公路迎来了新一轮的建设高峰，大量高速公路隧道建成并运营。随着公路隧道建设的迅猛发展，隧道衬砌病害成了我们越来越关注的问题，主要病害有衬砌裂缝、渗漏水以及路面渗水等。当前，在建和建成的隧道中，大量隧道衬砌存在裂缝，这些裂缝是否威胁着隧道的健康，威胁的程度有多大，这些裂缝是如何形成的，这些问题成了关注隧道健康而需要了解的问题，也是难题。当前对隧道衬砌裂缝的研究一直是隧道工程研究中的热点问题。该文以某市城市运营隧道定检数据为基础，利用有限元建模分析验证该类隧道衬砌裂缝形成原因。

1 工程概况

1.1 工程背景

某市隧道A呈近南北走向，沿线所经地区为低山、低山间冲沟、山麓等地貌。地势呈南高北底的趋势，隧道最大深埋180 m。隧道由南向北，为上下行双管六车道隧道，左右行车道中线间距52.25 m，在左线进口段与右线出口段分别有E、F匝道隧道进出左右隧道。左线隧道全长2330m，右线隧道全长2275m，E匝道隧道全长369m，F匝道隧道全长393m。隧道曲线段桩号为K1+220～K1+270。

隧道B为南北走向，为双洞六车道，左洞隧道长1228m，右洞隧道长1210m。道路标准为城市Ⅰ级主干道，设计时速60km/h。隧道曲线段桩号为K0+130～K0+160。

1.2 工程地质

场地范围内揭露地层自上而下依次为人工填土（素填土、杂填土、人工填石），其下为第四系新近湖积淤泥质黏土、全新统冲洪积粉质黏土、淤泥质土、砾砂，上更新统湖沼沉积淤泥质黏土，晚～中更新统坡积黏土，中更新统残积砾质黏性土，构造岩及燕山期全～微风化粗粒花岗岩。各岩土层的工程特性如下：1）人工填土层。本线址揭露的人工填土层有素填土、杂填土、人工填石。2）第四系新近湖积淤泥质黏土层。本线址范围内零星分布。该层土属灵敏性较高的软土，土的工程性质差，开挖时易变形、滑塌，土的可挖性等级为Ⅰ级。3）粉质黏土层。本线址局部有分布，呈可～硬塑状态，土的工程性质一般，开挖时可能产生变形、滑塌现象。4）砾砂层。本线址局部分布，为赋水地层，地层渗透性为弱～中等。5）坡积黏土、残积砾质黏性土、全风化岩。该层土承载力较高，变形小，土的工程性质较好，水理性质差，遇水易崩解，承载力降低，出现砂土性质，容易出现流沙、管涌现象。6）全、强风化粗粒花岗岩。该层土地基承载力高，压缩变形小，工程力学性质较好，水理性质差，遇水后出现砂土性质，容易出现流沙、管涌现象。7）中等风化粗粒花岗岩。该层地基承载力高，压缩变形小，工程力学性质较好。在岩石裂隙较发育，地下水较丰富，属较软岩。8）微风化粗粒花岗岩。该层地基承载力高，压缩变形小，工程力学性质较好。岩石裂隙稍发育，地下水较贫乏，属于较硬岩。

2 现场检测情况

2.1 隧道A曲线段病害现场检测情况

由表1病害统计表可以看出隧道A在弯道区间曲线段（桩号：K1+250～K1+265）区间内，隧道拱部出现两条斜向裂缝，一条环向裂缝，处出现1条衬砌斜向裂缝，裂缝的长度介于6.5 m～11.0 m，裂缝的宽度介于3.60 mm～5.00 mm，具体每条裂缝的长、宽见表1，病害现场检测照如图1所示。

图1 隧道A结构性病害现场照片

表1 隧道A曲线段病害统计表

2.2 隧道B曲线段病害现场检测情况

通过现场定期检测发现隧道B在隧道纵向线形上处于弯道上下坡过渡区间曲线段桩号K0+145处右拱腰处出现1条衬砌斜向裂缝，裂缝长度为6.0 m，裂缝宽度为4.0 mm，现场裂缝形态如图2所示。

图2 隧道B（桩号：K0+145）结构性病害现场照片

2.3 隧道病害成因分析

A隧道衬砌裂缝集中区间K1+220～K1+270，桩号K1+223处拱顶出现一处环向裂缝、桩号K1+263处右拱腰处出现一条斜向裂缝、桩号K1+265处右拱腰出现1条斜向裂缝。该区间段有一处断层破碎带，（产状：倾向210°～215°，倾角为75°～80°）。断层破碎带的存在使隧道拱顶衬砌主要承受松散地压，另外，隧道沿纵向埋深起伏较大，沿纵向衬砌偏压较为严重，衬砌结构在松散地压或偏压荷载作用下，裂缝较多发生在拱顶至拱腰位置，这与本次检测新发现的两条斜向裂缝出现的位置较为吻合。由于隧道沿纵向埋深高低起伏较大，而且跨越了3种不同级别的围岩，沿纵向不均匀沉降较大，较大的不均匀沉降直接导致桩号K1+223处拱顶环向裂缝的产生。

B隧道在桩号K0+145处右拱腰施工缝附近衬砌斜向裂缝的产生与该处隧道处于弯道+坡度+偏压的耦合作用有关联，初步判断衬砌在“坡度+弯道”过度区的差异变形较大。

3 三维有限元分析

3.1 材料计算参数

在建立三维有限元模型时，各岩土层力学参数见表2 ，围护结构（衬砌、锚杆）力学参数见表3。

表2 各岩土层力学参数表

表3 围护结构力学参数表

3.2 模型的建立

通过建立有限元模型定性分析偏压荷载作用下曲隧道在“弯道处”“上下人字坡处”“弯道+上下人字坡处”的变形情况。岩土层采用摩尔库伦弹塑性模型，模型宽度为80m，地层深度约80m。隧道及衬砌模型如图3所示。

图3 有限元分析模型

3.3 有限元结果分析

由图4可以看出隧道在弯道+坡度+偏压作用下，隧道在弯道内侧的变形较外侧大，另外，在现场检测过程中发现衬砌裂缝也主要出现在该部位。

图4 耦合作用下衬砌总变形云图

由图5可以看出，衬砌在“弯道+坡度+偏压的耦合作用”衬砌结构的差异变形较大。

图5 过度区的变形差异

由图6可以看出，曲线隧道在偏压荷载作用下，弯道处隧道衬砌结构变形较其他部位大，边墙变形最大，拱腰次之，拱顶最小。偏压荷载作用下隧道变形受“弯道+坡度（纵坡）”影响最大，“坡度（纵坡）”处次之、“弯道处”最小。

图6 B隧道数值分析计算结果

综上分析可知：曲线隧道B在拱腰处（K0+145）施工缝附近衬砌斜向裂缝的产生与该处隧道处于弯道+坡度+偏压的耦合作用有关联。结合弹性地基梁理论可以看出，衬砌拱腰内侧混凝土受拉，衬砌表面裂缝的形成可能是由于衬砌内侧拉应力大于混凝土极限拉应力所致。该裂缝的新出现说明该区域围岩压力有所增加，进一步加剧了衬砌纵向差异变形，由此导致的附加拉应力是曲线隧道B衬砌斜向裂缝产生的主要原因。

隧道A病害在K1+223～K1+265区间段处于弯道及上下人字坡过渡区，该区间衬砌差异变形较大，衬砌在该区段容易因拉应力过大而产生裂缝。该区间段衬砌裂缝的产生与该区间段隧道处于弯道上下坡过渡区有关联。

4 裂缝治理建议

A隧道衬砌拱部出现3条衬砌通长裂缝，且结构性裂缝位于断层破碎带区域，据此可推断出断层破碎带的松散地压有所增大。B隧道衬砌拱腰处出现结构性斜向裂缝，处于偏压状态，说明该区域围岩压力有所增大。衬砌结构在开裂以后，其刚度和分担的内力均有所降低，荷载会转移到其他截面上，为了防止衬砌结构裂缝进一步的发展，保障隧道安全运营，应及时对隧道进行加固。

针对该类曲线隧道曲线段结构性衬砌裂缝病害，为了防止裂缝进一步开裂及渗水从裂缝处渗出，建议及时采取环氧树脂低压注射的方式对其进行封闭，同时为了提高衬砌结构的刚度及稳定性，改善该区域衬砌的差异变形，建议对结构性裂缝开裂区段及其前后各20 m范围内采取衬砌环形型钢沿二次衬砌表面进行环向加固，可采用H14型钢，型钢钢架间采用纵向钢筋进行定位，为确保钢架的定位，可在钢架两侧设长50cm的钢筋作为铆钉，环向间距1m，交错布置。为保证钢架的稳定性和有效性，两拱脚处和两边墙墙脚处加设锁脚锚杆。同时加强巡查，必要时可对衬砌结构进行监测。

5 结论

该文在对某市两座运营曲线隧道多年定检的基础上，对城市运营隧道曲线段出现的结构性衬砌裂缝进行定性数值分析，根据现场多年的定检数据以及有限元数值分析，得到以下4个结论：1）曲线隧道曲线段多处于弯道+偏压状态，衬砌结构内力复杂，在车辆荷载作用下，易形成结构性衬砌通长裂缝，影响隧道的运营安全。2）曲线隧道在偏压荷载作用下，曲率半径最小处隧道衬砌结构变形较其他部位大，边墙变形最大，拱腰次之，拱顶最小。3）曲线隧道在偏压荷载作用下，拱腰部位最容易出现裂缝，如不及时处理裂缝会延伸至拱顶，或在拱顶部位出现新的裂缝。4）针对该类曲线隧道曲线段结构性裂缝病害，可采取环氧树脂低压注射对其进行封闭，以防继续开裂和渗漏水，同时采取衬砌环形型钢沿二次衬砌表面进行环向加固。