某公路隧道衬砌开裂机理及处治措施研究

彭 星，饶军应，陈朝颖

(1.贵州大学土木工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州大学空间结构研究中心，贵州 贵阳 550025)

近年来，随着国内交通基建保持快速发展，隧道工程建设遭遇特殊地质段的情况屡见不鲜[1- 3]，如浅埋偏压、软弱黄土、松散地层等不良地质围岩，因其力学性能差、扰动范围广、易变形且变形量大等特点，使得隧道施工后围岩应力应变变化极为复杂，既加大了施工难度又使得安全事故频发[4- 5]。而对于仰拱存在软弱夹层的偏压浅埋小净距错台隧道，由于围岩力学性能更差、地质情况复杂，加之开挖的多次扰动使之变形更甚，上覆岩体可能形成潜在的滑移体，导致围岩压力与变形增大，致使隧道结构发生开裂、掉块，甚至垮塌，对隧道施工安全构成严重威胁[6- 8]。因此，针对偏压浅埋隧道围岩应力特点、衬砌开裂机理及处治等难题也日益受到重视。

学者们对该问题的研究始终如火如荼，并取得了一定的研究成果。在理论研究方面，刘杰等[9]基于极限平衡法并对现有均质围岩压力计算理论进行改进，得到了水平软硬互层围岩压力理论解进而对偏压隧道支护提出了建议；干啸洪等[10]基于最大主应力偏转理论提出隧道偏压系数及其计算方法，为浅埋偏压隧道围岩压力计算提供了理论基础。在试验研究方面，张辉等[11]设计相似模型试验研究偏压浅埋错台隧道不同施工工况对围岩的影响，发现上台阶隧道优先施工更利于隧道安全；肖建章等[12]通过室内力学试验结合数值模拟的方法，揭示了浅埋偏压堆积体围岩隧道拱腰二衬开裂主要源于该处应力集中及水平位移较明显；饶军应等[13]基于现场试验结合工程实际，分析了隧道围岩应力应变及结构受力变化特点，有针对性地提出了塌方综合治理措施。在数值分析方面，孟陆波等[14]利用数值分析了鹧鸪山隧道衬砌开裂原理，发现其主要原因为围岩地质差及二衬施作过早，并就二衬施作时机建议；李富明等[15]通过MIDASGTS软件分析了坪田隧道二衬开裂机理，并结合现场监测数据提出了处治方案。

综上所述，虽然学者们对浅埋偏压隧道在理论、试验及数值仿真上开展了一系列探讨，但多属偏压浅埋情况，针对偏压浅埋仰拱存在软弱夹层的小净距错台隧道施工围岩力学变化研究甚少。因此，本文以该偏压浅埋小净距错台隧道二衬开裂为依托，对隧道施工过程中围岩应力变化趋势、二衬开裂机理及处治措施开展深入研究。

1 工程概况

某高速长顺至杨家山段对门寨隧道双向四车道分离式错台隧道，设计速度为100km/h。隧道左洞495m(ZK190+780～ZK191+275)，均为Ⅴ级围岩；右洞长500m(K190+803～K191+303)，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩长度分别为70、430m。隧道主洞净空断面宽14m，最大埋深位于右洞(K191+100)，约40m;右洞设计高程较左洞高4m，测设线间距16m。隧道以Ⅴ级围岩为主，其开挖断面140m2，属于浅埋小净距特大断面错台隧道。

图1 对门寨隧道左线地质纵断面示意图

图2 对门寨隧道K190+960地质横断面

隧址地下水为表层残破积孔隙水及岩体裂隙水。因场区岩石破碎，风化程度高，节理裂隙发育，使得隧洞穿越地层透水性增强。其次，在隧道开挖过程中，围岩受到扰动，围岩原生裂隙及次生裂隙进一步扩展，围岩储水能力提升，使得隧道区裂隙、孔隙水较为丰富。而且，渗水量受季节影响大，雨季时围岩渗水严重，风险进一步增大。

隧道施工期间，已发生多次塌方、冒顶、不均匀沉降等特殊情况；左洞二次衬砌施作后，在ZK190+898～ZK190+982段仰拱出现开裂，裂缝长度72m，二衬边墙及拱腰多处出现1～4m不等的裂缝长度。

2 隧道二衬开裂成因分析

对门寨隧道地质条件复杂，隧洞穿越地层存在软弱夹层，隧洞某些断面存在跨越多种地质的情况，施工难度大。虽然设计、施工及监理等在施工期间已经充分考虑了多种不利因素，但是隧道二衬施工一段时间后还是出现了开裂现象。

2.1 二衬开裂发展过程

2020年2月27日，对门寨隧道左洞ZK190+898～ZK190+970仰拱出现沿隧道纵向开裂，裂缝长度72m，裂缝宽40mm；左洞ZK190+972、ZK190-960段边墙施工缝位置多处出现开裂情况，裂缝长度在1～4m不等，裂缝最大宽度约为2mm，裂纹由施工缝斜向下逐渐发展至边拱脚并消失，二衬裂缝处无渗水；左洞ZK190+922～ZK190-982段隧道拱腰出现纵向裂缝长60m，宽度为3mm；ZK190+955～ZK191+028段洞顶原地面出现地表裂缝，其位于右洞上方，地表裂缝长为73m，宽为400mm，深为800mm。左洞二衬及地表开裂情况如图3所示。

图3 2月27日对门寨隧道左洞二衬及地表开裂情况

2020年6月15日，经排查，左洞出口方向部分已施工完成的二衬裂缝数量、长度较之前有所增多(2020年3月份排查时，有少许的裂缝)，新裂缝出现的段有：ZK190+870～ZK190+898、ZK190+996～ZK191+160、ZK191+184～ZK191+242，开裂段落长度达250m，最大缝宽1.6mm，裂缝最深处40mm；右洞部分已施工完成的二衬出现裂缝，新裂缝出现的段有：YK191+072～YK191+140、YK191+148～YK191+165、YK191+175～YK191+192、YK191+200～YK191+211，开裂段落长度达113m，最大缝宽1.6mm，裂缝最深处40mm。

根据现场勘察裂纹统计情况，如图4所示，图中3段里程裂缝较为集中，且多为连贯性主裂缝，裂缝之间互不相交连通。左洞二衬开裂表现在拱腰，拱顶仅有少量裂纹，而且左洞主裂纹均在靠近测设基线(右洞)一侧；右洞裂纹相较左洞而言较少，只有一条连贯性主裂缝，其余均为长10m左右的短裂缝，其裂纹在拱顶中心线左右发育。

图4 6月15日对门寨隧道衬砌开裂统计情况

2.2 二衬裂缝诱因

为及时有效地处理隧道仰拱及二衬开裂，根据隧址区地形地貌、水文及地质条件、围岩特性、隧道设计、施工方法以及裂缝发展规律等方面，对本隧道开裂诱因进行如下分析，揭露仰拱、地表及衬砌开裂机理。

2.2.1仰拱基底承载力不足

仰拱裂缝，位于隧道左洞，区域集中，沿隧道纵向延展，裂缝长且宽。仰拱裂缝发生后，勘察单位及时对隧道仰拱基地的地质情况进行补勘，发现仰拱基底普遍存在1.7～26.8m全风化泥质砂岩以及少量强风化泥质砂岩的软弱夹层，仰拱地基岩体风化程度差异性较大，呈破碎-较破碎，仰拱地基承载力不足。

因本隧道属于浅埋暗挖隧道，隧道开挖对围岩扰动大，加之其自稳能力极差、易变形软化，且基底内外两侧软弱夹层厚度不一、围岩存在明显的偏压现象。仰拱施作完成后，竖向荷载作用于仰拱基底，荷载分布不对称，致使基底发生不均匀沉降，使得仰拱受较大的拉应力及剪切应力，在两者共同作用下发生仰拱开裂。

2.2.2地质条件复杂

隧道穿越地层主要有中风化灰岩及强、中风化砂质泥岩，其中强、中风化砂质泥岩占比较大且两者相互交错，使得隧道所处地质条件多变，开挖后相邻区域内围岩应力重分布情况复杂，隧道支护系统受力变化不均，极易造成应力集中现象。同时隧道施工后上覆岩体在滑动面内形成滑动岩体，在其自重作用下发生地面沉降。加之，仰拱基底承载能力不足导致的不均匀沉降会引起隧道结构整体下沉，滑动岩土随之下沉，当滑动岩体自重应力过大时，岩体便被拉断，地表则出现下沉开裂情况。

2.2.3隧道设计及施工

本隧道设计为浅埋分离式小净距错台短隧道，且因其地形而存在较为明显的偏压现象，其先行施工左洞后施工右洞。因本隧道设计较为特殊，而且2隧洞之间相隔较近，故其受力比常见隧道结构形式更为复杂。根据文献[16- 17]可知，隧道存在偏压时，平行隧道采用施工先左洞后右洞，然而对于错台隧道则不完全适用，错台隧道先行开挖右洞更有利于隧道安全。因此，隧道设计及施工方法的选取是隧道衬砌开裂的主观致灾因素之一。

2.2.4降雨激增，地表防排水不畅

初期二衬裂缝发育与仰拱基底承载力不足导致仰拱产生不均匀沉降以及施工缝易产生应力集中现场等因素密切相关；后期二衬裂缝调查及监控量测中均未发现仰拱开裂及不均匀沉降，然而该时间段内降雨量激增，地表水及岩体富水增多。因此，后期二衬裂缝产生的主要诱因与初期不同。后期二衬裂缝发育期间，隧址区正处夏季多雨时节，因雨量丰富致使地表水激增，而隧道施工期间对地表防排水措施不重视，未对地表水采取任何合理有效的防排疏导措施。同时，隧洞上覆岩体风化程度高，裂隙较为发育，地表水汇集经地表裂隙渗入岩体，使得围岩压力增大，导致岩体软化加剧，故岩体水文变化是隧道后期二衬裂缝发育的罪魁祸首。

此外，地表裂缝的存在使得浅埋隧道右洞假定滑动面前移至地表裂缝附近(如图5所示)，隧道左洞拱顶至右洞拱顶受力情况发生极大变化也是原因之一。

图5 小净距错台隧道围岩压力示意图

2.2.5新冠肺炎疫情延误施工时机

因施工遭遇新冠肺炎疫情，此时隧道左洞已全面完成施工，而右洞开挖掌子面已贯通，仰拱剩余109m，二次衬砌剩余166m。根据JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》[18]，浅埋段开挖施工应遵循“管超前、严注浆、短开挖、强支护、早封闭、勤测量、速反馈、控沉陷”原则，而本隧道开挖过程中，虽其初期支护施作紧随掌子面，但因疫情不可抗力因素，其仰拱与二衬施工却严重滞后。初期支护本就属于薄型柔性支护，应在其与围岩变形稳定后及时施作仰拱及二衬，使隧道支护系统形成闭环受力良好，防止隧道围岩进一步变形影响隧道稳定性。因此，新冠肺炎疫情致使支护系统施工时机延误亦是隧道衬砌开裂的客观因素之一。

3 小净距错台隧道有限元分析

3.1 有限元分析计算模型

为进一步探究浅埋偏压小净距错台隧道二衬开裂原因，本文选用工程常用有限元分析软件Midas GTSNX建立模型，主要分析其开挖后的施工力学行为，故选用建立2D模型分析其开挖力学行为。因对门寨隧道二衬裂缝集中发生于偏压段，故本模型根据该隧道K190+960地质横断面为依据建立，隧道地层及结构参数见表1。为减小边界约束对模型计算的影响，左边界、右边界及下边界距离隧道约取3倍洞径(50m)，地表边界约束设置为自由约束，下边界约束为固定约束，其余约束均为法向约束。隧道围岩采用摩尔-库伦模型，隧道结构采用弹性模型，其模型如图6所示。

表1 隧道地层及结构参数

图6 小净距错台隧道数值模型

3.2 结果分析

3.2.1隧道变形分析

经数值模拟隧道开挖得到左、右隧洞施工完成后各部分沿竖向的变形量，如图7所示。由图7可知，先行洞(左隧洞)施工后，变形主要发生在左、右拱肩及仰拱位置，变形量最大值SMAX位于左拱肩，SMAX=-10.11mm，变形由拱顶逐渐向上扩展延伸至地表，地表沉降最大值为-5.3mm。因隧道存在偏压且围岩力学性能差，使得隧洞内位移最大值由拱顶向左拱肩偏移，上覆岩体沉降由隧洞正上面向山顶向延展，且方向与中、强风化地质界面一致。

图7 小净距错台隧道不同施工阶段围岩位移图

随着后行洞(右隧洞)的开挖，左隧洞变形趋势随之改变，变形最大值由左拱肩移至右拱肩，2隧洞间岩柱变形则进一步增大且表现为竖向沉降，隧道上覆岩体变形区域及量值明显增大，右隧洞变形较大区域集中于其左右拱腰之间，使得隧洞围岩压力增大，围岩稳定性降低。因左、右隧洞两帮均发生不同程度的沉降，在两帮土压力作用下，隧道仰拱发生挤土效应，因左洞基底存在较厚的全风化及强风化岩体，故左洞仰拱变形是右洞的两倍之多。

由图8(a)可知，隧道左洞开挖后，在围岩压力作用下，隧道仰拱及拱顶受力较大，因仰拱下部存在厚度不均的软弱夹层，致使仰拱下部围岩应力扩散不对称，同时仰拱基底右侧岩体力学性能逐渐变好，对应力扩散及岩体变形均有抑制；当右洞施工完成后，左洞应力仰拱应力扩散深度加剧，而右洞因基底承载力明显高于左洞，故其仰拱应力影响范围较小，而且上台阶右洞施工对左洞仰拱右下部应力扩散具有明显的抑制作用，如图8(b)可知，

图8 小净距错台隧道不同施工阶段围岩位移图

4 隧道衬砌开裂处治对策

通过对浅埋偏压错台隧道二次衬砌开裂诱因及数值模拟隧道开挖分析，发现错台隧道中隧洞靠测设基线一侧隧道结构受力较为复杂，易发生开裂现象。基于隧址区现场衬砌开裂情况、地质水文及数值仿真分析，针对隧道结构不同开裂情况及部位提出以下治理对策。

4.1 临时应急处治

如图9所示，对于仰拱及二衬开裂严重段，首先对二衬设置临时应急处治措施，设置工字钢背拱，间距0.8m，预防变形突变。临时背拱连接牢固，拱圈与二衬密贴。钢拱架采用冷弯制作成型，钢拱架连接钢板采用钢板钻孔机机械钻孔，为保证钻孔精度，连接板焊接时采用定位卡槽精确定位。

图9 二衬背拱布置图

4.2 地表裂缝处治

地表裂缝发生时期并未到雨季，须及时采取有效处治对策，防止雨水随裂缝下渗浸泡覆盖层。地表裂缝采用“裂缝注浆+地表覆膜”方法处理，如图10所示，首先将注浆管等间距预埋于地表裂缝中，使用具有一定级配间距的砂土分层将裂缝填埋至地表，待裂缝注浆施工完成后，用粘土将裂缝塞满找平夯实，最后使用彩条布覆盖，防止雨水灌入。

图10 地表裂缝处治图

4.3 仰拱裂缝处治

仰拱开裂主要源于基底承载能力不足，加之存在偏压现场，使得仰拱不均匀沉降变化大，因此提高基底承载力是必要的。如图11所示，两侧拱脚各设置4根φ108×6mm钢管作为树根桩，仰拱地基采用φ108×6mm钢管注浆加固，钢管长度均为9m，地基加固后对仰拱回填；裂缝采用同标号混凝土灌缝，并在表面凿除14cm，浇筑60cm厚C40钢筋混凝土面板。

图11 仰拱裂缝处治图

4.4 二衬裂缝处治

二衬裂缝数量多且杂，其中裂缝最大宽度为2mm，最深为4cm，且未发现裂缝渗水现象，因此二衬裂缝按照缝宽分别进行处理，如图12所示，对于大于等于0.15mm的裂缝进行针孔注胶加固并贴碳纤维布。

图12 二衬裂缝处治示意图

5 结论

本文以对门寨隧道偏压段衬砌开裂为背景，发现其开裂以连贯性长裂缝为主，诱因为隧洞间高差明显且净距小，基底存在软弱夹层加之围岩裂缝重生，地表水防排水不畅及新冠肺炎疫情延误施工时机；数值分析表明：后行洞施工会对先行洞造成较大扰动，先行洞应力应变均发生很大变化，上覆岩体沉降进一步增大，且右洞围岩变形等值线与地表裂缝高度吻合。

基于工程实际，针对性地提出“二衬临时背拱+地表注浆覆膜+仰拱钢管注浆+二衬注胶补强”综合处治措施，后期监测显示，处治措施起到了较好的效果，保障了隧道施工安全及工程质量，为类似工程设计施工积累了一定的经验。