隧道二衬环向裂缝成因分析及其防治对策研究

隧道二衬环向裂缝成因分析及其防治对策研究1 前言二衬裂缝是公路隧道施工中常见的病害之一。裂缝不仅影响美观，还给结构稳定埋下安全隐患。裂缝如果处理不及时，则可能引起二衬渗（漏）水、钢筋锈蚀，并造成结构受力重分布，引起裂缝扩展，形成恶性循环。严重时可能引起二衬局部掉落，甚至造成结构的整体性破坏，从而缩短隧道的维护周期和使用寿命1。根据裂缝与隧道轴线的走向关系，隧道二衬裂缝可以分为纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝。一般认为环向裂缝多发生在施工缝、沉降缝处，或发生在洞口、不良地质地带与完整岩石地层的交接处2。本文以闽西北某高速公路山岭隧道为工程背景，深入调查环向裂缝分布特征和发展趋势，在此基础上，探讨工程地质条件、地下水、二衬质量、二衬模板台车等因素对二衬环向裂缝形成的影响，并提出相应的防治对策。2 裂缝调查2.1 裂缝分布特征闽西北某高速公路山岭隧道系双洞分离式四车道隧道，左洞进出口桩号为ZK16+428ZK17+912，全长 1484m；右洞进出口桩号为YK16+429YK17+940，全长 1511m。隧道施工结束后于 2009 年 2 月发现左洞和右洞在 K17+600+800 段不同程度出现环向裂缝。结合裂缝分布及工程实际情况，采用非金属超声波仪、裂缝宽度测定仪检测裂缝发展的深度和宽度。同时采用钢筋位置测定仪和地质雷达检测对应位置钢筋保护层厚度和二衬厚度，在此基础上判定裂缝是否穿透钢筋保护层厚度或贯穿隧道二衬。现场观测发现 K17+600 +800 段裂缝以垂直隧道纵轴的环向裂缝为主，局部存在斜裂缝。斜裂缝主要出现在配电室和消防窗等开洞位置，这些位置的裂缝与局部开洞引起应力集中有关。左洞共发现 12 条环向裂缝，其中 6 条贯穿整个横断面；右洞发现 16 条环向裂缝，其中 3 条贯穿整个横断面。右洞裂缝数量及发展规模大于左洞。根据非金属超声波仪检测获得的裂缝深度数据和地质雷达检测所获得的二衬厚度数据，获知部分裂缝深度与二衬厚度大小接近，因此可以判定部分位置裂缝已经贯穿二衬。2.2 裂缝发展趋势图 1 ZK17+752 处裂缝粘贴玻片开裂图 2 有限元计算模型2009 年 2 月所发现出现的环向裂缝，在 5 月至 6 月呈扩展趋势，表现为裂缝数量增多，长度增大，但裂缝宽度变化不明显，裂缝两侧未见明显错台。为观察裂缝宽度是否增加，于 2009 年 7 月 8 日在裂缝位置粘贴玻片。7 月 21 日发现左洞 2 条裂缝、右洞 4 条裂缝所粘贴部分玻片开裂， 7 月 30 日左、右洞各新增 1 条裂缝所粘贴部分玻片开裂。开裂玻片均有明显的裂缝，但无明显的上下错动和左右拉开现象（图 1）。玻片拉裂表明隧道部分裂缝在观测期间还处于发展状态。图 3 开挖结束隧道洞顶应力 1图 4 开挖结束隧道洞顶应变 p1根据勘察设计资料，该隧道地处剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大。出现裂缝的地段（K17+600+800）高程范围为 290360m ，K17+755 附近处存在 16m深冲沟，右洞地表沟深大于左洞（图 2），沟走向与隧道纵轴呈 120斜交，沟中存在季节性流水。此处左洞埋深 54m，右洞埋深 44m。调查发现左洞和右洞在 K17+750+760 附近均存在裂缝，且右洞在此里程附近裂缝数量多于左洞。因而可以推断，裂缝的出现与隧道纵向埋深变化大存在很大关联。隧道纵向埋深差异大，意味着洞内围岩在纵向存在偏压，冲沟是纵向偏压存在最常见之处。为进一步分析隧道纵向偏压影响，采用 MIDAS 有限元软件对 K17+550+850 地段进行计算分析，计算模型如图 2 所示。围岩按级处理，采用 Mohr-Coulomb 本构模型。开挖结束隧道 K17+600 +800 段洞顶最大主应力 1 如图 3 所示。结果显示，该段 1 沿里程变化复杂，隧道结构受力不均匀。整体而言右洞荷载大于左洞，且荷载不均匀性比左洞更为明显。结构受力不均匀可直接引起变形不均匀，相当一部分裂缝位置与应力峰值位置有很好的对应。开挖结束隧道 K17+600 +800 段洞顶最大塑性主应变 p1 如图 4 所示。结果显示，开挖结束可引起隧道周边围岩发生较大的塑性应变，达到 10-3 数量级。较大的塑性应变代表隧道开挖后围岩将发生较大不可恢复的变形，隧道结构支护不足容易引起结构出现裂缝甚至失稳。隧道裂缝出现位置与塑性主应变值偏大的位置有较好的对应。右洞塑性主应变值普遍大于左洞，因而右洞裂缝的数量比左洞偏多。因此，该段隧道地质条件差、隧道纵向埋深差异大是引起裂缝的主要原因之一。3.2 地下水K17+600+800 段具赋水条件，地下水主要来自大气降水及地下水侧向补给，水量随季节性变化大。隧道所处区域春夏两季降水多，强度大。分析段于2008 年 9 月底完成隧道二衬，在此之前，开挖、初支施工期间对地下水“以排为主”，降低了地下水位。二衬浇筑后，2008 年 10 月至 2009 年 1 月枯水期间，水位上升不明显；2009 年春夏两季降水丰富，使隧道围岩地下水位抬升，从而导致更大部分的围岩孔隙水压力增大，岩土体饱和度增大，或者由非饱和状态进入饱和状态，引起围岩强度降低，对隧道结构的稳定带来不利影响。仿真计算水位上升后隧道 K17+600+800 段洞顶最大主应力 1 如图 5 所示，对比图 4 和图 5，水位上升引起隧道结构产生更大的塑性变形，不利于隧道结构的稳定，容易产生裂缝。隧道分析段于 2009 年 2 月发现裂缝，5、6 月裂缝数量增多，至 7 月仍呈发展趋势，这与地下水水位变化存在很大关系。地下水位变化也是引起该隧道二衬产生裂缝的主要原因之一。3 裂缝影响因素分析为深入了解隧道裂缝出现的原因，本文将从工程地质条件、地下水、二衬质量、二衬模板台车等方面展开分析。3.1 工程地质条件隧道 K17+600+800 段围岩以级为主，为弱风化变质砂岩，地层破碎。隧道围岩条件较差，容易引起不均匀变形以及地基不均匀沉降；围岩条件差，二衬施作以后围岩变形没有完全稳定，且低强度围岩具有流变性质，二衬仍承受一定的作用力。图 5 水位上升后隧道洞顶应变 p13.3 二衬质量3.3.1 钢筋保护层厚度采用钢筋位置测定仪在裂缝两侧各 1m 范围内，在拱顶、拱腰和边墙三个部位测定钢筋保护层厚度。检测得出除个别位置满足设计要求以外，大部分检测位置钢筋保护层厚度大于设计值。（1）粘结锚固性能要求：保证钢筋能与混凝土共同受力，发挥设计计算所需的强度。为使受力钢筋与握裹层混凝土之间有必要的粘结强度，混凝土应有一定的相对厚度。（2）耐久性要求：保证钢筋在设计年限内不发生危及结构安全的锈蚀。混凝土的高碱性环境使钢筋表面形成稳定的保护膜，使钢筋不受锈蚀。钢筋锈蚀的前提是保护膜发生破坏，即混凝土碳化。由于混凝土碳化导致碱度降低，丧失保护作用，当碳化达到钢筋表面时，在潮湿环境中钢筋容易发生电化学腐蚀。项目 钢筋保护层厚度 二衬厚度 二衬混凝土强度部位均值（cm）标准差变异系数（%）均值（cm）标准差变异系数（%）均值（MPa）标准差变异系数（%）左边墙 48.8 3.6 7.3右边墙9.7 2.4 25.247.8 1.0 2.1左拱腰 44.9 5.1 11.4右拱腰12.8 2.1 16.347.6 4.3 9.0左洞拱顶 12 3.1 25.9 44.9 4.8 10.836.4 7.8 21.4左边墙 48.2 6.2 12.8右边墙11.3 2.2 19.547.7 2.6 5.5左拱腰 48.9 4.7 9.6右拱腰10.9 2.5 23.246.4 6.8 14.5右洞拱顶 12.3 3.5 28.5 47.4 2.9 6.235.3 8.6 24.3从锚固和耐久性的角度来看，保护层厚度越大越好，但从受力的角度看则正好相反。钢筋在混凝土结构中的抗力多表现为抗弯承载力，在截面高度确定的条件下，保护层厚度加大，有效高度就减小，钢筋抗弯承载力降低，构件抗力将受到影响。因此在保证锚固、耐久性的条件下，保护层厚度应尽量取小值。分析段二衬大部分位置钢筋保护层厚度过大，这不利于二衬抗弯，容易引发裂缝。对测得的钢筋保护层厚度数据进行统计分析（表 1），可知左右洞沿桩号方向二衬钢筋保护层厚度变化较大，边墙、拱腰、拱顶均如此。钢筋保护层厚度差异较大，可引发隧道二衬沿桩号方向受力差异大，易导致变形不协调，进而引起裂缝产生。3.3.2 二衬厚度及空洞情况采用地质雷达扫描拱顶、拱腰和边墙二衬，发现二衬背后存在 1 处小空洞，部分位置二衬厚度不足，二衬厚度不足的位置与裂缝位置有很好的对应关系。二衬厚度差异与初支平顺度直接相关，初期支护的平顺度直接影响着二衬混凝土的受力状况及内部收缩变形自由度4。良好的平顺度能在一定程度上避免二衬混凝土外部应力的集中，同时直接影响到二衬混凝土厚度的均匀性，如果二衬混凝土的厚度均匀性差，则在外应力作用下极易在厚度薄弱部位出现裂缝。对裂缝附近二衬厚度值进行统计（表 1），发现左洞拱腰、拱顶，右洞左边墙、右拱腰二衬厚度沿里程差异相对较大。因此，裂缝出现与部分二衬厚度不足、厚度分布不均有关。3.3.3 混凝土强度表 1 隧道二衬质量数据统计在隧道左、右洞 K17+600+800 边墙处取芯，芯样中存在少量直径 0.5mm的小孔洞，级配良好，骨料未见风化，胶结良好。孔洞存在可能是由混凝土振捣不密实引起，属于轻微缺陷，对裂缝形成影响不大。发现芯样试验结果表明二衬混凝土强度均大于设计强度 25.0MPa，但是其差异较大（表 1）。由于隧道围岩条件差，二衬施作以后围岩变形没有完全稳定，且低强度围岩具有流变性质，二衬仍承受一定的作用力。在内外力作用下，材料强度不均匀将直接导致变形不协调，容易引起裂缝的产生。3.4 二衬模板台车该隧道施工采用的二衬模板台车长度为 12m。二衬属于较大体积的混凝土，承受自身收缩应力较大。分析段二衬厚度按 45cm、承受温差按 6计算5，则产生裂缝的平均距离为 58m。显然，12m 一模的二衬混凝土很难抵抗自身收缩应力而不产生拉裂缝。二衬台车长度越大，对应的二衬混凝土出现裂缝的概率越大。此外，在施工过程中，二衬台车模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等都可能导致混凝土结构裂缝的产生。4 环向裂缝防治对策（1）隧道设计应尽量避开冲沟等不利地质条件，在必须通过的情况下，应采用地表注浆等方式加固围岩，提高围岩承载能力。（2）提高隧道施工质量，包括提高光爆效果、初支平整度、二衬混凝土材料均匀性等，重视养护环节，避免结构应力集中。（3）施工过程中，不宜为了外观，不加节制的加长二衬模筑台车长度，应适当控制二衬模筑长度，避免环向收缩裂缝。（4）在隧道原衬砌混凝土具备使用功能的情况下，可在衬砌裂缝内重填嵌补材料修补裂缝。嵌补施工中对于延伸较长的裂缝要分段处理；对于裂缝密度较大的地段要逐条处理。裂缝嵌补技术中常用的一种方法是沿裂缝走向凿槽，填入充填料并埋管注浆或进行针孔注浆。5 结论（1）隧道围岩地质条件差且纵向埋深变化大、地下水位变化大是引起闽西北某高速公路山岭隧道环向裂缝的主要原因。（2）二衬混凝土施工质量不佳，包括钢筋保护层厚度偏大、二衬厚度和混凝土强度不均匀等影响结构受力，进而产生环向裂缝。（3）二衬模筑长度偏大，不利于其抵抗自身收缩，易产生环向裂缝。（4）为减少隧道环向裂缝的产生，设计时应尽量避开不良地质条件，提高二衬施工质量，重视施工养护，控制二衬模板长度。在隧道原衬砌混凝土具备使用功