（岩土工程专业论文）刘家湾大跨度连拱隧道施工缺陷对围岩与结构稳定性的影响分析.pdf

摘要 大跨度连拱隧道由于跨度较大，施工工艺复杂，对围岩多次扰动，开挖过程 中较易出现超挖严重、中墙顶部注浆回填不密实等现象，对这些问题处理不及时， 则出现中墙项部及初支后空洞等施工缺陷。同时，也有不少隧道施工过程中锚杆 施作不规范，出现长度或数量不足等施工缺陷。本论文以这些常见施工缺陷对大 跨度连拱隧道围岩与结构稳定性影响为研究对象，运用现场测试与数值分析手段， 评价了施工缺陷对围岩与结构稳定性的影响，提出了一些大跨度连拱隧道旋工缺 陷的处治方法。本文主要研究内容包括： 1 对刘家湾隧道施工缺陷进行现场调查，对其水平位移周边收敛及典型断面 二衬内力进行测试，分析施工缺陷对隧道位移收敛模式的影响以及典型断面二衬 内力在滑坡、塌方前后的变化规律。 2 应用a b a q u $ 软件，以刘家湾隧道为工程实例进行有限元仿真分析，讨 论几种典型施工缺陷及其组合对该隧道的影响，揭示了施工缺陷对浅埋偏压大跨 度连拱隧道的影响程度。计算结果较好地解释了现场周边收敛测试结果及洞外滑 坡、洞内塌方出现的主要原因。 3 提出典型大跨度连拱隧道施工缺陷的处治方法，可以供设计和施工参考。 关键词：大跨度；连拱隧道；施工缺陷；现场测试；a b a q u s a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sl a r g es p a n 、c o m p l e xc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，a l s ow i t hr e p e a t e dd i s t u r b a n c e t o s u r r o u n d i n gr o c k s ，l a r g e - s p a nm u l t i a r c ht u n n e la p p e a r sc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e “s u c ha s s e r i o u se x c a v a t i o n 、- i n c o m p a e tg r o u t i n j e c t i o ni nt h et o po fm i d d l ew a l l ) e a s i l yi nt h ep r o c e s so f c o n s t r u c t i o n i fc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e sc o u l d tb et r e a t e de f f e c t i v e l yi nt i m e ，i tw o u l db e c o m e h o l e si nt h et o po fm i d d l ew a l la n dt h ef i r s tl i n i n g a l s o ，t h eb o l t so fm a n yt u n n e l sc a n tb ed r i v e d u pt ot h es t a n d a r do fr e q u i r e m e n t si nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o n ( s u c ha st h el a c ko fq u a l i t ya n d l e n g t h ) t h ei n f l u e n c e so fs u r r o u n d i n gr o c k sa n ds t r u c t u r e so nc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e se x i s t i n gi n l a r g e s i 喇m l4 u n n e l sh a db e e nr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r w i t ht h en l e a n so fi ns i t et e s t i n ga n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s ，t h ei n f l u e n c e so fs t a b i l i t ya b o u ts u r r o u n d i n gr o c ka n ds t r u c t u r e s w e r ee v a l u a t e d a tt h es s m et i m e ，s o m et r e a t m e n t so fc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e si nl a r g e s p a n m u l t i a r c ht u n n e l sw e r ep u tf o r w a r d t h em a i nc o n t e t so ft h i sp a p e ra r e8 sf o l l o w s ： 1 f u l li n v e s t i g a t i o no nc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e sw e r ec a r r i e do u ti nl i u j i w a nt u n n e l b e s i d e s ，t h ed i s p l a c e m e n tc o n v e r g e n c ea n dt h es e c o n dl i n i n gf o r c e so ft h er e p r e s e n t a t i v es e c t i o n 忙r em o n i t o r e d ；t h ei n f l u e n c e so ft h ed i s p l a c e m e n tc o n v e r g e n c eo nc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e s e x i s t i n gi nt h et u n n e lw e r ea n a l y z e d a l s o , t h ec h a n g er e g u l a r i t yo nt h es e c o n dl i n i n gf o r c e so ft h e r e p r e s e n t a t i v es e c t i o nb e f o r ea n da f t e rl a n d s l i d ew e r eg i v e n 2 af i n i t ee l e m e n tc o d e ，a b a q u s ，w a se m p l o y e dt os i m u l a t el i u j i a w a nt u n n e l t h ei n f l u e n c e so nt y p i c a lc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e sa n dt h ea s s e m b l e dc o n s t r u c t i o n d e f i c i e n c i e se x i s t i n gi nt h et u n n e lw e r ed i s c u s s e d ；a l s o ，t h ed e g r e e so fi n f l u e n c e sw e r e d i s c l o s e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t se x p l a i n e dt h ed i s p l a c e m e n tc o n v e r g e n c er e s u l t sa n d t h ep h e n o m e n ao fl a n d s l i d ea n dc o l l a p s e0 nt h et u n n e l 3 s o m et r e a t m e n t so ft y p i c a lc o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c i e s ，w h i c hc o u l dg i v er e f e r e n c e s t ot h ed e s i g n - a n dc o n s t r u c t i o n , w e r ep u tf o r w a r di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：l a r g e s p a n ；m u l t i - a r c ht u n n e l ；c o n s t r u c t i o nd e f i c i e n c y ；t e s ti ns r e ； a b a q u s 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：冰d 鼍日期：2 0 0 7 年5 月2 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密团，在2 年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 日期：2 0 0 7 年5 月2 6 目 日期：2 0 0 7 年5 月2 6 日 乏 圭 3 口牙 出 争 名 名 签 签 者 师 作 导 1 1 伺题的提出 第一章绪论 随着我国交通建设的快速发展，特别是西部大开发的需要，在特殊地质及地 形条件的地区修建高速公路已经成为必然；曲于交通需求的增加，双向六车道甚 至更宽的高速公路在山区也逐渐增多，相应六车道公路隧道的建设也发展迅速。 目前已经在重庆、北京、广东、江苏、云南等省市建成了真武山隧道、石佛寺隧 道、潭峪沟隧道、铁山坪隧道、大宝山隧道、靠椅山隧道、中山门隧道、小团山 隧道、阳宗隧道以及京珠高速公路粤境南段五龙岭隧道、云南昆石高速清水沟l 号 隧道、清水沟2 号隧道、宁杭高速梯子山隧道等数座双向六车道长大公路隧道。 连拱隧道是隧道衬砌结构相连的一种特殊的双洞结构型式。由于在总体路线 线型、线隧衔接方式、征地等方面有较大优势，连拱隧道近年来在高速公路建设 牛越来越多涌现，尤其在山岭重丘区，连拱隧道已成为一种重要的结构形式。目 前在四川、重庆、云南、广东、贵州、江苏、浙江、福建、河南等省市己建、在 建和拟建高速公路中大量采用了连拱隧道方案。目前，国内跨径超过3 0 m 的大跨 连拱隧道主要如表1 1 所示l l 6 1 。 表i 1 国内跨径超过3 0 m 的连拱隧道一览表 高速公路隧道名称跨度( 叶) 长度( m )备注 京珠国道主干线五龙岭连拱隧道 3 2 52 0 0已建 申嘉湖高速公路青山坞连拱隧道 3 2 6 64 5 0 已建 宜兴市苏浙交界处梯子山连拱隧道 3 0 53 3 2 已建 广州市北二环高速公路天鹿园木强连拱隧道 ：3 2 1 62 7 0 2 2 0 已建 杭千高速公路南峰善岭连拱隧道3 6 54 0 0 3 3 5已建 福州市二环路城市主干道象山四连拱隧道 3 5 42 0 2 已建 贵州清镇高速公路东苗冲隧道 3 1 74 2 0 已建 广州市市政工程 白云隧道3 22 4 2已建 深圳深南一科苑科苑立交四连拱隧道 4 5 67 6 已建 此外，地下铁道大型的换乘站、车站、区间隧道渡线段以及部分区间隧道也 大量采用了连拱和连拱型结构方案，如北京地铁西单地铁车站、日本东京地铁7 号线的永田盯地铁车站、大阪地铁的多处地铁车站、北习志野车站和前苏联基辅 地铁车站等。 虽然国内目前已建成不少大跨度连拱隧道，积累了丰富的设计和施工经验。 但由于大跨度连拱隧道开挖跨度大( 例如双向六车道开挖跨度达3 2 m ，其含仰拱最 大高度达1 2 m ，单拱矢跨比最小也在0 a s ) ，隧道结构与施工工艺复杂，地质条件 不确定，施工工序繁多，存在不少潜在危险源。若施工方法不当、工序或支护结 构施作不合理，易导致空洞或塌方的产生，甚至在滑坡地段导致山体滑坡等恶性 事件。 隧道结构属于地下结构，周围岩体既提供了荷载又作为承载结构的一部分， 围岩状况与支护结构受力密切联系，其在地下结构中起主导作用。因此，如果施 工产生塌方等现象却不予以处理，将致使围岩进一步恶化，稳定性降低，可能导 致继续发生塌方现象，对结构产生过大冲击力。这样，围岩将降低其作为承载结 构的作用，还使得支护结构要承受较大的围岩松动压力，使结构处于不安全受力 状态。 此外，由于大跨连拱隧道结构复杂以及施工期遗留的病害等诸多因素的影响， 很多连拱隧道在运营没几年后就出现渗漏水、衬砌开裂等问题，影响隧道的正常 运营。 基于以上原因，必须正确对待大跨连拱隧道的设计、施工，针对施工过程中 出现的施工病害，分析、评价其对隧道围岩以及结构物的影响，以确保隧道在施 工期的安全、运营期的正常使用；同时，有必要针对已建好的大跨连拱隧道，开 展病害调查，分析其成因，找到相应的解决问题的办法。 1 2 大跨连拱隧道设计与施工现状 大跨连拱隧道的设计需要从洞外接线条件、防排水、施工等多个角度进行考 虑，选择合理的结构型式( 表1 2 ) 。 表1 2 大跨连拱隧道结构型式的选择 考虑的角度适宜的结构型式原因 接线长直线路段直中墙连拱隧道 衬砌断面行车道偏移量较小，过渡较易 条件短直线或曲线路段曲中墙连拱隧道衬砌断面行车道偏移量较大，曲线过渡较易 分层中墙衬砌 防排水防排水效果相对较好 中空直中墙衬砌 衬砌型式整体式衬砌整体式 分层式 中空直中墙 施工 设计更接近于分离式隧道，可减小隧道的墙 中墙型式曲中墙效应；不过底部较直中墙宽，洞内行车道较 洞外行车道偏移值较大，过渡较困难 综合评价 分层曲中墙型式 2 1 2 1 连拱隧道结构型式 根据调查结果，目前国内外已建成、在建或正在设计中的连拱隧道的结构型 式多为复合式衬砌结构，且从发展来看，连拱隧道采用复合式衬砌结构型式将是 发展趋势，因此这里重点介绍连拱隧道的复合式衬砌结构。 连拱隧道结构型式差别主要是中墙的型式。中墙型式主要有直中墙和曲中墙 两类，连拱隧道按中墙结构型式的不同可分为直中墙连拱隧道和曲中墙连拱隧道， 这两种型式各自又可分为整体中墙、中空中墙和分层中墙三种情况( 图1 1 ) ，表 1 - 3 列出了连拱隧道结构型式具体分类及各自特点，对应断面型式见图1 2 l - 7 。 表1 3 连拱隧道结构型式分类及特点 中墙型 型式特点 式 整体式 中墙相对较薄，适于因洞外条件限制，或构造和施工不允许设计成其 直中它型式 墙 中空式中墙较厚，为减小工程量，满足结构和施工要求后，中墙作成空心结构 型式 中墙相对较厚，满足要求后，将中墙分成三层，可较好解决中墙防排水 分层式 问题 中墙最小厚度较小，适于洞外条件限制，或构造和施工不允许设计其它 整体式 型式 曲中 墙 ：中空式 中墙较厚，为减小中墙工程量，满足结构和施工要求后，中墙作成空心 结构 型式 中墙相对较厚，满足结构和施工要求后，将中墙分成三层，接近于分离 分层式 式隧道结构，可较好解决中墙防排水问题 几风凸毋凰匦 整体直中墙中空直中墙分层直中墙整体曲中墙中空曲中墙分层曲中墙 圈1 f 连拱隧道中墙的基本型式 图1 2 整体直中墙连拱隧道固1 3 中空直中墙连拱隧道圈1 4 分层直中墙连拱隧道 多 ，图1 5 整体曲中墙连拱隧道图1 6 中空曲中墙连拱隧道图1 7 分层曲中墙连拱隧道 中隔墙是连拱隧道结构受力的核心构件，受力十分复杂，是隧道应力集中部 位( 拉、压、弯、扭、剪力均有) ，其力学行为、位移及沉降指标直接关系到连拱 隧道的总体稳定性1 2 7 j 。 大跨度连拱隧道中墙受力和施工荷载转换十分复杂，中墙的厚度主要是受中 导坑开挖后，中导坑拱部围岩压力大小、连拱隧道不对称施工产生的侧向推力、 是否设置中墙水沟以及洞外线路条件等因素的影响。 从既有隧道中墙受力分析来看，在埋深不大的情况下，中墙轴力并不控制中 墙设计，中墙设计主要由中墙底的应力、中墙底的宽度和施工过程中中墙的稳定 等条件控制，因此中墙地基的承载力和中墙底的宽度设计是中墙厚度设计的关键 和控制点。 目前国内外己建成、在建或正在设计中的连拱隧道中，各种中墙型式的合适 的中墙厚度各不相同( 见表1 4 ) 。国内尚未见双向八车道连拱隧道的报道，本文讨 论的大跨度连拱隧道指双向六车道连拱隧道。 表1 4 连拱隧道中墙厚度及高度量值及对比( 单位：m ) 整体直中空直分层直整体曲中空曲分层曲 中墙型式 中墙中墙 中墙中墙中墙 中墙 双向四车道厚度( m ) 1 5 22 5 3 52 2 51 5 2 52 5 3 52 2 5 双向六车道厚度( m ) 国内多座双向六车道三层直中墙连拱隧道厚度2 4 m 左右 双向四车道高度( m ) 4 54 54 53 5 4 53 5 , - 4 53 5 - - - 4 5 双向六车道高度( m ) 7 6 m 左右 4 1 2 2 大跨连拱隧道中墙防捧永设计 连拱隧道的防捧水系统具有分离式隧道舫排水系统相同的特点，即：防水系 统通常由防水屠和防水混凝土组成，施工缝、沉降缝采用止水条( 带) 止水；极 少数只采用防水混凝土自防水。排水系统是由排水盲沟、纵横向排水管和纵向排 水沟组成的立体持水网络，即地下水通过横向排水盲沟、边墙底部的有孔塑料管 将水汇集，通过墙底横向无孔塑料管将水引至排水沟中，排出洞外。除此之外， 由于连拱隧道自身独特的中墙结构，使得连拱隧道中墙部位韵防排水又有别于一 般隧道，不同的中墙结构防排水设计思想、方法和击蠡工工艺不同( 见表i5 、圈 i 8 ) ，总体可分为左右渝防水层不连通、左右洞防水层连通、复合式中墙防排水 其效果比较见表16 。 方式特点 方式中墙顶部左右洞骑术层不连通，中墙顶部左右洞各设一道纵向有孔排水管，将水汇 一 集通过中墙横向和竖向排水管将水捧至中墙边捧水管( 沟) 内 方式-中墙顶部左右桐肪求层连通，中墙顶部左右洞各设( 或共设) 一道坝向有孔排水管， 二 将水汇集，通过中墙横向和竖向捧水管将水# 至中墙边捧水管( 沟) 内 方式中墙顶部左右洞防水层不连通，中墙顶部左右渭各设一道有孔拌水管将水汇集， 三 通过中墙横向捧水管将本排至中墙空心部分的捧承鞫中，沿纵向捧出涸外 方式 仅适用于分层中墙，类似于单漏防捧水系统。左右洞拌水系统相互独立 删 忙方式一 时方蓄亍8 连拱隧嚣霉，；：表 嘶方式8 表1 6 大跨连拱隧道各种防排水方式比较表 项目方式一方式二方式三方式四 适应的中 整体实心中墙 整体实心中墙中空中墙分层式中墙 墙型式 ( 无钢架) 系统复杂，施工困 系统复杂，施工困防水系统与分离 系统复杂，施工困 中墙防水 难，钢架预埋件或难，钢架预埋件或式隧道相同，施工 难，钢筋易穿透防 系统施工钢筋易穿透防水钢筋易穿透防水相对方便，能够保 水层，质量难保证 层，质量难保证层，质量难以保证证施工质量 排水系统复杂，排排水系统复杂，排排水系统较方式 排水系统与分离 中墙排水 水管之间的连接水管之间的连接一、方式二简单，式隧道相同，施工 系统施工 多，施工困难，质多，施工困难，质施工较困难，质量相对方便，能够保 量难保证量难保证不易保证证质量 中墙防 防水系统不可靠，防水系统不可靠， 防水系统不可靠，防水系统可靠，防 水效果防水效果难保证防水效果难保证防水效果难保证水效果理想 施工情况复杂，易施工情况复杂，易系统简单，排水通系统可靠，排水 排水效果引起排水管堵塞，引起排水管堵塞，畅，但中空中墙内效果理想 造成排水不畅造成排水不畅排水沟维护困难 中墙防排水中墙防排水中墙防水效果较 综合评价防排水效果较好 效果较差效果较差差，排水效果较好 1 2 3 连拱隧道典型施工工艺 连拱隧道跨度较大，结构及施工工序复杂，使得围岩应力变化和支护荷载转 换变得尤为复杂8 1 。施工过程中围岩应力分布，以及衬砌受力变形状况不明确，左 右洞施工对中墙的影响难以把握，增加了隧道施工变形和稳定控制的难度，稍有 不慎，易造成塌方。 我国连拱隧道各种施工工艺的适用条件及其优点和不足列于表1 7 中【9 1 1 1 。 6 表1 7 我国连拱隧道施工工艺述评表 工艺名称适用条件优点不足 中导洞侧壁导洞先墙后v 、级有利中墙稳定，二i = 作面狭小，拱墙二 拱( 又称“三导洞”先墙后软弱围岩，衬封闭快，防止拱衬分开进行，工序多， 拱)浅埋隧道顶坍塌多一条纵缝 中导洞侧壁导洞全断面全断面钢模板二 v 、级软弱围岩， 开挖和支护工作面狭 二衬( 又称“三导洞”全断 浅埋隧道洞口和断 衬，省工序，减一 小，不便使用大型机 面二衬)条施工缝，获美观 层构造破碎带地段械设备，工效低 效果 同上，但基底围岩可用大型机械设 中导洞- 核心土工序偏多 较好备，工效高 质量易保证，优点围岩条件高， 中导洞台阶 。 中硬岩条件 更多工序偏多 正洞开挖前先开挖有效防止围岩松弛无用工序多， 中导洞下导洞 下导洞变形造价高，少采用 ? 大型钻孔台车施 中导洞全断面i i i 级以下围岩 围岩条件要求高 工，工效高 中软围岩或避免爆破震动成本高，不适用于 中导洞一悬臂掘进机 土质岩层导致围岩破坏中硬岩 无导洞全断面 工序少，工效高，、 围岩达i i i 级 早施作中墙 ( 单洞工艺) 成本低 地下空间利用高，管道影响，下雨行车 明洞( 开天窗平项明洞) 围岩条件不限 快速低价不便 左右洞车流量明显能满足各洞不同通隧道结构不对称，施 不对称 差异处车量要求工难度大 机动车道与非机动机动车非机动车分四连拱隧道跨度大， 混合 车道隔开流，安全好 施工难 与小净距及分离式发挥各种隧道优各种隧道过渡施工难 磁道组合 隧道组合势，避其不足度较大 一 一 大跨度连拱隧道由于其跨度较大，施工对周围围岩扰动范围相应增大，围岩对 拱圈支衬系统必将产生很大的压力和变形，特别是 浅埋地段，容易引起塌方因此，大跨连隧道施工工序相对普通连拱隧道更 为繁杂。 7 由于上述原因，为了尽可能减小施工对周围围岩的扰动，大跨连拱隧道施工 应严格做到左右侧导及正洞施工不同步进行，以免引起围岩有较大变形和应力释 放( 隧道开挖打破岩体原有平衡状态，围岩应力重新分布，围岩发生变形，以达到 新的平衡状态；若不错开一定距离，势必引起两侧洞室围岩应力、变形叠加) 。 针对上述大跨连拱隧道施工力学特点，对于大跨连拱隧道施工工艺的选择， 应视具体围岩情况慎重选择。实践表明，在隧道进出口一般采用“三导洞一预留 核心土上下台阶法 施工工艺进行施工( 图1 9 ) ，以利控制地表变形及保证施工安 全。这里，“三导洞”分别指中导洞，左、右侧导洞。进洞后，若围岩较差，应仍 然采用该施工工艺；若围岩较好( 如级以上) ，可采用“中导洞一预留核心土上 下台阶法( 图1 1 0 ) ，以减少施工工序。大跨度连拱隧道施工由于跨度较大， 因而其在中导洞及左右导洞开挖时也考虑分上下台阶施工，这一点与普通连拱隧 道施工不一样。 注：图中洞室内数字表示开挖顺序，尺寸单位为c m 1 9 5 敛j 2 2 图1 9 三导洞一预留核心土上下台阶法 图1 1 0 中导洞一预留核心土上下台阶法 对于大跨度连拱隧道，拱部开挖是洞身开挖的关键( 岩体易塌落) ，一般应实 施光面爆破，减少中墙上方三角带的塌方和对拱部围岩的扰动，其开挖更强调预 留核心土，核心土通常在拱部初支完成后再予以开挖【l 2 。 对于围岩较差的大跨连拱隧道施工应高度重视仰拱的作用，尽量尽早封闭成 环；同时，可考虑采用超前支护技术。目前常用的有单层或超前小导管( 如中5 0 管) 或超前锚杆、单层或双层管棚( 如8 9 、1 0 8 、1 5 9 管) 、地表注浆等【l 引。 根据前面述及的大跨连拱隧道施工力学特点，在浅埋偏压地段或松散地层浅 埋段等进行大跨连拱隧道施工，关键是确保围岩稳定因此，选择合理开挖顺序尤 为重要近年来，关于连拱隧道合理开挖顺序的研究逐渐增多，但也存在一些争议。 周玉宏等对偏压连拱隧道施工过程进行数值模拟，认为先靠近山体内侧的洞室、 后靠近山体外侧的洞室开挖顺序更为合理【1 4 】；李志厚等15 1 、吴俊强等【1 6 1 分析偏压 连拱隧道衬砌结构破坏的可能原因，认为三导洞先外后内施工顺序优于先内后外 施工顺序；邓少军等对仲溪浅埋偏压连拱隧道中导洞上下台阶法施工方案分析， 得出中导洞上下台阶法先外后内施工顺序比先内后外施工顺序更合理的结论【1 7 j 。 s 丁羽矧叫一rh3 a霜_广矧1呈 除此之外，对于周围存在建筑物或重要结构物的大跨连拱隧道施工，需要采 取一些特殊方法。借鉴已有的工程实践经验，可以采用导洞隔离桩墙结构，即在 建筑物与隧道间先开挖导洞，施作锚入隧道底板以下一定深度的灌注桩，导洞与 隔离桩连成整体高出隧道一定深度，将建筑物与隧道隔离i ls 】；也可采用水平旋喷 技术，其作为超前支护的一种，在开挖前已深入到开挖扰动范围以外对土体进行 加固，开挖后水平旋喷超前支护形成刚性较大的拱棚( 这种旋喷拱棚由水平旋喷柱 体相互咬合形成) 就能立即发挥作用l l9 i 。 1 3 连拱隧道病害研究现状 t 3 1 连拱隧道病害调查 正是基于以上诸多因素，大跨度连拱隧道的建设难度较大。据对国内宛坪双 向六车道高速公路1 6 座大跨连拱隧道的调查，在施工过程中发生大小塌方达4 0 多次。 此外，国内不少高速公路连拱隧道在没几年，就出现结构开裂或渗漏水病害。 四陈贵红等对四川、重庆两地多条高速公路连拱隧道调查发现，不少隧道在建成 后不久即出现大量裂缝与渗漏水等病害1 2 0 j ；刘庭金等对云南省连拱隧道衬砌开裂、 渗漏水情况开展调查，对其成因进行初步分类口。表l 。8 、1 9 为四川、云南连拱 隧道病害情况调查结果的总结归纳。 表1 8 四j i f 连拱隧道病害调查 病害类型原因分析 环向裂缝( 结构薄弱部位施工缝设计来重视仰拱作用，基底受力较大、沉降不均砼施工 其他位置) 质量差、混凝土收缩等因素。 拱部纵向裂缝裂缝上方都存在空洞，由于空洞存在致使结构受力不利引 ( 外观上看属张性受拉裂缝) 起结构破坏。 砼强度不足、二衬厚度不够、拱 施工质量问题，七匕如超挖和坍方部位大部分未回填( 高 部大量空洞等问题 度范围一般为1 5 5 0 c m 最高达1 0 9 c m ) 。 渗漏水( 大多发生在施工缝处) 局部砼施工质量差、振捣不密实致使地下水渗透引起。 参 表1 9 云南省连拱隧道病害成冈初步分类 病害类型原因分析 基础不均 沿纵向( 特别明、暗洞交接段) ，导致中墙开裂、斜向裂缝( 严重时贯穿基底) 。 沿横向，山体内外侧( 基础) 风化程度不一，导致明洞侧向开裂、洞门开裂( 建议 匀沉降 山体边坡和外侧隧道基底采取加固措施，如抗滑桩加固) 。 沉降、变沿纵向，因中墙先于上部衬砌施工，易使中墙、边墙、上部衬砌施工缝不在同 形、施工一断面，导致施工缝间产生错剪裂缝温度应力、砼收缩、台车模板挤压和定位 缝 不当，使沉降缝大错位、施工缝旁斜向裂缝。 欠挖使得二衬厚度不足超挖则初支后有空洞，一方面易使围岩稳定性进一步 塌方、超恶化，发生塌方和掉块现象对结构产生过大冲击力，支护结构要承受较大的围岩 欠挖、回松动压力；另一方面围岩对支护结构提供的抗力下降，支护结构处于不利受力状 填不密实态中墙顶部、塌方、初支后空洞回填不密实，致使衬砌砼破碎、钢筋压屈等病 害。 “以排为主”一定程度破坏了围岩的稳定性、围岩与隧道支护结构间的密贴性 ( 比如粉沙土地质浅埋隧道工程，地下水大量排放，致使支护结构上方及附近范 围形成松动区和空洞，甚至在地表形成塌陷坑，进一步恶化隧道结构受力导致衬 砌开裂和渗漏水一应先覆盖地表塌陷坑并地表排水，防其进入隧道附近围岩，再 对隧道周围围岩加固，最后地表回填) 。 防排水 低估地下水压力。富水地层开挖隧道打破地下水原平衡状态，隧道周边地下水 不当 压力减小，地下水通过各种渠道流向隧道内；衬砌后，若防排水措施不当，则在 隧周形成高水压，导致衬砌开裂与路面冒水等病害( 因而应考虑地下水压) 。 防排水施工质量。由于中墙项部排水管易被堵死、戳破、防水板连接质量难以 保障、中墙顶部易造成大量积水形成高压水；( 直中墙形式) 中墙项与二衬连接处 施工缝等薄弱环节存在。易导致连接处发生大面积渗漏水现象。 支护 过早施作支护，承受过大形变压力，支护易破坏( 在高岭土等膨胀地质尤为突出) ； 过晚施作支护，易导致围岩失稳，致使支护承受较大的围岩松动压力，导致支护 时机不当 开裂、破坏、围岩塌方等病害( 比如初支钢拱架压屈等破坏) 。 原材料质量控制不严、砼水灰比过大、振捣和养护不和规定、模板支架疏松、施 砼浇筑 工工序不合理、浇筑时基面杂物清理不干净等原因，易造成衬砌背后特别是拱项 质量 部位砼脱空、衬砌表面起蜂窝和变形缝处大错位等问题。 山体偏 因隧道进出口段山体明显偏压和易发生边坡滑移及规模较大的滚石等失稳现象， 压、滑坡、导致山体内侧洞室拱项、拱腰易衬砌开裂( 明暗交接段较多，应适当治理边坡) 。 滚石因素 王建秀等概要总结了连拱隧道病害成因【2 列。连拱隧道裂缝按其成因可分为荷 载裂缝、变形裂缝，其中荷载裂缝主要由施工诱发不均匀沉降、大体积砼浇注产 生温度应力引起，而变形裂缝主要由( 偏压) 荷载、不合理施工工序诱发( 表1 1 0 ) 。 类型裂缝成因 地基不均匀或处于不同类别围岩交界处时，在隧道仰拱或填充混凝土施工完毕后， 地基不 由于地基受力后产生不均匀沉降，在隧道的仰拱和边墙( 中隔墙) 底部出现下宽上窄 均匀沉 降裂缝 的裂缝，可能逐渐贯穿整个中隔墙，并发展到拱顶，也可能只发展到边墙的一定高 度，且在达到沉降的极限后，趋于稳定而停止发展 大体积 由温度收缩应力引起的变形裂缝。由于连续浇注二衬砼的干缩、热胀冷缩加之外侧 砼浇注 围岩对衬砌自由胀缩的限制，在衬砌内部会产生温度应力，砼抗拉强度远低于抗压 温度裂。 强度，一般砼所能承受的降温只有7 1 0 ( 2 ，降温时产生的拉应力可能在隧道衬砌 缝 内产生环向和纵向裂缝 施工诱 对于双连拱隧道而言，由于其施工工序比较复杂，隧道围岩( 包括地基) 要受多次施 发不均 匀沉降 工扰动，连拱中一拱封闭受力，开挖中导洞另一侧下台阶岩体时，由于侧壁支撑岩 裂缝体卸除及地基软弱或不均匀而在平行隧道轴向产生不均匀沉降裂缝。 施工工 双连拱隧道的施工工序远较分离式隧道复杂，若在施工中出现了和隧道施工力学原 序诱发理相悖的情况，在隧道变形及荷载的共同作用下，则可能导致裂缝的出现和发展， 裂缝严重时甚至会导致隧道建筑结构的整体破坏或倾覆 ( 偏压) ，主要由隧道的均匀荷载及偏压荷载引起，裂缝的性质可能是剪切裂缝、拉裂缝，也 荷载裂 可能是弯压( 拉) 裂缝。剪切裂缝主要出现在拱腰和中隔墙等部位，隧道拱圈承受非 缝 偏压荷载时，在理想的情况下( 不考虑偏心) ，隧道衬砌纵截面为双向受压，此时最 大主应力垂直于拱圈截面，中间主应力( 或最小主应力) 平行于隧道轴向。由于一般 混凝土的抗压优于其抗剪性能，当拱腰处衬砌的混凝土不足以抵抗剪应力时，会出 现剪切裂缝，裂缝呈纵向、斜向或x 型交叉分布甚至会出现错位现象。剪切裂缝 也可能由偏压、围岩的承压力不足、纵向沉降差以及其他施工因素引起。弯拉( 压) 裂缝主要出现在隧道的拱顶、拱硬、隧道拱脚和中隔墙结合部。当围岩侧压力较大 对，由于衬砌两侧受压，拱顶上升，衬砌内侧受压产生劈裂破坏，岁卜侧受拉产生“v 一 字形拉裂缝；在隧道洞口段、滑坡段和地质突变段，存在由边坡移动、不对称的地 质和地形条件、衬背回填不密实等所引起的偏压现象时。偏压作用部位衬砌的内侧 弯曲受拉同样可以产生弯拉( 压) 裂缝，弯拉裂缝的走向一般和偏压作用力平面垂 直。 在滑坡坡体中修建隧道，隧道结构物易出现裂缝。某滑坡体中修建的隧道在 坡体蠕变作用下( 即坡体推力为主的作用) ，产生衬砌纵横向裂缝变形：中隔墙错 位( 施工与沉降缝处) 、中墙与拱顶纵向连续贯通开裂，局部表层砼剥落；边墙与 l i 拱顶纵斜向开裂f 2 卜2 4 1 3 2 隧道病害研究 目前，国内外不少学者开始关注连拱隧道衬砌开裂问题。a s a k u r a 和k o j i m a 口” 对村砌纵向裂缝机理进行了定性描述( 图l 一1 1 ) ；r i c h a r d s 口、张弥口”认为村砌所处 的实际工程和水文地质环境、作用在衬砌上的围岩压力值与设计不符，以及各种 旖工缺陷导致围岩弹性抗力降低等是衬砌裂损的主要原因；何川和余健”认为可 从荷载型式和太小、衬砌受力与变形方面分析衬砌产生病害的原因，并通过模型 试验分析了不同施工缺陷对连拱隧道衬砌承载力的影响。 此外，部分学者开始通过建立模型对隧结构物进行定量分析。j u n 等口”通过对 开裂处刚度矩阵进行强度折减并引入折减因子d 使得与原有限元格式一致，得 到开裂处的有限元求解方程，从而可利用监测到的变形数据分析村砌是否受损。 l a e k n e r 和m a n g i ”1 将初支简化为薄弹性壳体，在壳体厚度方向划分较多层对变形 壳体与末变形壳体分别进行分析：同时将裂缝宽度作为变量建立相应有限元格 式，进行裂缝效应分析。a k k eo i 】通过损伤力学方法对隧道裂缝进行模型分析。 图1 1 1 隧道拱顶纵向裂缝机理 对于连拱隧道，可能由于地形原因存在偏压问题( 如隧道位于斜坡处下方) 。 浅埋偏压连拱隧道的开挖顺序不同，施工时各阶段围岩应力应变状态发生变化。 可能造成围岩过大变形、二衬开裂等问题p “，对于太跨连拱隧道更是如此。 不少在滑坡体中修建的隧道因滑坡与隧道之间的相互促进、相互作用( 比如在 坡脚处开挖隧道破坏原有坡体应力平衡状态，引起坡体围岩应力调整，削弱坡 脚) ，发生程度不同的病害研究表明，边坡的下滑呈明显的蠕变性，变形随着时 间而增大，具有明显的时问效应从而说明隧道是在坡体蠕变的作用下，即坡体推 力为主的作用下产生了衬砌的纵横向裂缝变形。其相互作用过程是：醚道开挖引 起围岩松弛变形，而塌方及冒顶的发生，扩大了松弛的范围，这样隧道本身及其 上方犹如形成一个临空面，诱发了滑坡进一步产生蠕变( 坍塌冒顶后的松散饱水层 1 2 有可能滑动，对拱顶产生侧向剪力，造成拱顶衬砌变形) ，造成恶性循环f 2 ”。 研究表明，由滑坡引起的隧道变形特征体现于两个方面：滑坡体蠕动挤压 作用下隧道变形开裂；隧道随滑坡体滑动和滑坡推力作用出现整体位移、倾覆、 纵向弯曲变形等。为此，有学者将滑坡与隧道变形的地质力学关系总结为四个模 型( 表1 1 1 、图1 1 2 ) 。髓道与滑面位于不同位置时的力学关系见图1 1 3 1 1 5 【2 4 1 。 表1 1 1 隧道与滑坡关系及受力、变形特点 模型 隧道与滑坡 名称 相对关系 隧道主要受力特征 隧道主要变形特征 坐船推 若隧道完全位于滑上侧面受滑坡推力、下 移型 坡体里( 若多层滑侧面受土体被动抗力或 隧道将发生弯曲变形，山侧边墙将 ( 隧道主 面，则上层滑面对滑坡剩余抗滑力作用。 要承受 隧道影响较小) ，隧因滑坡中轴附近推力较 出现横向裂缝，同时隧道将随滑坡 ，滑坡未 道相当于一薄壳空两侧大，故中部受力及 一起滑动。 形成时。 心地梁。 弯矩均较两侧大。 韵地压 如隧道两侧在滑体隧道两端承受较大剪隧道两端易出现环向裂缝，严重时 与滑坡 外( 若多层滑面，则力，中间承受较大弯矩；出现横向错断，中部在滑坡推力作 形成后 上层滑面对隧道影若斜坡存在较大地应用及滑坡滑移影响下发生纵向弯 滑坡推 响较小) ，则隧道具 力，隧道将在地压作用 曲，山侧边墙出现横向裂缝，随隧 有简支梁受力特下发生进一步破坏，隧道变形开裂发展，衬砌整体强度将 力。多 征。 ： 道变形形态也更复杂。明显下降。 隧道与滑面相交( 若 这两种力与地压叠加后，隧道受力状态将改变，隧道为受剪 多层滑面，则下层 状态并受明显偏压作用，衬砌内弯矩呈不对称状态，推力作 抗滑剪滑体滑移速度很 用侧滑面以上的边墙和拱部弯矩最大，该部位将先发生破坏。 切型 慢) ，髓道像抗滑桩 且滑面附近衬砌受到的剪力明显增大，将出现纵向剪切裂缝 一样承受滑坡推力 ( 衬砌以纵向开裂为主) 甚至错台( 边墙或拱顶出现错台) ，山侧 边墙倾斜侵入限界，隧道整体向下侧倾倒；靠山侧衬砌变形 和土体抗力。 较下侧严重。 隧道在滑面下方扰 扰动挤压力的大小与滑面距拱顶的距离( 距离大则扰动减小) 动带内，对多滑面 和拱顶上部岩体的强度完整性( 若强度低、节理裂隙发育，则 扰动挤 情况在底层滑面下 牵连和挤压作用增强) 密切相关在这种偏斜应力作用下，隧 方或隧道所在滑体 珏型道拱项处于受拉状态( 拱部常发生纵向开裂变形，并出现错 滑移速度很慢；滑 台，通常裂缝宽大、延伸长，严重时发生塌方) 因此，往往 体滑动对隧道产生 附加扰动压力。 形成纵向张拉裂缝，薄弱部位则易出现突发性压溃破坏。 滑坡有多层滑面，由上下层滑坡滑移速度不同，隧道总体处于受剪状态。当上 隧道既与上层滑坡滑体滑移速度快时，滑面上方衬砌受到较大滑坡推力，山侧 坐船抗。的滑面相交又位于上边墙倾斜侵入限界，隧道整体向下侧倾倒；反之则滑面下 滑复合：下层滑坡滑一体内、方衬砌将受到较大滑坡推力，山侧衬砌出现纵向的剪切裂缝 型 ( 该面上下滑体滑 或错台，下边墙侵入限界。且由于隧道整体位于大滑坡的体 移速度不同) ，受力内，因此在纵向上仍将作为梁式结构承担滑坡推力的作用， 状态比较复杂。从而出现弯曲变形。一一兼具两者变形特征。 1 3 ( a ) 坐船推移趔( b ) 抗滑剪切型 ( c ) 扰动挤压型 ( d ) 坐船抗滑复 合型 l l 一 r 口c “习，口 图11 2 隧道与滑坡芙系模型 图113 隧道在滑体内 图11 4 隧道与滑面相交 圈11 5 隧道在滑面下方 1 3 3 隧道病害整治 关于隧道病害整治，国内已经有不少成功实例，对于结构物变形、开裂、侵限 一类问题，通常采用注浆加固、套衬补强、结构抽换技术【”吲】。若衬砌变形开裂， 使得拱部初支与二衬问存在间隙，可用水泥一水玻璃双液浆液防止跑、串浆，使浆 液有效充填围岩空隙( 该浆液胶撮实践可在数秒与数百秒之间调整) ；套衬补强方 法是先钻植筋孔植筋，在凿毛的砼面涂新i f l 砼界面荆，再绑扎钢筋后浇筑砼。 施工实践表明，部分连撰隧道在二衬没有紧跟的情况下全断面开挖下台阶，致 使中隔墙类似悬臂受力，中墙向另一侧移动，导致以衬砌洞室出现边沟等纵向裂 缝。可在中墙悬臂受力的部位架设工字钢拱架，以平衡中隔墙的侧向移动( 图 1 1 6 ) 。 图11 6 中墙移动处治方法 连拱隧道渗漏永问题比较普遍，国内比较有代表性的案倒是对五龙岭连拱隧 t ， 道渗漏水病害的处治1 3 引，其仍然坚持“以排为主，堵排结合的思想，对中墙发 生的裂缝进行沿缝凿槽，钻眼埋入小铝管、压注环氧树脂充填缝隙、粘接裂缝， 最后封缝。同时，在出水点位置沿中墙外表面切割竖向槽引至边沟，对中墙左右 侧拱脚处开凿排水暗槽汇集渗漏水引入边沟。在形成的槽内安放软管，用具有小 时强度高、微膨胀的水硬性材料( 凝结硬化块) 封槽防渗，再逐步抽出软管形成排 水暗槽。 对于坍塌通顶的情况，可采用洞内加固方法，通常有两种方法：用普通排架 或管棚支撑护顶先治水( 洞内排水，“洞外截水沟) ，然后加固拱圈，防止坍塌向 洞外发展，凝结加固塌体拱圈( 如可采用双层小导管注浆，注浆压力一般为 0 2 m p a - - 1 o m p a ) ，对初支拱脚施作托梁，以防拱脚下沉，并对洞内边墙外侧围岩 进行深孔预注浆，压注水泥浆液，以防地下水并加固地层【3 ”。 上面述及的坍塌通顶的情况，也可采用洞外加固方法( 如地表注浆方法) ，该 法加固围岩、堵水措施相对比较得力。其先需用土石回填冒顶处，在洞内掌子面 上方灌注止浆墙以封闭掌子面( 通常厚度l m ) ，在地表需填一定厚度( 如0 5 m ) 粘 土，并在周围裂缝处喷射一定厚度( 如5 e r a ) 的砼覆盖层。若孔壁较破碎，钻孔采用 分段前进式，每段韵流程为：钻孔、洗孔、压水试验、注浆、扫孔；坍塌区( 岩体 松散、孔隙大、已发生过位移使得形成较多相互贯通裂缝) 内注浆时，应防止浆液 流失，可先注入一部分水泥浆原液，紧跟着立即注入浓水泥浆，重复该过程，直 至浆液不再流失，再注入双液浆( 正常的水泥浆水灰比为l ：l ，水玻璃浓度为3 4 - - - 4 0 b e ，浆液体积比l ：o 5 ，胶凝时间3 m i n 左右) ，而在单液注浆段需注意浆液先 稀后浓( 如可从l ：0 4 过渡到l ：0 7 ) 3 6 1 。地表加固也可采用灌浆锚杆加固( 如某浅 埋偏压隧道洞口段为极严重破碎地带位于三个交叉断层的切割区域，采用该法整 治) 1 3 7 l 。 在滑坡体中修建隧道，首先要考虑稳定边坡对边坡进行治理【2 3 2 4 ，3 吼。目前常 用的治理边坡的措施有减重反压措施、抗滑桩、锚固措施( 表1 1 2 ) ；同时，需提 高围岩自稳能力和增强衬砌强度。目前，通常采用围岩固结注浆和锚杆锚固两种 措施( 表1 1 3 ) 提高围岩自稳能力，而增强衬砌强度措施主要有：更换变形开裂的衬 砌、增加衬砌厚度、嵌轨套拱、抽换边墙、衬砌内配筋、直墙改曲墙、增设仰拱 等。此外，若隧道基础承载力不足，需对基础注浆加固。 表1 1 2 边坡治理常用措施 治理措施适用情况原理与优缺点 主滑段刷坡减重减小滑坡推力；抗滑段加载 滑动面呈上陡下缓 减重反压措施反压增加抗滑能力一一