公路隧道偏压效应与衬砌裂缝研究报告.docx

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公路隧道偏压效应与衬砌裂缝研究报告

公路隧道偏压效应与衬砌裂缝的研究

摘 要：

衬砌裂缝是公路隧道施工中常见的病害之一。

结合三公菁隧道各项监控量测数据和隧道实际地质情况，对裂缝产生的各种原因及其发展变化从力学角度进行正、反演分析和归纳。

讨论了隧道设计规范的适用范围，并与实测及反演方法进行比较，同时提出了合理的设计施工方案。

实例分析了某断面二次衬砌内力状况，并进行强度校核以解释其裂缝成因。

经综合分析及力学计算，存在较大偏压是隧道衬砌产生裂缝的主要原因。

最后，提出了综合处理隧道裂缝的具体措施，方案实施后，其效果令人满意。

   关键词：

隧道工程裂缝监测成因反分析

     1 引 言

   三公菁隧道设计为上、下行分离的整体式双跨四车道连拱隧道，长255m，最大埋深63m。

隧道围岩为灰色、褐黄色砂岩或泥岩，节理、裂隙发育，局部呈强风化碎石状，地质条件较差。

隧道进、出口段埋深较浅，山体坡度缓缓上升，整个隧道各处埋深不一致，呈现明显的偏压态势。

典型隧道结构断面如图1所示，设计净跨为10.525m、净高7.2m，单跨采用单心圆，边墙侧为曲线，中墙为直线，中墙厚2m，隧道有效净宽9.75m、有效净高5m，隧道纵坡-5.015％。

隧道开挖采用三导坑先墙后拱法，下行线先行贯通，上行线开挖近3个月后发现边墙及中隔墙二衬混凝土上出现大小不等的众多裂缝（上、下行线都有），尤以隧道进出口段为甚，并且裂缝仍在发展变化。

裂缝形状各异，垂直、倾斜、纵向、数条交叉、“X”形或由一组小斜缝组成的较大裂缝等都有，多数呈现明显的剪切错断分布。

针对上述情况，决定加设临时钢架支撑以防止进一步变形，同时加强施工管理，并对开挖过程进行监控量测。

根据监测信息反馈分析隧道结构的受力、变形情况，及时调整施工方案。

图1 典型隧道结构断面示意图

   国内外对偏压隧道的形成特点、模型实验、稳定分析及衬砌开裂与加固等方面均已有较多的研究成果，但从监测信息反馈角度进行力学反演分析以确定裂缝机理并提出防治措施的研究尚不多见。

   2 结构裂缝的展布与监测

   现场布设了22个具有代表性的裂缝观测点，采用钢弦式频率振动裂缝计及水泥钢钉和千分表监测裂缝宽度的变化。

测点编号为L1～L22，部分裂缝测点布置及裂缝特征见表1。

为了更好地把握隧道受力、变形特征，同时监测了土压力、钢筋应力、拱顶下沉、围岩收敛位移和地表变形等，各监测仪器展布位置参见图1。

裂缝监测数据表明，在隧道的不同位置，裂缝呈现不同的变化发展情形，L1，L5，L6，L11，L13，L15，L17，L18，L19，L20和L22测点裂缝宽度基本稳定（除去个别测量误差，变化范围皆已稳定在±0．2mm内，其变化率稳定在±0.002mm/d）；L8，L9，L14和L16裂缝宽度波动减小； L2，L3，LA，L7，L10，L12和L21裂缝宽度波动增大。

采取加强支撑及严格施工规程等措施后，总体来说裂缝变化幅度不大。

限于篇幅，此处仅选几个测点的记录表示变化特征（见表1）和趋势（见图2）。

表1 部分裂缝测点布置及裂缝特征

图2 部分裂缝测点宽度随时间变化关系图

   3 结构裂缝的成因

   3.1裂缝原因综合分析

   高边坡导致偏压是该隧道出现裂缝的主要原因。

隧道进、出口边坡地形如图3，4所示，其特点是进、出口段埋深较浅（最小埋深约5m），存在一埋深逐步增大的坡度（坡角为35°~40°），并且除沿隧洞轴向的仰坡外，山体还存在倾向朝向上行线的斜坡。

现场监测中发现，洞口仰坡观测点有下滑移动趋势，而上行线进口段约50m内皆可见明显的衬砌钢格栅发生向洞外弯曲和偏移现象，并伴有向中隔墙一侧的扭曲变形，两者趋势吻合，表明高边坡松散土体引起偏压。

从监测数据统计和发展变化情形看，在采取钢架支撑和边坡处理措施等平衡偏压方法后隧道变形明显得到控制，现场监测断面中土压力监测数据也显示了较大偏压的存在。

图3  隧道进口边坡地形示意图

图4 隧道出口边坡地形示意图

   隧道进行结构设计时按规范计算围岩压力，即令：

q=0.45×26-sγw，该算式需在深埋且无明显偏压存在的隧道才适用。

由实际地形可见，在该隧道进、出口段皆存在较长一段隧洞其距地表埋深较浅（5～20m），且隧道明显存在较大偏压。

故对该隧道尚不能完全按深埋隧道计算。

   其次，地层加固不及时也是裂缝产生原因之一。

由于边坡较高且坡度大，加之上覆土体又较松散，故原设计方案拟先通过锚固边坡缓减偏压后再开挖。

而实际情况是，隧道施工进行几个月后，洞口边坡及仰坡的锚固支护工作才开始进行。

此外，由于雨水冲刷及机械施工振动等原因，会造成边坡土体产生一定的下滑力及荷载的不稳定。

在隧道施工前期，曾出现进口左侧边坡大滑动而推倒施工完毕的中隔墙事故。

   再次，在实际施工时也存在某些问题，如盲目赶进度而支撑跟进不及时，衬砌拆模过早，某些地方锚杆施加过稀，超前地质预报工作不够等。

监测数据显示，当隧道开挖卸荷经过监测断面附近或支护跟进不及时的时候，该断面处变形位移也明显增大。

另外，开挖时围岩实际地质情况与原勘探资料也难免有出入，这就要求在施工中依据监控量测信息反馈指导建设。

   3.2典型断面力学分析

   按规范计算围岩压力得：

垂直均布压力q=245.9kPa，水平向压力e=61.5kPa。

   以一典型监测断面实测围岩压力为例，监测仪器布置参见图1（此处取左洞即上行线进行受力分析）。

因衬砌压力是关于时间的函数，故此处取最后一次所实测压力值为准。

计算结果及实测值见表2。

   本文采用同济曙光软件（GeoFBA）反演计算衬砌结构荷载，并正算推求其结构内力值，以校核其结构强度，并解释裂缝原因。

对于非典型断面，若可获得结构位移、变形和内力等数据，则可用同样方法进行反演计算和正算校核，或参照相似典型断面进行取值与判断。

岩土体参数按Ⅱ～Ⅲ类围岩取值：

弹模E=4.5GPa，泊松比μ=0.35，摩擦角φ=40°，围岩容重为γ=22kN/m3二次衬砌模型为曲梁，弹模E=28500MPa，横截面积A=0.5m2，容重γ=25kN/m3，惯性矩I=0.01m4。

表2 典型断iIIlll岩压力的实测值与按规范计算值

   以实际监控量测的围岩位移为输入值，对荷载进行反演分析。

反演方法为（有限元）正反分析法，也即视初始地应力引起的力学效应（量测位移或应力增量等）为已知值，地应力或材料特性参数为目标未知数，依弹性叠加原理建立方程组，通过不断修正未知数的试算值逼近和求得优化解。

此处地应力取为外加荷载模式，优化算法为单纯形法，荷载最初值取实测围岩压力值，设置步长为1，收敛值为0.0001，计算结果见表3。

表3 典型断面结构荷蛾反演分析结果

   上述荷载值与规范计算值及实测值进行比较，可见反演值与实测值更接近，且两者皆很好地反映了隧道所承受荷载的不对称性。

   将反演荷载与实测值取平均后作为输入值（另补充几个实测仰拱压力值），进行衬砌结构内力计算，计算简图如图5所示（二次衬砌视为梁单元），计算得二次衬砌的轴力及剪力如图6，7所示。

   依据公路隧道设计规范中相关计算公式，可对该量测断面内二次衬砌截面剪力设计值进行计算。

二衬压力值取上述规范计算值。

经计算，二次衬砌截面轴力最大设计值为4125kN，二次衬砌截面剪力最大值为1125kN。

图5 典型断面（左洞）二次衬砌压力分布

图6 典型断面（左洞）轴力模拟图

 图7 典型断面（左洞）剪力模拟图

由图6，7可见，由于隧道偏压的存在，结构轴力和剪力也呈现不对称，该断面轴力基本能满足设计要求（最大计算轴力值发生在仰拱处为1883kN）；但中隔墙处剪力明显不能满足（该处截面承受最大剪力值已达1487kN），从而导致该处遭剪切破坏并出现裂缝。

   4 结构裂缝的防治

   根据以上对裂缝成因的分析及各裂缝实际发展情形的观察，对该隧道提出如下处理意见：

（1）加快对隧道边坡的治理，减小隧道所承受的偏压荷载。

对进口边坡还可削掉部分松散土体进行卸压处理，并回填洞顶和背向边坡侧低洼处。

（2）对于隧道内基本稳定的裂缝以及细小的影响不大的裂缝，进行表面修补和局部补强。

具体处理地段依对监测数据的分析而定。

   （3）对于仍在变动和发展的裂缝，特别是处于中隔墙上的水平裂缝和贯穿性大裂缝，应采用预应力锚杆（索）等方法来平衡偏压，增加围岩和衬砌强度，控制裂缝的继续发展。

   （4）凿槽嵌钢拱架。

对于大裂缝或环向贯穿性裂缝，还可采取沿裂缝处或其邻近凿开衬砌表面混凝土，在其下再嵌入工字钢架以有力地加强该局部支撑，改善受力结构。

   （5）建议加强隧道上行线原支护方案，可依据实测及反演数据重新进行配筋和结构设计。

   （6）此外，建议在隧道进口地表岩土暴露部位采用喷射混凝土进行封闭，以防地表积水大量渗入；在隧道埋深不大的部位，可以采用地表注浆的方法加固破碎的围岩。

   5结论与建议

（1）公路隧道设计规范是一个基于经验的综合统计性的工程类比方法，多年来为我国隧道设计、施工做出了重大贡献，但规范有其适用性，要视具体隧道地形地质条件和开挖情况而异。

另外，规范计算结构荷载时未能考虑左右洞开挖的相互影响，对连拱隧道尤其应注意。

（2）隧道衬砌实测围岩压力及由其他监测信息反演得到的衬砌荷载并不呈现均布状态，这与按规范计算结果明显不同，因此在进行隧道设计和施工时应结合规范推荐法和实际量测信息进行有限元受力分析，真正做到新奥法之“信息化施工”，对于明显承受偏压的隧道及埋深较浅的隧道尤应如此。

   （3）治理隧道裂缝应结合监测到的裂缝发展变化特征和隧道地质情况进行结构受力分析，查找原因，综合整个隧道各裂缝情形，分别而全面地提出合理措施予以治理。

要有全局观，避免考虑不周。