公路隧道横通道裂缝成因浅析

唐国军，周　祥，陈人豪

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西　南宁　530029)



公路隧道横通道裂缝成因浅析

唐国军，周祥，陈人豪

(广西壮族自治区交通规划勘察设计研究院，广西南宁530029)

唐国军(1974—)，高级工程师，长期从事公路隧道的勘察设计工作；

周祥(1987—)，工程师，工学硕士，主要从事公路工程勘察设计工作；

陈人豪(1990—)，硕士，助理工程师，主要从事山岭高速公路隧道设计、检测和科研相关工作。

摘要：文章采用数值模拟分析的方式分析了公路隧道正常段及横通道交叉段的力学特点，并结合数值分析结果及工程实践经验，从公路隧道的勘察、设计、施工质量与方法、不良地质及特殊性岩土、施工和运营管理等方面，对公路隧道衬砌开裂的成因进行了探讨。

关键词：公路隧道；数值分析；裂缝成因；勘察；设计；施工；管理

0引言

公路隧道具有断面大、多成扁圆状、有加宽段和横通道等特点，与单线铁路隧道相比受力更为不利。随着国家加大对基础建设的投入，需要建造公路隧道的数量越来越多，但由于勘察设计、施工、不良地质及管理等各方面原因造成了我国已建及在建隧道大部分都存在着或多或少的病害问题，其中比较普遍的就是衬砌裂缝。公路隧道衬砌裂缝发生后，如果得不到及时评估并处理，放任其发展，会造成衬砌结构开裂、甚至破坏，缩短隧道寿命，危害行车安全。与其等到衬砌裂缝发展到危害隧道安全时再处理，不如从裂缝一开始发生时就采取针对性的措施进行补救。本文结合数值分析结果，从勘察设计、施工、不良地质及管理等方面对公路隧道横通道衬砌裂缝的成因进行了探讨，以供同行参考。

1公路隧道的一些基本知识

1.1　围岩与支护的相互作用

公路隧道开挖后，由于临空面形成，原始地应力场发生变化，围岩开始向隧道内产生位移，称之为收敛。随着围岩收敛的进一步发展，受影响区域由零空间逐步向隧道外围围岩扩展。当围岩整体性好、强度高，隧道断面形状有利时，岩体变形达到一定程度就自行终止，反之围岩变形将一直发展下去，最终导致失稳。围岩收敛过程中，在开挖边界适时进行支护，围岩变形将受到支护结构的约束，同时支护结构又受到围岩的反力，并产生变形。选择合适的支护时机，既可以限制围岩变形，也使得围岩存储的能量得以释放，支护结构受到的力较小，所需要的支护代价也较小。

1.2　普氏理论

深埋隧道开挖后，若不及时支护，则有可能出现洞顶岩体断裂、破碎，甚至部分岩块失去平衡塌落。大量的工程观察和模型试验的结果证明，这种塌落并非无止境，塌落到一定程度后就不再塌落了。从观察到的现象来看，塌落终止后的界面近似拱形，这个拱称为卸载拱。卸载拱承受上部岩体传来的重力，并将重力传递到洞室两侧的岩体上。卸载拱下部的松散岩体重力将由支护结构承受。

普氏理论以卸载拱为基础，推导出围岩作用在隧道支护结构的垂直压力，其计算式为：

q=γh，h=b/f，b=bt+httan(45-φ/2)，f=tan(φ*)

(1)

式中：γ——围岩的天然重度；

h——平衡拱高；

b——天然拱的半跨度；

bt——隧道洞室的半跨度；

ht——隧道洞室的高；

f——似摩擦系数；

φ，φ*——分别为围岩内摩擦角及似摩擦角。

隧道洞室的侧向压力可采用郎肯主动土压力理论进行计算。

2数值模拟分析

为了分析公路隧道的受力特点，本文选取某典型Ⅲ级围岩分离式深埋隧道以及横通道进行数值模拟，分析其受力特点及变化趋势，模型见图1~2。

图1　整体数值模型图

图2　隧道及横通道模型图

2.1　数值模拟假定：

(1)围岩为各向同性岩体；(2)围岩本构模型为莫尔库仑模型；(3)不考虑渗透及不良地质及高应力等不利作用；(4)仅作开挖模拟，不考虑支护作用。

2.2　计算结果分析

2.2.1隧道最大主应力状态分析

由最大主应力矢量图(见下页图3)，分离式隧道开挖后，围岩应力发生重分布，最大主应力沿隧道环向分部，最大主应力为压应力。由于岩体通常具有较大的抗压强度而具有抗拉强度，这种重分布利于围岩的进一步稳定。

从图中还可以看出，围岩开挖后，由于分离式隧道围岩应力向隧道洞室两侧传递，分离式隧道横通道所处的位置受到围岩重分布的影响大。可见深埋分离式隧道两侧，尤其是隧道横通道位置对围岩自稳及充分发挥围岩承载力有重要意义。

图3　最大主应力矢量图

2.2.2位移分析

左右洞开挖后位竖向位移情况见图4。从图4可以看出，分离式隧道开挖后，拱顶以上围岩向下变形，拱底以下围岩向上回弹变形，上下部围岩都向隧道内收敛。

沿主洞纵向纵切面位移情况见图5。从图5可以看出，横通道开挖后，原承受主洞顶部岩体传下来的重量的围岩被挖掉，造成围岩重分布，横通道与主洞交叉处位移增长幅度较大。同时也能看到，围岩位移增大有趋势，但并不是无限扩展，而是集中在一定范围。

沿隧道横切面位移情况见图6。从图6可以看出，在主洞与横通道交叉的一定范围内，位移较大，且向横道到中部逐步减小。

图4　左右洞开挖后位竖向位移图

图5　沿主洞纵向纵切面位移云图

图6　沿隧道横切面位移云图

2.2.3应变分析

主洞等效应图见图7。从图7可以看出，在没有支护的情况下，分离式隧道主洞应变主要集中在隧道两侧。

主洞及横通道等效应变图见图8。从图8可以看出，在没有支护的情况下，横通道有较大的应变范围及较大的应变值，这说明横通道在没有支护情况下将发生较大应变，若围岩整体性差或强度低则横通道较正常段更易塌方。

图7　主洞等效应变图

图8　主洞及横通道等效应变图

从以上分析可以看出，公路隧道开挖后，隧道周围岩体受到扰动较大。尤其是横通道位置，有较大位移和应变范围。

对于正常段，隧道支护主要承担隧道周边围岩的力，对于较为松散的岩体，支护结构主要受到拱顶及两侧的围岩压力，但在储存较大应变能量的围岩中，由于支护与围岩相互作用，支护时机不合适时，隧道还将受到围岩向隧道收敛造成的形变压力。

由于横通道在交叉段影响范围内，支护将承受比正常段更大的围岩压力，且由于交叉，支护的受力状态不同于简单的偏压构件，受力状态较为复杂。

可见公路隧道在勘察、设计、施工及运营管理等环节上要十分重视隧道的受力特点。要认识到隧道与围岩的关系不能简单地等同于荷载与结构的关系，尤其是存在交叉、加宽等地段时。要重视工程地质及水文地质条件、施工条件、管理条件等多种因素在隧道建设中的作用，以利于预防隧道病害(如衬砌裂缝)的发生。

3公路隧道裂缝成因分析

3.1　勘察设计原因

3.1.1设计原因

公路隧道位置原则上应选择在地质良好，围岩自稳能力好，宜形成平衡拱的位置。对于设计断面，应综合考虑围岩级别及建筑限界情况，选取合理断面形式及支护参数，既发挥围岩承载力，减小支护承受的围岩压力，同时又要避免由于围岩过大变形造成坍塌。

设计上若选择位置不当，尤其是所处地段处于不良地质、特殊性岩土及复杂构造地应力段，围岩应力较为复杂，支护受力也较为复杂，衬砌结构应力状态复杂，在不利的情况下将产生裂缝。

横断面形式及支护参数设计不当，既会造成支护结构受力复杂，也将造成围岩应力复杂，尤其是加宽段及横通道交叉处。这可能造成复杂应力作用下隧道衬砌开裂。

3.1.2勘察原因

勘察为设计提供基础资料及建议，勘察成果对隧道区地质情况的整体把握及不良地质作用的认识十分重要。勘察过程中对围岩参数、地质条件等的不合理推测，将直接造成设计横断面位置与支护参数与实际情况不相适应，从而可能造成隧道衬砌裂缝的产生。

3.2　施工原因分析

3.2.1施工质量

(1)支护参数达不到设计要求，支护承载力较设计降低

施工过程中，由于施工管理不当，施工后混凝土的原料、水灰比、振捣、处理不当，这都将会造成支护参数不足，降低支护承载力。对于正常段，主洞由于支护承载力不足，可能失稳破坏，轻者开裂，重者发生坍塌事故。对于横通道交叉段，一方面，主洞支护承载力不足，将会造成主洞在与横通道交叉处产生较大的变形，从而又进一步影响横通道区域，造成横通道受力变形较大，衬砌出现裂缝。另一方面，横通道衬砌厚度不足也会造成主洞支护承受较大荷载，且受力状态更为复杂，从而造成衬砌出现裂缝。

(2)支护时间安排不合理

公路隧道主洞尤其是横通道开挖后，长期未得到有效的支护。一方面临空面处围岩在水流、温度、大气等多种因素的作用下进一步风化，围岩强度降低(尤其是软岩)；另一方面围岩得不到及时的支护，围岩塑性应变区域进一步扩展，受扰动区域进一步扩大，支护结构需要承受的围岩应力增大。围岩自承载的比重降低，支护结构承受围岩荷载比重增大，这就相当于降低了支护的承载能力，衬砌结构可能出现裂缝。

(3)超欠挖

隧道施工过程中，爆破控制不好，将会造成超欠挖。超欠挖现象在施工中比较常见，尤其是超挖。超挖后，一方面，造成开挖断面增大，隧道开挖影响范围也相应增大，荷载也增大。另一方面，由于经济等多种原因，超挖部分得不到有效处理。若空洞不回填，围岩变形将进一步发展，进一步坍塌，坍塌过程中，支护甚至承受动荷载。对于片石回填且没有得到有效注浆，将造成支护与围岩不密实，支护结构受力不利。欠挖造成支护有效厚度减小，承载力降低。无论是超挖或欠挖都会造成支护结构应力较大，从而可能造成裂缝的产生。

(4)地质变化未及时上报

目前施工队伍素质不一，施工中某些队伍存在从自身利益出发，瞒报地质变化或自行调整支护参数。特别是在横通道交叉处，由于受力复杂，若支护参数不能适应地质变化，将可能造成衬砌开裂。

3.2.2施工方法

施工方法对隧道工程的勘察设计、施工非常重要。勘察设计上的围岩划分与支护参数通常都是与相应的施工方法对应。不合理的施工方法，可能造成衬砌开裂。目前常见的有：

(1)爆破

隧道爆破施工要求尽量减小对围岩的扰动，保护围岩承载力，提倡光面爆破。由于光面爆破，炮眼数量多，工序多，成本高，一些施工队在施工过程中采取少钻炮眼、钻深孔、多放炸药的方式。爆破进尺大，成本低。但这种爆破方式会造成岩体破裂影响区域大，爆破后超欠挖严重。由于爆破后岩体爆破影响区通常岩体较为松散，岩体整体性和强度较差，造成围岩分担荷载小，支护承受的荷载大。在公路隧道横通道尤其是车行横通道上表现得特别突出。公路隧道车行横通道的主洞通常为加宽段，该段主洞断面大，爆破影响范围也大。无论是主洞还是横通道的不利爆破都会增加主洞和横通道支护的受力，降低围岩自承载能力，从而可能引起衬砌裂缝。

(2)开挖方式

深埋隧道开挖方式不恰当，直接影响隧道支护承受的荷载。如本应采取三台阶的施工方法，却采用全断面开挖。采用全断面后，无疑造成围岩扰动区域大，围岩自承载的比例小，支护承受的比例大，当支护承受荷载大到一定程度则可能出现裂缝。

3.3　不良地质和特殊性岩土

无论主洞还是横通道，不良地质和特殊性岩土都可能造成衬砌结构造成裂缝，横通道位置由于具有一定的柔性，通常可以在施工阶段调整位置，但主洞较难调整。对于施工未揭露出或得不到有效处置的不良地质和特殊性岩土，则可能造成衬砌开裂。

3.3.1岩溶

岩溶问题在西南灰岩区比较严重，由于岩溶发育的复杂性，勘察设计及施工阶段都不一定能够完全摸清。

隧道受岩溶的影响，与岩溶发育位置有关，分为拱顶区、拱腰区、拱底区。岩溶对隧道的影响需要综合岩溶发育的规模、形态、填充物、地下水等情况综合分析。

一般来说，拱顶岩溶发育，一方面阻断了可能形成的卸载拱形成，另一方面在没有填充物的情况下，隧道结构受到落石荷载的作用，在有填充物的情况下，又受到填充物的荷载作用，增大了支护结构受力。

拱腰岩溶发育，从而增大了卸载拱的支护受力，甚至在岩溶发育不对称的情况下，支护受到偏压荷载。

拱底岩溶发育尤其是含有深厚高压缩性的黏土层时，由于较大的不均匀沉降，可能造成运营期隧道结构的开裂。

3.3.2膨胀岩土

在一些含有较多蒙脱石、伊利石及高岭石的围岩(如岩溶填充物中的某些红粘土)，岩体具有一定膨胀性。膨胀性岩体的围岩具有胀缩性能，水分增多时，围岩膨胀；水分降低时，围岩收缩。围岩膨胀时，由于支护结构限制其变形，支护结构将承受较大的膨胀力。围岩收缩时，由于支护结构一些部分失去弹性支承，支护结构受力性能发生较大变化。在长期胀缩过程中，支护结构受力反复变化，其承载能力也较普通结构降低。这些都可能造成支护结构衬砌裂缝的形成。

3.4　管理原因

3.4.1管理理念

隧道工程身处地下，处于复杂的岩土体中，岩土体不仅受到地质构造的影响，还受到温度、大气、水等多种因素影响。在施工完成后，由于隧道工程改变了原有的地质环境，隧道工程周边岩体甚至支护都长期发生着物理、化学变化。支护结构受到的荷载及其承载能力是在不断变化的。

目前公路隧道的建设，参建方一些人认为只需要隧道能顺利施工开挖后就不会存在问题，在建设中就会存在不注重公路隧道的长期安全运营，只在乎能否顺利开挖。对各种耐久性指标控制不严，管理不善，对各种隐患重视不足，这些都可能造成隧道衬砌出现裂缝。

3.4.2施工管理

施工控制对于隧道的长期运营质量作用是巨大的，公路隧道施工阶段管理不善，往往会给后期运营管理带来不小的安全隐患。

(1)管理不到位

公路隧道在实际施工中存在管理不到位的现象。一些参建方对原材料、施工工艺、施工质量的把控流于形式，使得支护结构的强度、各种材料耐久性较难达到设计要求。且施工不规范，施工队伍随意性大，不能有效贯彻设计意图，甚至不按照设计施工。

(2)监控量测及超前地质预报少做或不做

由于地质的复杂性，与岩土工程息息相关的工程都讲究动态设计。监控量测及超前地质预报对隧道很重要，但目前存在少做甚至不做，且得不到参建方重视的问题。监控量测及超前地质预报可有效分析支护结构的受力性能，判断支护结构是否与实际地质情况相适应，及时发现不良地质及消除各种安全隐患。

3.4.3运营管理

运营管理阶段不定期检查，发现问题后不及时有效处理，都可能造成隧道结构裂缝。

4结语

公路隧道建设成本高，使用年限长，维修加固费用高。无论勘察设计、施工以及运营管理哪个环节出了问题，都会对公路隧道的使用寿命有较大的影响。本文系统分析了公路隧道裂缝的成因，希望能给同行提供参考，以便在公路隧道建设及运营期采取适当的措施，减少造成公路隧道开裂的不利因素，提高其使用寿命。

参考文献

[1]贺少辉.地下工程(修订本)[M].北京：北京交通大学出版社、清华大学出版社，2006.

[2]王毅才.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2006.

[3]王成.隧道工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

Discussions on the Causes of Cracks in Highway Tunnel Cross-passages

TANG Guo-jun，ZHOU Xiang，CHEN Ren-hao

(Guangxi Communications Planning Surveying and Designing Institute，Nanning，Guangxi，530029)

Abstract：By using the numerical simulation analysis method，this article analyzed the mechanical char-acteristics of cross section between normal section and cross passages of highway tunnels，then com-bined with numerical analysis results and practical engineering experience，and from the aspects of highway tunnel survey，design，construction quality and method，poor geology and special rock-soil，construction and operation management，it discussed the causes of highway tunnel lining cracks.

Keywords：Highway tunnel；Numerical analysis；Cause of cracks；Survey；Design；Construction；Management

收稿日期：2015-03-05

文章编号：1673-4874(2015)08-0072-06

中图分类号：U451+.4

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.08.018

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