隧道二次衬砌开裂原因分析及加固方案比选

石继训 冉利刚 张政

摘 要：以大广高速塘基二号隧道左洞ZK106+673～ZK106+700段二次衬砌开裂为例，对二次衬砌质量指标及裂缝进行了检测，通过数值模拟对二次衬砌进行了结构安全性评价，分析了二次衬砌开裂的原因，并制定了三个加固方案进行比选，为从事隧道管理、设计和施工的现场技术人员提供参考。

关键词：隧道;二次衬砌;裂缝;加固

中图分类号：U457+.3 文献标识码：A

截至2018年底，我国共建铁路隧道15177座，长度16331km;公路隧道16500座，长度15940km;正在施工的各类隧道约20000 km，計划修建的隧道约20000km[1]，隧道在交通工程中所占比例越来越高。然而，由于各种因素的影响，部分隧道在建设和运营的过程中暴露出一些病害，这些病害会影响隧道的承载能力和耐久性，二次衬砌开裂即是隧道主要的病害之一[2～3]。

对二次衬砌开裂的原因进行分析，并对二次衬砌结构进行安全性评价[4～5]，然后结合现场实际制订安全、经济、方便的处治方案[6～10]，是处理二次衬砌开裂常用的流程。

1工程概况

塘基二号隧道为双向六车道分离式小净距隧道。右线隧道长452m，左线隧道长474m。隧道进口～中部～隧道出口的线间距分别为14.7m～17.2m～16.4m。隧道为左高右低的地形地貌，属于浅埋偏压隧道，左线最大埋深约73米，右线最大埋深约62米，其中右线K106+680～+760段拱肩距离地表最薄处仅5m。隧道区地表覆盖层为第四系坡残积层（Qdl+el） 和燕山三期侵入岩体—粗粒花岗岩（γ52-3）。其中进口左洞ZK106+577～+810和右洞K106+597～+814段采用ⅤQ型衬砌，衬砌内轮廓见图1，支护参数见表1。

该隧道在交工验收期间发现左洞ZK106+673～ZK106+700段二次衬砌右拱腰处存在多条纵向裂缝，随后业主委托检测单位对该段的二次衬砌进行了检测，检测内容主要包括裂缝宽度和深度测试、二次衬砌厚度、钢筋保护层厚度、混凝土密实度和脱空缺陷检测、二次衬砌混凝土强度检测等。

2主要检测结果

2.1裂缝检测结果

塘基二号隧道左洞ZK106+673～+700段3个施工节段（ZK106+673～+682、ZK106+682～+691、ZK106+691～+700）二次衬砌右拱腰至拱顶范围共出现了39条纵向裂缝，部分裂缝在各施工节段存在连通的情况，裂缝长1m～10m，宽为0.78mm～2.20mm，裂缝深度为61.00mm～130.00mm。

2.2二次衬砌厚度、钢筋保护层厚度、混凝土密实度等检测结果

二次衬砌厚度在52.5cm～123.2cm 之间;钢筋混凝土保护层厚度在10.0cm～82.3cm之间，均超过了设计值5.8cm，保护层厚度偏厚;二次衬砌混凝土较密实，未发现明显脱空或空洞等缺陷。

2.3二次衬砌混凝土强度检测结果

通过回弹法测定ZK106+673～ZK106+682、ZK106+682～ZK106+691、ZK106+691～ZK106+700三处施工节段二次衬砌混凝土强度分别为 30.2MPa、39.4MPa、 37.2MPa，均符合设计C30要求。

通过钻芯法测定ZK106+640～ZK106+720范围内的二次衬砌混凝土强度，共随机抽取10个芯样，抗压强度分别为35.1MPa、40.2MPa、39.7MPa，32.6MPa、36.9MPa、31.1MPa、31.6MPa、44.7MPa、30.8MPa、32.6MPa，均符合设计C30要求。

3隧道二次衬砌开裂原因分析及结构安全性评价

3.1 计算方法和计算软件

计算方法为地层-结构法，计算宽度取单位长度1m，采用平面应变分析模型。计算软件采用FLAC3D 3.0。

3.2 计算断面及计算模型

选取开裂较为严重的ZK106+700段作为计算断面，ZK106+700的横断面与地层分布见图2。

计算未考虑右洞的影响。结合现场施工过程中初期支护施做后拱顶存在较大变形和二次衬砌施工前初支变形未收敛的实际情况，考虑二次衬砌承受100%围岩变形压力。为消除计算过程中的边界效应，隧道左、右两侧和隧道底部距离模型边界大于3D（D为隧道开挖宽度）。计算模型如图3所示。

3.3围岩支护计算参数

根据地勘报告，围岩物理力学指标取值如表2所示。

3.4 计算结果

3.4.1隧道围岩稳定性

隧道围岩失稳破坏可以看作是塑性区逐渐发展扩大直至贯通而进入完全塑性状态、无法继续承载的过程。众多的试验研究及工程实践表明，当隧道围岩失稳时，会产生明显的局部剪切变形。所以，可以将隧道围岩是否出现较大的剪切变形作为隧道围岩失稳的一个判据。

由图4可以看出，隧道开挖后围岩失稳主要出现在隧道右侧拱部和隧道左侧侧拱脚位置。图5地层剪切应变图可以看出，因隧道开挖支护的影响，隧道右侧拱部产生明显的剪切应变，该位置的围岩产生了明显的松动，作用在隧道衬砌上的围岩变形荷载将显著增大。

3.4.2隧道二次衬砌内力

由图6、图7可知，隧道拱墙二次衬砌最大正弯矩为399.59kN？m，对应的轴力值为562.34kN。计算结果如表4。

原施工图该段衬砌类型为VQ型，衬砌结构采用对称配筋，内外侧各配置6根φ25钢筋。经计算，采用原设计结构安全系数满足规范[11]要求，衬砌裂缝开裂宽度为0.141mm<0.2mm，满足规范要求。

3.4.3二次衬砌结构应力

图8表明衬砌最大主拉应力为4.999MPa，其数值超过C30混凝土极限抗拉强度2.2MPa，混凝土产生裂缝，裂缝位置在拱顶至拱腰位置的衬砌内表面。图9表明衬砌最大主压应力为20MPa，未到达C30混凝土的极限抗压强度为22.5MPa。

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作者简介：石继训（1984.12—），男，工程师，硕士研究生，主要从事隧道等地下工程的设计与研究工作（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

（中铁二院工程集团有限责任公司  成都   610031）