山区富水软岩隧道进口段仰拱及拱墙二衬病害原因分析及处治措施探讨

陈志远

（1.泉州市交通工程规划建设管理处;2.泉州德化厦沙高速公路有限公司，泉州 362000）

0 引言

山区富水软岩隧道地质条件复杂， 其围岩一般具有岩体极破碎、结构松散、强度低、压缩性高、遇水承载力大幅降低的特点， 施工过程中安全风险性高， 变形控制困难。当变形达到一定程度时，容易导致隧道支护结构产生裂缝病害，危及隧道施工与结构安全，成为山区隧道施工中的重点及难点。 本文结合厦沙高速公路德化段某隧道进口段右洞仰拱及拱墙二衬裂缝病害实际情况， 分析富水软岩隧道支护裂缝病害出现的原因， 介绍裂缝病害的处理技术方案，提出了相应的防治措施。

1 工程概况

厦沙高速公路德化段某隧道为分离式隧道， 隧道左右线均位于直线上， 左右洞净距18.5m。 右洞长1450m，进口桩号为YK84+955，出口桩号为YK86+405，纵坡/坡长为：-0.5%/45，-1.9%/1405；左洞长1527m，进口桩号为ZK84+936，出口桩号为ZK86+463，纵坡/坡长为：-0.5%/64，-1.9%/1463；设计行车速度：80 km/h；单洞建筑限界：净高5m，净宽10.25m；隧道进口采用削竹式洞门。 隧址区属构造-侵蚀中山地貌，地表植被较发育，风化层较厚。进口左侧山坡自然坡度约15～25°， 为浅埋偏压。 右线YK84+970.0～YK85+100 隧道进口段，围岩为薄层坡积碎石土及较厚层强风化岩,局部有中风化花岗岩，岩体极破碎，围岩[BQ]＜250，围岩为V 级，勘察期间围岩地下稳定水位低于洞顶。隧道进口右洞采用正交进洞，成洞面位置的覆盖层厚度约3m 左右， 左洞进口采用35°斜交进洞，成洞面位置的覆盖层厚度约2.5m 左右，如图1 所示。

图1 厦沙高速德化段某隧道工程概况

隧道进口右洞明洞结构为现浇带仰拱钢筋混凝土变截面曲墙式封闭衬砌结构；暗洞衬砌结构采用复合式支护结构形式，初期支护以钢拱架、锚杆、钢筋网及喷混凝土组成联合支护体系，二衬结构采用模注防水混凝土结构。

2 隧道病害情况

病害发生时，该隧道进口段左洞尚在开挖掘进，右洞已完成二衬及仰拱填充层施工。 在施工过程中，自2016年10 月份开始，右洞YK84+968～YK85+090 段仰拱开始出现纵向裂缝， 至2017 年11 月病害处治前， 隧道右线YK84+963～YK85+100 仰拱衬砌裂缝宽度最大达5cm，后经钻孔探得仰拱裂缝呈上宽下窄“V”字形开裂。 2017 年8 月9 日，隧道右洞YK85+050～080 段二衬右侧边墙于8月11 日开始出现一道纵向裂缝，后存在发展趋势并逐渐出现纵向、横向、环向等裂缝，至11 月初仰拱病害处治完成时二衬裂缝发展趋于稳定。YK84+960～YK85+080 段二衬裂缝共有22 条， 其中环向裂缝4 条 （最大缝宽7.4mm）、斜向裂缝1 条（缝宽0.27mm）、纵向裂缝9 条（最大缝宽0.68mm）、网状裂缝8 处（最大缝宽0.54mm）；个别伸缩缝错台等，如图2 所示。

图2 隧道拱墙二衬裂缝形象展示图

3 隧道病害原因分析

3.1 初步原因分析

经过现场对二衬进行专项质量的检测及评估， 二衬强度、厚度及钢筋保护层厚度均满足设计要求。根据现场病害调查并综合分析论证， 其裂缝病害产生的主要原因初步分析如下：

（1）隧址区属构造-侵蚀中山地貌，地表植被较发育，地形起伏较大。隧道进口段处于地质薄弱地段，围岩为薄层坡积碎石土及较厚层强风化岩及粉质砂。 而项目所在地德化县地处戴云山麓，地势较高，小气候突出，雨季暴雨频发，强度大。隧道洞顶位于冲沟内，地表水极为发育，隧道进口段施工过程中，大量地表水汇集至隧道洞口段，并渗透至隧道内，对隧道软弱围岩造成极为不利的影响。

（2）隧道进口段基底存在一定厚度的松散土层，该层强度低，压缩性高。 隧道开挖后地下水较大，根据现场钻孔揭示，地下水位位于隧道路面设计标高以下50～65cm，排水不畅，隧道基底松散层围岩遇水软化、泥化，产生较大的塑性变形区，基底围岩弹性抗力及岩体参数降低，地基承载力下降、围岩水平侧压力增大，从而使隧道边墙基底下沉并发生向内挤压，作用于二衬结构上的荷载增大，导致仰拱底鼓开裂、拱墙二衬纵向开裂等病害。 同时，隧道边墙基底下沉产生塑性滑移， 继而产生较大的主动土压力，导致边墙两侧拉剪破坏，衬砌产生环向裂缝。

因此， 初步判断围岩地质和水文条件是引起仰拱和拱墙二衬病害的主要原因。 同时，左洞开挖时右洞围岩应力重新分布及施工时虚渣未清除完毕便开始施作仰拱结构、混凝土发生收缩等因素，也是诱发裂缝的原因之一。

表1 二衬力学参数表

表2 围岩参数表

3.2 有限元建模验算分析结构安全性

针对隧道基底松散层围岩遇水软化、 泥化导致仰拱及拱墙二衬产生裂缝的原因，采用ANSYS 有限元分析软件建模进行分析验算。 二衬采用荷载-结构法进行计算，根据平面弹性有限元原理， 把隧道的二衬离散为由梁单元组成的平面杆系， 围岩对二衬的约束作用通过只受压不受拉的杆单元来模拟。 二衬共划分为98 个单元，数值模型如图3 所示，荷载及约束模型如图4 所示。

图3 二衬数值模型

图4 荷载及约束模型

根据公路隧道设计规范规定，对于钢筋混凝土结构，当钢筋达到计算强度或混凝土达到抗压或抗剪极限强度时， 在永久荷载和基本可变荷载作用下二衬的强度安全系数应大于2。 计算参数如表1、2 所示；根据规范规定V级围岩二衬的释放荷载分担比为60%～80%，取最不利情况，即二衬承担80%的荷载。 经计算浅埋段（取隧道深浅埋分界深度31.1m 为最不利埋深位置进行计算） 二衬内力远大于深埋段，为不利工况，后续计算均在上述浅埋段工况基础上进行， 计算时考虑自重荷载和混凝土收缩徐变（降温10℃模拟）。通过对以下2 种工况进行对比分析，计算其安全系数是否满足规范要求：工况1：原设计支护参数情况下二衬受力分析；工况2：仰拱底部有虚渣情况下二衬受力分析 （采用降低拱底围岩弹性抗力系数来模拟仰拱底部有虚渣， 弹性抗力系数由150MPa/m 降为120MPa/m），如图5 所示。

图5 不同工况下二衬受力分析图

经计算分析二衬控制点内力和安全系数如表3、表4所示。 在工况1 情况下，该隧道V 级围岩浅埋段暗洞二衬结构所有截面强度安全系数均大于2，满足规范要求，衬砌结构以小偏心受压为主，结构断面合理，结构整体变形亦满足规范要求；在工况2 情况下，即仰拱底部有虚渣时，控制点拱顶(32 单元）和仰拱（91 单元）处弯矩增大较多，衬砌结构大偏心受压，所能承受的轴力降低，强度安全系数小于2，不满足规范要求。 随着隧道基底松散层围岩遇水不断软化、泥化，围岩参数持续降低，二衬结构内力超出允许内力，导致二衬产生裂缝病害，由此可见分析结果与初步原因判断相吻合。

表3 原设计支护参数情况下二衬内力和安全系数检算

表4 仰拱底部有虚渣情况下二衬内力和安全系数检算

4 裂缝病害处治措施

根据上述分析的原因，经综合论证，采用加快左洞支护施工+加强引排地下水+拱脚锁脚补强+仰拱基底加固+仰拱开挖返工+拱墙二衬裂缝修补的方式对右洞病害进行综合整治。

4.1 加快左洞支护施工进度

加强左洞贯通段落工序衔接和资源调配， 加快左洞仰拱、二衬施工，使左洞贯通段落尽快闭合成环受力，以减轻对右洞的扰动效应。 并且左洞二衬在满足设计厚度情况下，混凝土强度由C25 提高至C40；环向主筋直径由20mm 调整为25mm，间距由20cm 加密为10cm，提高支护结构和围岩的联合承载力，减少围岩变形。

4.2 加强地下水引排措施

清通隧道洞内排水设施， 确保隧道排水暗沟和排水管的通畅，减少隧道底部外水压力，减小对围岩变形及支护结构的不利影响。 同时，在YK85+000～YK85+100 仰拱病害段落对应的洞外右侧施作3 孔排水管径为110mm，长度分别为54m、83m、117m， 仰角分别为3°、2°、1°的排水平孔，排水平孔末端钻至仰拱基底以下约1m 位置，以有效降低隧道地下水位， 避免地下水的汇集使仰拱基底进一步软化，如图6 所示。

图6 洞外侧面平孔排水示意图

4.3 拱脚锁脚补强处理

对裂缝段落二衬拱脚处施作两排锁脚钢花管， 上下两层间距40cm,分别采用φ50 和φ89 钢花管，以75cm～100cm 的间距从钢拱架间隙中分别以45°和60°插入，注意避开纵向排水管。 钢花管管长6m，注浆采用单液水泥浆，注浆压力0.5～1.0MPa，先行施工右洞YK85+049～084段， 后再施工YK84+960～YK85+049 段和左洞ZK84+949～ZK84+990 段。 注浆完成后应对注浆效果进行检查、整改，确保注浆效果满足设计要求。通过加固拱脚处的围岩， 从而减小拱脚处塑性区范围并通过小导管自身刚度以减小侧向水平力对仰拱基底的挤压作用， 避免仰拱病害进一步扩展， 同时对隧道上部结构起到一定的加强保护作用， 在仰拱拆换时为隧道上部结构提供一定的基底支撑，确保病害处治时施工安全，如图7 所示。

4.4 仰拱基底加固

图7 拱脚锁脚钢花管注浆布置示意图

对仰拱出现裂缝病害的段落采用φ50、φ108 钢花管注浆方法进行加固。 在仰拱填充表面施作径向φ50 小导管，长6m，1.0×1.0 梅花型布置，注浆采用水泥浆-水玻璃双液浆，水灰比为1∶0.5，注浆压力0.5～1.0MPa；在隧道仰拱面两侧分别施作径向φ108 中管棚， 长6m， 纵向间距0.5m， 注浆采用水泥浆-水玻璃双液浆， 注浆压力0.3～0.5MPa。注浆压力应根据现场试验进行调整，保证浆液能在土体一定范围内扩散， 且保证浆液不扩散至隧道排水系统。并对已进行基底注浆的段落进行取芯，研判注浆效果，若未达到预期，则对注浆工法进行调整，确保注浆强化基底作用，如图8 所示。

图8 仰拱基底钢花管注浆加固布置图

4.5 仰拱裂缝处理

在进行拱脚锁脚、仰拱基底加固的同时，对仰拱裂缝加强观测。随着以上加固措施逐渐完成，仰拱裂缝基本趋于稳定， 病害未见明显持续发展， 证明加固措施效果良好。 进而采取以下方案对仰拱裂缝进行处理：

(1）仰拱拆除。 对仰拱出现纵向裂缝段落的回填层分两段落进行挖除，然后挖除仰拱二衬及初支。仰拱初支钢拱架拆换时应分段落跳槽拆换， 一次拆换一般不超过两榀钢拱架。拆除过程应采用人工小型器具如破碎锤、风镐拆除开挖，严禁爆破。

(2）仰拱重新施作。 对仰拱基底积水、虚渣、软基等进行清除，然后再按照原设计架设安装初支钢拱架、绑扎仰拱钢筋、浇筑混凝土。 在仰拱混凝土终凝后，浇注仰拱填充层。 填充层顶部采用钢筋网进行补强处理。

4.6 二衬裂缝病害修复

仰拱处治施工期间加强对隧道的监控量测， 观测二衬是否产生新的裂缝及既有裂缝的发展状况。 在完成以上加固措施后，隧道拱墙二衬裂缝发展最终趋于稳定，未见明显或异常发展， 表明隧道病害产生原因与上述分析的原因是相吻合的，仰拱病害处治措施及时有效。二衬裂缝稳定后不会对隧道结构安全进一步造成影响， 因此根据裂缝的开裂程度对二衬裂缝病害采取以下相应的修复方法。

（1）扩缝封闭法（裂缝宽度小于0.2mm）。 顺裂缝方向刻槽，槽宽1cm，槽深1.5cm；吹清缝内灰砂，用丙酮清洗干净。将配置好的结构胶压涂入槽内进行封闭。裂缝成细而多时用环氧树脂类胶， 裂缝细而深时用甲基丙烯酸脂类胶。

（2）刻槽注浆法结构补强（裂缝宽度为0.2mm～0.4mm）。沿裂缝方向开一6cm 宽、5cm 深的矩形槽， 吹清槽内灰砂，用丙酮清洗干净。针对延伸方向基本与衬砌表面垂直的裂缝，采用骑缝注浆；针对延伸方向与衬砌表面有一定角度的裂缝，采用斜缝注浆。在矩形槽内充填10mm 厚的环氧树脂和40mm 厚的环氧砂浆进行封闭， 压气试验合格后，注环氧树脂浆液。

（3）镀锌钢板局部加固结构补强法（裂缝宽度大于等于0.4mm）。 在粘贴钢带位置进行基面处理，将二衬混凝土向内凿除2cm，凿除基面应保证平整圆顺。镀锌钢带幅宽100cm、厚8mm ，采用植筋锚固及压注粘钢结构胶的方式将钢板与全断面环向衬砌连成一体。 每环纵向间距100cm，对二衬墙脚以上范围进行处治。

裂缝修复完成后，最后对混凝土表面进行修整，涂刷与原衬砌表面相同颜色涂料。

5 运营期监测情况及处治效果评价

该隧道于2017 年12 月通车运营至今已两年多，为保证隧道运营期安全， 对该隧道右洞YK84+955～YK85+130 进行运营期监测工作，监测内容包括对拱顶沉降、水平收敛、收敛处二衬沉降、拱脚处沉降等进行监测。 根据最近一期监测数据， 拱顶沉降累计变化量为-3.39mm～-1.28mm； 水平收敛变形量累计变化量为-1.28mm ～3.57mm；收敛处二衬沉降累计变化量为-7.8mm～-0.1mm；右洞左侧拱脚处仰拱累计变化量为-9.183mm ～-0.783mm，如图9 所示。 沉降及水平收敛数据虽存在波动变化，但并未往同一方向发生较大变形，各监测数据累计变化量较小，且均小于安全警戒值。其中最近5 期累计变化量趋于稳定并来回波动，未发生较大变化。

另外，经巡视检查，该病害段落未发现新增裂缝且既有裂缝未见明显或异常发展， 结合监测数据分析认为该隧道右洞整体并无异常现象，结构相对比较稳定，隧道处于安全状态，证明病害处治措施效果良好，病害处理技术方案是可行的。

图9 监测数据图

6 结语

富水软弱围岩隧道施工中， 隧道支护结构受围岩地质情况、地下水分布、开挖工法选择、支护参数设计及调整、施工质量控制等关键因素影响较大，建议在施工中积极采取应对措施，实行动态设计、动态管理。 特别要注重加强隧道基底软基和地下水处理，并加强地表沉降、拱顶下沉、周边位移收敛等监控量测，根据实际情况及时调整支护参数，增强初支的支护能力，约束围岩的变形，增强围岩承载能力，同时加大对隧道开挖、支护结构施工质量的监管，避免因各种因素诱发隧道支护结构病害。