隧道二衬环向裂缝成因分析及其防治对策研究.doc

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隧道二衬环向裂缝成因分析及其防治对策研究

1前言
二衬裂缝是公路隧道施工中常见的病害之一。裂缝不仅影响美观，还给结构稳定埋下安全隐患。裂缝如果处理不及时，则可能引起二衬渗（漏）水、钢筋锈蚀，并造成结构受力重分布，引起裂缝扩展，形成恶性循环。严重时可能引起二衬局部掉落，甚至造成结构的整体性破坏，从而缩短隧道的维护周期和使用寿命[1]。
根据裂缝与隧道轴线的走向关系，隧道二衬裂缝可以分为纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝。一般认为环向裂缝多发生在施工缝、沉降缝处，或发生在洞口、不良地质地带与完整岩石地层的交接处[2]。本文以闽西北某高速公路山岭隧道为工程背景，深入调查环向裂缝分布特征和发展趋势，在此基础上，探讨工程地质条件、地下水、二衬质量、二衬模板台车等因素对二衬环向裂缝形成的影响，并提出相应的防治对策。
2裂缝调查
2.1裂缝分布特征
闽西北某高速公路山岭隧道系双洞分离式四车道隧道，左洞进出口桩号为ZK16+428～ZK17+912，全长1484m；右洞进出口桩号为YK16+429～YK17+940，全长1511m。隧道施工结束后于2009年2月发现左洞和右洞在K17+600～+800段不同程度出现环向裂缝。
结合裂缝分布及工程实际情况，采用非金属超声波仪、裂缝宽度测定仪检测裂缝发展的深度和宽度。同时采用钢筋位置测定仪和地质雷达检测对应位置钢筋保护层厚度和二衬厚度，在此基础上判定裂缝是否穿透钢筋保护层厚度或贯穿隧道二衬。
现场观测发现K17+600～+800段裂缝以垂直隧道纵轴的环向裂缝为主，局部存在斜裂缝。斜裂缝主要出现在配电室和消防窗等开洞位置，这些位置的裂缝与局部开洞引起应力集中有关。左洞共发现12条环向裂缝，其中6条贯穿整个横断面；右洞发现16条环向裂缝，其中3条贯穿整个横断面。右洞裂缝数量及发展规模大于左洞。
根据非金属超声波仪检测获得的裂缝深度数据和地质雷达检测所获得的二衬厚度数据，获知部分裂缝深度与二衬厚度大小接近，因此可以判定部分位置裂缝已经贯穿二衬。
2.2裂缝发展趋势

图1ZK17+752处裂缝粘贴玻片开裂图2有限元计算模型

2009年2月所发现出现的环向裂缝，在5月至6月呈扩展趋势，表现为裂缝数量增多，长度增大，但裂缝宽度变化不明显，裂缝两侧未见明显错台。为观察裂缝宽度是否增加，于2009年7月8日在裂缝位置粘贴玻片。7月21日发现左洞2条裂缝、右洞4条裂缝所粘贴部分玻片开裂，7月30日左、右洞各新增1条裂缝所粘贴部分玻片开裂。开裂玻片均有明显的裂缝，但无明显的上下错动和左右拉开现象（图1）。玻片拉裂表明隧道部分裂缝在观测期间还处于发展状态。

图3开挖结束隧道洞顶应力σ1图4开挖结束隧道洞顶应变εp1
根据勘察设计资料，该隧道地处剥蚀丘陵地貌，地形起伏较大。出现裂缝的地段（K17+600～+800）高程范围为290～360m，K17+755附近处存在16m深冲沟，右洞地表沟深大于左洞（图2），沟走向与隧道纵轴呈120°斜交，沟中存在季节性流水。此处左洞埋深54m，右洞埋深44m。调查发现左洞和右洞在K17+750～+760附近均存在裂缝，且右洞在此里程附近裂缝数量多于左洞。因而可以推断，裂缝的出现与隧道纵向埋深变化大存在很大关联。
隧道纵向埋深差异大，意味着洞内围岩在纵向存在偏压，冲沟是纵向偏压存在最常见之处。为进一步分析隧道纵向偏压影响，采用MIDAS有限元软件对K17+550～+850地段进行计算分析，计算模型如图2所示。围岩按Ⅴ级处理，采用Mohr-Coulomb本构模型。
开挖结束隧道K17+600～+800段洞顶最大主应力σ1如图3所示。结果显示，该段σ1沿里程变化复杂，隧道结构受力不均匀。整体而言右洞荷载大于左洞，且荷载不均匀性比左洞更为明显。结构受力不均匀可直接引起变形不均匀，相当一部分裂缝位置与应力峰值位置有很好的对应。
开挖结束隧道K17+600～+800段洞顶最大塑性主应变εp1如图4所示。结果显示，开挖结束可引起隧道周边围岩发生较大的塑性应变，达到10-3数量级。较大的塑性应变代表隧道开挖后围岩将发生较大不可恢复的变形，隧道结构支护不足容易引起结构出现裂缝甚至失稳。隧道裂缝出现位置与塑性主应变值偏大的位置有较好的对应。右洞塑性主应变值普遍大于左洞，因而右洞裂缝的数量比左洞偏多。因此，该段隧道地质条件差、隧道纵向埋深差异大是引起裂缝的主要原因之一。

3.2地下水
K17+600～+800段具赋水条件，地下水主要来自大气降水及地下水侧向补给，水量随季节性变化大。隧道所处区域春夏两季降水多，强度大。分析段于2008年9月底完成隧道二衬，在此之前，开挖、初支施工期间对地下水“以排为主”，降低了地下水位。二衬浇筑后，2008年10月至2009年1月枯水期间