薛曉輝，張 軍，宿鐘鳴，孫志杰

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006)

帶裂縫隧道襯砌安全性評價及處治技術(shù)研究

薛曉輝，張 軍，宿鐘鳴，孫志杰

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006)

為深入研究帶裂縫隧道襯砌安全性評價的方法及裂縫處治技術(shù)，基于隧道襯砌裂縫調(diào)查結(jié)果，利用綜合判定法對帶裂縫隧道襯砌段的安全性進行了全面評價，同時利用剛度退化理論對帶裂縫隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)進行了驗算，在此基礎(chǔ)上，采用埋管注漿法和“鋼拱架+注漿錨桿”法有針對性的對不同安全性的帶裂縫隧道襯砌段進行了處治。研究結(jié)果表明:綜合判定法融合了各單指標評價體系，使其對帶裂縫襯砌安全性評價結(jié)果更加全面、客觀、準確；利用剛度退化理論對帶裂縫隧道襯砌安全系數(shù)驗算結(jié)果與安全性評價結(jié)果基本吻合，二者共同為帶裂縫隧道襯砌的處治提供了理論依據(jù)；采用埋管注漿法和“鋼拱架+注漿錨桿”法對不同隧道段有針對性的進行處治，可取得良好的效果。

隧道工程；帶裂縫隧道襯砌；安全性評價；剛度退化理論；處治技術(shù)

0 引 言

截至2012年底，我國修建的公路隧道有10 022座，隧道單洞延米已達8 052.7 km。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國建成10年以上的隧道中約80%存在襯砌裂縫病害現(xiàn)象，而新建隧道中也普遍存在襯砌開裂現(xiàn)象。目前，襯砌裂縫作為隧道的主要病害形式而逐漸成為一大熱點研究問題。隧道襯砌裂縫對于支護結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性等有不同程度的影響，從而造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)性能劣化。

目前國內(nèi)外學者針對隧道裂縫的理論計算、形成機理、安全性評價、處治技術(shù)等方面做了大量研究。在安全性評價方面，王曉形[1]基于隧道裂縫調(diào)查結(jié)果及二襯質(zhì)量檢測結(jié)果，建立了帶裂縫襯砌計算模型，分析帶裂縫隧道襯砌結(jié)構(gòu)的實際承載能力及其安全性；王華牢等[2]針對隧道拱部縱向裂縫進行了安全性評價，給出了安全等級。在帶裂縫隧道處治技術(shù)方面，潘洪科等[3]利用綜合分析法及力學計算法研究了偏壓隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的主要原因，在此基礎(chǔ)上提出了綜合處理隧道裂縫的具體措施；王建秀等[4]結(jié)合云南元磨高速公路三公箐隧道的裂縫監(jiān)測工作，分析了連拱隧道裂縫的主要成因，并提出了地基補強、加強中隔墻中導洞的側(cè)壁支撐、加固變形邊坡、消除偏壓、洞內(nèi)注漿加固以及地表注漿加固等處治方案；吳啟勇等[5]針對延安至安塞高速公路墩山連拱隧道襯砌裂縫、滲漏水等病害情況,根據(jù)裂縫的開裂程度與發(fā)展規(guī)律,采用碳纖維布對隧道襯砌裂縫進行了局部修復和整體加固補強。然而，目前隧道安全性評價并未對裂縫處治提供有效的指導，而帶裂縫隧道襯砌處治方案的制定主要依靠經(jīng)驗法，也未與安全性評價有機結(jié)合起來，具有很大的盲目性。為此，筆者選取太舊高速公路北茹隧道作為研究的工程實例，對其襯砌裂縫特征進行詳細調(diào)查分析，利用綜合判定法對帶裂縫隧道襯砌段的安全性進行了全面評價，同時利用剛度退化理論對帶裂縫隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)進行了驗算，在此基礎(chǔ)上，有針對性的提出了相應的處治方案，從而為類似隧道工程裂縫病害處治提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導。

1 工程概況

北茹隧道位于太舊高速公路中段,為越嶺分離式隧道，修建于1996年。隧道左右線長度分別為1 065 m、1 060 m。隧道進口段發(fā)育一條正斷層，層面產(chǎn)狀為330°∠65°,斷距10～12 m，斷層帶內(nèi)巖體破碎。隧址區(qū)內(nèi)出露二迭系上統(tǒng)砂巖、砂質(zhì)泥巖,部分地段覆蓋第四系更新統(tǒng)坡積層碎石土，洞身圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育。隧址區(qū)內(nèi)地下水類型主要為基巖裂隙水,受大氣降水控制。

由于北茹隧道設計為大格柵，二襯由小模板混凝土澆筑，未設防水板，且運營年限較長，目前該隧道襯砌裂縫、滲漏水現(xiàn)象較嚴重，已嚴重影響隧道的正常運營，亟需對其襯砌進行處治，具體情況如圖1。

圖1 北茹隧道襯砌裂縫情況Fig.1 Situation of Beiru Tunnel lining with cracks

2 裂縫調(diào)查

2.1 裂縫調(diào)查方法及內(nèi)容

1)裂縫寬度(w)調(diào)查。采用GTJ-FKY裂縫測寬儀對隧道襯砌裂縫進行測量，該測寬儀采用現(xiàn)代電子成像技術(shù)，將被測裂縫原貌成像于主機顯示屏幕上，通過屏幕上藍色智能裂縫寬度數(shù)值及紅色高精準激光刻度尺相結(jié)合即可讀出具體的裂縫寬度數(shù)據(jù)。測量精度為0.02 mm，測量范圍為0～5 mm，具體情況如圖2。

3)裂縫寬度變化量(Δw)調(diào)查。采用JM振弦式測縫計對裂縫的發(fā)展情況進行監(jiān)測，首先將兩個帶螺紋的錨頭用灌漿方法或用螺栓固定于裂縫的兩側(cè)，然后將測縫計連接在兩錨頭上，定期采集數(shù)據(jù)，即可獲得裂縫在一定時間段內(nèi)的寬度變化量。該測縫計量程為0～25 mm，精度為±0.25%F.S。具體情況如圖3。

圖2 裂縫寬度測試Fig.2 Crack width test

圖3 裂縫寬度變化量測試Fig.3 Test of crack width change

2.2 裂縫調(diào)查結(jié)果

針對北茹隧道襯砌裂縫病害的情況，選取6個典型隧道段(K1～K6)重點進行調(diào)查，每個隧道段長30 m，調(diào)查時間為2013年6月— 9月，具體調(diào)查結(jié)果如表1。

表1 裂縫病害調(diào)查結(jié)果

由表1可見，隧道襯砌段K1～K6的裂縫病害在幾何形態(tài)、分布位置、發(fā)展趨勢、產(chǎn)生原因、穩(wěn)定時間等方面差異較大。對于K1，K5隧道段，圍巖地質(zhì)條件較差，節(jié)理裂縫極為發(fā)育，圍巖風化程度較高，且在施工過程中發(fā)現(xiàn)其大量溶洞，因此該隧道段圍巖自穩(wěn)能力不足，承載能力差，導致隧道襯砌承受較大荷載，在起拱線上方產(chǎn)生裂縫，該裂縫寬度較小，但深度較大，在圍巖與支護結(jié)構(gòu)長期作用下，該裂縫已基本穩(wěn)定；對于K2隧道段，該處地表屬典型山凹地貌，存在較為明顯的偏壓現(xiàn)象，導致隧道襯砌右拱肩承受較大壓力，襯砌混凝土產(chǎn)生斜向裂縫，其長度達6.1 m，而裂縫深度較小，僅為4.82 cm；對于K3隧道段，由于該段襯砌混凝土澆筑時氣溫較低，在水—冰反復交融過程中體積發(fā)生變化，使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)空隙和微裂縫，其裂縫的寬度、深度、長度均較小，呈網(wǎng)狀分布，但在凍融循環(huán)作用下裂縫將進一步發(fā)展，嚴重時混凝土發(fā)生剝落或掉塊；對于K4,K6隧道段，由于其襯砌混凝土采用小模板法進行澆注，其施工質(zhì)量難以保證，導致在該處產(chǎn)生裂縫，其深度較大，基本穿透隧道襯砌，長度較大，呈環(huán)狀分布。

3 帶裂縫隧道襯砌安全性評價

3.1 帶裂縫隧道襯砌安全等級評定

在帶裂縫隧道襯砌安全等級評定方面，首先應進行定性分析，即參考JTGH 12—2003《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》和TB/T 2820.2—1997《鐵路橋隧建筑物劣化評定標準-隧道》給出的襯砌裂縫的定性判定標準對裂縫進行初步評定，具體標準如表2；其次根據(jù)裂縫長度、寬度、深度等因素進行定量判定，具體標準如表3、表4；最后根據(jù)定性、定量判定結(jié)果進行綜合判定，判定結(jié)果如表5。

表2 帶裂縫隧道襯砌定性評定標準

表3 襯砌裂縫長度、寬度判定標準

表4 襯砌裂縫深度判定標準

注：D為襯砌最小保護層厚度(cm)，該處為5 cm。

表5 襯砌裂縫安全等級評價結(jié)果

由表5可以看出，利用綜合判定法融合了各單指標評價體系，綜合考慮了襯砌裂縫的長度、寬度、深度、寬度變化量等因素，避免了單指標評價體系的片面性，使其評價結(jié)果更加全面、客觀、準確。

3.2 帶裂縫隧道襯砌剛度驗算

隧道襯砌為鋼筋混凝土構(gòu)件，在經(jīng)歷了一段使用期后,襯砌結(jié)構(gòu)的受拉區(qū)極易出現(xiàn)裂縫,而裂縫的出現(xiàn)將直接導致襯砌結(jié)構(gòu)截面剛度的劣化。由于隧道襯砌結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，截面剛度的劣化對襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布有較大程度的影響，從而進一步影響襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久性、安全性。因此，在對襯砌結(jié)構(gòu)裂縫情況進行詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上，利用剛度退化理論對帶裂縫隧道襯砌結(jié)構(gòu)進行剛度驗算將有助于襯砌結(jié)構(gòu)的安全性評價。

2005年,顧祥林等[6]提出了剛度退化理論，其編制了鋼筋混凝土梁截面彎矩-曲率關(guān)系計算程序,采用該程序計算了不同混凝土強度等級、不同截面尺寸和不同配筋率情況下的彎矩-曲率關(guān)系，在此基礎(chǔ)上研究了混凝土開裂至縱向受力鋼筋屈服這一階段梁截面抗彎剛度的變化規(guī)律,給出了估計鋼筋混凝土梁開裂后截面抗彎剛度的實用方法，具體情況如表6。

表6 帶裂縫襯砌結(jié)構(gòu)剛度與初始剛度比值關(guān)系式

表6中，B1/B0為襯砌結(jié)構(gòu)開裂后割線剛度與初始剛度之比；B2/B0為鋼筋屈服時割線剛度與初始剛度之比；ρ為襯砌截面受拉鋼筋的配筋率(%)。在實際測試中，根據(jù)表6的結(jié)果，結(jié)合裂縫開展情況選取合適的剛度比，即：當裂縫寬度w≥3 mm時，取B2/B0；當裂縫寬度w≤0.5 mm時，取B1/B0；當裂縫寬度3 mm>w>0.5 mm時，按線性插值法確定。同時，當B1/B0>1時，取B1/B0=1；當B2/B0>0.6時，取B2/B0=0.6。利用剛度退化理論，對隧道段K1～K6進行剛度驗算，其結(jié)果如表7。

表7 帶裂縫襯砌結(jié)構(gòu)剛度比計算結(jié)果

由表7可以看出，不同隧道襯砌段的剛度退化程度不同，因此對于帶裂縫隧道襯砌段應采取不同的處治措施，有針對性的對其進行處治。對于隧道段K6，其剛度比僅為0.38，剛度退化程度較高，已嚴重影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及安全性，應采用結(jié)構(gòu)加固技術(shù)進行處治；而對于其他隧道段，其剛度退化程度相對較低，襯砌裂縫并未威脅到其安全性及使用性能，采用封閉處理即可。

4 隧道襯砌裂縫處治技術(shù)

4.1 隧道襯砌裂縫處治設計原則

在隧道襯砌裂縫病害處治過程中，應盡量減小對原隧道襯砌的擾動，避免破壞原襯砌結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，以免發(fā)生施工危險[7-9]。

通過綜合考慮裂縫的開裂程度、性質(zhì)、受力狀態(tài)等因素，采取不同的處治措施，有針對性的對襯砌裂縫進行處治，從而有效提高處治效果及其經(jīng)濟效益。

對于存在滲漏水病害的裂縫進行處治時，應充分利用原有防排水結(jié)構(gòu)，以排為主，可采用開槽加排水管并噴射混凝土的處治方法。

對于未影響隧道襯砌安全性且無繼續(xù)發(fā)展趨勢的裂縫，可采用封閉處理即可，如直接涂抹法、埋管注漿法等；而對于已嚴重影響隧道襯砌整體穩(wěn)定性的裂縫，應對襯砌結(jié)構(gòu)進行加固，如鑿槽嵌補法、增設套拱、鋼拱架或高強W鋼帶+注漿錨桿法、錨桿加固巖土法等。

4.2 隧道襯砌裂縫處治方案

4.2.1 埋管注漿法

對于隧道襯砌段K1～K5，其裂縫發(fā)生范圍雖較大，但無明顯的剪切滑移趨勢，裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，且襯砌剛度退化程度相對較低，襯砌裂縫并未威脅到其安全性及使用性能，因此決定采用埋管注漿法對裂縫進行封閉處理。其具體施工步驟如下：

1)從襯砌裂縫起點向外延伸10 cm的部位開始，用專用混凝土切縫機在裂縫兩側(cè)切割兩條平行切縫，縫間距一般為5 cm，可視情況適當調(diào)節(jié)；其次用鋼鑿鑿除切縫間的混凝土，鑿槽深度為5 cm；用鋼絲刷刷除浮渣，并用水沖洗干凈。

2)在鑿槽內(nèi)用直徑Φ20 mm沖擊鉆打孔，孔深15 cm，孔間距為0.8～1.0 m，并將孔內(nèi)沖洗干凈。

3)在鉆孔內(nèi)安裝直徑Φ16 mm、長15 cm的注漿鋼管，其下墊有塑料泡沫條；用環(huán)氧樹脂砂漿固定注漿鋼管，并將鑿槽回填抹平；待環(huán)氧樹脂砂漿強度形成后，通過注漿鋼管壓注環(huán)氧樹脂漿液，注漿壓力為0.3～0.5 MPa。環(huán)氧樹脂砂漿、漿液配合比如表8。

4)注漿結(jié)束后，割掉注漿鋼管外露部分，并在襯砌表面涂刷兩遍SWF混凝土密封膠。

表8 環(huán)氧樹脂砂漿、漿液配合比

4.2.2 “鋼拱架+注漿錨桿”法

對于隧道襯砌段K6，由于其剛度退化程度較高，其整體穩(wěn)定性及安全性已受到嚴重威脅。經(jīng)綜合考慮，項目組決定采用“鋼拱架+注漿錨桿”法進行結(jié)構(gòu)加固，具體加固設計方案如圖4,具體施工步驟如下：

1)在隧道左右拱腳處澆注C25混凝土支墩，其頂面寬度為50 cm，高度為50 cm。為增強其穩(wěn)定性，可根據(jù)實際情況適當布置一定量的鋼筋。該支墩一方面為增設的鋼拱架提供了“支座作用”，另一方面增強了拱腳的承載力，提高了襯砌結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

2)在原隧道二次襯砌內(nèi)側(cè)增設I20a型工字鋼拱架，其縱向間距為65 cm，具體情況如圖5。

3)為使得增設的鋼拱架能夠與原有隧道襯砌、圍巖發(fā)生協(xié)同作用，共同受力變形，因此應在原有隧道襯砌、圍巖上鉆設錨桿注漿孔，該孔深度為2 m，直徑為26 mm，環(huán)向間距100 cm，縱向間距65 cm；利用壓漿泵將砂漿壓注到鉆孔內(nèi)，注漿壓力一般為0.5～1.5 MPa，孔口溢漿時壓力維持時間≮10 min；隨后在鉆孔內(nèi)插入Φ22 mm錨桿，其端頭彎折成“L”型，并與鋼拱架焊接為一體。

4)在鋼拱架內(nèi)外翼緣板上焊接雙層Φ8 mm鋼筋網(wǎng)片，其間距為20×20 cm；采用C25噴射混凝土進行充填，其厚度為26 cm。

圖4 加固設計方案Fig.4 Reinforcement design scheme

圖5 增設鋼拱架Fig.5 Addition of steel arch centre

根據(jù)對處治后的隧道襯砌段進行現(xiàn)場觀察及安全性驗算可知，利用埋管注漿法進行裂縫封閉處理后，可有效避免了滲漏水的發(fā)生，進而消除了裂縫處鋼筋混凝土被腐蝕及裂縫的進一步發(fā)展；而采用“鋼拱架+注漿錨桿”法進行加固處治后，隧道襯砌安全系數(shù)有較大幅度的提升，達到了預期效果。

5 結(jié) 論

1)在對隧道襯砌裂縫進行詳細調(diào)查的基礎(chǔ)上，可利用綜合判定法對帶裂縫襯砌安全性進行評價。由于該判定法融合了各單指標評價體系，綜合考慮了襯砌裂縫的長度、寬度、深度、寬度變化量等因素，其評價結(jié)果更加全面、客觀、準確。

2)利用剛度退化理論對帶裂縫隧道襯砌剛度進行驗算，其結(jié)果與安全性評價結(jié)果基本吻合，二者共同為帶裂縫隧道襯砌的處治提供了理論依據(jù)。

3)采用埋管注漿法和“鋼拱架+注漿錨桿”法對不同隧道段有針對性的進行處治，可取得良好的效果，對類似工程具有一定的指導意義。

4)為了使帶裂縫隧道襯砌安全性評價更加準確，更有針對性的制定帶裂縫襯砌處治方案，應在后續(xù)研究工作中進一步完善隧道襯砌安全性評價體系。

[1] 王曉形.運營期隧道帶裂縫二襯承載力評價[J].地下空間與工程學報,2012,8(增刊1) :1456-1458. WANG Xiaoxing.Evaluation of carrying capacity of tunnel with cracks of secondary lining during operation period [J].ChineseJournalofUndergroundSpaceandEngineering,2012,8(Sup1):1456-1458.

[2] 王華牢,劉學增,李寧,等.縱向裂縫隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全評價與加固研究[J].巖石力學與工程學報2010,29(增刊1):2651-2656. WANG Hualao,LIU Xuezeng,LI Ning,et al.Safety evaluation of tunnel lining with longitudinal cracks and reinforcement design [J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2010,29(Sup1):2651-2656.

[3] 潘洪科,楊林德,黃慷.公路隧道偏壓效應與襯砌裂縫的研究[J].巖石力學與工程學報,2005,24(18):3311-3315. PAN Hongke,YANG Delin,HUANG Kang.Research on unsymmetrical load effect and lining cracks of a highway tunnel [J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2005,24 (18):3311-3315.

[4] 王建秀,朱合華,唐益群,等.雙連拱公路隧道裂縫成因及防治措施 [J].巖石力學與工程學報,2005,24(2):195 - 201. WANG Jianxiu,ZHU Hehua,TANG Yiqun.Cracking in twin-arc highway tunnels and its prevention measures [J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2005,24(2):195 - 201.

[5] 吳啟勇,蔡葉瀾.碳纖維布在連拱隧道襯砌裂縫病害治理中的應用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(6):70 - 75. WU Qiyong,CAI Yelan.Applying carbon fiber cloths to repair lining cracks in a double-arched tunnel [J].ModernTunnelingTechnology,2006,43(6):70 - 75.

[6] 顧祥林,許勇,張偉平.鋼筋混凝土梁開裂后剛度退化研究[J].結(jié)構(gòu)工程師,2005,21(5):20 - 23. GU Xianglin,XU Yong,ZHANG Weiping.Study on stiffness deterioration of RC beams after cracking [J].StructuralEngineers,2005,21(5):20-23.

[7] 劉學增,桑運龍,包浩杉.疊合式套拱加固帶裂縫隧道襯砌受力機理分析[J].土木工程學報,2013,46(10):127-134. LIU Xuezeng,SANG Yunlong,BAO Haoshan.Analysis of bearing mechanism of cracked tunnel lining reinforced with stacked umbrella arch [J].ChinaCivilEngineeringJournal,2013,46 (10):127 - 134.

[8] 何川,唐志成,汪波,等.內(nèi)表面補強對缺陷病害隧道結(jié)構(gòu)承載力影響的模型試驗研究[J].巖土力學,2009,30(2):406-412. HE Chuan,TANG Zhicheng,WANG Bo,et al.Research on effect of inner surface reinforcing on structure bearing capacity by model test in defective tunnel [J].RockandSoilMechanics,2009,30(2):406-412.

[9] 何川,李祖?zhèn)?佘健,等.組合補強對缺陷病害隧道結(jié)構(gòu)承載力影響的室內(nèi)模型試驗研究[J].公路,2007(3):195-201. HE Chuan,LI Zuwei,SHE Jian.Research on indoor model test about effect of combined reinforcing on structure bearing capacity of defect and disease tunnel [J].Highway,2007(3):195-201.

Safety Evaluation and Treatment Technology of Tunnel Lining with Cracks

XUE Xiaohui, ZHANG Jun, SU Zhongming, SUN Zhijie

(Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region,Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, Shanxi,P.R.China)

In order to study the safety evaluation method and treatment technology of tunnel lining with cracks in detail, the overall evaluation of the tunnel lining with cracks was carried out by the comprehensive assessment method, which was based on the research result of tunnel lining cracks. At the same time, the safety coefficients of the tunnel lining with cracks were checked by the theory of stiffness degradation. On the above basis, the “burying pipe and grouting” method and “steel arch centre and grouting bolt” method were adopted to treat tunnel lining with cracks with different safety. The results show that the comprehensive assessment method merges various single evaluation index systems, therefore, its safety evaluation on the tunnel lining with cracks is more comprehensive, objective and accurate. The check result of safety coefficients of the tunnel lining with cracks obtained by the theory of stiffness degradation coincides with the result of safety evaluation, and these two results provide theoretical basis for the treatment of the tunnel lining with cracks. Different tunnel sections are targeted for treatment by using the “burying pipe and grouting” method and “steel arch centre and grouting bolt” method, which has a good effect.

tunnel engineering; tunnel lining with cracks; safety evaluation; stiffness degradation theory; treatment technology

2014-09-20；

2015-03-06

山西省交通運輸廳科研項目(2013-1-3，2015-1-18)；交通運輸部應用基礎(chǔ)研究項目(2014319771190)

薛曉輝(1986—)，男，山西芮城人，工程師，碩士，主要從事隧道及地下工程方面的科研工作。E-mail:582991719@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.06

U457+.3

A

1674-0696(2016)01-028-05