史趙鵬

(中鐵十二局集團(tuán)第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

裂縫作為襯砌結(jié)構(gòu)的主要病害之一，降低了隧道襯砌結(jié)構(gòu)的剛度和穩(wěn)定性，并形成了滲水通道，影響隧道的安全運(yùn)營(yíng)。造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂的原因多種多樣，按裂縫產(chǎn)生原因主要有圍巖松散壓力過大、地層不均勻沉降、基礎(chǔ)承載力不足、膨脹土壓力、襯砌水壓力、凍脹壓力等。

在隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生原因和治理措施方面，日本的研究較多。日本Toshihiro Asakura[1]在對(duì)隧道襯砌的初期及中期檢測(cè)基礎(chǔ)上，從圍巖壓力、襯砌劣化、漏水和凍害等三方面產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行原因分析和治理。國(guó)內(nèi)王建秀[2]針對(duì)三公箐隧道展開了裂縫監(jiān)測(cè)工作，指出雙連拱隧道裂縫主要是由基底沉降不均、隧道處于偏壓狀態(tài)及施工工序不合理等原因造成；傅剛、張林[3]等對(duì)重慶市八一、向陽(yáng)隧道襯砌開裂進(jìn)行分析及治理，得出地質(zhì)環(huán)境和設(shè)計(jì)因素是導(dǎo)致兩座隧道的主要開裂原因。

本文以鷹鷂山鐵路隧道工程為背景，結(jié)合裂縫產(chǎn)狀，從混凝土材料、外部作用和施工因素分析隧道邊墻縱向開裂原因；進(jìn)一步針對(duì)隧道邊墻開裂實(shí)際情況，提出隧道襯砌裂縫的整治措施。

2 隧道邊墻縱向開裂概況

準(zhǔn)朔鐵路鷹鷂山隧道位于山西省朔州市平魯區(qū)境內(nèi)，隧道全長(zhǎng)11 572 m，進(jìn)出口起止里程為DK41＋428～DK53＋000，隧道的縱向設(shè)計(jì)坡度一致，從進(jìn)口至出口以5.1‰ 坡度下坡。鷹鷂山隧道于2008年4月1日開工，2011年9月22日貫通。2011年2月，鷹鷂山隧道在距出口約600 m處DK52＋351～DK52＋512段共161 m左右側(cè)邊墻距軌面2～4 m高度范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)二次襯砌表面有縱向長(zhǎng)距離貫通裂縫(見圖1)。裂縫位于襯砌橫斷面最大跨附近，采用CK-101裂縫測(cè)寬儀對(duì)隧道裂縫寬度測(cè)量，得到裂縫寬度為0.4～4.6 mm，平均寬度約1.7 mm，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定的0.2 mm上限。對(duì)裂縫分布進(jìn)行檢測(cè)，得到其分布圖如圖2所示。

圖1 DK52＋410～DK52＋425最寬處裂縫段

圖2 隧道開裂段各里程裂縫寬度變化曲線

隧道區(qū)開裂段地質(zhì)情況主要顯示為全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖，洞身埋深60～80 m，位于飽水帶，按照V級(jí)圍巖支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)施工。V級(jí)圍巖噴混凝土厚20 cm，二次襯砌為素混凝土厚35 cm。隧道斷面形式均為標(biāo)準(zhǔn)鐵路單線隧道斷面，高約6.7 m，寬約6.2 m。其襯砌結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 隧道V級(jí)圍巖復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)

3 隧道邊墻縱向開裂成因分析

一般情況下，襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因有:(1)混凝土本身性能，主要為混凝土材料的配比等因素；(2)外部作用，包括荷載作用和變形作用，主要為荷載作用；(3)施工工藝，主要為施工工藝造成的不良影響。隧道施工過程中所有混凝土由洞外攪拌站統(tǒng)一攪拌，洞內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)澆筑，但裂縫僅出現(xiàn)在DK52＋360～DK52＋510段內(nèi)，且裂縫寬度較大，因此，可以排除混凝土本身性能造成的開裂因素。裂縫沿隧道縱向分布，且位于邊墻處，與施工縫無(wú)直接關(guān)聯(lián)，排除施工工藝造成的開裂因素。故本次鷹鷂山隧道邊墻縱向開裂主要從外部荷載作用方面來(lái)分析裂縫產(chǎn)生的主要原因。外部荷載作用包括:(1)高地應(yīng)力；(2)襯砌水壓力；(3)圍巖松散壓力；(4)凍脹力；(5)隧底圍巖承載力不足。

3.1 高地應(yīng)力

一般來(lái)說，高地應(yīng)力是指初始應(yīng)力特別是水平初始應(yīng)力分量大大超過其上覆蓋層巖體的重量[4]。伴隨高地應(yīng)力產(chǎn)生的問題為:硬脆性巖體的巖爆問題，對(duì)軟巖(當(dāng)圍巖級(jí)別較高時(shí))則易發(fā)生塌方及軟巖塑性大變形等問題。鷹鷂山隧道開裂段埋深60～80 m，隧道上方場(chǎng)地較寬闊平坦，不具備產(chǎn)生高地應(yīng)力的條件，且施工過程中未發(fā)生巖爆或大變形現(xiàn)象，故可以排除高地應(yīng)力因素是導(dǎo)致襯砌邊墻開裂的原因。

3.2 襯砌水壓力

隧道中地下水的處理方式有全封堵法和排導(dǎo)法，其中全封堵法中襯砌結(jié)構(gòu)要承受與地下水位相應(yīng)的水壓力；排導(dǎo)法則不考慮水壓力荷載[5]。鷹鷂山隧道排水方式采取排導(dǎo)法，強(qiáng)降雨后隧道襯砌表面及裂縫處基本保持干燥，因此，強(qiáng)降雨只是在一定程度上使圍巖含水量增加，地下水難以在巖體中以重力水形式賦存。另外，從強(qiáng)降雨后地下水的排導(dǎo)情況來(lái)看，可知該隧道襯砌背后地下水排導(dǎo)系統(tǒng)暢通。綜合來(lái)看，不具備導(dǎo)致襯砌縱向開裂的水壓力，故可排除水壓力因素是導(dǎo)致襯砌邊墻開裂的原因。

3.3 圍巖松散壓力

由于開挖而松動(dòng)或塌落的巖體以重力形式直接作用在支護(hù)上的壓力稱為松散壓力。松散壓力主要出現(xiàn)在淺埋隧洞和松散地層中，也可能由于巖塊和圍巖的局部塌落所形成[6]。圍巖松散壓力以垂直力為主，在拱頂處沿隧道縱向多產(chǎn)生張開性的開裂。鷹鷂山隧道裂縫主要位于隧道邊墻處，拱頂處未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫，故排除圍巖松散壓力是導(dǎo)致隧道襯砌邊墻開裂的原因。

3.4 凍脹力

在凍脹力作用下，通常冬季側(cè)壓強(qiáng)烈，一直繼續(xù)到融雪期。即使隧道襯砌沒有擠出，也不能完全復(fù)原，殘余變形是逐年積累的。從拱的下部到邊墻區(qū)域是主動(dòng)壓力區(qū)域，隧道斷面向上抬起，而使拱頂附近形成被動(dòng)壓力區(qū)域。此時(shí)，拱頂附近產(chǎn)生局部壓潰，路面鼓起。反之，融解時(shí)，襯砌或路面下沉，年年變異都有擴(kuò)展的趨勢(shì)[7]。

根據(jù)鷹鷂山隧道裂縫出現(xiàn)位置距離隧道出口約500 m深的洞身段，洞口處無(wú)裂縫出現(xiàn)。結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件，土壤最大凍結(jié)深度1.6 m，隧道埋深60～80 m，且裂縫寬度受季節(jié)性循環(huán)影響不明顯，故基本排除季節(jié)性凍脹是引起襯砌開裂的原因。

3.5 地層沉降或地層承載力不足

當(dāng)?shù)貙映霈F(xiàn)較大沉降時(shí)，會(huì)使隧道在縱斷面方向發(fā)生屈折的狀態(tài)，橫向開裂顯著，施工縫以外部分也會(huì)不規(guī)則地發(fā)生。當(dāng)承載力不足時(shí)，多產(chǎn)生沿縱向或橫向的不均勻下沉，前者易產(chǎn)生橫向開裂，后者隨隧道軸的回轉(zhuǎn)產(chǎn)生斜向開裂。

對(duì)鷹鷂山隧道出口DK52＋200～DK52＋400裂縫段利用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行了隧底圍巖物探檢測(cè)。

根據(jù)探測(cè)結(jié)果，基底異常段落共11段，長(zhǎng)度4～35 m不等，其中判定基底富水、含有相對(duì)較軟層的段落有6段。推測(cè)仰拱下方圍巖以全風(fēng)化巖層為主，裂隙發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，局部有淤泥、砂等填充物；地下水較發(fā)育，巖層富含水，有地下水貫通發(fā)育的跡象。

進(jìn)一步針對(duì)鷹鷂山隧道裂縫開裂段分布情況，對(duì)隧底圍巖鉆孔取芯。鉆孔取芯樣揭示:

(1)仰拱填充混凝土厚度為1.4～1.8 m，下部圍巖主要為含水量大的全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖，青灰色，局部為棕黃色，粗粒結(jié)構(gòu)，礦物成分主要為斜長(zhǎng)石、角閃石，含黑云母及少量石英。

(2)部分地段巖芯呈砂粒狀及碎塊狀，風(fēng)化不均，為全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖遇水分化崩解后形成的砂粒，圍巖強(qiáng)度低，巖芯采取率低。

(3)隧道開裂嚴(yán)重地段(DK52＋410～DK52＋440)，仰拱混凝土以下圍巖存在厚薄不均的泥砂混合物，鉆孔過程中常見鉆探進(jìn)尺加快和掉鉆現(xiàn)象，進(jìn)尺加快厚度約0.2～0.45 m，說明存在溶腔和空洞。

(4)干鉆的6個(gè)孔靜止地下水位大多在0.09～0.66 m之間，說明地下水位高，地下水豐富。

(5)基底標(biāo)貫反映全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖整體密實(shí)，反彈嚴(yán)重，說明長(zhǎng)期固結(jié)沉降已經(jīng)完成，開裂不再發(fā)展。

該段全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖遇水軟化明顯，極易破碎崩解，取芯完整性較差，承載力嚴(yán)重不足。結(jié)合隧道開裂情況，裂縫沿隧道縱向傾斜分布，得到襯砌裂縫與隧底圍巖承載力不足有關(guān)。

通過以上分析，鷹鷂山隧道基本排除高地應(yīng)力、襯砌水壓力、凍脹力等作用力導(dǎo)致襯砌開裂的條件。隧底地質(zhì)不良導(dǎo)致隧道下沉，下沉過程中因圍巖嵌固作用，導(dǎo)致邊墻沉降位移大于拱頂沉降位移，致使隧道最大跨度處邊墻襯砌產(chǎn)生拉應(yīng)力，隧道出現(xiàn)縱向開裂。

4 隧道裂縫的整治措施

隧道襯砌裂縫的修補(bǔ)與整治是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工程。隧道襯砌病害發(fā)生的原因很多，對(duì)應(yīng)的整治處理措施亦有不同，主要分隧道圍巖加固和襯砌加固兩大類。一般應(yīng)加強(qiáng)觀測(cè)，掌握襯砌裂縫變形發(fā)展情況和地質(zhì)資料，在查清病害原因的基礎(chǔ)上，對(duì)不同裂縫地段采用不同的工程措施，以達(dá)到穩(wěn)定圍巖、加固襯砌、確保安全運(yùn)營(yíng)的目的。

因此，針對(duì)鷹鷂山隧道邊墻襯砌開裂的情況，依據(jù)隧道襯砌裂縫的整治原則，結(jié)合國(guó)內(nèi)外該類隧道襯砌病害的整治方法，體現(xiàn)“技術(shù)先進(jìn)、因地制宜、安全適用、綜合治理”的原則。綜合考慮鷹鷂山隧道襯砌開裂的原因、結(jié)構(gòu)安全性和整治成本問題等，鷹鷂山隧道邊墻縱向開裂病害從加固圍巖和隧道襯砌結(jié)構(gòu)等方面提出整治方案。為保證隧道襯砌裂縫整治效果，整治處理范圍為襯砌開裂段前后延伸50 m左右，即DK52＋300～DK52＋560。

4.1 隧底圍巖注漿方案

本隧底圍巖注漿的主要作用是封堵裂隙、填充溶腔、提高圍巖完整性，使其成為具有滿足隧道襯砌結(jié)構(gòu)地基承載力的加固體。根據(jù)隧底圍巖鉆孔所獲得地質(zhì)資料，按設(shè)計(jì)所提供的施工技術(shù)參數(shù)，最終確定注漿施工段的范圍、深度、注漿方案及施工技術(shù)參數(shù)。圍巖注漿深度可根據(jù)圍巖地質(zhì)條件等確定。

針對(duì)鷹鷂山隧道實(shí)際情況，隧底圍巖軟化深度在仰拱下5～9 m深度范圍內(nèi)。因此，在DK52＋300～DK52＋560長(zhǎng)260 m范圍內(nèi)沿隧道中線，間距2.5 m×2.5 m，梅花形布置，采用φ80鉆頭打設(shè)深度5～9 m的注漿孔，對(duì)隧底圍巖進(jìn)行注漿。注漿材料根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采用普通水泥-粉煤灰雙液漿、普通水泥-水玻璃雙液漿、超早強(qiáng)加固型TGRM水泥基特種注漿料等。漿液采用1∶1水泥水玻璃雙液漿，注漿壓力達(dá)到0.6～1.0 MPa后持續(xù)15 min。若出現(xiàn)大量漏漿或長(zhǎng)時(shí)間達(dá)不到注漿壓力時(shí)，改注純聚胺脂漿液(聚氨酯注漿材料兼顧堵水和加固的功能，其作用機(jī)理主要為填充壓密、黏結(jié)作用)，以達(dá)到加固隧底，提高基底承載力的目的。

4.2 隧底圍巖樹根樁方案及參數(shù)確定

在開裂比較嚴(yán)重的地段(縫寬2 mm以上)，隧底圍巖設(shè)置樹根樁來(lái)進(jìn)一步加固圍巖。初步尺寸擬定為:樹根樁直徑300 mm，深度插入基巖，即8～10 m長(zhǎng)。每個(gè)橫斷面布置4根樁，其中兩根布置在軌道下，垂直打入，另兩根布置在兩側(cè)邊墻處，且斜向外側(cè)方打入，角度為5°～10°。橫斷面沿隧道縱向間距1.2 m左右，梅花形布置，共188根，采用C30鋼筋混凝土灌注樁[8-9]。

樹根樁采用的碎石骨料粒徑宜在10～25 mm范圍內(nèi)，鋼筋籠外徑宜小于設(shè)計(jì)樁徑30～40 mm。對(duì)作為承重樁的樹根樁，宜注水泥砂漿，配比為水∶水泥∶砂 ＝0.5∶1.0∶0.3(重量比)，砂粒粒徑不宜大于0.5 mm；對(duì)作為側(cè)向支護(hù)和抗?jié)B漏的樹根樁，宜注水泥漿，漿液水灰比宜為0.4～0.5。樹根樁成樁時(shí)可根據(jù)工程需要摻入適量的早強(qiáng)劑和減水劑。

4.3 襯砌結(jié)構(gòu)植筋掛網(wǎng)方案

在開裂比較嚴(yán)重地段(縫寬2 mm以上)，應(yīng)用植筋掛網(wǎng)方案加固隧道襯砌開裂段結(jié)構(gòu)，主要步驟為:(1)鑿除開裂段既有襯砌表面10 cm厚混凝土，范圍為裂縫上下各10 cm，邊墻表面用高壓風(fēng)或水沖洗干凈；(2)使用注漿機(jī)向裂縫內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂漿料，而后用防水寶調(diào)制成稠糊狀填入裂縫內(nèi)進(jìn)行防水處理；(3)鑿除部位植筋掛網(wǎng)打設(shè)錨桿，鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑5～10 mm＠150，在裂縫上下打設(shè)兩排錨桿，φ25錨桿長(zhǎng)5 m，錨桿縱向間距為2 m，雙向單層澆筑100 mm厚C30細(xì)石砼；(4)用磨光機(jī)清理二次襯砌表面，恢復(fù)原二襯表面色澤。

4.4 裂縫補(bǔ)強(qiáng)方案

對(duì)出現(xiàn)裂縫的隧道襯砌墻面，根據(jù)裂縫寬度大小、長(zhǎng)短采取如下步驟進(jìn)行修補(bǔ)處理。

(1)先將裂縫處鑿一條深70 mm、寬60 mm的“V”形縫，用高壓風(fēng)或水沖洗干凈。

(2)固定注漿通道及注漿管，用快速堵漏劑和42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥固定注漿通道PE泡沫條。在固定PE泡沫條時(shí)，每隔50 cm左右埋設(shè)一根注漿管(嘴)。注漿管采用10～13 mm的耐壓橡膠軟管。

(3)使用注漿機(jī)向注漿孔(嘴)內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂漿料，從下向上或由一側(cè)向另一側(cè)逐步進(jìn)行。當(dāng)相鄰孔或裂縫表面觀測(cè)孔開始出漿后，保持壓力10～30 s，用控制灌漿的辦法，觀測(cè)裂縫中漿液的情況，再適當(dāng)進(jìn)行補(bǔ)注，然后依次按照順序進(jìn)行。

(4)裂縫注漿填堵完畢后，確認(rèn)環(huán)氧樹脂完全固化即可去掉或敲掉外露的注漿嘴，用磨光機(jī)清理二次襯砌表面，基本恢復(fù)原二襯表面色澤。

5 結(jié)論

本文以鷹鷂山鐵路隧道為背景，分析其襯砌結(jié)構(gòu)開裂的機(jī)理，并對(duì)裂縫的整治措施進(jìn)行探討，得到以下結(jié)論:

(1)鷹鷂山隧道基本排除高地應(yīng)力、襯砌水壓力、凍脹力等作用力導(dǎo)致襯砌開裂的條件。鷹鷂山隧道襯砌開裂主要是由于隧底全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖遇水軟化明顯，造成圍巖承載力不足和地基沉降而引起的。

(2)鷹鷂山隧道邊墻縱向開裂病害從加固圍巖和隧道襯砌結(jié)構(gòu)等方面提出整治方案。針對(duì)隧底圍巖，采取注漿與樹根樁的措施加固；針對(duì)隧道邊墻開裂襯砌，采用植筋掛網(wǎng)結(jié)合環(huán)氧樹脂材料修補(bǔ)裂縫的方法加固。