隧道边墙纵向开裂成因分析及整治措施研究

史赵鹏

(中铁十二局集团第二工程有限公司 山西太原 030032)

1 引言

裂缝作为衬砌结构的主要病害之一，降低了隧道衬砌结构的刚度和稳定性，并形成了渗水通道，影响隧道的安全运营。造成隧道衬砌结构开裂的原因多种多样，按裂缝产生原因主要有围岩松散压力过大、地层不均匀沉降、基础承载力不足、膨胀土压力、衬砌水压力、冻胀压力等。

在隧道衬砌裂缝的产生原因和治理措施方面，日本的研究较多。日本Toshihiro Asakura[1]在对隧道衬砌的初期及中期检测基础上，从围岩压力、衬砌劣化、漏水和冻害等三方面产生的裂缝进行原因分析和治理。国内王建秀[2]针对三公箐隧道展开了裂缝监测工作，指出双连拱隧道裂缝主要是由基底沉降不均、隧道处于偏压状态及施工工序不合理等原因造成；傅刚、张林[3]等对重庆市八一、向阳隧道衬砌开裂进行分析及治理，得出地质环境和设计因素是导致两座隧道的主要开裂原因。

本文以鹰鹞山铁路隧道工程为背景，结合裂缝产状，从混凝土材料、外部作用和施工因素分析隧道边墙纵向开裂原因；进一步针对隧道边墙开裂实际情况，提出隧道衬砌裂缝的整治措施。

2 隧道边墙纵向开裂概况

准朔铁路鹰鹞山隧道位于山西省朔州市平鲁区境内，隧道全长11 572 m，进出口起止里程为DK41＋428～DK53＋000，隧道的纵向设计坡度一致，从进口至出口以5.1‰ 坡度下坡。鹰鹞山隧道于2008年4月1日开工，2011年9月22日贯通。2011年2月，鹰鹞山隧道在距出口约600 m处DK52＋351～DK52＋512段共161 m左右侧边墙距轨面2～4 m高度范围内发现二次衬砌表面有纵向长距离贯通裂缝(见图1)。裂缝位于衬砌横断面最大跨附近，采用CK-101裂缝测宽仪对隧道裂缝宽度测量，得到裂缝宽度为0.4～4.6 mm，平均宽度约1.7 mm，远超出设计规范中规定的0.2 mm上限。对裂缝分布进行检测，得到其分布图如图2所示。

图1 DK52＋410～DK52＋425最宽处裂缝段

图2 隧道开裂段各里程裂缝宽度变化曲线

隧道区开裂段地质情况主要显示为全风化闪长岩，洞身埋深60～80 m，位于饱水带，按照V级围岩支护设计参数施工。V级围岩喷混凝土厚20 cm，二次衬砌为素混凝土厚35 cm。隧道断面形式均为标准铁路单线隧道断面，高约6.7 m，宽约6.2 m。其衬砌结构如图3所示。

图3 隧道V级围岩复合式衬砌结构

3 隧道边墙纵向开裂成因分析

一般情况下，衬砌结构产生裂缝的主要原因有:(1)混凝土本身性能，主要为混凝土材料的配比等因素；(2)外部作用，包括荷载作用和变形作用，主要为荷载作用；(3)施工工艺，主要为施工工艺造成的不良影响。隧道施工过程中所有混凝土由洞外搅拌站统一搅拌，洞内现场浇筑，但裂缝仅出现在DK52＋360～DK52＋510段内，且裂缝宽度较大，因此，可以排除混凝土本身性能造成的开裂因素。裂缝沿隧道纵向分布，且位于边墙处，与施工缝无直接关联，排除施工工艺造成的开裂因素。故本次鹰鹞山隧道边墙纵向开裂主要从外部荷载作用方面来分析裂缝产生的主要原因。外部荷载作用包括:(1)高地应力；(2)衬砌水压力；(3)围岩松散压力；(4)冻胀力；(5)隧底围岩承载力不足。

3.1 高地应力

一般来说，高地应力是指初始应力特别是水平初始应力分量大大超过其上覆盖层岩体的重量[4]。伴随高地应力产生的问题为:硬脆性岩体的岩爆问题，对软岩(当围岩级别较高时)则易发生塌方及软岩塑性大变形等问题。鹰鹞山隧道开裂段埋深60～80 m，隧道上方场地较宽阔平坦，不具备产生高地应力的条件，且施工过程中未发生岩爆或大变形现象，故可以排除高地应力因素是导致衬砌边墙开裂的原因。

3.2 衬砌水压力

隧道中地下水的处理方式有全封堵法和排导法，其中全封堵法中衬砌结构要承受与地下水位相应的水压力；排导法则不考虑水压力荷载[5]。鹰鹞山隧道排水方式采取排导法，强降雨后隧道衬砌表面及裂缝处基本保持干燥，因此，强降雨只是在一定程度上使围岩含水量增加，地下水难以在岩体中以重力水形式赋存。另外，从强降雨后地下水的排导情况来看，可知该隧道衬砌背后地下水排导系统畅通。综合来看，不具备导致衬砌纵向开裂的水压力，故可排除水压力因素是导致衬砌边墙开裂的原因。

3.3 围岩松散压力

由于开挖而松动或塌落的岩体以重力形式直接作用在支护上的压力称为松散压力。松散压力主要出现在浅埋隧洞和松散地层中，也可能由于岩块和围岩的局部塌落所形成[6]。围岩松散压力以垂直力为主，在拱顶处沿隧道纵向多产生张开性的开裂。鹰鹞山隧道裂缝主要位于隧道边墙处，拱顶处未发现明显裂缝，故排除围岩松散压力是导致隧道衬砌边墙开裂的原因。

3.4 冻胀力

在冻胀力作用下，通常冬季侧压强烈，一直继续到融雪期。即使隧道衬砌没有挤出，也不能完全复原，残余变形是逐年积累的。从拱的下部到边墙区域是主动压力区域，隧道断面向上抬起，而使拱顶附近形成被动压力区域。此时，拱顶附近产生局部压溃，路面鼓起。反之，融解时，衬砌或路面下沉，年年变异都有扩展的趋势[7]。

根据鹰鹞山隧道裂缝出现位置距离隧道出口约500 m深的洞身段，洞口处无裂缝出现。结合当地气象条件，土壤最大冻结深度1.6 m，隧道埋深60～80 m，且裂缝宽度受季节性循环影响不明显，故基本排除季节性冻胀是引起衬砌开裂的原因。

3.5 地层沉降或地层承载力不足

当地层出现较大沉降时，会使隧道在纵断面方向发生屈折的状态，横向开裂显著，施工缝以外部分也会不规则地发生。当承载力不足时，多产生沿纵向或横向的不均匀下沉，前者易产生横向开裂，后者随隧道轴的回转产生斜向开裂。

对鹰鹞山隧道出口DK52＋200～DK52＋400裂缝段利用地质雷达法进行了隧底围岩物探检测。

根据探测结果，基底异常段落共11段，长度4～35 m不等，其中判定基底富水、含有相对较软层的段落有6段。推测仰拱下方围岩以全风化岩层为主，裂隙发育，呈碎裂结构，局部有淤泥、砂等填充物；地下水较发育，岩层富含水，有地下水贯通发育的迹象。

进一步针对鹰鹞山隧道裂缝开裂段分布情况，对隧底围岩钻孔取芯。钻孔取芯样揭示:

(1)仰拱填充混凝土厚度为1.4～1.8 m，下部围岩主要为含水量大的全风化闪长岩，青灰色，局部为棕黄色，粗粒结构，矿物成分主要为斜长石、角闪石，含黑云母及少量石英。

(2)部分地段岩芯呈砂粒状及碎块状，风化不均，为全风化闪长岩遇水分化崩解后形成的砂粒，围岩强度低，岩芯采取率低。

(3)隧道开裂严重地段(DK52＋410～DK52＋440)，仰拱混凝土以下围岩存在厚薄不均的泥砂混合物，钻孔过程中常见钻探进尺加快和掉钻现象，进尺加快厚度约0.2～0.45 m，说明存在溶腔和空洞。

(4)干钻的6个孔静止地下水位大多在0.09～0.66 m之间，说明地下水位高，地下水丰富。

(5)基底标贯反映全风化闪长岩整体密实，反弹严重，说明长期固结沉降已经完成，开裂不再发展。

该段全风化闪长岩遇水软化明显，极易破碎崩解，取芯完整性较差，承载力严重不足。结合隧道开裂情况，裂缝沿隧道纵向倾斜分布，得到衬砌裂缝与隧底围岩承载力不足有关。

通过以上分析，鹰鹞山隧道基本排除高地应力、衬砌水压力、冻胀力等作用力导致衬砌开裂的条件。隧底地质不良导致隧道下沉，下沉过程中因围岩嵌固作用，导致边墙沉降位移大于拱顶沉降位移，致使隧道最大跨度处边墙衬砌产生拉应力，隧道出现纵向开裂。

4 隧道裂缝的整治措施

隧道衬砌裂缝的修补与整治是一项复杂而艰巨的工程。隧道衬砌病害发生的原因很多，对应的整治处理措施亦有不同，主要分隧道围岩加固和衬砌加固两大类。一般应加强观测，掌握衬砌裂缝变形发展情况和地质资料，在查清病害原因的基础上，对不同裂缝地段采用不同的工程措施，以达到稳定围岩、加固衬砌、确保安全运营的目的。

因此，针对鹰鹞山隧道边墙衬砌开裂的情况，依据隧道衬砌裂缝的整治原则，结合国内外该类隧道衬砌病害的整治方法，体现“技术先进、因地制宜、安全适用、综合治理”的原则。综合考虑鹰鹞山隧道衬砌开裂的原因、结构安全性和整治成本问题等，鹰鹞山隧道边墙纵向开裂病害从加固围岩和隧道衬砌结构等方面提出整治方案。为保证隧道衬砌裂缝整治效果，整治处理范围为衬砌开裂段前后延伸50 m左右，即DK52＋300～DK52＋560。

4.1 隧底围岩注浆方案

本隧底围岩注浆的主要作用是封堵裂隙、填充溶腔、提高围岩完整性，使其成为具有满足隧道衬砌结构地基承载力的加固体。根据隧底围岩钻孔所获得地质资料，按设计所提供的施工技术参数，最终确定注浆施工段的范围、深度、注浆方案及施工技术参数。围岩注浆深度可根据围岩地质条件等确定。

针对鹰鹞山隧道实际情况，隧底围岩软化深度在仰拱下5～9 m深度范围内。因此，在DK52＋300～DK52＋560长260 m范围内沿隧道中线，间距2.5 m×2.5 m，梅花形布置，采用φ80钻头打设深度5～9 m的注浆孔，对隧底围岩进行注浆。注浆材料根据现场情况采用普通水泥-粉煤灰双液浆、普通水泥-水玻璃双液浆、超早强加固型TGRM水泥基特种注浆料等。浆液采用1∶1水泥水玻璃双液浆，注浆压力达到0.6～1.0 MPa后持续15 min。若出现大量漏浆或长时间达不到注浆压力时，改注纯聚胺脂浆液(聚氨酯注浆材料兼顾堵水和加固的功能，其作用机理主要为填充压密、黏结作用)，以达到加固隧底，提高基底承载力的目的。

4.2 隧底围岩树根桩方案及参数确定

在开裂比较严重的地段(缝宽2 mm以上)，隧底围岩设置树根桩来进一步加固围岩。初步尺寸拟定为:树根桩直径300 mm，深度插入基岩，即8～10 m长。每个横断面布置4根桩，其中两根布置在轨道下，垂直打入，另两根布置在两侧边墙处，且斜向外侧方打入，角度为5°～10°。横断面沿隧道纵向间距1.2 m左右，梅花形布置，共188根，采用C30钢筋混凝土灌注桩[8-9]。

树根桩采用的碎石骨料粒径宜在10～25 mm范围内，钢筋笼外径宜小于设计桩径30～40 mm。对作为承重桩的树根桩，宜注水泥砂浆，配比为水∶水泥∶砂 ＝0.5∶1.0∶0.3(重量比)，砂粒粒径不宜大于0.5 mm；对作为侧向支护和抗渗漏的树根桩，宜注水泥浆，浆液水灰比宜为0.4～0.5。树根桩成桩时可根据工程需要掺入适量的早强剂和减水剂。

4.3 衬砌结构植筋挂网方案

在开裂比较严重地段(缝宽2 mm以上)，应用植筋挂网方案加固隧道衬砌开裂段结构，主要步骤为:(1)凿除开裂段既有衬砌表面10 cm厚混凝土，范围为裂缝上下各10 cm，边墙表面用高压风或水冲洗干净；(2)使用注浆机向裂缝内灌注环氧树脂浆料，而后用防水宝调制成稠糊状填入裂缝内进行防水处理；(3)凿除部位植筋挂网打设锚杆，钢筋网钢筋直径5～10 mm＠150，在裂缝上下打设两排锚杆，φ25锚杆长5 m，锚杆纵向间距为2 m，双向单层浇筑100 mm厚C30细石砼；(4)用磨光机清理二次衬砌表面，恢复原二衬表面色泽。

4.4 裂缝补强方案

对出现裂缝的隧道衬砌墙面，根据裂缝宽度大小、长短采取如下步骤进行修补处理。

(1)先将裂缝处凿一条深70 mm、宽60 mm的“V”形缝，用高压风或水冲洗干净。

(2)固定注浆通道及注浆管，用快速堵漏剂和42.5级普通硅酸盐水泥固定注浆通道PE泡沫条。在固定PE泡沫条时，每隔50 cm左右埋设一根注浆管(嘴)。注浆管采用10～13 mm的耐压橡胶软管。

(3)使用注浆机向注浆孔(嘴)内灌注环氧树脂浆料，从下向上或由一侧向另一侧逐步进行。当相邻孔或裂缝表面观测孔开始出浆后，保持压力10～30 s，用控制灌浆的办法，观测裂缝中浆液的情况，再适当进行补注，然后依次按照顺序进行。

(4)裂缝注浆填堵完毕后，确认环氧树脂完全固化即可去掉或敲掉外露的注浆嘴，用磨光机清理二次衬砌表面，基本恢复原二衬表面色泽。

5 结论

本文以鹰鹞山铁路隧道为背景，分析其衬砌结构开裂的机理，并对裂缝的整治措施进行探讨，得到以下结论:

(1)鹰鹞山隧道基本排除高地应力、衬砌水压力、冻胀力等作用力导致衬砌开裂的条件。鹰鹞山隧道衬砌开裂主要是由于隧底全风化闪长岩遇水软化明显，造成围岩承载力不足和地基沉降而引起的。

(2)鹰鹞山隧道边墙纵向开裂病害从加固围岩和隧道衬砌结构等方面提出整治方案。针对隧底围岩，采取注浆与树根桩的措施加固；针对隧道边墙开裂衬砌，采用植筋挂网结合环氧树脂材料修补裂缝的方法加固。