潘皇宋，宋 涛，姜锡宸

（成都理工大学地质灾害防治与地质坏境保护国家重点实验室，成都610059）

0 前言

隧道二次衬砌开裂是常见隧道病害之一，二次衬砌开裂后进入破坏阶段时，衬砌的承载能力很快降低，变形增大，隧道整体有较高的坍塌风险。目前国内外不少学者对隧道二次衬砌开裂防治做了很多研究［1－3］，但是，针对千枚岩软岩隧道的二次衬砌开裂防治的研究还较少。本文根据对西部山区某高速公路隧道出口段二次衬砌开裂特征，结合工程地质条件分析千枚岩软岩隧道二次衬砌开裂成因，从支护参数方面提出防治措施，并利用数值计算对防治效果进行分析，为下阶段设计施工和类似工程提供参考借鉴。

1 工程地质概况

开挖后揭示的隧道出口段工程地质概况如下：隧道出口段最大埋深122m，围岩体破碎，岩质较软，呈碎裂结构，围岩级别为Ⅴ类围岩。距洞口120m段围岩以碎石及全风化板岩夹千枚岩为主，薄—中厚层状结构。距洞口120～210m段围岩为弱—强风化板岩和千枚岩互层，薄—中厚层状结构。距洞口70m以内开挖后线路右边墙围岩呈湿润状，没有地下水涌出；距洞口70～210m段，开挖后地下水在线路右边墙及拱部以点滴—线状渗出，局部有小股地下水流出。千枚岩遇水易软化、泥化，将导致围岩强度降低和变形大且收敛慢。

2 二衬开裂特征及原因

隧道出口段二衬施作0～4个月左右洞均出现二次衬砌开裂现象。左洞出口ZK188＋299～ZK188＋479段180m范围内发展21条裂纹，右洞出口K188＋238～YK188＋482段244m范围内发展31条裂纹。两洞的裂纹长度1～11m，宽度1～3mm，裂纹最大深度190mm，多数小于二次衬砌的1／3厚度，说明裂纹为张拉裂纹。大部分裂纹开裂方向与隧道线路方向成135°左右的夹角（与岩层层面方向相近），主要分布在拱腰及边墙附近，线路方向隧道的左侧（即靠山外侧）裂纹发展较右侧多。

根据二次衬砌开裂特征，结合隧道出口地质、设计、施工情况，判断该段二衬开裂主要原因是围岩压力过大使边墙、拱腰处二次衬砌内侧出现拉应力过大而发生张拉开裂。软弱千枚岩围岩级别低，千枚岩变形具有时效性，且千枚岩遇水易软化、泥化使其变形收敛时间长，二次衬砌施作过早会使围岩变形压力得不到充分释放。此外，根据317国道鹧鸪山隧道地应力分析结果［4］，该区构造应力较大，埋深100m左右水平最大主应力达5～8MPa。另外，二次衬砌开裂的可能因素还有施工工艺和施工质量、材料强度和刚度等。

3 二衬开裂防治措施

针对二次衬砌开裂原因，下阶段类似围岩段设计与施工采取防治措施如下：支护采用先柔后刚，刚柔结合的设计原则，增大预留变形量为30cm，钢拱架由原来的I18工字钢变为I20工字钢，这样可以让围岩变形收敛更快，并且充分释放变形压力。前人研究认为衬砌厚度是影响衬砌刚度的主要因素，通过调整衬砌厚度可以有效改善衬砌的受力状态［5］。因此，对二次衬砌参数采取提高其混凝土强度等级或者增加其厚度的措施，二次衬砌厚度由原来的45cm变为60cm，支护参数变更见表1。

表1 支护参数变更

以YK188＋310～370段为研究对象，运用数值计算对原设计支护及采取加强支护参数防治措施后二次衬砌受力情况进行分析。根据开裂特征及原因分析，二次衬砌开裂主要发生在边墙和拱腰附近，说明拉应力主要集中发生在边墙和拱腰。因此，主要对边墙和拱腰处二次衬砌内侧的拉应力变化进行监测，进一步分析防治措施支护效果。为了便于建模和计算，数值模型中把钢拱架和钢筋网折算为混凝土参数，数值计算参数见表2。

表2 数值计算参数

隧道为双线隧道，两隧道间距30m，数值计算模型如图1（a），模型长150m，高80m，厚度取20m。模型上边界设置为自由边界，下边界设置为全约束，其余边界设置法向约束。隧道开挖模拟采用上下2台阶分步开挖法，开挖长度为10m时，施作二次衬砌后对中间5m处截面进行内力监测。根据以上分析二次衬砌开裂特征及原因，内力监测点布置在二次衬砌外边墙、外拱腰处（取右洞进行分析），如图1（b）。

图1 隧道模型及监测点布置

实际工程中二次衬砌发生张拉开裂，因此，对边墙、拱腰监测点拉应力（最大主应力）进行分析。图2为原设计支护和采取加强措施两种工况下，数值模拟得出的边墙处二次衬砌内侧拉应力随计算步数变化曲线。由图2可知，原设计支护条件下，边墙处二次衬砌内侧出现较大的拉应力，其最大值为1.84MPa，此拉应力值接近相关规范［6］规定的C30混泥土抗拉强度标准值2.2MPa，这为隧道二次衬砌开裂提供了力源条件；采取防治措施条件下，边墙处二次衬砌内侧拉应力最大值降至0.17MPa，从力学条件上保证了二次衬砌不会因拉应力过大而发生开裂。

图3为原设计支护和采取加强措施2种工况下，数值模拟得出的拱腰处二次衬砌内侧拉应力随计算步数变化曲线。由图3可知，原设计支护条件下，边墙处二次衬砌内侧拉应力最大值为1.0MPa，该拉应力值较大且可能造成二次衬砌开裂；采取防治措施条件下，边墙处二次衬砌内侧拉应力最大值降至0.37MPa，该拉应力值远小于C30混凝土抗拉强度标准值，从力学条件上保证了二次衬砌不会因拉应力过大而发生开裂。

总结以上分析，原设计条件下隧道边墙和拱腰均出现较大的拉应力，采取防治措施后，二次衬砌内力得到有效的改善，其内侧拉应力大幅度降低，从力学机制上保证了其不发展张拉开裂。

图2 边墙二次衬砌内侧受力情况

图3 拱腰二次衬砌内侧受力情况

此外，在采取以上防治措施的基础上，同时在施工过程严格控制二次衬砌施作时机、施工工艺和施工质量，让围岩变形压力得到充分释放后再施作二次衬砌，这样可以大大降低长期作用在二次衬砌上的围岩压力，更有效地预防二次衬砌受力过大而发生张拉开裂。

4 结语

1）该千枚岩隧道二次衬砌开裂在力学机制上属于张拉开裂，其主要原因是千枚岩软岩隧道围岩变形压力过大。此外，二次衬砌施作过早、偏压地形、施工工艺和施工质量等因素对二次衬砌开裂也有一定的影响。

2）采用提高钢拱架强度、增大预留变形量、增加二次衬砌厚度的防治措施，经数值计算分析验证，该防治措施在该千枚岩隧道工程地质条件下有效改善了支护结构的受力状态，大大降低二次衬砌拉应力集中，确实取得良好的防治效果。

3）建议通过加强监控量测，结合理论计算和数值计算确定合理的二次衬砌施作时机。在采取加强支护参数的基础上，同时严格控制二次衬砌支护时机、施工工艺和施工质量以更有效避免二次衬砌开裂。

［1］苏生.公路隧道二次衬砌开裂机理与抗裂性试验研究［D］.杭州：浙江大学，2008.

［2］葛正辉，郑金龙，孙振.强震区破碎千枚岩隧道二次衬砌开裂原因分析及处治设计［J］.公路隧道，2013（2）：54－57.

［3］罗勇.隧道衬砌开裂机理及控制方法研究［D］.成都：西南交通大学，2010.

［4］MENG Lu－bo，LI Tian－bin，JIANG Yun，etc.Characteristics and mechanisms of large deformation in the Zhegu mountain tunnel on the Sichuan–Tibet highway［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2013，37：157－164.

［5］冯冀蒙，仇文革.隧道衬砌刚度对结构耐久性影响的模型试验研究［J］.中南大学学报（自然科学版），2013，44（9）：3884－3890.

［6］重庆交通科研设计院.JTG D70—2004公路隧道设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.