基于监测数据的浅埋隧道大变形成因分析及其处治对策

第一篇：基于监测数据的浅埋隧道大变形成因分析及其处治对策

基于监测数据的浅埋隧道大变形成因分析及其处治对策

摘要：为了解决隧道穿越浅埋偏压、松散破碎地层时极易发生大变形、坍塌等安全事故的问题，依托实际工程分析了隧道开挖后初支背后围岩压力、拱顶沉降、支护结构内力及衬砌表观病害的变化规律与分布特征，得到隧道结构的受力变形特征，进而阐明浅埋段大变形的形成机理，并针对其形成机理给出了处治策略，可为后续施工控制及同类工程的顺利修建提供借鉴。

关键词：浅埋隧道；偏压；大变形；监控量测

中图分类号：U457.3

文献标志码：B

引言

进入21世纪后，中国公路隧道得到快速发展，截止至2013年底，已建成公路隧道11359处、9605.6km。然而，受多山地貌的影响，隧道结构不可避免地会碰到浅埋偏压、断层破碎带、高地应力等不良地质环境，给工程建设带来了巨大的困难。与洞身段相比，隧道洞口通常处于浅埋、偏压、围岩破碎等复杂地质、地形条件下，同时受洞口边仰坡的影响，空间受力条件复杂，施工中容易出现大变形、支护开裂等问题，甚至存在坍塌、冒顶风险。因此，隧道洞口段的设计与施工是保证整座隧道安全的关键因素之一。

当前，中国公路隧道修建多秉持“新奥法”理念，以监控量测为设计、施工的连接枢纽，及时反馈并调整支护设计体系、施工工艺参数，确保施工安全及后期的顺利运营。结合工程实例，国内外不少学者已论证了监控量测对施工安全控制的重要作用，验证了施工过程中及时施作监控量测的必要性。基于这一现状，本文依托老寨隧道实例，结合监控量测数据及现场踏勘结果，分析隧道洞口结构受力变形特征，探究洞口浅埋偏压段大变形的主要成因，并对其整治措施效果进行了跟踪评价，以期为同类工程的顺利修建提供一定的借鉴。工程概况

1.1 隧址区地质条件

老寨隧道左线隧道起讫里程ZK38+425.00～ZK38+870.00，其中ZK38+725～ZK38+870段为隧道出口段，长145m，隧道埋深约0～46m，覆盖层较薄，厚1.0～3.Om，强风化层厚3.5～16.5m，洞身穿越强～弱风化变余砂岩。岩体节理裂隙极发育，岩体破碎～较破碎，呈松散碎裂结构，[BQ]=168，属V级围岩。现场勘测表明，隧道出口处存在偏压现象，横坡大于50°，侧覆土厚小于5m，且为发育最不利节理（338°∠25°）面，属于典型的浅埋偏压隧道洞口段。图l、2分别为ZK38+870断面工程地质横断面和左线隧道工程出口段的地质纵断面。

1.2 进洞预加固措施及开挖工法

为确保洞口浅埋偏压段施工安全，采取如下进洞措施：坡脚浅埋侧施作C20抗偏压挡土墙，抵抗由于偏压造成的不均衡水平推力，如图3所示；超前施作φl08mm、壁厚6mm大管棚，节长3m、6m，环向间距50 cm，如图4所示；边仰坡防护采用锚网喷，具体采用φ50×4注浆小导管，长度为6m，间距1.5m×1.5m；采用φ8钢筋网，间距为20cm×20cm；喷C20混凝土，厚度8cm。

隧道洞身开挖采用三台阶匕步法，隧道掘进过程中遵循“短进尺、弱爆破、勤支护、早封闭”的原则，以确保开挖面的稳定。

为确保施工安全，修建过程中严格执行既定的监控量测方案，重点监测地表变形、围岩压力、拱顶沉降、支护结构内力等项目，及时整理数据反馈，并分析结构受力的实时状态，以期及早发现潜在危险，并做出正确处治方案。基于监测数据的结构受力变形特征分析

依监测数据及现场调查，选取洞口段两个典型断面进行分析，探究结构受力的变形规律，为大变形的成因分析及控制对策的选取提供理论依据。

2.1 围岩压力与结构内力的分布特征

2.1.1 初支背后压力

对隧道初支背后围岩压力进行统计分析，发现结构承受着明显的非对称压力：在浅埋侧回填反压及深埋侧主动压力作用下，衬砌结构产生向外侧的整体变形，浅埋侧拱腰至拱脚范围内被动压力值明显偏大；断面一处，左侧拱腰压力为0.22MPa，是右侧拱腰的2.4倍，偏压效果更甚于断面二处（左侧拱腰压力值为右侧拱腰的1.3倍），如图5所示。

2.1.2 初支钢拱架弯矩

依钢筋计监测数据，换算初支钢拱架弯矩，并绘制出最终状态分布图，如图6所示。

由图6可知，浅埋侧钢拱架弯矩值偏大于深埋侧，断面一处偏压效果更为明显，与围岩压力分布特征吻合。

2.1.3 二衬背后压力

对二衬背后压力监测数据进行统计分析，绘制出二衬压力分布图，如图7所示。分析表明，洞口段两边侧墙处二衬压力值明显较拱顶、拱腰位置偏大。需要注意的是，因断面一处钢拱架初期变形较大，处理时围岩压力得到一定释放，使深埋侧二衬边墙压力小于预期值。

上述分析表明，钢拱架主要承受了来自拱顶及拱腰部位的围岩压力，而二次衬砌分担了部分围岩两侧传来的围岩压力。因此，在现场施工时要注意钢拱架锁脚锚杆的施作，以提高钢拱架两侧承载能力的发挥。

3.2 拱顶沉降变化规律

整理断面一及断面二处的拱顶沉降监测数据，如图8所示。

隧道开挖施作初支后的沉降规律总结如下。

（l）整个洞口段拱顶沉降值都很大，最终沉降量均超过lOOmm，最大下沉量达到了500mm，致使隧道初支产生严重侵限。

（2）隧道开挖2周内，拱顶下沉速率最大，沉降量为17～35mm?d-1。之后进入趋稳阶段。需要注意的是，下台阶开挖或施作二衬时会导致支护沉降出现一定程度的波动。

（3）5月30日开始的近一个月的持续降雨，使得ZK38+859、ZK38+850断面一开挖便产生了急剧增大的位移。特别是在6月26日全天大雨的情况下，监测发现，已开挖但未施作二衬的部分出现了拱顶下沉急剧增加的情况，并进行了临时支撑的紧急处治，监测的拱顶沉降量的情况表明，ZK38+859和ZK38+850断面在采取了临时支撑的措施后，拱顶的下沉量得到了非常有效的控制。

2.3 结构表面变形特征分析

5月3l号和6月l号，隧道掌子面掘进至ZK38+840断面附近，隧道所在地出现了连续两天的大雨天气，观测发现了隧道护拱开裂、拱顶沉降显著以及边仰坡开裂等现象。边仰坡开裂变形如图9所示。

6月26日，前方掌子面施工至ZK38+850断面时，深埋侧ZK38+860附近拱间工字钢变形严重，在2h内向洞里突出0.6cm，拱顶附近及其他地方开裂较大，造成停工。调查表明，整个ZK38+862～ZK38+855.7断面的初期支护发生了严重变形，喷射混凝土崩裂掉块，反压挡墙下侧出现明显裂缝，整个型钢拱架向浅埋侧挤压变形明显，左右侧拱腰处变形最大达到了67cm，如图lO所示。大变形成因分析

结合监控量测数据与地勘资料，将隧道出口段出现大变形，进而导致初支严重破坏的原因总结如下。

（l）围岩质量差。隧道洞口段地质为强风化的变余砂岩并夹杂粘土，岩体节理裂隙极发育，岩体松散碎裂，自稳能力差。

（2）浅埋偏压的影响。按围岩压力计算理论，未考虑预加固效果时，受地面坡度角的影响，两侧壁均布围岩压力差值极大，内侧围岩平均压力最高达外侧的7倍之多，对隧道构成了极为显著的偏压荷载。现场量测结果表明，深埋侧拱腰压力值平均为浅埋侧拱腰压力值的11.7倍，同样验证了这一特征。

（3）降雨的影响。5月31日开始了持续的降雨天气，隧道边仰坡出现裂缝，挡土墙下侧出现较大的裂缝，且洞内初喷混凝土出现剥落、掉块。此外，岩体风化和破碎程度高，大量雨水下渗弱化了岩土力学参数，增加了附加孔隙水压力，使得围岩质量进一步劣化，形成恶性循环，这是造成围岩大变形的另一主要原因。大变形控制对策及其效果评价

根据上述分析和现场的实际情况，考虑到病害情况紧急，处理方案必须是临时强支护与长远稳定措施相结合，既要保证处理过程中的安全，又要满足结构永久安全的要求。最终采取了如下的处理措施。

（1）施作临时支撑。支撑就地取材，采用20b工字钢，排距为1m，均采用LlO×lOcm角钢进行纵横连接，连接件间距1m，底座采用槽钢支垫牢固，如图ll所示。要求支顶和落脚处必须紧贴，不应出现单点受力现象，以达到整体受力的效果。

（2）减载反压回填及排水。对仰坡进行刷坡减载，取土对隧道外侧反压，以平衡偏压荷载。施工中应及时采用钢筋网、注浆小导管和喷射混凝土对减载后的边坡进行防护，避免因减载反压引起深层次的滑动。做好地表排水的截水沟，并在坡体表面喷射混凝土，防止雨水下渗，如图12所示。

（3）换拱。上述措施落实到位并施工结束后，7月29日，洞身变形已处于相对稳定状态，边仰坡没有出现任何异常，拆去临时支撑，并对变形过大段的初期支护进行替换。

完成上述处理措施后，工程重新开工，并通过监控量测继续跟踪。替换后的钢拱架力最大值与替换前钢拱架同部位受力值相比，明显减小，且现场观测显示重喷的混凝土并未出现明显裂缝，验证了上述措施的可行性。详细统计结果见表l。结语

基于监测数据与现场踏勘，综合分析了老寨隧道出口浅埋偏压段的大变形灾害特征及成因，并提出了行之有效的控制对策。主要结论如下。

（l）隧道穿越浅埋偏压地层且围岩松散破碎路段时，应加强监控量测工作的实施与反馈分析，通过分析结构受力变形特征，及早发现大变形、坍塌等潜在风险，为控制措施的合理选取提供指导意见。

（2）围岩松散破碎、浅埋偏压是老寨隧道洞口段产生大变形的根本原因，持续降水加剧了大变形的程度。

（3）监测分析表明，洞口段浅埋侧的结构内力与变形明显偏大，设计、施工时对远离山体一侧隧道的拱脚处要认真考虑施工方案。

第二篇：浅埋隧道施工引起的地层变形规律分析

浅埋隧道施工引起的地层变形规律分析

摘要 通过对浅埋隧道沉降进行实时量测，并对其理论进行分析整合，找出了一些浅埋隧道施工阶段引起的地层变形规律，由此提出了隧道施工时控制大变形的相应措施，取得良好的施工成果。

关键字 隧道施工 沉降 分层沉降 浅埋暗挖法 沉降槽

1引言

伴随着我国经济的飞速发展，城市化进程建设进程的不断加快，越来越多的人口涌向城市，在给我国经济带来高速发展的同时，也产生了众多的负面效应。人口密度增加，城市规模越来越大，基础设施尽显疲态，尤其是交通的拥堵己成为各大中型城市所共有的“ 重症”。由此也对我国城市的发展产生很大的制约作用。同时，经济与社会的发展对城市集约化程度和提高效率要求越来越高，快速有效的交通设施建设成为一个城市发展的必要条件和提高城市竞争力的重要筹码。而与加强交通等基础设施建设的要求相矛盾的是目前城市市区内可供利用的土地面积越来越少，为解决城市建设与地面空间紧张的矛盾，以促进城市的可持续发展和加强环境保护，寻求地下空间的开发利用成为一条扩大城市容量和功能的有效途径，地下排水、供电、通信、煤气管道越来越多，城市地下交通的建设更是以其特有的各种优势受到人们的青睐。

虽然城市地下交通隧道及地下铁道有着诸多优点，但由于城市环境复杂，建筑物密集，管线密布，因此在施工过程中也不可避免的对周围环境产生影响，比如由于隧道在施工过程中引起的地层的位移，地表沉降，并由此引起隧道开挖影响区域内的建筑物基础的沉降，造成房屋的倾斜、变形等，对开挖区域内的管线(尤其是刚性管线)造成不同程度变形等影响。

在保证城市隧道及地铁等工程施工的顺利实施的同时，也为了保证周围既有建筑设施的安全，作为新奥法施工过程中重要组成部分的施工监测被普遍应用到施工过程当中，而在诸多监测项目当中，地表沉降监测被看作城市隧道监测项目中的重中之重，由于地表沉降为开挖过程中地层下沉最为直接量化的反应，而地层的下沉则直接影响了既有建筑及管线设施的变形甚至破坏。如路面的开裂、下陷；地下原排污、输水等管道等的破裂以至无法正常使用，且渗漏的污水等甚至影响到在建隧道的安全施工，且地表沉降监测有着如下优点：

一、监测简单方便且能及时实施；

二、测点布设简单且易于保护；

三、测量数据直观且可用作施工安全的预判；

四、监测不受施工等因素的干扰等。

因此在施工监测中地表沉降监测非常重要。然而目前，在有关监测规程中，对于地表沉降监测项目的规定仍然存在许多问题。

1、地表沉降监测断面的选择及断面的间距规定不明确，目前通用的是监测断面间距根据隧道埋深确定在某个范围内进行选择；

2、监测的频率采用同一频率，在间距的选择及监测频率当中，未考虑施工方法及地层的特性；

3、就隧道洞径对地表沉降的影响范围考虑较为模糊。由于在相同条件下，地表的沉降量随着隧道埋深的增加而呈现递减趋势，在某些特定地层当中，由于隧道开挖引起的围岩变形较小，地表沉降量也较小，且当隧道埋深达到某一临界值后，地表的沉降变形将极其微小，可看作地表无沉降变化，过多的地表沉降监测将失去意义。同时，地表沉降的变化为隧道洞内变形的间接反应，本文将根据胶州湾海底隧道洞内位移及地表沉降的变化，确定地表沉降与洞内位移及隧道埋深的关系，找出青岛地区花岗岩地层中，地层变形的规律，为今后类似工程建设提供借鉴及依据。

2理论基础

隧道上覆地层的竖向沉降是由开挖后的地应力释放、地层损失引起的。对于浅埋暗挖法则为开挖后、支护结构达到强度要求前的时间段内隧道上方一定范围内土体向隧道内空移动所引发的地层整体变形。

大量的现场量测表明，粘性土中隧道施工上方地表沉降槽可以用高斯函数拟合。一般单洞隧道的沉降曲线（图1）定义为

式中s为隧道上覆地层的沉降量；x为与隧道中线的水平距离；Smax为隧道中线处的最大沉降量；沉降槽宽度由参数i确定，i为隧道中线到沉降曲线反弯点的距离，沉降槽宽度一般为5i。i随深度变化，即反映在同一横断面处隧道上方不同埋深位置的沉降槽最大值 Smax和宽度不同，埋深越大，Smax越大，沉降槽宽度越小，即 i 值越小。O’Reilly & New(1982年)在粘土中得出地表沉降槽i与zo的关系：

式中zo为地表到隧道中轴线的距离。因此，可以假定：

式中k为一常数，与地层条件及埋深相关；z 为不同地层埋深（图1）。Rankin(1988年)在大量土样和现场量测试验基础上得出k取0.5在大多数情况下是合理的。3实例分析

深圳地铁3A标国老区间南段暗挖隧道上覆地层自上而下依次为：第四系全新统人工堆积层(Q４ml)、海冲积层（Q４m+al）及第四系残积层（Qel），下伏侏罗系中统（J2）凝灰岩、震旦系（Z）花岗片麻岩，局部为燕山期（r53）花岗岩，Ⅴ级围岩。3A标地层参数见表1。

表1

试验断面（图2）位于F5′断层位置，里程为Sk1+486。该断层发育在凝灰岩中，视厚度为4.4 m。真厚度约为2.0 m。断层带主要为灰绿色糜棱岩、断层泥及断层角砾。根据地质资料，断层走向NE55°，倾角约为 60°～75°。区间隧道洞身主要通过粉质粘土层、全风化层、中风化层，拱部 1.5 m以上为砂层，围岩“上硬下软”，软弱围岩除粉质粘土、全风化层，透水性较强，整个隧道地质条件很差。本区间隧道在国内首次采用了单洞双层重叠结构，隧道断面宽6.8 m，高13 m，属高边墙结构，分四台阶开挖。预支护采用小导管注浆；初期支护为网喷混凝土C20与格栅钢架(主筋φ22 mm)、锚杆(R25/4，L = 3.5 m，间距为750 mm×800 mm)联合支护；二衬采用模筑混凝土衬砌支护。各台阶之间设立临时横撑（型钢钢架），并网喷混凝土。

隧道开挖引起的地层变形是从隧道结构拱顶向上延伸的，从现场对断层位置的断面量测结果看，拱顶下沉量要小于地表沉降，为了进一步分析两者的关系，在该断面隧道正上方不同埋深位置埋设了分层沉降磁环，取趋于稳定的地表沉降和离地表8.25 m 处的地层分别做沉降槽曲线，并对曲线作回归处理(图2和图3)，图中的离散点是现场测点的实际沉降值，曲线为Gaussian 回归曲线。对比图2和图3的曲线可以明显发现两者的区别。

图2地表沉降值及其回归曲线

图3埋深8.25米处分层沉降值及回归曲线

图4拱顶正上方测点沉降

图5埋深8.25米拱顶正上方测点沉降

图3中地表沉降曲线的最大沉降量小于图4中的最大值。从两者的拟合函数可以看到，沉降槽宽度参数i前者大于后者。由此发现，从拱顶到地表的地层沉降量逐渐减小，开挖的影响范围却逐渐增大，可见现场测得的拱顶下沉量有一个超前释放部分。

图6和图7可以明显看到这样的变化，两者的Logistic拟合曲线除最终沉降量有差异外，其变化趋势基本相同。且两图中在沉降后期实测值有一个突变，这与高边墙暗挖台阶法施工中台阶长度及4台阶的爆破施工有关。

4隧道上覆地层分层沉降分析

图6隧道周边不同埋深处地层竖向位移

以现场监控量测数据为依据，经过对数据统计处理及回归分析，得出隧道周边不同埋深处地层竖向位移曲线，对浅埋隧道的地层变形规律进行了研究，得出了以下结论： 隧道开挖引起地层位移，在拱部及两侧形成一个塑性变形区域。从地层沉降槽可以看出，塑性区域延伸左右两侧的范围较大，而且一直到达隧道结构的底部.。从图6隧道周边不同埋深处地层竖向位移情况看，拱顶正上方土层满足应力松弛规律，从地表到拱顶沉降量总体变大，但在4 m左右略有减小。隧道中线以外地层，地表到隧道底部地层沉降量逐渐减小，且拱顶以下部分的沉降量相对较小。可见隧道开挖地层应力是从地表往下传递，而地层沉降的发展则是从拱顶呈辐射状传递；沉降槽随着深度增加，而i变小，两侧土体向隧道中线靠拢，在反弯点内土体受挤压，2i范围以外土体受拉，由于开挖临空面的存在，沿反弯点曲线土体易产生剪切破坏.5结论

通过对沉降理论和对深圳地铁的量测分析，可以得出下列结论： 1拱顶下沉随开挖时间的关系，沉降和时间关系曲线呈指数变化。

2深圳地层因其强度较低、地下水位较高，早期施工中出现地表沉降远远大于拱顶下沉的现象。分析表明，开挖后地应力从地表往下传递，而地层变形则从拱顶向地表发展，拱顶是隧道上覆地层中最大的塑性变形点。

3不同性质的地层具有不同的沉降特性，表现为地层压缩率存在较大差异，粉质粘土层压缩率为 7.94 mm/m，而素填土层近乎呈整体下沉。

参考文献

[1]王梦恕，刘招伟，张建华.北京地铁浅埋暗挖法施工[J].岩石力学与工程学报，1989，8(1)：52–61.[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖技术通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.[3]张成平，张顶立，王梦恕，黄俊.岩石力学与工程[J].浅埋暗挖重叠隧道施工引起的地层变形分析,2008，27(1):3244-3249.[4]黄俊，张顶立.岩石力学[J].地铁暗挖隧道上覆地层大变形分析，2004,25（8）：1288-1293.[5] 阳军生, 刘宝琛.城市隧道施工引起的地表移动及变形[M].北京: 中国铁道出版社, 2002.[6]吴波，高波,索晓明.地铁隧道开挖与失水引起地表沉降的数值分析[J].中国铁道科学，2004，25(4)：59–63.[7]张顶立，黄俊.地铁隧道施工拱顶下沉值的分析与预测[J].岩石力学与工程学报，2005，24(10)：1703–1707.[8] 陈先国，高波.地铁近距离平行隧道有限元数值模拟[J].岩石力学与工程学报，2002，21(9)：1330–1333.

第三篇：隧道二衬环向裂缝成因分析及其防治对策研究范文

隧道二衬环向裂缝成因分析及其防治对策研究 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。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1 ZK17+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，水位上升不明显；2009年春夏两季降水丰富，使隧道围岩地下水位抬升，从而导致更大部分的围岩孔隙水压力增大，岩土体饱和度增大，或者由非饱和状态进入饱和状态，引起围岩强度降低，对隧道结构的稳定带来不利影响。

仿真计算水位上升后隧道K17+600～+800段洞顶最大主应力σ1如图5所示，对比图4和图5，水位上升引起隧道结构产生更大的塑性变形，不利于隧道结构的稳定，容易产生裂缝。隧道分析段于2009年2月发现裂缝，5、6月裂缝数量增多，至7月仍呈发展趋势，这与地下水水位变化存在很大关系。地下水位变化也是引起该隧道二衬产生裂缝的主要原因之一。裂缝影响因素分析

为深入了解隧道裂缝出现的原因，本文将从工程地质条件、地下水、二衬质量、二衬模板台车等方面展开分析。

3.1 工程地质条件

隧道K17+600～+800段围岩以Ⅴ级为主，为弱风化变质砂岩，地层破碎。隧道围岩条件较差，容易引起不均匀变形以及地基不均匀沉降；围岩条件差，二衬施作以后围岩变形没有完全稳定，且低强度围岩具有流变性质，二衬仍承受一定的作用力。

图5 水位上升后隧道洞顶应变εp1

3.3 二衬质量 3.3.1 钢筋保护层厚度

采用钢筋位置测定仪在裂缝两侧各1m范围内，在拱顶、拱腰和边墙三个部位测定钢筋保护层厚度。检测得出除个别位置满足设计要求以外，大部分检测位置钢筋保护层厚度大于设计值。

项目 部位 左边墙

左 洞 右边墙 左拱腰 右拱腰 拱顶 左边墙 右边墙

右 洞 左拱腰 右拱腰 拱顶 钢筋保护层厚度 均值（cm）9.7

标准差

变异系

均值

二衬厚度 标准差 3.6 1.0 5.1 4.3 4.8 6.2 2.6 4.7 6.8 2.9

变异系

二衬混凝土强度 均值

标准差

变异系 数（%）

数（%）（cm）25.2

48.8 47.8 44.9 47.6 44.9 48.2 47.7 48.9 46.4 47.4

数（%）（MPa）7.3 2.1 11.4 9.0 10.8 12.8 5.5 9.6 14.5 6.2

35.3 36.4

2.4

12.8 12 11.3

2.1 3.1 2.2

16.3 25.9 19.5

7.8 21.4

10.9 12.3

2.5 3.5

23.2 28.5

8.6 24.3（1）粘结锚固性能要求：保证钢筋能与混凝土共同受力，发挥设计计算所需的强度。为使受力钢筋与握裹层混凝土之间有必要的粘结强度，混凝土应有一定的相对厚度。

（2）耐久性要求：保证钢筋在设计年限内不发生危及结构安全的锈蚀。混凝土的高碱性环境使钢筋表面形成稳定的保护膜，使钢筋不受锈蚀。钢筋锈蚀的前提是保护膜发生破坏，即混凝土碳化。由于混凝土碳化导致碱度降低，丧失保护作用，当碳化达到钢筋表面时，在潮湿环境中钢筋容易发生电化学腐蚀。

从锚固和耐久性的角度来看，保护层厚度越大越好，但从受力的角度看则正好相反。钢筋在混凝土结构中的抗力多表现为抗弯承载力，在截面高度确定的条件下，保护层厚度加大，有效高度就减小，钢筋抗弯承载力降低，构件抗力将受到影响。因此在保证锚固、耐久性的条件下，保护层厚度应尽量取小值。分析段二衬大部分位置钢筋保护层厚度过大，这不利于二衬抗弯，容易引发裂缝。

对测得的钢筋保护层厚度数据进行统计分析（表1），可知左右洞沿桩号方向二衬钢筋保护层厚度变化较大，边墙、拱腰、拱顶均如此。钢筋保护层厚度差异较大，可引发隧道二衬沿桩号方向受力差异大，易导致变形不协调，进而引起裂缝产生。

3.3.2 二衬厚度及空洞情况

采用地质雷达扫描拱顶、拱腰和边墙二衬，发现二衬背后存在1处小空洞，部分位置二衬厚度不足，二衬厚度不足的位置与裂缝位置有很好的对应关系。

二衬厚度差异与初支平顺度直接相关，初期支护的平顺度直接影响着二衬混凝土的受力状况及内部收缩变形自由度[4]。良好的平顺度能在一定程度上避免二衬混凝土外部应力的集中，同时直接影响到二衬混凝土厚度的均匀性，如果二衬混凝土的厚度均匀性差，则在外应力作用下极易在厚度薄弱部位出现裂缝。对裂缝附近二衬厚度值进行统计（表1），发现左洞拱腰、拱顶，右洞左边墙、右拱腰二衬厚度沿里程差异相对较大。

因此，裂缝出现与部分二衬厚度不足、厚度分布不均有关。3.3.3 混凝土强度

表1 隧道二衬质量数据统计

在隧道左、右洞K17+600～+800边墙处取芯，芯样中存在少量直径0.5mm的小孔洞，级配良好，骨料未见风化，胶结良好。孔洞存在可能是由混凝土振捣不密实引起，属于轻微缺陷，对裂缝形成影响不大。

发现芯样试验结果表明二衬混凝土强度均大于设计强度25.0MPa，但是其差异较大（表1）。由于隧道围岩条件差，二衬施作以后围岩变形没有完全稳定，且低强度围岩具有流变性质，二衬仍承受一定的作用力。在内外力作用下，材料强度不均匀将直接导致变形不协调，容易引起裂缝的产生。

3.4 二衬模板台车 该隧道施工采用的二衬模板台车长度为12m。二衬属于较大体积的混凝土，承受自身收缩应力较大。分析段二衬厚度按45cm、承受温差按6℃计算[5]，则产生裂缝的平均距离为5～8m。显然，12m一模的二衬混凝土很难抵抗自身收缩应力而不产生拉裂缝。二衬台车长度越大，对应的二衬混凝土出现裂缝的概率越大。

此外，在施工过程中，二衬台车模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等都可能导致混凝土结构裂缝的产生。环向裂缝防治对策

（1）隧道设计应尽量避开冲沟等不利地质条件，在必须通过的情况下，应采用地表注浆等方式加固围岩，提高围岩承载能力。

（2）提高隧道施工质量，包括提高光爆效果、初支平整度、二衬混凝土材料均匀性等，重视养护环节，避免结构应力集中。

（3）施工过程中，不宜为了外观，不加节制的加长二衬模筑台车长度，应适当控制二衬模筑长度，避免环向收缩裂缝。

（4）在隧道原衬砌混凝土具备使用功能的情况下，可在衬砌裂缝内重填嵌补材料修补裂缝。嵌补施工中对于延伸较长的裂缝要分段处理；对于裂缝密度较大的地段要逐条处理。裂缝嵌补技术中常用的一种方法是沿裂缝走向凿槽，填入充填料并埋管注浆或进行针孔注浆。结论

（1）隧道围岩地质条件差且纵向埋深变化大、地下水位变化大是引起闽西北某高速公路山岭隧道环向裂缝的主要原因。

（2）二衬混凝土施工质量不佳，包括钢筋保护层厚度偏大、二衬厚度和混凝土强度不均匀等影响结构受力，进而产生环向裂缝。

（3）二衬模筑长度偏大，不利于其抵抗自身收缩，易产生环向裂缝。

（4）为减少隧道环向裂缝的产生，设计时应尽量避开不良地质条件，提高二衬施工质量，重视施工养护，控制二衬模板长度。在隧道原衬砌混凝土具备使用功能的情况下，可采用嵌补技术修复裂缝。

参考文献

[1] 关宝树.隧道工程维修管理要点集[M].北京: 人民交通出版社, 2004.[2] 朱长春.公路隧道衬砌裂缝病害治理技术[J].岩土工程界, 2004,7(9):67-68.[3] 杨建江, 郭学亮.混凝土保护层厚度的控制[J].低温建筑技术, 2006, 5: 89-91.[4] JGJ 042-94, 公路隧道施工技术规范[S].[5] 蒲春平,夏才初,李永盛等.隧道的温度应力及由其引起的裂缝开展规律的研究[J].中国公路学报,2000,13(2):76-79.