高速公路隧道洞口开裂原因分析及加固研究

高速公路隧道洞口开裂原因分析及加固研究

马腾飞张水兵林煌超李金

云南大学建筑与规划学院，云南昆明650599

摘要：针对某高速公路隧道的特殊地质条件，在施工中出现的洞口开裂屈服现象，分析洞口开裂产生的原因，在进一步施工前采取相应的加固整治工程措施治理病害。主要论述了洞口变形机理，以及加固预想效果，以及对比加固前后隧洞位移判断定加固效果等一系列问题。

关键词：公路隧道，洞口开裂，土体偏压

1.工程概况

公路左幅隧道分界起点ZK77+640，止点ZK78+950；右幅隧道分界起点K77+605，止点K78+910。隧道右幅在洞口仰坡开挖及洞口开挖时，仰坡顶出现裂缝，仰坡喷锚面层被拉裂，呈45角裂缝，已经施工完成的钢筋混凝土套拱出现贯穿裂缝。隧道左幅左侧山沟出现山坡坍塌体，导致华宁至通海省道（S304）靠外侧山体出现不同程度的裂缝。

2.工程地质情况

总体概述：仰坡开挖段主要以粉质粘土层位置，便道以下部分受地下水影响，以①粉质黏土为主，便道以上以③粉质黏土为主；隧道开挖围岩以砂岩为主，岩体为强～中风化，薄～中厚层状构造，节理裂隙发育，岩体较破碎，多呈碎石状结构；埋深浅，物探显示为低阻区，岩体富水性较强，开挖时可能存在较大量的滴水、渗水等现象。土层性质描述如下：

(1)、①粉质黏土（Qdl+el）：褐红色、灰褐色，可塑状，主要由黏粒和粉粒组成；表面稍有光泽，切面粗糙，韧性一般，干强度低，结构松散；地基承载力基本容许值150kPa。

(2)、③粉质黏土（Qdl+el）：褐红色、褐黄色，硬塑状，主要由黏粒和粉粒组成，局部含少量砂岩碎石；表面稍有光泽，切面粗糙，韧性一般，干强度中等，结构较致密；地基承载力基本容许值240kPa。

(3)、④、⑤砂岩（T3g）：褐红色、褐黄色，主要由石英、长石、云母等矿物组成；细～中粒结构，泥质胶结，薄～中厚层状构造，上部强风化④砂岩，节理裂隙发育，岩质较软，岩芯呈碎石状；地基承载力基本容许值500kPa；下部中风化⑤砂岩，节理裂隙较发育，岩芯呈短柱状、碎块状，岩质较硬，地基承载力基本容许值800kPa。

3.隧道变形情况及原因分析

3.1仰坡支护不稳定

2#隧洞出口位置右幅仰坡自套拱顶部起算[1]，开挖高度10.0m，放坡坡,1：0.3，目前开挖至拱架B、C单元之间，开挖深度计算19.1m，套拱底部以下直立开挖；仰坡刷坡后，边坡已经形成卸荷裂缝，且仰坡沿隧道轴线方向向外位移，顶部出现约20mm宽的裂缝5条，裂缝长度约7.5m。刷坡卸荷后，边坡不稳定，向外位移，产生卸荷裂缝，是造成顶部便道位置出现裂缝诱因之一。

3.2隧道左右侧覆土厚度相差过大造成隧道偏压问题

现象：已施工的钢筋混凝土套拱在右侧出现2mm贯穿裂缝，仰坡出现一条45度偏向覆土较薄弱一侧的裂缝，在其另外一侧出现一条竖向裂缝。原因分析：隧道两侧的覆土厚度相差过大，随着隧道掘进，两侧土压力不平衡，向着覆土较薄一侧位移，出现偏压问题，是造成出现裂缝主要原因。同时由偏压产生的位移，是导致便道上出现偏向覆土薄弱段裂缝的诱因之二。

4.加固处理方案

4.1隧道偏压问题

根据现有地形标高，在隧道右两侧设置3排Ф108无缝钢管微型桩[2]，微型桩桩底进入隧道仰拱底部以下4.0m，平面沿隧道两侧布置至省道位置，采用地质钻机引孔，引孔直径150mm，内插Ф108δ=6.0mm热轧无缝钢管，无缝钢管接头采用3Ф16L=150mm螺纹钢筋帮焊连接，内置微型钢筋笼，压力注浆后形成微型桩，布孔间距为75CM，呈梅花型布置，引孔后，将注浆管插入钢管底部进行注浆，注浆采用PO42.5纯水泥浆，水灰比为0.6，水泥注浆量不小于200Kg/m，现场根据实际注浆量进行统计，若超出设计用量，以现场签证为准。内置微型钢管钢筋笼采用4根Φ22三级螺纹钢筋加工，采用Ф42δ=4.0mmL=50mm钢管作为固定环。

4.2隧道右幅仰坡不稳定处理

在2#隧道右幅套拱顶部以上至临时便道位置，设置4层水平注浆钢花管稳固仰坡体，竖向布置间距为2.0m、3.5m、3.0m，水平间距为1.5m，锚索采用风动潜孔钻成孔，成孔直径为150mm，内插Ф108δ=6.0mm热轧无缝钢管，角度为向上仰1°，注浆采用PO42.5水泥浆，水灰比为0.5～0.6，水泥注浆量不小于200Kg/m。水平注浆花管成孔时，根据现场地形调整水平角度，保证注浆花管上覆土层不少于2.0m。

4.3隧道左、右幅之间坡体滑移处理

根据目前刷坡情况，左、右幅隧道之间坡体在洞口位置已形成滑移面，为防止左、右幅之间土体坍塌加剧左幅隧道偏压问题，同时影响右幅仰坡稳定，在隧道左、右幅破底部位置设置抗滑桩，抗滑桩采用旋挖钻机成孔，直径为1.2（1.8）m，间距为2.2m，桩长为15.0m，设置双排钻孔灌注桩，排距为2.4m，在桩顶设置连板，并根据现场地形标高，在连板上设置钢筋混凝土扶壁式挡土墙，挡墙高为6.0m，并在其后回填土方，土方回填标高建议为1858.00。在隧道左幅左侧山体出现滑坡位置，设置6根Φ1.8m，L=18.0m抗滑桩，呈八字形布置，施工时先按设计方案现场定位，若不具备施工条件或出现其他问题时，再根据现场实际条件进行调整。

4.4已施工套拱加固

鉴于2#隧道右幅已施工套拱出现贯穿裂缝，[3]拟在左、右幅已施工完成的套拱外部设置70cm厚钢筋砼进行加固处理。在现在已施工完成套拱上进行植筋，植筋锚固长度为20cm，植筋总长为60cm。

5洞口加固效果有限元模拟验算

本工程采用MidasGTS进行边坡的二维建模计算[4]，简要介绍一下该模型，模型拥有14382单元，4342个节点，主要有两种单元类型，其中抗滑桩以及扶壁式挡土墙使用结构单元，边坡土壤使用实体单元，模型如图1。

图1典型剖面模型

加固后土体位移云图如图2所示，最大位移大约20公分且发生在距离洞口30米处[5]，符合施工标准，且在扶壁式挡土墙附近位移不足一公分。图3和图4分别是抗滑桩弯矩图和剪力图，根据图3、图4可知：设计控制弯矩标准值为1976.1KN?m，弯矩设计值取2568.93KN?m；剪力标准值为1008.3KN，剪力设计值为1310.79KN。加固方案中的抗滑桩规格完全可以承受该程度荷载。

图4双排抗滑桩剪力标准值（KN?m）

6结论

通过对洞口变形开裂的原因分析，对于由于特殊地质条件造成的土体偏压可以参考利用大型有限元软件模拟分析作为参考，然后据此制定相应的加固方案。通过加固方案的实施可知抗滑桩配注浆花管的加固措施对于此类山体偏压不仅效果较好且造价低廉，便于施工。

参考文献:

[1]刘海京，郑佳艳，林志．公路隧道裂损病害快速加固及修复技术探讨［Ｊ］．公路交通技术，2012，（2）：101-105．

[2]来弘鹏,康佐,谢永利,等.地铁区间隧道黄土地层注浆预加固技术研究[J].中国铁道科学,2014,35(1):47-53.

[3]朱汉华，孙红月，杨建辉．公路隧道围岩与支护技术［Ｍ］．北京：科学出版社，2007．

[4]杨秀贵,仉淼,冯一鸣.顺层岩质边坡隧道开挖稳定性数值模拟[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,32(7):880-885.

[5]JTGD70-2004公路隧道设计规范［Ｓ］．