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連拱隧道裂縫運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)與分析

王建秀　朱合華　唐益群　 周念清　 葉沖　 陸永春

同濟(jì)大學(xué)　上海200092　上海地礦建設(shè)有限責(zé)任公司　上海200072

1、概論

    連拱隧道屬于新型隧道結(jié)構(gòu)，發(fā)展歷史較短。由于其既可實(shí)現(xiàn)上、下行分離行車(chē)，又具有平面線路和洞口位置選擇自由度大的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。但在其修建過(guò)程中也出現(xiàn)了一系列的問(wèn)題：由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工工序較多，在施工過(guò)程中存在著結(jié)構(gòu)由不對(duì)稱(chēng)向?qū)ΨQ(chēng)轉(zhuǎn)化的過(guò)程，加之襯砌混凝土的抗拉性能較差，在施工過(guò)程中可能出現(xiàn)裂縫，可能導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)滲漏水，破壞隧道結(jié)構(gòu)的完整性以及影響隧道結(jié)構(gòu)的耐久性等。在極端不利情況下，甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體崩潰，危及隧道施工及運(yùn)營(yíng)的安全。目前，有關(guān)連拱隧道裂縫成因的研究已經(jīng)開(kāi)展，但與連拱隧道裂縫運(yùn)動(dòng)相關(guān)的研究則不多見(jiàn)。裂縫的運(yùn)動(dòng)是指結(jié)構(gòu)上的任何裂縫及變形縫，在周期性的溫差和周期性反復(fù)荷載作用下產(chǎn)生周期性的擴(kuò)展和閉合。王鐵夢(mèng)指出，通過(guò)觀測(cè)，證實(shí)結(jié)構(gòu)物的裂縫是時(shí)刻不停地在運(yùn)動(dòng)。結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境狀態(tài)隨時(shí)間變化，如溫度、濕度、收縮、沉降、各種外荷載以及材料自身的某些性質(zhì)(如徐變、塑性、持久強(qiáng)度等)都是引起裂縫運(yùn)動(dòng)的原因。本文主要以云南元(江)磨(黑)高速公路三公箐隧道為工程背景，在裂縫運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)成果的基礎(chǔ)上，討論裂縫的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)于指導(dǎo)連拱隧道裂縫防治具有一定的參考意義。

2、裂縫監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

    三公箐隧道位于云南元磨高速公路K259+610～K259+865里程之間，全長(zhǎng)255 m，隧道結(jié)構(gòu)為帶中隔墻的整體式雙跨連拱結(jié)構(gòu)(圖1)。單跨采用單心圓，邊墻側(cè)為曲線，中隔墻為直線，隧道最大埋深為63m。隧道地表層為第四系殘坡積灰色、灰褐色碎石土或亞黏土，圍巖為上三疊統(tǒng)灰黃色、黃褐色砂巖，節(jié)理裂隙發(fā)育。隧道進(jìn)出口端(K259+610～K259+690和K259+810～K259+865)圍巖類(lèi)別為II類(lèi)(新V類(lèi))，中部(K259+690～K259+810)為IIl類(lèi)(新IV類(lèi))。鑒于三公菁隧道下行線二襯做成后出現(xiàn)了大量裂縫，自2002年8月23日開(kāi)始，對(duì)隧道襯砌裂縫開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，先后布置了30個(gè)裂縫測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)裂縫特征參見(jiàn)表1．

表1  元磨高速公路三公箐隧道裂縫測(cè)點(diǎn)典型特征

圖1施工中的三公箐隧道

3、裂縫運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)與時(shí)程分析

    (1)裂縫一維(張開(kāi)方向，測(cè)縫計(jì)測(cè)量)時(shí)變特征分析

    三公箐隧道在重點(diǎn)監(jiān)控部位設(shè)置了振弦式一維測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)成果參見(jiàn)圖2、圖3。圖中測(cè)縫計(jì)布設(shè)的位置及裂縫的形狀參見(jiàn)表1。圖中SLl裂縫的一維運(yùn)動(dòng)基本上是水平波動(dòng)，總體跳躍性不大，屬于基本穩(wěn)定的裂縫；SL21屬于有異常發(fā)展裂縫；SL22裂縫開(kāi)始以平緩變化為主，后期有所上揚(yáng)，由于在2002年12月中旬測(cè)縫計(jì)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集出現(xiàn)中斷，后期經(jīng)修理和調(diào)整重新開(kāi)測(cè)量后，其數(shù)據(jù)呈現(xiàn)先上揚(yáng)后緩慢回落的情形；SL24數(shù)據(jù)先增后減，總體變化趨勢(shì)比較平緩；SL25的測(cè)試數(shù)據(jù)則有較大的上下波動(dòng)，但其變化趨勢(shì)不單調(diào)，說(shuō)明其附近應(yīng)力一直呈波動(dòng)狀態(tài)，在進(jìn)行內(nèi)部調(diào)整，并未向一個(gè)方向單調(diào)發(fā)展(如 SL21號(hào)測(cè)點(diǎn)在2002年11月初的跳躍單調(diào)增加)。裂縫的一維運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)成果說(shuō)明，大部分裂縫運(yùn)動(dòng)呈先增后減(如圖2中SL21后段、SL22后段、SL24以及圖3)規(guī)律，這和裂縫部位結(jié)構(gòu)受力不利，致使裂縫張開(kāi)，經(jīng)過(guò)后期應(yīng)力調(diào)整，通過(guò)應(yīng)力的傳遞、塑性區(qū)的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)、圍巖材料的蠕變和應(yīng)力松弛等，使集中和不利的應(yīng)力得以局部釋放，進(jìn)而使裂縫的寬度有所減小有關(guān)。可以說(shuō)，裂縫運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，也是隧道結(jié)構(gòu)受力后應(yīng)力調(diào)整和變化的過(guò)程。由SL21號(hào)點(diǎn)的跳躍性突變及勻速單調(diào)發(fā)展可知，該突變不是裂縫正常的運(yùn)動(dòng)范疇，必然是施工擾動(dòng)導(dǎo)致其正常運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)異常所致，這也是通過(guò)裂縫監(jiān)測(cè)指導(dǎo)裂縫控制和隧道施工的基本原理之一。

    (2)裂縫單點(diǎn)二維(張開(kāi)方向和鼓出方向)時(shí)變特征

    裂縫的運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)屬于二～三維形式，有些部位裂縫的運(yùn)動(dòng)不止是垂直于裂縫的張開(kāi)方向，還可能產(chǎn)生于平行裂縫的方向，具體表現(xiàn)為外鼓等。裂縫二維運(yùn)動(dòng)的量測(cè)采用自行設(shè)計(jì)的型板式兩維測(cè)縫計(jì)(圖4),

圖2三公箐隧道裂縫收斂徑向位移一時(shí)間曲線及時(shí)變特征

(I)(時(shí)間為2002～2003年)

圖3三公箐隧道裂縫收斂徑向位移一時(shí)間曲線及時(shí)變特征

(Ⅱ)(時(shí)間為2002。2003年)

圖4型板式兩維測(cè)縫計(jì)

    直接采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺定期進(jìn)行量測(cè)和比較；也可以直接量測(cè)外鼓，即在裂縫有外鼓傾向部位，采用油漆對(duì)待測(cè)點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記，然后采用專(zhuān)人用游標(biāo)卡尺直接量測(cè)裂縫兩壁的差異起伏，進(jìn)而得出裂縫在第二方向上運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

    在三公箐隧道，采用簡(jiǎn)易二維測(cè)縫計(jì)得到裂縫的兩維運(yùn)動(dòng)規(guī)律有兩種情況： (1)以SLl2為代表，裂縫的鼓出和張開(kāi)運(yùn)動(dòng)變化基本同步，受施工影響跳躍點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間基本相同；(2)以SL7為代表，裂縫的鼓出和張開(kāi)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相似但不同步，鼓出滯后于張開(kāi)方向(圖5～圖6)。說(shuō)明SL7運(yùn)動(dòng)的主要方向是張開(kāi)方向，滯后的鼓出是經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)材料的流變時(shí)效及應(yīng)力調(diào)整后達(dá)到的。

    (3)裂縫空間多點(diǎn)兩維時(shí)變特征

    以上各裂縫測(cè)點(diǎn)都選在裂縫代表性以及結(jié)構(gòu)受力關(guān)鍵部位，裂縫不同點(diǎn)在張開(kāi)和鼓出方向的運(yùn)動(dòng)特征可能不同，這也反映了結(jié)構(gòu)受力的空間特征。

    (a)多點(diǎn)張開(kāi)度時(shí)變特征

    為分析裂縫一維裂縫測(cè)點(diǎn)的代表眭問(wèn)題，同時(shí)分析同一條裂縫上不同點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特征的差異，以測(cè)縫點(diǎn)組的形式進(jìn)行裂縫監(jiān)測(cè)。即在裂縫的代表性部分選取一段，設(shè)置裂縫測(cè)點(diǎn)組(圖7)，從裂縫的上部到下部或從裂縫的左部到右部依次按A、B、c、D等進(jìn)行編號(hào)。

    由圖8、圖9可見(jiàn)，SL26號(hào)測(cè)點(diǎn)基本選在左右點(diǎn)張開(kāi)度的平均值處，該點(diǎn)代表性較好。而SL27號(hào)測(cè)點(diǎn)，則選在了張開(kāi)度發(fā)展較小的部位，理想的量測(cè)位置應(yīng)向D點(diǎn)靠攏。同時(shí)，SL27號(hào)測(cè)點(diǎn)組說(shuō)明該裂縫是D端較寬，A端較窄，可以判定為下寬上窄的不均勻沉降裂縫。

    (b)多點(diǎn)鼓出時(shí)變特征

    如果裂縫的運(yùn)動(dòng)不是張開(kāi)，而是鼓出，則應(yīng)對(duì)鼓出進(jìn)行重點(diǎn)量測(cè)。三公箐隧道在上行線$259+720部位c點(diǎn)鼓出最大，而下行線X259+720部位的量測(cè)結(jié)果說(shuō)明，A點(diǎn)的鼓出大于8點(diǎn)(圖10～圖ll)，A點(diǎn)方向?yàn)楣某隽�較大部位。

    (C)多點(diǎn)張開(kāi)一鼓出時(shí)變特征

    若要同時(shí)獲得張開(kāi)度和鼓出的時(shí)變規(guī)律，可以同時(shí)測(cè)量多點(diǎn)的張開(kāi)度和鼓出值。由圖l2、圖l3可見(jiàn)，該裂縫張開(kāi)和鼓出的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相反，在同一時(shí)刻，裂縫張開(kāi)度增加，則裂縫的鼓出減小，說(shuō)明導(dǎo)致該裂縫點(diǎn)組張開(kāi)的因素和導(dǎo)致裂縫鼓出的因素是此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，與SL7、SLl2張開(kāi)一鼓出趨勢(shì)相反。

4、結(jié)論

    (1)由一維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，先增后減的裂縫運(yùn)動(dòng)可能是一般規(guī)律，這和重點(diǎn)控制部位結(jié)構(gòu)受力不利，致使裂縫張開(kāi)和經(jīng)過(guò)后期應(yīng)力調(diào)整，通過(guò)應(yīng)力的傳遞、塑性區(qū)的發(fā)展以及結(jié)構(gòu)、圍巖材料的蠕變和應(yīng)力松弛等，使集中和不利的應(yīng)力得以局部釋放，進(jìn)而使裂縫的張開(kāi)度有減小的趨勢(shì)有關(guān)。

    (2)裂縫運(yùn)動(dòng)發(fā)展的過(guò)程，也是隧道結(jié)構(gòu)受力后應(yīng)力調(diào)整和變化的過(guò)程。跳躍性突變及勻速單調(diào)發(fā)展的裂縫運(yùn)動(dòng)不是裂縫正常的運(yùn)動(dòng)范疇，必然是施工擾動(dòng)或其他相關(guān)因素導(dǎo)致其正常運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)異常所致，這也是通過(guò)裂縫監(jiān)測(cè)指導(dǎo)裂縫控制和隧道施工的基本原理之一。

    (3)由二維監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，裂縫的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有兩種情況，一種裂縫的鼓出和張開(kāi)運(yùn)動(dòng)變化基本同步，受施工影響跳躍點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間基本相同；另一種裂縫的鼓出和張開(kāi)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)相似但不同步，鼓出滯后于張開(kāi)，滯后的鼓出是經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)材料的流變時(shí)效及應(yīng)力調(diào)

整達(dá)到的。

    (4)裂縫的運(yùn)動(dòng)既有張開(kāi)又有鼓出，通過(guò)監(jiān)測(cè)可以獲得張開(kāi)及鼓出的數(shù)據(jù)，多點(diǎn)張開(kāi)及鼓出的聯(lián)合測(cè)量，能夠更好地了解裂縫運(yùn)動(dòng)的多點(diǎn)時(shí)空特征，也可用于判定裂縫測(cè)點(diǎn)布置的代表性問(wèn)題。

    (5)雙連拱隧道的施工工序遠(yuǎn)較分離式隧道復(fù)雜，若在施工中出現(xiàn)了和隧道施工力學(xué)原理相悖的情況，在隧道變形及荷載的共同作用下，則可能導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，通過(guò)裂縫運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)，可以了解隧道結(jié)構(gòu)整體受力的健康情況，進(jìn)而指導(dǎo)隧道的施工及防災(zāi)。

參考文獻(xiàn)

[1]王建秀．連拱隧道建設(shè)中的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題研究——選型、偏壓、裂縫、抗震和監(jiān)測(cè)[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2004

[2]王建秀，朱合華，唐益群．雙連拱公路隧道裂縫監(jiān)測(cè)分析[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(2)：195—202  

[3]鄭國(guó)江，林永貴，吳啟勇．公路連拱隧道拱部縱向裂縫原因研究[J]中南公路工程，2006，31(5)：114-115

[4]葉飛，朱合華，丁文其，等．連拱隧道襯砌裂縫的三維監(jiān)測(cè)研究[J]現(xiàn)代隧道技術(shù)，2006，43(2)：30—33

[5]王鐵夢(mèng)．工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)