連拱隧道裂縫運動的監測與分析

王建秀　朱合華　唐益群　 周念清　 葉沖　 陸永春

同濟大學　上海200092　上海地礦建設有限責任公司　上海200072

1、概論

    連拱隧道屬于新型隧道結構，發展歷史較短。由于其既可實現上、下行分離行車，又具有平面線路和洞口位置選擇自由度大的優點，得到了廣泛的應用。但在其修建過程中也出現了一系列的問題：由于結構復雜，施工工序較多，在施工過程中存在著結構由不對稱向對稱轉化的過程，加之襯砌混凝土的抗拉性能較差，在施工過程中可能出現裂縫，可能導致襯砌出現滲漏水，破壞隧道結構的完整性以及影響隧道結構的耐久性等。在極端不利情況下，甚至可能導致結構整體崩潰，危及隧道施工及運營的安全。目前，有關連拱隧道裂縫成因的研究已經開展，但與連拱隧道裂縫運動相關的研究則不多見。裂縫的運動是指結構上的任何裂縫及變形縫，在周期性的溫差和周期性反復荷載作用下產生周期性的擴展和閉合。王鐵夢指出，通過觀測，證實結構物的裂縫是時刻不停地在運動。結構所處的環境狀態隨時間變化，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(如徐變、塑性、持久強度等)都是引起裂縫運動的原因。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，在裂縫運動現場監測成果的基礎上，討論裂縫的運動規律，對于指導連拱隧道裂縫防治具有一定的參考意義。

2、裂縫監測點的布置

    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255 m，隧道結構為帶中隔墻的整體式雙跨連拱結構(圖1)。單跨采用單心圓，邊墻側為曲線，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，圍巖為上三疊統灰黃色、黃褐色砂巖，節理裂隙發育。隧道進出口端(K259+610～K259+690和K259+810～K259+865)圍巖類別為II類(新V類)，中部(K259+690～K259+810)為IIl類(新IV類)。鑒于三公菁隧道下行線二襯做成后出現了大量裂縫，自2002年8月23日開始，對隧道襯砌裂縫開展現場監測工作，先后布置了30個裂縫測點，各監測點裂縫特征參見表1．

表1  元磨高速公路三公箐隧道裂縫測點典型特征

圖1施工中的三公箐隧道

3、裂縫運動的監測與時程分析

    (1)裂縫一維(張開方向，測縫計測量)時變特征分析

    三公箐隧道在重點監控部位設置了振弦式一維測縫計，監測成果參見圖2、圖3。圖中測縫計布設的位置及裂縫的形狀參見表1。圖中SLl裂縫的一維運動基本上是水平波動，總體跳躍性不大，屬于基本穩定的裂縫；SL21屬于有異常發展裂縫；SL22裂縫開始以平緩變化為主，后期有所上揚，由于在2002年12月中旬測縫計故障導致數據采集出現中斷，后期經修理和調整重新開測量后，其數據呈現先上揚后緩慢回落的情形；SL24數據先增后減，總體變化趨勢比較平緩；SL25的測試數據則有較大的上下波動，但其變化趨勢不單調，說明其附近應力一直呈波動狀態，在進行內部調整，并未向一個方向單調發展(如 SL21號測點在2002年11月初的跳躍單調增加)。裂縫的一維運動監測成果說明，大部分裂縫運動呈先增后減(如圖2中SL21后段、SL22后段、SL24以及圖3)規律，這和裂縫部位結構受力不利，致使裂縫張開，經過后期應力調整，通過應力的傳遞、塑性區的發展以及結構、圍巖材料的蠕變和應力松弛等，使集中和不利的應力得以局部釋放，進而使裂縫的寬度有所減小有關。可以說，裂縫運動的過程，也是隧道結構受力后應力調整和變化的過程。由SL21號點的跳躍性突變及勻速單調發展可知，該突變不是裂縫正常的運動范疇，必然是施工擾動導致其正常運動出現異常所致，這也是通過裂縫監測指導裂縫控制和隧道施工的基本原理之一。

    (2)裂縫單點二維(張開方向和鼓出方向)時變特征

    裂縫的運動實質屬于二～三維形式，有些部位裂縫的運動不止是垂直于裂縫的張開方向，還可能產生于平行裂縫的方向，具體表現為外鼓等。裂縫二維運動的量測采用自行設計的型板式兩維測縫計(圖4),

圖2三公箐隧道裂縫收斂徑向位移一時間曲線及時變特征

(I)(時間為2002～2003年)

圖3三公箐隧道裂縫收斂徑向位移一時間曲線及時變特征

(Ⅱ)(時間為2002。2003年)

圖4型板式兩維測縫計

    直接采用數顯游標卡尺定期進行量測和比較；也可以直接量測外鼓，即在裂縫有外鼓傾向部位，采用油漆對待測點進行標記，然后采用專人用游標卡尺直接量測裂縫兩壁的差異起伏，進而得出裂縫在第二方向上運動的規律。

    在三公箐隧道，采用簡易二維測縫計得到裂縫的兩維運動規律有兩種情況： (1)以SLl2為代表，裂縫的鼓出和張開運動變化基本同步，受施工影響跳躍點出現的時間基本相同；(2)以SL7為代表，裂縫的鼓出和張開運動趨勢相似但不同步，鼓出滯后于張開方向(圖5～圖6)。說明SL7運動的主要方向是張開方向，滯后的鼓出是經過結構材料的流變時效及應力調整后達到的。

    (3)裂縫空間多點兩維時變特征

    以上各裂縫測點都選在裂縫代表性以及結構受力關鍵部位，裂縫不同點在張開和鼓出方向的運動特征可能不同，這也反映了結構受力的空間特征。

    (a)多點張開度時變特征

    為分析裂縫一維裂縫測點的代表眭問題，同時分析同一條裂縫上不同點運動特征的差異，以測縫點組的形式進行裂縫監測。即在裂縫的代表性部分選取一段，設置裂縫測點組(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等進行編號。

    由圖8、圖9可見，SL26號測點基本選在左右點張開度的平均值處，該點代表性較好。而SL27號測點，則選在了張開度發展較小的部位，理想的量測位置應向D點靠攏。同時，SL27號測點組說明該裂縫是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)多點鼓出時變特征

    如果裂縫的運動不是張開，而是鼓出，則應對鼓出進行重點量測。三公箐隧道在上行線$259+720部位c點鼓出最大，而下行線X259+720部位的量測結果說明，A點的鼓出大于8點(圖10～圖ll)，A點方向為鼓出力較大部位。

    (C)多點張開一鼓出時變特征

    若要同時獲得張開度和鼓出的時變規律，可以同時測量多點的張開度和鼓出值。由圖l2、圖l3可見，該裂縫張開和鼓出的運動趨勢相反，在同一時刻，裂縫張開度增加，則裂縫的鼓出減小，說明導致該裂縫點組張開的因素和導致裂縫鼓出的因素是此消彼長的關系，與SL7、SLl2張開一鼓出趨勢相反。

4、結論

    (1)由一維監測數據可見，先增后減的裂縫運動可能是一般規律，這和重點控制部位結構受力不利，致使裂縫張開和經過后期應力調整，通過應力的傳遞、塑性區的發展以及結構、圍巖材料的蠕變和應力松弛等，使集中和不利的應力得以局部釋放，進而使裂縫的張開度有減小的趨勢有關。

    (2)裂縫運動發展的過程，也是隧道結構受力后應力調整和變化的過程。跳躍性突變及勻速單調發展的裂縫運動不是裂縫正常的運動范疇，必然是施工擾動或其他相關因素導致其正常運動出現異常所致，這也是通過裂縫監測指導裂縫控制和隧道施工的基本原理之一。

    (3)由二維監測數據可見，裂縫的運動規律有兩種情況，一種裂縫的鼓出和張開運動變化基本同步，受施工影響跳躍點出現的時間基本相同；另一種裂縫的鼓出和張開運動趨勢相似但不同步，鼓出滯后于張開，滯后的鼓出是經過結構材料的流變時效及應力調

整達到的。

    (4)裂縫的運動既有張開又有鼓出，通過監測可以獲得張開及鼓出的數據，多點張開及鼓出的聯合測量，能夠更好地了解裂縫運動的多點時空特征，也可用于判定裂縫測點布置的代表性問題。

    (5)雙連拱隧道的施工工序遠較分離式隧道復雜，若在施工中出現了和隧道施工力學原理相悖的情況，在隧道變形及荷載的共同作用下，則可能導致裂縫的出現和發展，通過裂縫運動的監測，可以了解隧道結構整體受力的健康情況，進而指導隧道的施工及防災。

參考文獻

[1]王建秀．連拱隧道建設中的幾個關鍵問題研究——選型、偏壓、裂縫、抗震和監測[D]．上海：同濟大學，2004

[2]王建秀，朱合華，唐益群．雙連拱公路隧道裂縫監測分析[J]．巖石力學與工程學報，2005，24(2)：195—202  

[3]鄭國江，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測研究[J]現代隧道技術，2006，43(2)：30—33

[5]王鐵夢．工程結構裂縫控制[M]．北京：中國建筑工業出版社，2002．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)