公路隧道襯砌裂損防治措施

幸垚，李明，劉農(nóng)

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074)

公路隧道襯砌裂損防治措施

幸垚，李明，劉農(nóng)

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶400074)

為深入研究公路隧道混凝土襯砌裂損成因及其處治措施，基于現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)隧道襯砌裂縫的調(diào)查結(jié)果和工程實(shí)踐處治經(jīng)驗(yàn)，該文對(duì)隧道襯砌裂損的幾種常見形式進(jìn)行分類。根據(jù)隧道襯砌裂損相關(guān)力學(xué)原理、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)、地質(zhì)條件等其他相關(guān)因子分析其病害成因，總結(jié)得出隧道襯砌開裂的防治原則和有效的整治措施，以期對(duì)工程實(shí)踐提供理論依據(jù)和參考，在隧道襯砌施工和隧道襯砌裂損整治方面發(fā)揮積極作用。

隧道襯砌；隧道病害；裂損防治措施

0 引言

隧道襯砌斷面主要承受壓應(yīng)力，為隧道提供足夠的結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備，防止圍巖變形坍落。襯砌開裂不僅破壞隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、整體性，還將縮短運(yùn)營(yíng)隧道的使用壽命，造成極大的安全隱患[1]。

本文旨在針對(duì)公路隧道出現(xiàn)襯砌開裂甚至出現(xiàn)滲漏等病害時(shí)整治成本高、難度大、施工與運(yùn)營(yíng)相互干擾等問題；結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、功能和病害發(fā)展情況對(duì)隧道裂縫進(jìn)行跟蹤觀測(cè)；并查閱相關(guān)文獻(xiàn)、運(yùn)用工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)幾種常見裂縫形式進(jìn)行病害機(jī)理和成因的分析，提出相應(yīng)的防治原則和整治措施[2]。將這些技術(shù)措施應(yīng)用到隧道襯砌裂損加固工程中，在既有隧道病害整治方面提供技術(shù)指導(dǎo)，服務(wù)在建隧道工程。

1 隧道襯砌裂損檢測(cè)

利用測(cè)量工具對(duì)隧道圍巖的形變、支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)進(jìn)行量測(cè)，有助于更加清晰地判斷襯砌病害的成因，并采取及時(shí)有效的措施。隧道裂損的檢測(cè)包括襯砌變形、裂縫觀測(cè)、裂縫寬度和深度測(cè)量以及襯砌背后空洞與密實(shí)性檢測(cè)等項(xiàng)目，最后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果按照一定比例繪制裂縫觀測(cè)圖。

襯砌裂損的檢測(cè)方法[3]如下。

（1）襯砌變形：在變形部位設(shè)釬釘，釬釘上掛錘球（要求測(cè)出垂距），與埋設(shè)在隧底的固定點(diǎn)對(duì)應(yīng)，以此為依據(jù)，觀測(cè)和計(jì)算襯砌形變。

（2）裂縫觀測(cè)：①灰塊測(cè)標(biāo)觀測(cè)法：一般設(shè)在裂縫起止端、裂縫最寬或交合處，每3～5m設(shè)一塊。②釬釘測(cè)標(biāo)觀測(cè)法：在裂縫兩側(cè)良好圬工中埋入一個(gè)L型釬釘和常規(guī)釬釘，釘尖相交于一點(diǎn)；通過兩釘尖相對(duì)位置的變化來量測(cè)裂縫的擴(kuò)張程度和錯(cuò)距。③金屬板測(cè)標(biāo)觀測(cè)法：在裂縫兩側(cè)良好圬工中分別用2個(gè)標(biāo)釘固定一塊有刻度的薄金屬板和有劃零點(diǎn)的薄金屬板，通過兩金屬板相互移動(dòng)的位置來觀測(cè)裂縫寬度。

（3）裂縫寬度和深度測(cè)量：可用讀數(shù)顯微鏡（刻度一般為0.02mm）和聲波儀檢測(cè)（或鉆芯法）。

（4）襯砌背后空洞與密實(shí)性檢測(cè)：敲打法、中鉆探檢查法、開挖檢測(cè)法和物探（無損）檢測(cè)法。

2 襯砌開裂的類型

我國(guó)現(xiàn)有的10022座典型公路隧道，根據(jù)隧道裂縫的相關(guān)文獻(xiàn)研究成果和調(diào)查統(tǒng)計(jì)，結(jié)合隧道工程實(shí)例檢測(cè)結(jié)果[4]。結(jié)合大量文獻(xiàn)資料和隧道工程實(shí)例檢測(cè)結(jié)果，本文擬根據(jù)裂縫走向和隧道長(zhǎng)度方向的相互關(guān)系分類，見表1；分為縱向裂縫、環(huán)向裂縫和斜向裂縫。

表1 隧道混凝土襯砌裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)

（1）縱向裂縫：裂紋平行于隧道軸線，單線隧道集中在邊墻部分，雙線隧道主要集中在拱腰，危險(xiǎn)系數(shù)最高。拱頂由于內(nèi)緣壓力的存在，容易受內(nèi)側(cè)擠壓產(chǎn)生襯砌開裂，剝落掉塊；拱腰受襯砌內(nèi)緣張拉開裂；拱腳裂縫會(huì)使襯砌發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，存在掉拱的可能性；邊墻裂紋容易受內(nèi)緣張拉錯(cuò)位，如圖1。

（2）環(huán)向裂縫：因承受不均勻的縱向荷載、圍巖壓力的變化等引起，多發(fā)生在進(jìn)出洞口段或不良地質(zhì)帶與較好巖層的接壤處,如圖2。

（3）斜向裂縫：常與隧道縱向軸線呈45°夾角，由于混凝土襯砌的縱向應(yīng)力和環(huán)向受力共同作用形成拉應(yīng)力，危害程度僅次于縱向裂縫，在進(jìn)行襯砌加固時(shí)需做一定的特殊處理，如圖3。

在隧道作業(yè)工程實(shí)踐中環(huán)向裂縫一般對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的正常承載影響不大；縱向裂紋及斜向裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性破壞程度較大[5]。

3 襯砌開裂原因分析

隧道襯砌裂損的機(jī)理可以概括為：襯砌在地層壓力、巖石膨脹力和地震力等應(yīng)力作用下，混凝土襯砌承受的應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限發(fā)生裂損[6]。襯砌開裂常見受力機(jī)理包括：（1）隧道圍巖壓力使襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生拉彎效應(yīng)，產(chǎn)生的應(yīng)力超過了混凝土抗拉強(qiáng)度極限而發(fā)生彎張裂損，裂縫發(fā)展到一定程度后，拱背對(duì)應(yīng)的位置可能會(huì)出現(xiàn)擠壓掉塊現(xiàn)象；（2）襯砌背后巖層局部推力會(huì)造成裂縫寬度較小的剪切裂縫，并伴有明顯錯(cuò)臺(tái)，有滑移痕跡；（3）壓剪裂縫是在高應(yīng)力擠壓下，產(chǎn)生刀刃形的尖劈狀裂縫，破口處無明顯鋸齒狀，有錯(cuò)臺(tái)；（4）扭彎裂縫是由于巖層扭彎變形、基礎(chǔ)不均勻沉降而產(chǎn)生的裂縫，破口處一般無鋸齒狀，張口較小。該裂縫可由一條或多條方向大致相同的裂縫組成，并沿斜向發(fā)展[7]。

3.1 設(shè)計(jì)方面的原因

隧道在設(shè)計(jì)之初，因隧址區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件的制約等因素，圍巖級(jí)別劃分與襯砌類型選擇相對(duì)困難，容易造成襯砌結(jié)構(gòu)與巖層實(shí)際荷載不相適宜，引發(fā)裂損病害。客觀上，隧道在設(shè)計(jì)之初就不能絕對(duì)適時(shí)地按照圍巖實(shí)際情況調(diào)整設(shè)計(jì)方案，或是在施工中也得不到及時(shí)的糾正，這些因素都會(huì)導(dǎo)致隧道襯砌局部強(qiáng)度欠缺，引發(fā)襯砌局部開裂等病害[8]。

3.2 施工方面的原因

隧道施工技術(shù)條件要求較高，施工方法具有一定的特殊性，因此建設(shè)過程中受諸多問題干擾，這也是導(dǎo)致襯砌開裂的最重要因素之一。例如：施工過程中超欠挖、監(jiān)控量測(cè)出現(xiàn)差錯(cuò)、拱架支撐變形、坍塌等風(fēng)險(xiǎn)源沒有早發(fā)現(xiàn)早處理，造成襯砌厚偏差開裂；拱背背后形成了局部空腔，當(dāng)圍巖變形時(shí)，會(huì)使襯砌局部受力過大引起裂損；圍巖還未基本穩(wěn)定過早施工隧道襯砌，加大襯砌負(fù)荷而損傷。

3.3 工程地質(zhì)方面的原因

隧道工程所處地質(zhì)空間環(huán)境的復(fù)雜性，多變性使隧道圍巖等級(jí)和覆土情況產(chǎn)生較大差異。這一問題在山嶺隧道中尤為明顯。例如兩種圍巖交界處，圍巖性質(zhì)發(fā)生較大變化致使襯砌受力突變，則容易產(chǎn)生縱向沉降差引起隧道襯砌開裂。不對(duì)稱地形和地質(zhì)條件的存在，如偏壓、節(jié)理、地質(zhì)突變段和斷層也會(huì)使襯砌產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫。

3.4 侵蝕介質(zhì)腐蝕的原因

隧道所處的地下空間環(huán)境濕度較大，氣態(tài)介質(zhì)、腐蝕性水、固態(tài)介質(zhì)中存在一定的酸堿鹽粒子。較多的侵蝕性介質(zhì)更加有利于對(duì)襯砌腐蝕。如氣態(tài)介質(zhì)或酸堿鹽溶液侵蝕緊貼圍巖側(cè)的混凝土襯砌面，使混凝土碳化并逐漸銹蝕鋼筋，引起襯砌裂損。

3.5 其他原因

其他原因主要來自于地震、滑坡和泥石流等自然災(zāi)害，隧洞內(nèi)引發(fā)火災(zāi)等不可抗力或不可預(yù)知因素等；隧道運(yùn)營(yíng)過程中維護(hù)不當(dāng),對(duì)已產(chǎn)生的病害未能做到及早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理,未能采取積極有效的維護(hù)措施，使其進(jìn)一步惡化。

4 襯砌開裂防治原則和整治措施

4.1 襯砌裂損病害的防治原則

襯砌裂縫的整治應(yīng)結(jié)合裂縫寬度、受力狀態(tài)和發(fā)展情況綜合考慮。對(duì)不同裂損區(qū)域采用不同的工程措施，以穩(wěn)固圍巖為主加固襯砌相結(jié)合的綜合治理措施。盡量減少對(duì)原襯砌的擾動(dòng)，避免破壞原襯砌結(jié)構(gòu)的整體性、穩(wěn)定性。同時(shí)加強(qiáng)觀測(cè)，掌握裂縫變形情況，已有的襯砌裂損對(duì)結(jié)構(gòu)造成的危害要及時(shí)控制并防止擴(kuò)大[9]。

對(duì)運(yùn)營(yíng)中的隧道應(yīng)合理安排施工，合理地控制行車流量，盡量減少對(duì)正常運(yùn)行的干擾。對(duì)施工中的隧道應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，保證隧道襯砌錨噴加固、拱背壓漿等治理措施的施工質(zhì)量，確保加固后的隧道凈空滿足限界要求[10]。

4.2 裂縫整修措施

對(duì)于不影響結(jié)構(gòu)安全性的一般淺表性細(xì)小裂縫，且無滲水，按照“預(yù)防為主、預(yù)防與整治相結(jié)合”原則，用砂漿抹面阻止細(xì)小裂縫的發(fā)展。

對(duì)于未貫穿襯砌厚度的局部細(xì)小裂縫，可用水泥漿嵌補(bǔ)或先鑿槽（在襯砌開裂處開鑿“V”形或“U”形槽口）后再用1：1水泥砂漿或環(huán)氧樹脂漿液嵌補(bǔ)；添加10%～17%微膨脹劑可防止砂漿固結(jié)收縮。采用低壓灌注樹脂漿液技術(shù)，將統(tǒng)計(jì)好的裂縫寬度的裂縫進(jìn)行清潔處理，并預(yù)留注漿口封閉裂縫，安設(shè)好注漿底座后進(jìn)行漿液注入，待漿液固化后清除封膠和底座[11]。

裂縫修整還可以利用高強(qiáng)度密封砂漿封閉裂縫表面，防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)裂縫發(fā)展到1mm以上時(shí)，在封閉裂縫表面的同時(shí)還應(yīng)注射環(huán)氧樹脂和高強(qiáng)度膠填充裂縫使其填充飽滿。襯砌裂縫填充封閉設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 襯砌裂縫填充封閉設(shè)計(jì)

4.3 巖體穩(wěn)固措施

巖體的穩(wěn)固主要靠?jī)?yōu)化圍巖周圍應(yīng)力場(chǎng)分布，控制塑性區(qū)變形發(fā)展，最大限度地控制圍巖與周圍巖體綜合作用向襯砌受力有利的方向發(fā)展。限制其危害程度，控制圍巖變形和失穩(wěn)，提高巖體的抗滑能力，從而增強(qiáng)圍巖整體穩(wěn)定性[12]。

（1）錨桿加固技術(shù)：錨桿支護(hù)的形式主要有注漿錨桿支護(hù)、鋼拱架注漿錨桿加固、噴錨聯(lián)合支護(hù)、錨桿與金屬支架聯(lián)合支護(hù)等。錨桿支護(hù)屬于主動(dòng)支護(hù)，具有支擋作用、懸吊作用和組合梁拱作用；以此增強(qiáng)圍巖的抗變形能力，提高圍巖強(qiáng)度，保持巖體長(zhǎng)期穩(wěn)定。錨桿伸入圍巖內(nèi)部通過與圍巖的復(fù)合作用使圍巖成為一個(gè)有效的承載體和防護(hù)結(jié)構(gòu)；就像混凝土中加入鋼筋一樣，起到了加強(qiáng)筋作用，可以最大限度地防止圍巖的松弛，增強(qiáng)錨固區(qū)巖體強(qiáng)度和整體性。在一定的超前工作面或土體深度加固，錨桿對(duì)圍巖有著預(yù)先控制的作用，能夠?qū)r體進(jìn)行有效的超前支護(hù)。錨桿支護(hù)有著其他支護(hù)方式很多沒有的優(yōu)點(diǎn)[13]。

（2）注漿回填加固：適用于襯砌周圍存在空隙或施工回填不密實(shí)造成的襯砌病害。注漿回填技術(shù)能夠有效地穩(wěn)固圍巖，使襯砌與圍巖緊密貼實(shí)，改善襯砌受力情況。然而注漿技術(shù)的難點(diǎn)在于控制注漿量和注漿壓力的控制。所以在回填、注漿施工前應(yīng)對(duì)襯砌背后空洞大小進(jìn)行檢測(cè)探明；擬定注漿量和注漿壓力，并試壓。注漿回填過程中要嚴(yán)控注漿壓力、注漿流量和注漿空隙間距，密切關(guān)注襯砌變形。注漿結(jié)束后應(yīng)對(duì)注漿效果進(jìn)行檢查，對(duì)未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的斷面及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)注漿。

（3）滲水治理加固：治水措施應(yīng)當(dāng)遵循“防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。襯砌發(fā)生開裂并伴有滲漏水甚至涌水，這類病害宜采用修補(bǔ)恢復(fù)裂損襯砌強(qiáng)度，堵水或排水設(shè)計(jì)和施工綜合整治的方法。如：

①噴射法：適用于大面積發(fā)生滲漏水，但漏水量小、止水無害的襯砌病害；

②涂層法：滲漏水范圍較小、輕微時(shí)適用；

③鑿槽排水即把襯砌滲漏水引入排水溝，此方法適用于漏水量較多，且漏水沿施工縫或襯砌開裂處呈線狀分布的情況；

④嵌縫堵漏應(yīng)用于程度較輕，漏水沿襯砌開裂處呈線狀且止水無不良影響的情況。

4.4 襯砌加固措施

圖5 隧道套拱加固

（1）套拱、換拱加固：套拱或換拱整治適用于襯砌腐蝕裂損嚴(yán)重、病害嚴(yán)重或多種病害并發(fā)的地段，對(duì)病害的整治較為徹底[14]。套拱法在襯砌開裂明顯、掉塊剝落嚴(yán)重和隧道建筑界限滿足套拱厚度要求的情況具有顯著效果。按照套拱結(jié)構(gòu)加固的不同范圍，可分為整體式套拱和局部套拱，見圖5（圖5（a）整體式套拱，圖5（b）局部套拱）。襯砌結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞變形喪失承載能力，用其他補(bǔ)強(qiáng)措施難以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，或襯砌已經(jīng)嚴(yán)重侵入限界時(shí)則應(yīng)考慮更換襯砌。襯砌更換可分為整體襯砌結(jié)構(gòu)更換和局部襯砌結(jié)構(gòu)更換，見圖6（圖6（a）整體襯砌結(jié)構(gòu)更換，圖6（b）局部襯砌結(jié)構(gòu)更換）。施作套拱法應(yīng)當(dāng)考慮新舊拱圈的銜接方法，包括對(duì)新增拱圈支撐點(diǎn)作加固處理；設(shè)置適宜強(qiáng)度的拱腳支撐，栓釘或界面鑿毛刷涂界面劑。換拱法根據(jù)更換部位不同施作拱部置換、邊墻置換和全環(huán)置換；對(duì)松動(dòng)圍巖的預(yù)加固處理、拱圈的拆除施工、跳槽施工和搭接間距作合理布置處理。

圖6 隧道換拱結(jié)構(gòu)加固

（2）錨噴加固：錨噴支護(hù)作為一種“柔性”支護(hù)，適應(yīng)整治襯砌大面積裂損病害。錨噴支護(hù)可分為素噴、網(wǎng)噴、錨網(wǎng)噴和噴射早強(qiáng)鋼纖維混凝土等施工方法。目前常用的方式是將錨桿和噴射混凝土聯(lián)合支護(hù)加固裂損襯砌，可根據(jù)實(shí)際工況考慮是否鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)；此方法最大的優(yōu)點(diǎn)在于充分發(fā)揮錨桿、混凝土、鋼筋網(wǎng)三者優(yōu)勢(shì)綜合作用；噴層與原襯砌之間具能夠緊密粘結(jié)，形成剛度較大的新舊組合拱結(jié)構(gòu)；同時(shí)加設(shè)鋼筋網(wǎng)大幅提高了組合拱結(jié)構(gòu)的抗彎、抗剪強(qiáng)度和抗裂性，有效提高了圍巖的抗變形能力和原襯砌的承載能力[15]。

（3）襯砌背后空洞壓漿：該方法主要用于隧道襯砌發(fā)生外鼓變形或局部處理。壓漿填充拱背空隙和裂縫孔隙，增加拱約束和約束襯砌變形，固結(jié)穩(wěn)定襯砌背后松散圍巖，有利于改善襯砌受力狀態(tài)，提高襯砌剛度和穩(wěn)定性。壓漿耗材可選用常規(guī)水泥、水泥粉煤灰砂漿和自密實(shí)水泥砂漿等可灌性好、抗?jié)B性耐腐蝕性強(qiáng)的廉價(jià)材料，有利于達(dá)到經(jīng)濟(jì)實(shí)用的效果。

5 結(jié)語

本文通過介紹隧道襯砌開裂的基本形態(tài)和檢測(cè)方法，重點(diǎn)分析病害形成機(jī)理和原因，以此作為理論依據(jù)?？偨Y(jié)提出了隧道襯砌開裂的防治原則，以及在隧道在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)中，針對(duì)不同的襯砌裂損病害，采用相應(yīng)的加固整治措施；包括：

（1）襯砌裂縫填充封閉修整技術(shù)及注漿技術(shù)。

（2）以錨桿支擋技術(shù)為主，注漿回填背后空洞以及防排水施工處治技術(shù)的圍巖穩(wěn)固措施。

（3）針對(duì)隧道襯砌較嚴(yán)重病害的套拱、換拱技術(shù)，錨噴襯砌加固技術(shù)等。

此研究希望對(duì)隧道襯砌裂損的整治提供了理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，對(duì)工程實(shí)踐具有一定的借鑒意義。

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責(zé)任編輯:孫蘇,李紅

Prevention Measures for Lining Crack of Highway Tunnel

In order to deeply study the causes and countermeasures of lining cracks of highway tunnels in the construction process,this paper,based on the existing literature on the investigation of tunnel lining cracks and engineering practice experience,classifies the several common forms of tunnel lining fractures.According to the mechanical theories,design and construction technology,geological conditions and other related factors,the causes of tunnel damages are analyzed,and the principle of prevention and cure of tunnel lining cracking and the effective remediation measures are summarized.It's hoped to provide a theoretical basis and reference for engineering practice,and to play an active role in tunnel lining construction and tunnel lining crack treatment.

tunnel lining;tunnel damage;remediation measures

U458.1

A

1671-9107（2017）09-0049-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.09.049

2016-10-11

幸垚（1991-），男，重慶人，碩士研究生，研究方向?yàn)樗淼拦こ碳皫r土工程。

李明（1978-），男，重慶人，博士，教授，研究方向?yàn)樗淼拦こ碳敖Y(jié)構(gòu)工程。