隧道圍巖襯砌開裂病害成因分析

山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西 太原 030032

隨著服役時(shí)間的累積，大量已建成服役隧道已經(jīng)進(jìn)入養(yǎng)護(hù)運(yùn)營期，通過研判大量隧道工程案例發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌是已建成隧道中最容易出現(xiàn)病害的結(jié)構(gòu)之一，由于襯砌直接暴露于隧道凈空內(nèi)，一旦出現(xiàn)開裂、剝離掉塊、滲漏等病害，必將不同程度影響隧道內(nèi)的車輛正常通行；引發(fā)隧道襯砌開裂、剝離等病害的誘因眾多，且并非單一因素作用結(jié)果，地質(zhì)條件、偶然荷載擾動(dòng)、施工技術(shù)水平及材料質(zhì)量等均會(huì)誘發(fā)襯砌病害。本文特以已建成隧道襯砌結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，擬重點(diǎn)針對(duì)襯砌開裂病害，分析建成隧道襯砌開裂病害的類型及成因，從而進(jìn)一步深化對(duì)運(yùn)營隧道襯砌開裂病害的認(rèn)識(shí)。

1 建成隧道圍巖襯砌開裂病害形式分析

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析省內(nèi)大量隧道襯砌開裂病害案例，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂損形式存在明顯的幾何分布特點(diǎn)，大體可細(xì)分為：襯砌縱向開裂、襯砌斜向開裂及襯砌環(huán)向開裂三類；其中，縱向開裂病害尤為普遍，明顯超過了斜向開裂和環(huán)向開裂總和，且縱向開裂普遍存在于隧道襯砌的各個(gè)位置，而環(huán)向開裂和斜向開裂則集中分布在襯砌邊墻區(qū)域。

1.1 隧道襯砌縱向開裂

隧道襯砌縱向開裂是隧道襯砌裂損病害中最常見的一種，其好發(fā)于隧道襯砌的各個(gè)位置，尤其以拱頂位置最為多見，拱頂襯砌在復(fù)雜應(yīng)力擾動(dòng)作用下，一旦出現(xiàn)縱向開裂后，常常伴隨襯砌剝落病害。襯砌縱向開裂多見于縱向貫穿開裂，且多條縱向裂縫首尾相連，縱向裂縫走勢(shì)與隧道縱軸線基本呈平行分布；除了拱頂位置外，拱腰及邊墻縱向裂縫分布與隧道洞口形式有較大關(guān)聯(lián)，單隧洞隧道縱向裂縫更多集中在邊墻上，雙隧洞隧道縱向裂縫則偏好于位置更高的拱腰位置。此外，基于隧道內(nèi)不同位置襯砌的應(yīng)力狀態(tài)差異，誘導(dǎo)縱向開裂的機(jī)理稍有差異，拱頂受壓應(yīng)力主導(dǎo)，襯砌向內(nèi)擠壓變形，導(dǎo)致開裂剝離，破壞程度較大；拱腰受拉應(yīng)力主導(dǎo)，襯砌混凝土被拉裂，破壞程度一般；邊墻襯砌受拉應(yīng)力主導(dǎo)，易出現(xiàn)張拉錯(cuò)動(dòng)［1］。

1.2 隧道襯砌斜向開裂

隧道襯砌斜向開裂與受壓混凝土梁剪切裂縫分布形式相類似，斜向襯砌裂縫與隧道縱軸線大致呈45°夾角，斜向開裂多發(fā)于隧道邊墻及拱頂與拱腰交界區(qū)域；隧道襯砌斜向開裂是縱向應(yīng)力和隧洞截面環(huán)向應(yīng)力耦合作用的結(jié)果，屬于典型的張拉開裂破壞；通常情況下，斜向開裂的破壞程度介于縱向開裂和環(huán)向開裂之間，在工程實(shí)踐中，斜向開裂往往集中出現(xiàn)，多條斜向裂縫交錯(cuò)后，容易“剪壞”隧道襯砌結(jié)構(gòu)，嚴(yán)重影響襯砌的完整性。

1.3 隧道襯砌環(huán)向開裂

環(huán)向開裂與隧道縱軸線基本正交，環(huán)向開裂主要受累于隧道圍巖的不均勻沉陷問題，圍巖在縱向非均勻荷載的作用下，沿縱軸線出現(xiàn)不均勻沉陷，造成圍巖內(nèi)部應(yīng)力增長，并誘導(dǎo)襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)環(huán)向開裂；環(huán)向開裂多見于地質(zhì)條件不良及隧道圍巖等級(jí)突變區(qū)域，環(huán)向開裂基本伴隨著隧道服役的全過程，屬于自然現(xiàn)象范疇，其對(duì)隧道工程穩(wěn)定性的影響較低，危害程度也是三種裂縫中最小的一種。

2 建成隧道圍巖襯砌開裂病害主要成因分析

構(gòu)成隧道襯砌開裂的因素眾多，且大部分襯砌開裂病害并非單一因素作用的結(jié)果，加之隧道工程結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和不確定性，在后期襯砌評(píng)價(jià)及處治過程中必須綜合考慮各種潛在影響因素［2］。以下就隧道圍巖襯砌開裂病害成因進(jìn)行以下分類研究。

2.1 隧道襯砌外荷載擾動(dòng)

隧道圍巖因外力擾動(dòng)出現(xiàn)局部松弛，導(dǎo)致部分圍巖脫離主體，無法與圍巖共同承載，脫離的圍巖壓在隧道襯砌背面，導(dǎo)致隧道襯砌背面處于持續(xù)承壓狀態(tài)，最終沿隧道拱頂襯砌出現(xiàn)縱向開裂，并伴隨拱腰附近出現(xiàn)網(wǎng)狀開裂，嚴(yán)重情況下，若圍巖大面積松弛，掉落的圍巖沖擊拱頂襯砌，極易引發(fā)襯砌崩塌病害；此外，襯砌偏心荷載也是導(dǎo)致襯砌開裂的一大誘因，受地質(zhì)構(gòu)造、地下水水位變動(dòng)、人為擾動(dòng)等因素影響，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)處于偏心荷載作用狀態(tài)，長期的偏心作用將引發(fā)襯砌軸向受壓破壞，并誘導(dǎo)張拉裂縫；隧道圍巖不均勻沉陷也會(huì)引起襯砌內(nèi)應(yīng)力過大，進(jìn)而引發(fā)襯砌開裂，圍巖沿行車方向不均勻沉陷，在拱腳位置將出現(xiàn)豎向開裂，并最終發(fā)展成為環(huán)向裂縫，沿隧洞橫截面方向出現(xiàn)不均勻沉陷，將誘發(fā)拱頂及隧道內(nèi)路面縱向開裂。

2.2 隧道襯砌自然劣化

襯砌屬于混凝土結(jié)構(gòu)，隨著服役年限的延長，襯砌混凝土容易出現(xiàn)碳化、開裂及滲漏病害，從而影響襯砌混凝土的力學(xué)性和耐久性；此外，滲水病害也是誘發(fā)襯砌開裂的一大因素，由于襯砌結(jié)構(gòu)中存在鋼筋網(wǎng)、錨桿等金屬結(jié)構(gòu)，在長期滲水環(huán)境下，金屬結(jié)構(gòu)將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，生成氧化產(chǎn)物，最終表現(xiàn)為隧道襯砌的銹脹開裂；凍融循環(huán)作用下的凍脹裂縫多發(fā)于嚴(yán)寒地區(qū)隧道中，襯砌滲水在冬季嚴(yán)寒條件下凍脹后體積增加，融化后在對(duì)應(yīng)位置易出現(xiàn)網(wǎng)狀開裂、蜂窩麻面等病害［3］。

2.3 人為因素

隧道在設(shè)計(jì)階段由于地質(zhì)勘查數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，導(dǎo)致圍巖分級(jí)判定存在誤差，在進(jìn)行隧道襯砌設(shè)計(jì)時(shí)，存在強(qiáng)度設(shè)防不足的問題，在極端情況下將造成圍巖荷載超限問題；或未在必要地段進(jìn)行專門的仰拱、防排水及襯砌強(qiáng)化設(shè)計(jì)，最終造成圍巖襯砌開裂病害。此外，施工階段的不當(dāng)操作也會(huì)造成隧道襯砌開裂，比如，未對(duì)施工縫、變形縫進(jìn)行合理處治，引發(fā)環(huán)向開裂；因超挖或者欠挖引起襯砌空洞，造成襯砌與圍巖貼合度不良，引發(fā)局部應(yīng)力集中，并在拱腰位置出現(xiàn)襯砌開裂。

3 結(jié)語

運(yùn)營期隧道襯砌開裂病害廣泛存在于在役公路隧道中，已經(jīng)嚴(yán)重影響了隧道的健康運(yùn)營，必須引起足夠的重視；對(duì)襯砌各種裂縫病害及成因進(jìn)行準(zhǔn)確定位和分類是隧道襯砌裂縫養(yǎng)護(hù)的基礎(chǔ)和前提，也將直接關(guān)系到公路隧道襯砌的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。