既有公路隧道襯砌裂縫成因分析

李亞利　魏建華

（1.河北遠洲工程咨詢有限公司，河北石家莊　050000；2.河北交通職業技術學院，河北石家莊　050000）

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既有公路隧道襯砌裂縫成因分析

李亞利1魏建華2

（1.河北遠洲工程咨詢有限公司，河北石家莊050000；2.河北交通職業技術學院，河北石家莊050000）

摘要：通過對省內既有公路隧道襯砌裂縫進行調查研究，總結了襯砌裂縫的分布形態，從設計、施工、溫差、地下水等方面分析了襯砌裂縫產生的原因，并提出一些合理的處理建議，有利于保證公路隧道的安全運營。

關鍵詞：隧道，襯砌裂縫，分布形態，裂縫成因

0　引言

襯砌裂縫是常見的襯砌病害類型。JTG H12—2015公路隧道養護技術規范中，襯砌所占的分項權重為40，是最重要的。規范還規定：隧道拱部襯砌出現大范圍開裂、結構性裂縫深度貫穿襯砌混凝土時，隧道土建技術狀況直接評定為5類。由此可見襯砌裂縫在隧道各類病害中的重要性。襯砌裂縫是導致既有隧道滲漏水的主要原因，嚴重裂縫甚至會引起結構的承載力急劇下降，導致襯砌結構突然失穩和垮塌。襯砌裂縫亦是既有公路隧道安全運營評價的重要指標之一。

筆者多年來對省內既有高速公路隧道和干線公路隧道進行定期檢查時發現，正式通車運營2年以上的既有公路隧道，100%都存在襯砌裂縫。干線公路隧道襯砌裂縫明顯比高速公路襯砌裂縫數量多、寬度大。因此，及時調查發現裂縫，合理分析裂縫產生原因并提出針對性的處理建議是至關重要的。筆者對省內既有公路隧道襯砌裂縫進行了匯總研究，總結了襯砌裂縫的分布形態，分析了襯砌裂縫產生的原因。

1　襯砌裂縫分布形態

1.1豎向（環向）裂縫

隧道襯砌豎向（環向）裂縫垂直隧道軸線，多發生在施工縫、沉降縫、不同地質地段相接處，最典型的位置是每一板模筑混凝土的中間部位。裂縫一般自邊墻底部開始至拱腰處結束，左右邊墻處基本對稱，部分裂縫向上延至拱頂相接，呈環狀貫穿襯砌橫斷面，見圖1。裂縫數量多，分布規律基本一致。

圖1　襯砌豎向（環向）裂縫分布示意圖

1.2縱向裂縫

隧道襯砌縱向裂縫平行于隧道軸線，多發生在拱頂和拱腰部位，并且拱腰分布比拱頂數量多，如圖2所示。該類裂縫數量所占比例較小，但其危害性最大，若裂縫發展則可引起隧道襯砌斷裂或塌方。

1.3斜向裂縫

隧道襯砌斜向裂縫一般和隧道縱軸呈45°左右，多發生在拱腰和邊墻部位，見圖3。該類裂縫數量所占比例較小，但其危害性僅次于縱向裂縫。

圖2　襯砌縱向裂縫分布示意圖

圖3　襯砌斜向裂縫分布示意圖

1.4組合裂縫

圖4　襯砌裂縫

由上述3種裂縫中的兩種或多種組合而成，一般呈X形、Y形，裂縫數量多分布密時形成網裂。

以某高速隧道為例，該隧道為分離式，雙車道。右洞凈寬10. 75 +2×0. 75 =12. 25 m，凈高5 m，長度為813 m。該隧道右洞存在裂縫共計161條，其中，環向裂縫78條，占48. 5%，環向裂縫長度多介于2 m～7 m，裂縫最長環向貫通隧道。裂縫寬度多介于0. 20 mm～0. 40 mm，最大縫寬3. 00 mm。斜向裂縫59條，占36. 6%。縱向裂縫24條，占14. 9%，斜向裂縫長度多介于1 m～3 m，最長達18. 5 m，最大縫寬1. 09 mm。縱向裂縫長度多介于5 m～12 m之間，拱頂部分縱向裂縫較長，最大長度為26. 5 m，裂縫寬度多介于0. 10 mm～0. 80 mm，最大縫寬2. 28 mm。

典型襯砌裂縫見圖4。

2　襯砌裂縫發展趨勢

筆者通過匯總近年來省內既有公路隧道的定期檢查數據，分析比較近5年的定期檢查報告和管養部門的養護資料，分析得出襯砌裂縫存在如下發展趨勢：

1）大部分隧道襯砌裂縫長度和寬度基本無明顯變化。

2）裂縫寬度與溫度有一定關系，檢測季節不同，裂縫會有所不同。冬季裂縫寬度和數量較夏季要大一些。此規律在北部寒冷地區尤為明顯。

3）部分隧道襯砌在堿蝕、干縮等多種因素作用下產生少量新裂縫，隧道洞口附近的裂縫增加較為明顯。

4）通過對已灌縫處理裂縫進行比較分析，發現大部分灌縫處理的裂縫灌縫效果較好，幾乎無開裂發展。由此也可判斷裂縫總體上基本趨于穩定。

5）部分隧道抹面封閉裂縫局部重新開裂，這與處理裂縫的工藝方法和多種因素作用導致裂縫重新開裂有關。

3　襯砌裂縫主要成因分析

3.1設計原因

由新奧法原理可知初期支護是承載主體，它能充分發揮圍巖的自承作用，使二次襯砌所受的力減到最小，亦即二次襯砌作為安全儲備。而當初期支護承載能力不足時，二次襯砌參與受力，當受力過大超過混凝土的拉應力時導致出現襯砌裂縫。因此初期支護的承載能力和二次襯砌的安全儲備均不容忽視。JTJ 026—90和JTG D70—2004公路隧道設計規范中，對復合式襯砌各設計參數存在差別。

筆者對不同設計時間的2座斷面基本相同的隧道復合式襯砌結構相關參數進行了對比（見表1），可以得出：依據JTG D70—2004設計的隧道在中空錨桿、鋼筋網、鋼格柵、噴射混凝土強度、預留變形量、二次襯砌混凝土強度等方面均有所提高。

表1　不同設計時間的2座隧道襯砌結構對比表

另外，設計時若對不良地質圍巖考慮不恰當，則會造成初期支護設計相對較弱。地質不良地段圍巖容易產生坍塌，使地層壓力增大或造成偏壓，輕者引起襯砌開裂，嚴重的導致襯砌破壞。

3.2施工原因

1）施工過程中未嚴格按新奧法要求施工。

施工過程中未嚴格按新奧法要求進行施工是導致二次襯砌產生裂縫的因素之一。主要體現在施工期間未有效開展監控量測工作，對新奧法的認識模糊，隧道施工過程中不能很好的理解與貫徹利用圍巖、初期支護及二次襯砌三者之間的關系，初期支護的穩定時間和二次襯砌的施作時間不盡合理，造成二次襯砌超設計荷載承受圍巖壓力，導致二襯開裂。

2）施工不當引起的裂縫。

a.模筑混凝土施工時施工工藝有缺陷，造成混凝土產生豎向裂縫。該裂縫在早期即發生且趨于穩定，無外力作用一般不會發展。

b.模筑施工時預留拱部下沉量設置不當，或邊墻基礎的虛碴未清理干凈，混凝土澆筑后，拱腳或基底產生不均勻沉降容易產生變形裂縫。

c.施工過程中由于停電、機械故障等原因迫使混凝土澆筑中斷時間超過混凝土的初凝時間，繼續澆筑混凝土時，原有的混凝土表面處理不當，致使新舊混凝土接槎間出現裂縫。

3.3溫差影響

公路隧道襯砌為封閉環，氣溫驟降時，臨空表面變形自由，與圍巖密貼面變形受到約束，襯砌內外劇烈的溫差使襯砌產生較大拉應力，造成混凝土襯砌開裂。該裂縫具有規律性，它們一般沿隧道的環形方向分布，間距相等。公路隧道襯砌模筑混凝土施工時每板長度約為8 m～10 m，由于溫差引起的最大拉應力在中間，如其超過抗拉強度，則襯砌出現開裂，于是應力重分布，而應力分布后的部分最大拉應力仍然在開裂后的每段中部出現，當其仍超過抗拉強度時，又將第二次出現裂縫，如此下去，均從中間開裂，一直到中間最大拉應力小于混凝土的抗拉強度，裂縫便穩定，不再增加［5］。

3.4地下水影響

JTJ 026—90公路隧道設計規范版中隧道永久荷載未考慮水壓力，JTG D70—2004版中考慮了水壓力，水壓力對隧道襯砌結構的作用是不容忽視的。若地下水不能有效的排出，則作為外力作用于支護襯砌結構，水壓力作用會打破隧道原有的平衡狀態，使襯砌受到側向壓力，引起隧道從拱部到邊墻的水平裂縫及環狀開裂。省內隧道所處地質均存在含水段，水文地質情況為滲水或滴水。通過實地調查可知，隧道均存在滲水痕跡，因此地下水對隧道襯砌的影響不容忽視。另外，地下水還會使襯砌混凝土的材質劣化，在圍巖應力、溫度應力、凍融影響等因素綜合作用下，加速襯砌裂縫病害的發生和發展。

4　結語

隧道襯砌裂縫成因復雜，襯砌結構設計較為薄弱、施工不當、溫差、地下水等多方面的因素導致了裂縫的出現。大部分隧道襯砌裂縫總體上基本趨于穩定，不影響隧道結構的安全運營。考慮到隧道結構的耐久性，建議對襯砌裂縫加強觀測和及時封閉處理。

參考文獻：

［1］JTG H12—2003，公路隧道養護技術規范［S］.

［2］JTG H12—2015，公路隧道養護技術規范［S］.

［3］JTG D70—2004，公路隧道設計規范［S］.

［4］JTJ 026—90，公路隧道設計規范［S］.

［5］蒲眷平，夏才初，李永盛，等.隧道的溫度應力及由其引起的裂縫開展規律的研究［J］.中國公路學報，2000（2）：76-79.

［6］葉英.運營隧道管養指南［M］.北京：人民交通出版社，2013：470.

On reasons for lining cracks in tunnels of existing roads

Li Yali1Wei Jianhua2
（1. Hebei Yuanzhou Engineering Consultancy Co.，Ltd，Shijiazhuang 050000，China；2. Hebei Jiaotong Vocational and Technical College，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：According to the lining cracks in tunnels of existing roads，the paper undertakes the investigation and research，sums up the distribution of the lining cracks，analyzes some reasons for the lining cracks from the design，construction，temperature difference，and underground water，and points out some reasonable treatment suggestions，so as to ensure the safe operation of road tunnels.

Key words：tunnel，lining crack，distribution，crack reason

中圖分類號：U457

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）09-0183-03

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：李亞利（1980-），男，碩士，工程師；魏建華（1979-），女，講師