公路隧道襯砌裂損防治措施

幸垚，李明，劉農(nóng)

(重慶交通大學土木工程學院，重慶400074)

公路隧道襯砌裂損防治措施

幸垚，李明，劉農(nóng)

(重慶交通大學土木工程學院，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)有文獻對隧道襯砌裂縫的調(diào)查結果和工程實踐處治經(jīng)驗，該文對隧道襯砌裂損的幾種常見形式進行分類。根據(jù)隧道襯砌裂損相關力學原理、設計和施工技術、地質條件等其他相關因子分析其病害成因，總結得出隧道襯砌開裂的防治原則和有效的整治措施，以期對工程實踐提供理論依據(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力，為隧道提供足夠的結構安全儲備，防止圍巖變形坍落。襯砌開裂不僅破壞隧道結構的穩(wěn)定性、整體性，還將縮短運營隧道的使用壽命，造成極大的安全隱患[1]。

本文旨在針對公路隧道出現(xiàn)襯砌開裂甚至出現(xiàn)滲漏等病害時整治成本高、難度大、施工與運營相互干擾等問題；結合隧道結構特點、功能和病害發(fā)展情況對隧道裂縫進行跟蹤觀測；并查閱相關文獻、運用工作經(jīng)驗對幾種常見裂縫形式進行病害機理和成因的分析，提出相應的防治原則和整治措施[2]。將這些技術措施應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指導，服務在建隧道工程。

1 隧道襯砌裂損檢測

利用測量工具對隧道圍巖的形變、支護結構的工作狀態(tài)進行量測，有助于更加清晰地判斷襯砌病害的成因，并采取及時有效的措施。隧道裂損的檢測包括襯砌變形、裂縫觀測、裂縫寬度和深度測量以及襯砌背后空洞與密實性檢測等項目，最后根據(jù)檢測結果按照一定比例繪制裂縫觀測圖。

襯砌裂損的檢測方法[3]如下。

（1）襯砌變形：在變形部位設釬釘，釬釘上掛錘球（要求測出垂距），與埋設在隧底的固定點對應，以此為依據(jù)，觀測和計算襯砌形變。

（2）裂縫觀測：①灰塊測標觀測法：一般設在裂縫起止端、裂縫最寬或交合處，每3～5m設一塊。②釬釘測標觀測法：在裂縫兩側良好圬工中埋入一個L型釬釘和常規(guī)釬釘，釘尖相交于一點；通過兩釘尖相對位置的變化來量測裂縫的擴張程度和錯距。③金屬板測標觀測法：在裂縫兩側良好圬工中分別用2個標釘固定一塊有刻度的薄金屬板和有劃零點的薄金屬板，通過兩金屬板相互移動的位置來觀測裂縫寬度。

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

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

2 襯砌開裂的類型

我國現(xiàn)有的10022座典型公路隧道，根據(jù)隧道裂縫的相關文獻研究成果和調(diào)查統(tǒng)計，結合隧道工程實例檢測結果[4]。結合大量文獻資料和隧道工程實例檢測結果，本文擬根據(jù)裂縫走向和隧道長度方向的相互關系分類，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

（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，危險系數(shù)最高。拱頂由于內(nèi)緣壓力的存在，容易受內(nèi)側擠壓產(chǎn)生襯砌開裂，剝落掉塊；拱腰受襯砌內(nèi)緣張拉開裂；拱腳裂縫會使襯砌發(fā)生錯動，存在掉拱的可能性；邊墻裂紋容易受內(nèi)緣張拉錯位，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)生在進出洞口段或不良地質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力和環(huán)向受力共同作用形成拉應力，危害程度僅次于縱向裂縫，在進行襯砌加固時需做一定的特殊處理，如圖3。

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

3 襯砌開裂原因分析

隧道襯砌裂損的機理可以概括為：襯砌在地層壓力、巖石膨脹力和地震力等應力作用下，混凝土襯砌承受的應力超過其強度極限發(fā)生裂損[6]。襯砌開裂常見受力機理包括：（1）隧道圍巖壓力使襯砌結構發(fā)生拉彎效應，產(chǎn)生的應力超過了混凝土抗拉強度極限而發(fā)生彎張裂損，裂縫發(fā)展到一定程度后，拱背對應的位置可能會出現(xiàn)擠壓掉塊現(xiàn)象；（2）襯砌背后巖層局部推力會造成裂縫寬度較小的剪切裂縫，并伴有明顯錯臺，有滑移痕跡；（3）壓剪裂縫是在高應力擠壓下，產(chǎn)生刀刃形的尖劈狀裂縫，破口處無明顯鋸齒狀，有錯臺；（4）扭彎裂縫是由于巖層扭彎變形、基礎不均勻沉降而產(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 設計方面的原因

隧道在設計之初，因隧址區(qū)復雜地質條件的制約等因素，圍巖級別劃分與襯砌類型選擇相對困難，容易造成襯砌結構與巖層實際荷載不相適宜，引發(fā)裂損病害。客觀上，隧道在設計之初就不能絕對適時地按照圍巖實際情況調(diào)整設計方案，或是在施工中也得不到及時的糾正，這些因素都會導致隧道襯砌局部強度欠缺，引發(fā)襯砌局部開裂等病害[8]。

3.2 施工方面的原因

隧道施工技術條件要求較高，施工方法具有一定的特殊性，因此建設過程中受諸多問題干擾，這也是導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)控量測出現(xiàn)差錯、拱架支撐變形、坍塌等風險源沒有早發(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，當圍巖變形時，會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，加大襯砌負荷而損傷。

3.3 工程地質方面的原因

隧道工程所處地質空間環(huán)境的復雜性，多變性使隧道圍巖等級和覆土情況產(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。不對稱地形和地質條件的存在，如偏壓、節(jié)理、地質突變段和斷層也會使襯砌產(chǎn)生結構性裂縫。

3.4 侵蝕介質腐蝕的原因

隧道所處的地下空間環(huán)境濕度較大，氣態(tài)介質、腐蝕性水、固態(tài)介質中存在一定的酸堿鹽粒子。較多的侵蝕性介質更加有利于對襯砌腐蝕。如氣態(tài)介質或酸堿鹽溶液侵蝕緊貼圍巖側的混凝土襯砌面，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害，隧洞內(nèi)引發(fā)火災等不可抗力或不可預知因素等；隧道運營過程中維護不當,對已產(chǎn)生的病害未能做到及早發(fā)現(xiàn)、及時處理,未能采取積極有效的維護措施，使其進一步惡化。

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

襯砌裂縫的整治應結合裂縫寬度、受力狀態(tài)和發(fā)展情況綜合考慮。對不同裂損區(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合的綜合治理措施。盡量減少對原襯砌的擾動，避免破壞原襯砌結構的整體性、穩(wěn)定性。同時加強觀測，掌握裂縫變形情況，已有的襯砌裂損對結構造成的危害要及時控制并防止擴大[9]。

對運營中的隧道應合理安排施工，合理地控制行車流量，盡量減少對正常運行的干擾。對施工中的隧道應加強監(jiān)控量測，保證隧道襯砌錨噴加固、拱背壓漿等治理措施的施工質量，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

對于不影響結構安全性的一般淺表性細小裂縫，且無滲水，按照“預防為主、預防與整治相結合”原則，用砂漿抹面阻止細小裂縫的發(fā)展。

對于未貫穿襯砌厚度的局部細小裂縫，可用水泥漿嵌補或先鑿槽（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；添加10%～17%微膨脹劑可防止砂漿固結收縮。采用低壓灌注樹脂漿液技術，將統(tǒng)計好的裂縫寬度的裂縫進行清潔處理，并預留注漿口封閉裂縫，安設好注漿底座后進行漿液注入，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度密封砂漿封閉裂縫表面，防止裂縫進一步發(fā)展。當裂縫發(fā)展到1mm以上時，在封閉裂縫表面的同時還應注射環(huán)氧樹脂和高強度膠填充裂縫使其填充飽滿。襯砌裂縫填充封閉設計見圖4。

圖4 襯砌裂縫填充封閉設計

4.3 巖體穩(wěn)固措施

巖體的穩(wěn)固主要靠優(yōu)化圍巖周圍應力場分布，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，從而增強圍巖整體穩(wěn)定性[12]。

（1）錨桿加固技術：錨桿支護的形式主要有注漿錨桿支護、鋼拱架注漿錨桿加固、噴錨聯(lián)合支護、錨桿與金屬支架聯(lián)合支護等。錨桿支護屬于主動支護，具有支擋作用、懸吊作用和組合梁拱作用；以此增強圍巖的抗變形能力，提高圍巖強度，保持巖體長期穩(wěn)定。錨桿伸入圍巖內(nèi)部通過與圍巖的復合作用使圍巖成為一個有效的承載體和防護結構；就像混凝土中加入鋼筋一樣，起到了加強筋作用，可以最大限度地防止圍巖的松弛，增強錨固區(qū)巖體強度和整體性。在一定的超前工作面或土體深度加固，錨桿對圍巖有著預先控制的作用，能夠對巖體進行有效的超前支護。錨桿支護有著其他支護方式很多沒有的優(yōu)點[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造成的襯砌病害。注漿回填技術能夠有效地穩(wěn)固圍巖，使襯砌與圍巖緊密貼實，改善襯砌受力情況。然而注漿技術的難點在于控制注漿量和注漿壓力的控制。所以在回填、注漿施工前應對襯砌背后空洞大小進行檢測探明；擬定注漿量和注漿壓力，并試壓。注漿回填過程中要嚴控注漿壓力、注漿流量和注漿空隙間距，密切關注襯砌變形。注漿結束后應對注漿效果進行檢查，對未達到設計要求的斷面及時進行補注漿。

（3）滲水治理加固：治水措施應當遵循“防、排、堵、截相結合，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恢復裂損襯砌強度，堵水或排水設計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重、病害嚴重或多種病害并發(fā)的地段，對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。按照套拱結構加固的不同范圍，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）。襯砌結構嚴重破壞變形喪失承載能力，用其他補強措施難以保證結構穩(wěn)定，或襯砌已經(jīng)嚴重侵入限界時則應考慮更換襯砌。襯砌更換可分為整體襯砌結構更換和局部襯砌結構更換，見圖6（圖6（a）整體襯砌結構更換，圖6（b）局部襯砌結構更換）。施作套拱法應當考慮新舊拱圈的銜接方法，包括對新增拱圈支撐點作加固處理；設置適宜強度的拱腳支撐，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；對松動圍巖的預加固處理、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 隧道換拱結構加固

（2）錨噴加固：錨噴支護作為一種“柔性”支護，適應整治襯砌大面積裂損病害。錨噴支護可分為素噴、網(wǎng)噴、錨網(wǎng)噴和噴射早強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)合支護加固裂損襯砌，可根據(jù)實際工況考慮是否鋪設鋼筋網(wǎng)；此方法最大的優(yōu)點在于充分發(fā)揮錨桿、混凝土、鋼筋網(wǎng)三者優(yōu)勢綜合作用；噴層與原襯砌之間具能夠緊密粘結，形成剛度較大的新舊組合拱結構；同時加設鋼筋網(wǎng)大幅提高了組合拱結構的抗彎、抗剪強度和抗裂性，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水泥砂漿等可灌性好、抗?jié)B性耐腐蝕性強的廉價材料，有利于達到經(jīng)濟實用的效果。

5 結語

本文通過介紹隧道襯砌開裂的基本形態(tài)和檢測方法，重點分析病害形成機理和原因，以此作為理論依據(jù)。總結提出了隧道襯砌開裂的防治原則，以及在隧道在設計、施工、運營中，針對不同的襯砌裂損病害，采用相應的加固整治措施；包括：

（1）襯砌裂縫填充封閉修整技術及注漿技術。

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

（3）針對隧道襯砌較嚴重病害的套拱、換拱技術，錨噴襯砌加固技術等。

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

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責任編輯: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，研究方向為隧道工程及巖土工程。

李明（1978-），男，重慶人，博士，教授，研究方向為隧道工程及結構工程。