基于公路隧道襯砌裂縫成因分析及防治研究

(重慶交通大學 土木工程學院 重慶 400074)

引言

近些年來，國內高速公路事業取得了很大的發展，伴隨著大量的公路隧道建成并投入使用，極大地減輕了我國公路的發展壓力。然而，隧道的病害問題逐漸凸顯。目前，已經建成或在建的隧道中伴隨著大量的裂縫病害，這些裂縫產生的原因，以及其對隧道的結構有何種影響，如何去有效的防治裂縫所產生的不良影響成為了研究的重點。因而本文主要針對隧道襯砌裂縫的成因和防治問題進行了一些深入的研究。

一、隧道襯砌裂縫的成因分析

隧道襯砌裂縫產生的原因主要有以下幾點：隧道襯砌材料、環境、溫度、濕度、襯砌結構受力、施工方面、設計等[1]。

(一)襯砌材料的影響

(1)水泥混凝土的自收縮性：水泥混凝土主要是隧道襯砌結構所使用的材料，由于水泥混凝土具備有著自收縮性的一個明顯的特性，即同時會對襯砌結構上面來說會有一些重大的影響。混凝土的收縮方式主要有兩種方式，一是自收縮，二是干縮。自收縮指的是對于水泥膠結材料來說，它是在一個恒定的溫度和絕對的濕度這兩種條件下，由于水化的作用而引起的一個體積的收縮；干縮是混凝土在沒有養護后，丟失內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而導致的不可逆的收縮[2]。因而當隧道在施工以及運營中長時間的處于干燥的環境中往往會導致混凝圖出現開裂情況。

(2)襯砌結構配筋率的影響：襯砌結構的混凝土在一定范圍內增加配筋率能夠有效的降低收縮變形發生率并抑制裂縫的產生，然而配筋率過大會破壞原襯砌結構，導致裂縫情況的產生[3]。

(3)混凝土骨料的影響：襯砌結構中不同類別的骨料會對混凝土有著不同的影響，例如：砂巖為骨料的混凝土會導致襯砌結構收縮變形變大，然以石灰巖為骨料的混凝土不會導致襯砌結構收縮變形變大，因而裂縫也不容易產生，因而混凝土骨料要更多的選用石灰巖骨料。

(二)外部環境的影響

對于外部環境這個影響因素來說，它主要指的是由環境溫度、濕度和水泥溫度這些量的變化而引起的一種混凝土的水化熱這種變化。隨著環境溫度的一些降低，混凝土的收縮變形在一定程度上將受到一些影響，因而隧道結構在冬季時會發生比較大的變形。同時隧道所處環境濕度較大時也容易導致襯砌結構出現收縮變形情況，并引起混凝土裂縫情況的產生[4]。

二、隧道襯砌裂縫的防治研究

因為導致隧道襯砌裂縫的產生成因非常多，因而要根據視病害實際情況進行預防以及治理，主要方法如下所述：

(1)要嚴格把控設計施工：確保設計的科學性，要對隧道的地理位置、地質情況以及水文情況等進行全面科學有效的檢測，科學的設計襯砌結構契合圍巖，確保結構完整性；在施工的過程中要對進料、裝卸到施工、養護等多個方面進行全面的把控。

(2)裂縫表面涂抹：對于一些裂縫寬度小的(一般<0.3mm)、沒有明顯的剪切滑移和滲漏水的這些現象，主要可以用該方法進行防治；除此之外，對于一些襯砌結構來說，那些承載力影響比較小的、對隧道的安全和使用上面來說裂縫影響非常小的也同樣適用于此方法來進行有效的防治。在涂抹的過程中要確保灰漿能夠可以充分的進入到微裂縫的空隙當中，涂刷時厚度應要<0.2mm。

(3)對鉆眼、爆破水平進行進一步的優化：優化鉆眼以及光面爆破的水平，主要著眼于隧道開挖斷面的勘測還有控制隧道輪廓的開挖，這些對降低隧道襯砌結構裂縫的形成以及發展有非常重大的幫助。

本篇論文對江北萬興路隧道進行了建模分析，以判斷萬興路隧道在既有爆破參數下，對初次襯砌安全距離的要求。設置參數為：圍巖等級Ⅳ級，重度21.5kN/m3，彈性抗力系數350MPa/m，彈性模量7.437Gpa，泊松比0.35，內摩擦角33.0°，粘聚力0.45MPa。噴射混凝土模型參數為：彈性模量28Gpa，重度24.0kN/m3，泊松比0.25，設計厚度240mm，采用板單元，彈性本構模型。爆破參數設置為：炸藥密度1100kg/m3，爆速3000m/s，爆壓3000MPa，沖擊荷載峰值3.564MPa。

在爆破作用下，改變不同的初期支護厚度，通過觀察距離掌子面不同距離處的爆破振動速度，來確定爆破作用對初期支護的安全距離，并以此作為參考減少襯砌裂縫的產生。

表1 不同初期支護下的爆破安全距離

(4)裂縫埋管灌漿：埋管灌漿是針對于較大裂縫(寬度在0.3mm～0.5mm之間)、范圍較大或產生錯動現象、對結構穩定性產生危害的裂縫進行治理。

三、對連拱隧道襯砌結構裂縫的防治

伴隨著我國公路隧道的迅猛發展，單拱隧道當前已經不能滿足日益增長的交通的需求，連拱隧道由于其優點，大多數建成隧道已經變為連拱隧道，本文主要對拱隧道的襯砌裂縫治理措施進行深入的探討。本文連拱隧道襯砌裂縫的防治進行了如下的總結：

(1)因為雙連拱隧道一般都位于淺埋以及偏壓地段，其地質類型以及條件通常都很惡劣，因而施工過程中的監測、測量就非常重要。

(2)由于連拱隧道的地質條件，特別是隧道進口段對于Ⅳ、Ⅴ級圍巖，NATM方法已經對此類情況不適用。在發生施工擾動后，本來就位于淺埋以及偏壓地段，假如不能跟上隧道的二襯施工，洞口段發生坍塌幾率就會大大增加。

(3)在隧道的設計以及施工的過程中,要盡可能的改善防排水系統,并對隧道內的防排水狀況做到有效的檢測,并做好蓄水預處理方案。

(4)雙連拱隧道在施工時，要盡快的實現結構側撐以及支護工作，要確保雙連拱隧道中隔墻的穩定性，防止隔墻由于受力轉變過大而而導致損害的產生，同時要做好監測工作，確保施工的穩定進行。

四、結語

在我國隧道事業取得較大進展時，隧道襯砌裂縫成為了病害治理的研究重點。本文對隧道襯砌裂縫產生的原因進行了較為全面的闡述,并對隧道襯砌裂縫的防治進行了較為深入的研究,希望通過此能推動我國隧道事業的健康穩定發展。