高速公路隧道襯砌裂縫調查分析與處治研究

李亞利 曲曉東 馮衛星 安辰亮

(1.中交遠洲交通科技有限責任公司，河北 石家莊 050035； 2.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043)

1 概述

到2018年年底，我國公路隧道總數達到17 738座，運營里程為17 236.1 km。大量隧道的建設和投入運營，隧道襯砌的病害也隨之出現，其中襯砌裂縫是最常見的一種病害。襯砌裂縫的發展可能會帶來滲水、掉塊、掉拱等病害，進而對行人和車輛的安全產生威脅，影響公路的正常運營[1-7]。為了對隧道進行綜合整治，對襯砌裂縫的形成原因、分布狀況和處治措施進行研究顯得非常重要。

京承高速公路是G45大廣高速的一段，線路全長209.1 km，投資約200億元，其中承德段既是地方省級“五縱六橫七條線”高速公路網中的“一橫”，也是承德市市級高速網的重要組成部分。京承高速公路的開通對完善國家路網、促進國民經濟發展具有重大意義，能夠有效地促進華北地區與東北地區的交流聯系，對帶動承德地區的經濟發展具有積極的作用。

全長76.7 km的京承高速公路承德段范圍為南起司馬臺長城，北至承德市區南互通立交橋，2009年9月27日全線通車，該路段包含有7座分離式隧道，分別是金山嶺隧道(左右平均長度1 286.65 m)、新道溝隧道(左右平均長度285 m)、塔溝Ⅱ隧道(左右平均長度169 m)、塔溝隧道(左右平均長度621.28 m)、何家溝隧道(左右平均長度1 006.08 m)、尹家溝隧道(左右平均長度244 m)。自開通運營以來，這7座隧道陸續出現不同程度的襯砌開裂，有的還比較嚴重。為確保行車安全，需對裂縫進行調查分析，并做出處治。

2 襯砌裂縫調查與整理

襯砌裂縫現場調查采用檢測、拍照、描繪、記錄等方法進行，歷時兩周。對7座隧道調查資料進行匯總、整理和分析，可知襯砌裂縫分為三類，即環向裂縫、縱向裂縫以及斜向裂縫。

2.1 環向裂縫

環向裂縫一般都垂直隧道軸線(見圖1)，大部分出現在施工縫、沉降縫附近。比較典型的位置是在模筑混凝土的中間部位，裂縫從邊墻底部開始到拱腰附近結束，有的環向裂縫貫通襯砌橫斷面。左右邊墻都有裂縫，而且大致是兩邊對稱的。7座隧道中環向裂縫分布較多，所占比例較大。

2.2 縱向裂縫

縱向裂縫一般基本平行于隧道軸線(見圖2)，在拱腰和拱腳附近發生，盡管縱向裂縫數量不多，但是如果任由其發展，會導致邊墻斷裂、隧道掉拱等情況發生，嚴重時會出現隧道塌方。目前縱向裂縫對襯砌斷面的整體性尚未產生明顯影響。7座隧道均有不同程度的縱向裂縫存在。

2.3 斜向裂縫

斜向裂縫大致和隧道縱軸呈45°交角，長度也比較長，主要部位是拱腰和邊墻(見圖3)。斜向裂縫一般是由于剪應力大于混凝土的抗拉以及抗剪強度，斜面裂縫的具體危害較小，當裂縫寬度超過0.2 mm時，襯砌表面易出現滲水現象。7座隧道均有少量斜向裂縫。

3 襯砌裂縫成因分析

京承高速公路承德段7座隧道均采用新奧法原理進行設計，支護結構為初期支護和二次襯砌兩部分組成的復合式襯砌。初期支護由錨桿、鋼筋網、鋼格柵、噴射混凝土組合而成，二次襯砌為模注混凝土，初期支護和二襯之間鋪設防水板。

促使襯砌產生裂縫的因素很多，最主要的因素為設計、施工、溫差、地下水等。

3.1 設計方面

京承高速公路隧道設計于2004年，設計年代較早，使用JTJ 026—90公路隧道設計規范，同地區、同類型隧道的設計經驗偏少。

京承高速公路隧道由于地質條件較差，圍巖壓力較大。初期支護施作后變形較大，從而導致二次襯承受了較大的圍巖壓力，而且大部分二次襯砌用的是素混凝土，襯砌安全儲備不夠，隧道運營后出現了較多、較嚴重的裂縫。

當時設計中采用JTJ 026—90規范，與目前設計規范相比，設計中有以下幾方面的不足：1)中空錨桿長度較短；2)鋼筋格柵拱架用的多，工字鋼型鋼拱架用的少。格柵高度偏小，圍巖較好一點時還不使用鋼筋網；3)初期支護噴射混凝土厚度偏小，強度較低；4)預留變形量沉落量偏大；5)二次模注混凝土襯砌為素混凝土，強度較低，且厚度偏小；6)隧道設計時永久荷載未考慮地下水的作用。

3.2 施工方面

隧道施工中，沒有重視監控量測工作，對測量數據和資料未及時進行分析整理與反饋，從而未能指導設計和施工。在隧道施工過程中沒有充分利用圍巖、初期支護及二次襯砌三者之間的關系，施工時引起的變形縫、接槎縫是導致裂縫出現的重要因素。在施工過程中還存在如下問題：1)二次襯砌模筑混凝土施工工藝有缺陷，豎向分塊或堵頭模板設置不當，大體積混凝土澆筑中分層連續澆筑做的不好；2)預留拱部下沉量設置不當，邊墻基礎的虛碴未及時清理；3)過早拆模，混凝土強度還未達到設計強度的75%，就去掉支撐和模板；4)混凝土澆筑施工中有中斷現象，且中斷時間超過初凝時間，繼續澆時，原有混凝土表面處理不當。

3.3 環境方面

1)溫差影響。

京承高速承德段溫差較大，冬季特別冷，溫度非常低，氣溫突然下降時，封閉環狀襯砌結構表面溫度下降很快，而襯砌內側與圍巖密貼，溫度基本保持穩定，且變形受到圍巖約束，內外側劇烈的溫度差使襯砌結構產生較大的拉應力，導致襯砌混凝土開裂。

2)地下水影響。

7座隧道均有滲水痕跡，但是舊公路隧道設計規范中隧道的永久荷載沒有考慮水的影響，水壓力對隧道襯砌結構的作用是很大的。如果地下水不能排出，地下水將作用于支護結構，使得襯砌側向壓力加大，導致隧道從拱部到邊墻出現水平裂縫以及環狀開裂。除此之外，地下水還會使初期支護中的格柵鋼筋銹蝕，降低初期支護承載能力，從而加速二次襯砌裂縫等病害的發生和發展。

4 裂縫處治措施

根據現場實際情況、以往經驗和施工隊伍的習慣，采用如下處治方法：

1)不漏水的斜向、環向裂縫。

對于不漏水的斜向、環向裂縫主要采用“鑿槽填充”法來整治：沿裂縫鑿一深、寬為5 cm×5 cm的槽，并清槽；向槽內填充4 cm厚的高強度膨脹砂漿(配合比為水泥∶細骨料∶膨脹料UEA∶速凝劑=1∶1.2∶1.2∶0.6)；用配色砂漿(配合比為普通水泥∶細骨料∶白水泥∶水=1.8∶4.0∶1.0∶1.1)抹平剩余1 cm厚的槽面(見圖4)。

2)有滲漏水的環向及斜向裂縫。

對于有滲漏水的環向及斜向裂縫主要采用“鑿槽+導流+填充”法來整治，即沿裂縫走向將水引向裂縫最低點處的接縫排水管中，鑿槽與透水管連通，槽內用半片φ50 PVC導流管進行引排水處理，然后做填充與抹面：沿裂縫鑿一深、寬為5 cm×8 cm的槽，再在該槽內中間部位繼續鑿一深、寬為3 cm×5 cm的導流槽，并清槽；在導流槽內安設半片φ50 PVC管，用雙液漿(水泥漿∶水玻璃液=1∶1)封口抹平，并用單面塑料膠帶貼封，然后填充2 cm厚的高強度膨脹砂漿，接著再用單面塑料膠帶貼封，在貼封膠帶上再填充2 cm厚的高強度膨脹砂漿，最后用配色砂漿抹平剩余1 cm厚的槽面(見圖5)。

3)縱向裂縫。

對于縱向裂縫，不論是有水還是沒有水，都采用壓漿封堵的辦法進行處理，以保證隧道襯砌結構的安全。具體做法是：沿裂縫鑿一深、寬為8 cm×8 cm的槽，并清槽；往槽內填充7 cm厚的高強膨脹砂漿，填充中沿槽每隔60 cm預埋一個“6”型的注漿尖嘴(注漿尖嘴長為8 cm)，注漿嘴須頂在鑿槽底部，以確保下一步的注漿效果；高強膨脹砂漿凝固后向注漿尖嘴里注入事先調配好的漿液(環氧樹脂∶二丁脂∶乙二氨∶滑石粉=1∶1.2∶0.7∶0.8)，直到注滿為止；注漿完畢，用配色砂漿抹平剩余1 cm厚的槽面。對于局部縱向裂縫較多的地方，采用打設錨桿進行加強處理。

5 結語

在隧道施工與運營過程中，因受到設計方案、施工操作不規范、初期支護中錨桿效果不佳、襯砌周圍巖層結構變化、環境溫差、地下水等多種因素的作用，容易導致襯砌結構受力發生變化，當襯砌結構的拉應力大于極限應力時，襯砌表面就會出現裂縫。對于運營隧道，要做好日常維護保養，加強裂縫觀測，及時掌握裂縫發展變化趨勢與規律，發現問題及時處治，以確保隧道結構安全和行車安全。本文所介紹的工作在實際工程中取得了明顯的成效，可供類似工程參考。