公路隧道襯砌裂縫病害成因及統計規律分析

林海山 陳智超 王辰晨

摘要：受勘察設計、施工養護以及隧址區工程地質條件和水文地質條件等因素的綜合影響，運營公路隧道病害頻發，其中襯砌裂縫尤為常見。文章基于已有研究總結分析了公路隧道裂縫成因以及不同類型和形式裂縫數量的統計規律，可為新建或改擴建隧道以及運營隧道襯砌裂縫病害處治提供參考。

關鍵詞：公路隧道;襯砌裂縫;成因;形式;統計規律

0 引言

截至2018年年底，我國已建成通車的公路隧道為17 738處、17 236.1 km，比上一年增加1 509處、1 951.0 km，并且仍在逐年增長。隨著通車年限的增加，受勘察設計、施工、隧址區工程地質條件、水文地質條件以及養護管理等因素的影響，公路隧道病害愈加凸顯，其中尤以襯砌裂縫最為常見。公路工程質量檢驗評定標準規定：隧道襯砌鋼筋混凝土結構裂縫寬度不得超過0.2 mm，混凝土結構裂縫寬度則不得超過0.4 mm，不同形式和寬度的裂縫對于襯砌結構的影響也不盡相同，故而，掌握不同類型襯砌裂縫的成因尤其重要，不僅是針對裂縫病害“對癥下藥”的前提條件，也是病害處治效果的有力保障。

本文對隧道襯砌裂縫的成因與表現形式進行了總結分析，并基于已掌握的大量隧道病害檢測數據得出了不同類型和形式的襯砌裂縫數量的統計規律，為新建與改擴建隧道工程以及既有運營隧道養護提供參考。

1 隧道襯砌裂縫的成因

隧道襯砌裂縫的產生與發展往往是由多種因素綜合影響的結果，主要包括工程地質條件、勘察設計因素、施工技術水平與施工質量以及氣候與行車環境等因素。

1.1 工程地質條件

對隧道裂縫影響較大的地質條件包括地下水作用、不利地質條件和偏壓等。

（1）地下水作用：地下水作用包括襯砌外水壓力與水體凍結產生的凍脹力。隧道設計時往往不考慮地下水壓力對襯砌的作用，然而受排水系統局部堵塞或者失效以及雨季期間遭遇長時間強降雨的影響，導致襯砌背后的地下水不能及時排出且隧址區地下水位居高不下，隧道襯砌局部受力處于極限平衡狀態，從而引發隧道襯砌薄弱處開裂，包括隧道拱部到邊墻的水平裂縫、環向裂縫。寒區隧道襯砌背后及圍巖中的地下水凍結[=XQS（]公路隧道襯砌裂縫病害成因及統計規律分析/林海山，陳智超，王辰晨[=JP2]產生的凍脹力不僅會對襯砌結構產生主動土壓力，還會導致圍巖強度降低。隨著時間的推移，圍巖松動壓力會逐年發展，沿著拱頂縱向出現張拉裂縫。此外，襯砌還會因為處于侵蝕性地下水的長期浸泡造成劣化而產生裂縫。

（2）不利地質條件：隧道位于斷層破碎帶、巖溶等地下水富集區的圍巖壓力和圍巖環境復雜多變，導致襯砌結構受力不均或者局部受力超過極限承載力而產生裂縫甚至破損。例如，斷層破碎帶區域巖體松散、裂隙發育、松動土壓力大加上因富集地下水產生的水壓而導致襯砌出現裂縫。含黏土礦物的圍巖遇水體積膨脹產生的膨脹力，會隨著時間不斷增長，一般會引起隧道邊墻或拱肩水平開裂，接縫處則會產生錯臺。隧道上覆軟弱圍巖在長期蠕變作用下形成的變形壓力會持續作用在襯砌結構上，在拱頂附近沿隧道縱向多發生張拉性開裂，在拱的兩肩處產生斜向開裂。

（3）偏壓：偏壓即襯砌結構承受不對稱荷載作用，通常會誘發隧道襯砌產生縱向裂縫。偏壓的原因主要包括地形引起的偏壓和地質構造引起的偏壓兩種。

1.2 勘察設計因素

勘察設計階段主要影響因素包括圍巖級別劃分不準確、襯砌類型選擇不當、防水措施不足三種。

（1）圍巖級別劃分不準確：在勘察階段，受隧址區工程地質條件復雜多變，以及勘察深度、周期等因素的綜合制約，國內大多數隧道在勘測期開展的地質鉆孔的數量一般較少，難以獲得較為全面可靠的地質資料，可能導致部分區段圍巖級別劃分不準確，設計時依據該劃分結果選取的支護結構類型及設計參數也會出現較大的偏差，最終導致襯砌結構安全系數設計值不滿足實際和規范要求。

（2）襯砌類型選擇不當：如果在設計階段選取的襯砌類型與實際情況不符，且在施工中未能及時進行糾正，也會造成該地段的襯砌結構所承受的實際圍巖荷載與設計值不相匹配。

（3）防水措施不足：未充分考慮隧道所處山體復雜的水文地質條件，如排水溝設計排水能力不足導致雨季期間隧道長時間受到較高的地下水壓力作用，襯砌于薄弱位置出現裂縫。

1.3 施工因素

施工時，受技術條件、施工方法和工藝、施工管理等因素影響，造成隧道工程施工擾動大、施工質量差等問題，從而導致襯砌裂縫的產生。

（1）施工方法和工序不當：對于穩定性較差的松軟圍巖地段，采用先拱后墻法施工時，由于施工工序銜接不當導致襯砌成環不及時、拱架支撐變形下沉等原因，易引發拱部襯砌出現不均勻下沉，進而誘使拱腰和拱頂部位的襯砌在施工階段就產生早期裂縫。

（2）襯砌背后回填不密實：由于光面爆破質量差、超挖以及壓漿回填不及時等原因，模筑混凝土襯砌拱背部位常出現拱頂襯砌與圍巖接觸不密實且存在空隙的情況，造成拱部處于“馬鞍形”受力狀態，即兩邊受力大、中間受力小，對應拱腰內移張裂，而拱頂上抬且內緣受擠壓。

（3）襯砌厚度不足：由于施工中測量放線出現差錯、欠挖、模板拱架變形等原因在施工中未能及時糾正和妥善處理，造成隧道襯砌局部位置的厚度小于設計值。

此外，鄰近工程施工引發的巖土擾動、拆模時間過早、施工縫處理不當、混凝土配合比控制不當或者振搗不充分等，也會對混凝土襯砌的施工質量造成影響。

1.4 環境因素

由于隧道所處的自然條件、氣候條件、混凝土材料性質、運營車輛等因素，造成隧道襯砌結構產生裂縫。

（1）混凝土材料性質：混凝土本身的干縮、塑性收縮、溫縮、碳化等現象是產生裂縫的重要原因。

（2）運營環境：在車輛荷載或地震等動荷載的作用下，導致襯砌混凝土發生疲勞破壞，產生裂縫。

2 隧道襯砌裂縫的表現形式

為了便于描述隧道裂縫的形態，一般將隧道襯砌劃分為左右側邊墻、左右側拱部，以及隧道底部的仰拱共五部分。其中拱部又可分為拱頂、拱腰與拱腳，邊墻可以分為墻頂、墻腰、墻腳，仰拱可以分為仰拱底部、仰拱拱腳。依據隧道裂縫成因、襯砌受力形態和裂縫走向的不同，對隧道襯砌裂縫有不同的分類方法。

2.1 按裂縫成因分類

隧道襯砌結構在運營期承受的荷載主要包括各種外荷載和變形荷載。隧道襯砌裂縫按成因可以分為以下兩種。

（1）各種靜荷載、動荷載等引起的裂縫。靜荷載主要有圍巖壓力、靜水壓力;動荷載有動水壓力、地震荷載、人工爆破振動等。

（2）由變形荷載引起的裂縫，包括溫度、收縮、不均勻沉降等因素，其機理是襯砌結構變形得不到滿足，產生的應力超過襯砌材料抗拉強度時導致襯砌發生張性開裂。

由外荷載引起的裂縫表明可能存在襯砌結構承載力不足或者其他質量缺陷問題，由變形引起的裂縫一般對襯砌結構承載力的影響很小，可以不考慮。

2.2 按裂縫走向分類

根據隧道襯砌裂縫走向及其和隧道軸線方向之間的關系，可以將裂縫分為環向裂縫、縱向裂縫和斜向裂縫三種。環向裂縫一般對襯砌結構承載力的影響較小，而拱部和邊墻的縱向裂縫和斜向裂縫因為會對襯砌結構的完整性和整體性造成破壞，因而危害較大。

（1）環向裂縫。環向裂縫垂直于隧道縱向軸線，主要由縱向不均勻荷載、圍巖地質變化等因素所造成，通常發生在隧道洞口或不良地質段與完整圍巖地層交界處。

（2）縱向裂縫。縱向裂縫平行于隧道縱向軸線，危害性較大。從受力角度分析，拱頂混凝土襯砌一般由于內緣受壓從而引發襯砌開裂、剝落掉塊;拱腰部位則是內緣受拉導致張裂;拱腳部位的縱向裂縫會使襯砌因錯位導致掉拱;邊墻的縱向裂縫由于襯砌內緣受拉張開而錯位，可能導致隧道失穩。

（3）斜向裂縫。斜向裂縫通常與隧道縱向軸線斜交，多受由襯砌環向應力和縱向應力組合而成的拉應力作用所致，其危害性僅次于縱向裂縫。

3 隧道襯砌裂縫數量統計規律分析

本文對國內497座運營公路隧道存在的不同走向裂縫的數量進行了統計分析，結果如圖1所示。

其中，環向裂縫為18 361處，占比44.56%;縱向裂縫為14 493處，占比35.14%;斜向裂縫為8 353處，占比20.27%，裂縫病害總計41 207處。總體而言，環向裂縫最多，其次是縱向裂縫，而且二者總和占比近80%，斜向裂縫占比最小。

4 結語

本文通過總結公路隧道襯砌裂縫的成因以及對不同表現形式裂縫的數量進行統計分析，總結如下：

（1）隧道襯砌裂縫的成因主要包括工程地質條件、勘察設計因素、施工技術水平與施工質量等。

（2）運營公路隧道襯砌裂縫以環向裂縫為主，其次是縱向裂縫，斜向裂縫的占比最小。

（3）環向裂縫一般對襯砌結構承載力的影響較小;縱向裂縫是影響隧道襯砌承載力的主要裂縫形式;斜向裂縫的危害性僅次于縱向裂縫。

工程實踐中應及時對隧道襯砌出現的縱向裂縫和斜向裂縫進行封閉處治。

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