在役隧道襯砌裂縫評價與治理探討

■王明智

（漳州通廣云平高速公路有限公司，漳州 363000）

公路隧道運營過程中，常因地質因素、施工先天缺陷、后期養護不到位等不同原因而產生裂縫、滲漏水、仰拱隆起、破損、施工縫錯臺等不同病害，其中裂縫和滲漏水病害尤為突出。 襯砌的開裂問題往往會使得隧道結構的安全性能降低， 加速襯砌的破壞，不加以控制甚至影響行車安全。 前人針對襯砌裂縫的發育規律及成因機制[1-3]、襯砌裂縫對隧道結構安全的影響分析[4-8]等方面已有大量的研究， 就裂縫成因機制和影響程度得出了廣泛共識。 同時伴隨近年來監測設施設備快速發展，公路隧道相關的健康監測也逐漸在大力推廣[9-10]。 但針對公路隧道裂縫的評價、 治理和長期維護的系統性研究相對較少， 因此本文擬結合隧道結構裂縫調查統計分析、典型裂縫影響分析、襯砌加固處治以及加固后長期監測等方面系統闡述運營公路隧道裂縫整治處理的整套思路， 為后續類似工程應用提供參考。

1 工程概況

獅頭崠隧道為單線雙洞分離式隧道，左線里程樁號為 ZK96 +660 ～ZK97 +339.223， 長度為679.223 m， 右線里程樁號為YK96+665～YK97+346.962，長度為681.962 m（圖1）。 隧道襯砌施工完成后在局部區段 （ZK96+760～ZK97+140，YK96+760～YK97+140）發育了多處二襯裂縫病害，病害段襯砌支護類型為Z4 型，初支為C25 噴射混凝土+鋼格柵支撐+A8 型鋼筋焊接網， 二襯為35 cm 厚C30防水混凝土（圖2）。

圖1 隧道現場圖

圖2 Z4 型復核支護立面圖

2 隧道調查與治理

2.1 隧道病害規律

依據獅頭崠隧道病害段調查結果，該段二襯裂縫左右線共有145 條。 （1）隧道左線共有74 條裂縫，按裂縫寬度可分為：細微裂縫（縫寬≤0.2 mm）23 條、常規裂縫（0.2 mm＜縫寬＜0.5 mm）18 條、超限裂縫（縫寬≥0.5 mm）33 條，按裂縫類型可分為：橫向裂縫32 條、 縱向裂縫24 條和斜向裂縫18 條；（2）隧道右線共有71 條裂縫，按裂縫寬度可分為：細微裂縫（縫寬≤0.2 mm）21 條、常規裂縫（0.2 mm＜縫寬＜0.5 mm）9 條、超限裂縫（縫寬≥0.5 mm）41條，按裂縫類型可分為：橫向裂縫42 條、縱向裂縫20 條和斜向裂縫9 條（圖3、4）。 以上裂縫多分布于左右墻位置， 右洞YK96+820～YK96+980 拱頂縱向裂縫相對集中，作為后續評價重點區段，該段病害展布圖見圖5。

圖3 左洞裂縫統計

圖4 右洞裂縫統計

圖5 右洞重點段病害展布圖（YK96+820～YK96+980）

2.2 隧道治理措施

隧道治理措施依據裂縫寬度進行選擇，對于裂縫超限或襯砌存在缺陷情況，裂縫修復后還需對結構進行加固，具體治理措施如下（表1）。

表1 隧道治理措施

2.2.1 隧道細微裂縫修復（縫寬≤0.2 mm）

隧道細微裂縫修復（縫寬≤0.2mm），即表面環氧膠封閉處理，具體步驟如下：（1）先剔除砼表面抹灰層，并用機械方法打磨平整；（2）涂刷低黏度改性環氧底膠， 涂刷時應使膠液在混凝土表面充分滲透，微裂紋內應含膠飽滿，必要時可沿裂縫多道涂刷；（3）在底膠干后，使用改性環氧砂漿處治砼表面缺損。

2.2.2 隧道常規裂縫修復（0.2 mm＜縫寬＜0.5 mm）

隧道常規裂縫修復（0.2 mm＜縫寬＜0.5 mm），即畢可法（恒壓灌漿法）處理，具體步驟如下：（1）對裂縫縫口及封邊表面清平；（2）在裂縫表面進行騎縫鉆孔，作為注射器底座導向孔；（3）用0.2 MPa 以上氣壓的壓縮空氣清除裂縫的灰渣和浮塵，沿縫長范圍內砼表面用丙酮進行清洗去污；（4）注射器底座應用丙酮洗凈后， 在底盤周圍均勻抹上1～2 mm 厚的改性環氧砂漿，并與孔眼對準埋貼于裂縫上；（5）根據施工實際采用妥善措施如水泥砂漿、改性環氧砂漿與漿液結合玻璃絲布封堵等進行嵌縫止漿處理，確保壓漿壓力作用下縫口密閉；（6）裂縫封堵至少1 d 后， 應進行壓氣試驗， 氣壓控制在0.2～0.4 MPa， 在封閉帶及嘴子周圍可涂肥皂水來檢查裂縫的封閉和嘴子的通暢， 對冒泡部位應再次封閉；（7）進行壓力灌漿時，保證壓漿頭與注射器底座密貼不漏氣；（8）漿液固化后，立即拆除注射器底座，并用改性環氧砂漿抹平，并及時用丙酮洗液對縫口周圍清洗。

2.2.3 隧道超限裂縫修復（縫寬≥0.5 mm）

隧道超限裂縫修復（縫寬≥0.5 mm），即埋管注漿和粘貼鋼帶加固，分為修復和加固。 裂縫修復采用開槽埋管注漿法進行處理，裂縫修復后對結構進行粘鋼加固，具體步驟如下：（1）鋼帶施工前應對襯砌表面打磨（深度2～3 mm），必須完全露出新面，并用壓縮空氣吹除粉塵， 然后將襯砌表面清理干凈；（2）錨固螺栓安裝，應先探測混凝土中鋼筋分布情況，盡可能避開受力主筋，標定位置后鉆孔，在鋼帶對應位置開孔，螺栓環向間距可根據現場情況作適當調整，通過錨栓將鋼板錨固于二次襯砌上，預留注漿間隙，同時注意不得破壞已處治好的裂縫處理措施，若裂縫處理措施被破壞，則需處治；（3）鋼帶粘貼，對螺栓固定的鋼帶用結構膠封邊，預埋灌膠嘴（環向間隔0.5～1 m 設置）、出氣孔，粘合劑的選用應能保證后續壓力注漿的要求， 封邊固化結硬后，方可壓入粘合劑，并保證注漿壓力持續、緩慢、均勻，保證注漿密實度。 待鋼帶施工完成后，再用環氧樹脂膠漿封面， 環氧樹脂膠封面應涂刷均勻，色澤與周圍混凝土保持一致。

3 隧道結構評價

為了解隧道結構因病害導致的承載性能下降情況，同時復核隧道修復加固措施效能，針對隧道結構開展評估，擬采用同濟曙光軟件——公路隧道設計與分析軟件V7.0， 原理為荷載-結構法。荷載-結構法為JTG 3370.1-2018 《公路隧道設計規范第一冊土建工程》推薦采用的標準隧道結構設計計算方法，從隧道力學的基本概念出發，考慮了隧道圍巖壓力與抗力的大小和分布模式， 同時考慮隧道襯砌結構的計算方法， 利用梁單元模擬襯砌結構承載軸向荷載、 剪切荷載與彎曲荷載的能力。

3.1 帶病害隧道結構分析

隧道病害結構計算建模時，重點考慮病害存在對梁單元上述3 種承受能力的影響。 隧道病害結構計算模型病害處理方式：（1）針對裂縫病害，應根據實際有效厚度與設計厚度比，折減計算出實際襯砌材料參數；（2）針對二襯厚度不足，則應用實際檢測結果對隧道結構進行建模。

隧道病害中縱向裂縫和厚度不足對結構整體承載性能影響較大， 針對右洞YK96+820～YK96+980 段縱向裂縫相對集中， 選取其中最不利斷面YK96+900 進行分析，該斷面支護類型為Z4，斷面圍巖等級為IV 級，二襯外荷載比例依據設計規范要求取30%分擔比， 該斷面兩側存在二襯厚度不足（最小左側27.3 cm），拱頂和右邊墻均分布縱向裂縫。

依據對獅頭崠隧道最不利斷面YK96+900 的無病害狀態和帶病害狀態計算對比分析可知：（1）如圖6（a）（b）（c）所示，襯砌支護結構在無病害狀態，結構安全系數滿足規范對素混凝土二襯最小安全系數3.6 的要求（表2）；（2）如圖6（d）（e）（f）所示，當模型依據檢測結果增加了縱向裂縫和厚度不足等病害時， 隧道結構整體受力規律發生了調整，整體承載性能出現了明顯的下降，因拱部縱向裂縫的發育， 隧道整體最小安全系數仍分布于拱頂部位，但數值出現了明顯的下降，由無病害狀態最小安全系數3.72 降低到病害狀態下最小安全系數1.2（表2），不再滿足規范要求，隧道結構存在安全隱患。

圖6 YK96+900 斷面隧道結構驗算圖

表2 YK96+900 斷面隧道結構驗算結果

3.2 隧道結構加固分析

針對目前隧道結構安全儲備低，拱頂和右側存在縱向裂縫，兩側邊墻厚度不足的情況，該斷面附近襯砌考慮采用對檢修道以上范圍進行二襯全斷面粘貼鋼板，鋼板采用6 mm×300 mm 熱軋鋼板，縱向間隔70 cm，二襯支護為Z4 型，錨栓采用M16 高強度化學錨栓，具體加固情況如圖7 所示。

圖7 獅頭崠隧道粘鋼加固示意圖

依據隧道的加固設計方案， 對該斷面加固后的結構安全性能進行驗算（圖8），在該斷面整環進行粘鋼處治后，襯砌結構整體性得以恢復，整體承載性能出現整體上升， 該斷面加固后彎矩值M達到－27.87 kN·m，軸力值為286.04 kN，最小安全系數恢復至4.64，滿足規范3.6 的要求，隧道結構加固后安全得到整體提升， 為后續養護運維提供安全保障。

圖8 YK96+900 斷面隧道結構加固驗算圖

4 隧道長期健康監測

隧道長期健康監測往往指對隧道結構病害、位移和受力等情況針對性開展監測工作[9-10]，即依據隧道結構存在的裂縫、厚度不足等病害問題，開展針對裂縫、表面應力的健康監測工作，旨在了解隧道結構加固治理效果，同時也是為了隧道后續運營安全考慮。 通過監測數據可第一時間反映隧道結構異常，及時采取措施治理可確保隧道安全，也可大大降低隧道運營維護成本。

4.1 裂縫監測

裂縫張開采用裂縫計開展自動化監測，實時采集裂縫變形數據，分析隧道裂縫張開變化原因及規律，對隧道結構變形等風險進行有效預測。 裂縫計監測點是根據各洞裂縫超限及地質條件進行布設，左洞布設7 個監測斷面， 右洞布設8 個監測斷面，一共布設15 個斷面，每個斷面安裝1 支裂縫計，裂縫計安裝情況如圖9 所示。

圖9 裂縫計現場圖

4.2 表面應力監測

表面應力采用表面應變計開展自動化監測，實時采集裂縫周邊應力變化數據，分析隧道裂縫應力變化原因及規律，對隧道結構變形等風險進行有效預測。 表面應力監測斷面布設與裂縫張開斷面一致，左洞布設7 個監測斷面，右洞布設8 個監測斷面，一共布設15 個斷面，每個斷面安裝1 支表面應變計，表面應變計安裝情況如圖10 所示。

圖10 表面應變計現場圖

4.3 健康監測分析

隧道病害處治后持續對裂縫寬度和表面應力進行監測，分析健康監測結果可知：（1）裂縫張開監測數據變化量較小，監測指標低于規范要求。 其中運營初期裂縫張開有輕微的波動，累計變化量最大值為0.13 mm，小于規范限值，監測3 個月后所有斷面裂縫張開變形均趨于穩定（圖11）。 （2）表面應力監測數據變化量較小，與裂縫張開變形情況基本一致，監測指標低于規范要求。 其中運營初期表面應力有輕微的波動，累計變化量最大值為－0.19 MPa，小于規范限值，監測3 個月后所有斷面表面應力變形趨于穩定（圖12）。 （3）依據運營期間隧道普查結果， 隧道表面結構未出現新增裂縫及其他病害，故判定隧道處于安全、穩定的狀態。

圖11 獅頭崠隧道裂縫張開累計變化時程曲線圖

圖12 獅頭崠隧道表面應力累計變化時程曲線圖

5 結論

通過對隧道病害段現場調查、病害治理、結構安全分析以及長期監測等進行探討， 得出以下結論：（1）隧道襯砌因縱向裂縫的發育以及襯砌厚度的不足疊加導致結構整體承載性能出現了明顯的下降，為隧道的運營安全帶來較大的安全隱患。 （2）針對二襯重點裂縫段采用粘鋼加固措施，對結構整體性能進行了修復，病害段經加固后隧道安全系數能滿足規范要求，也論證該加固措施的可靠性和可行性。 （3）為鞏固加固效果，維護隧道安全，通過埋設裂縫計、表面應力計等設備對裂縫的張開及周邊表面應力的變形進行長期自動化監測，監測數據反映出隧道加固效果良好，運營安全得到保障。 （4）伴隨越來越多公路隧道運營年限的增加，后續隧道治理和養護工作不斷增加。 對于存在安全隱患的隧道及時開展健康監測工作，可有效地跟蹤隧道結構安全并及時治理隱患， 保證隧道結構安全及行車安全。 隧道裂縫檢測、修復、加固、評價和健康監測工作的實施，可為類似公路隧道病害治理提供較為可靠的處理思路和流程。