公路隧道襯砌裂損相關研究

劉久正

（山西省襄汾公路管理段，山西臨汾 041000）

0 引言

伴隨社會經濟的發展，我國公路隧道的總里程不斷擴大，道路交通網絡的輻射范圍越來越廣，同時交通運輸工具的數量和噸位也在不斷增加，對于公路隧道的建設施工技術水平也提出了新的要求。道路交通網絡的不斷擴大開辟了新的經濟可能性，有利于社區的可持續發展。然而，如何處理公路隧道襯砌裂損相關問題，是有關部門在修建公路隧道中遇到的難點、重點問題。為了保證公路隧道在這種獨特環境下的完整性和穩定性，必須積極解決隧道襯砌裂損問題。

1 我國公路隧道的發展歷史

公元前2000年左右，古巴比倫人在幼發拉底河下游地區修建了一條石灰巖砌筑的人行道。這是目前已知世界上最早被用于運輸的隧道，他們是在河流的枯水期，采用了明挖方式進行修建。公元前36年，古羅馬人修建了世界第一條公路隧道，在那不勒斯山和普佐里山之間開挖了長約2000m、寬7m、高10m 的公路隧道，是一條在石灰巖中修建的較長隧道。而我國的隧道修建于公元66年，為了施工方便從而省去了襯砌結構，大多建在堅硬的巖石中。在修建隧道的整個過程中，首先加熱周圍的巖壁，其次用冰水冷卻從而達到先膨脹后收縮開裂，以便開挖。但到了中世紀時，隧道則主要用于挖礦和軍事戰爭的目的。隨著現代工程技術和軌道交通業的迅猛發展以及火藥的廣泛應用，到了17、18世紀，我國的高速公路隧道建筑得到了蓬勃的發展；19世紀由于鐵路建設的迅猛發展，使得我國隧道建筑工程隨之發展，修建了許多隧道。20世紀以來，由于車輛交通量不斷增加，導致公路線路標準也相應提高，公路隧道數量也隨之越來越多。

鐵路隧道是我國最早修建的隧道。早在1970年以前，我國修建的鐵路隧道主要是采用了礦山法進行施工，但是并沒有采取任何防水措施。當時隧道滲漏的強弱主要取決于雨水流量的大小以及地下水位的高低。至1970年以后，隨著新奧法逐漸傳入中國，鐵路隧道開始使用混凝土結構。但由于施工技術及施工工具落后，混凝土結構出現各式各樣的裂縫，公路隧道的滲漏結果沒有發生變化。隨著電氣化機車的和較長隧道的出現，在1980年以后，人們開始意識到隧道滲漏是隧道工程最為重要的病害。由于我國公路隧道出現時間較晚，也沒有足夠的施工經驗，都是按照鐵路隧道的施工經驗來施工的，從而導致隧道出現了很多的施工縫，漏水嚴重。1980年以后，隨著國家的重視，工程師們提出了比鐵路隧道更高的要求?！豆匪淼涝O計規范》（JTJ 026—1990）中首次提出對地下水的一般處理方法和原則，即“防、排、截、堵”有機結合，因地制宜進行綜合治理；同時還明確規定普通高速公路和隧道的施工防水要求：拱部不能滴水，邊墻不能滴水；設備箱孔口處路面上無任何積水、泄露或滲漏；隧道內襯砌后無雨淋水，凍結區內的排水溝未凍結。

2 公路隧道襯砌裂損的理論概述

因為地下水位的功效、地質構造對土壤層壓力的相互影響、地震災害的應力或別的人為要素的相互影響，隧道襯砌主體工程很有可能一起發生裂縫和斷層剝離、錯臺等狀況，導致全部地下隧道不能正常的工作，通稱為隧道襯砌裂損。

襯砌變形包含橫向變形和縱向變形。其中，橫向變形是關鍵變形。襯砌變形的橫向變形就是指襯砌由力造成拱形門樣式的轉變。襯砌挪動就是指兩端對齊的所有或一部分轉變，如轉動、移動、下移或升高，也是有豎直和橫向挪動的裂縫，通常出現在拱頂、拱腰、拱腳和外壁部位。隧道襯砌裂縫方位一般以縱向裂縫、斜裂縫、環裂、拱脫等多種方式呈現，其中縱向裂縫損害所占比例較大，大部分出現在拱腰部位。

3 國內外公路隧道襯砌裂損相關研究

國外對襯砌裂縫的研究起步較早，最早可以追溯到19世紀中葉，延續至今，并取得各種成績。Dea-Hyuk 在四座服役五年以下的公路隧道中，發現4 種類型的裂縫，分析其數據并總結得出了縱向裂縫是影響公路隧道襯砌安全可靠的重要因素。Toshio-Askua 和Yoshikojima 針對法國的公路隧道襯砌變形進行了較深入的研究分析，同時總結得出了公路隧道襯砌裂損的有關整治措施，并且指出公路隧道檢測方法中無損檢測法是新方向。Bemardionchiai 和Alessandropfantiili 等人首先建立了關于隧道中玻璃纖維材料的鋼筋混凝土襯砌的性能評價分析模型，利用該分析模型能夠相對準確地判斷出裂縫可能產生的寬度、間距和厚度。Mikhailpleshk 對俄羅斯南部地區的鐵路隧道進行了研究分析，并對其混凝土結構進行了計算，得出襯砌結構的承載力明顯比正常結構低，最小主應力明顯增加，混凝土表面病害嚴重的結論，指出鐵路在運營中應注意襯砌質量缺陷。

為此，我國的隧道工程師們開展了更為深入、全面和系統的研究。經過不懈的努力，在公路隧道襯砌裂損的各個方面都取得了極大的成就，張偉、李夕兵、宮鳳強、李地元等人分析了隧道襯砌裂縫產生的原因，得出了勘察設計、施工技術、地質環境等因素對襯砌裂縫的影響。

同時，對隧道襯砌應力進行了ANSIS 有限元計算。結果表明，隧道襯砌裂縫主要分布在拱頂、拱腳和拱腰部位。盧穎明和陳禮偉等人系統地介紹了現有的公路隧道襯砌裂損病害，并進行了歸納總結，對公路隧道襯砌裂損病害的成因進行了系統性的分析，總結得出了隧道病害主要是由外力、水、襯砌裂損等其他病害引起的。張素磊、王磊等人通過對甘肅省重點公路隧道襯砌裂損的研究，總結得出了公路隧道襯砌裂損的發展規律及特點。

4 公路隧道襯砌裂損成因研究

4.1 勘察設計方面成因分析

在隧道工程設計中，由于隧道圍巖的結構分類不準確，襯砌混凝土結構選取不當，從而導致各種襯砌結構材料與建筑圍巖的實際受力載荷不相適應，產生裂縫破壞。

水文地質條件復雜多變。由于受設計和勘察深度的影響，大量的隧道只有少部分進行地質勘察鉆孔，在設計階段難以獲得全面完整、精細的地質信息?？赡苓€出現某些地點圍巖的分類不準確，襯砌結構類型的選擇錯誤、錯位或者漏判，導致該地點的襯砌結構不符合圍巖的實際負荷。例如：

其一，對于一些膨脹性的圍巖地段，沒有采用彎曲墻和仰拱式的襯砌；

其二，該進行偏壓的地段沒有使用偏壓襯砌；

其三，襯砌結構在斷層破碎帶、褶皺地帶區等局部范圍內的巖石松動壓力或構造應力較大的地方，沒有進行相應加固處理；

其四，對于混凝土基底軟弱且容易被風化淤泥的地段，沒有設置排水措施，同時混凝土敷設的厚度不夠。

4.2 施工方面成因分析

在施工設計的過程中，由于各種技術條件的影響，造成了施工方法不合理，管理措施欠缺，工程質量較差，拱腰出現早期裂縫。二級以下的圍巖通常是采取先拱后墻的施工方式。在施工的過程中，拱架發生了變形和下沉，導致拱內襯不均勻而出現沉降，拱腰出現早期裂縫。由于建筑工藝之間的搭接不好、襯砌保護措施不及時、拱底襯砌懸掛段使用時間過長、拱支護變形而出現下沉等各種原因，容易導致拱體襯砌不均勻的沉降和拱腰、拱頂襯砌早期施工裂縫。

施工過程質量安全監督檢查管理保障措施不完善，混凝土鋼筋原材料檢查不嚴，施工材料配合比質量控制不嚴，水灰比太大，混凝土鋼筋搗實施工質量差，拱部由于間歇澆筑而成的水平裂縫等，導致了鋼筋襯砌施工質量差，承載能力明顯降低。由于工人測量材料放線產生誤差、欠挖、工人沒有按照規范進行施工等多種原因，在施工過程中處理不當而直接導致了基層局部墻體的襯砌層面的厚度不足。如果過早地拆除了襯砌模板的內部支撐，襯砌無法承受可能超出允許荷載的荷載，從而導致開裂。

5 公路隧道襯砌裂損的防治措施

5.1 采用先進的技術設備

加強對地質的勘探，為公路隧道襯砌結構的設計人員提供精確的建筑工程地質資料和水文地質數據。在設計前，應該使用地質雷達進行探測，在施工過程中也應該對工程進行復查和檢測。對于不良地質地段的襯砌，應貫徹“寧強勿弱，寧直勿曲，加強襯砌過渡段，寧長勿短”的設計原則。例如，某隧道原本設計為二級圍巖路段，總長200 多米。經過開挖發現，大部分土石只能被當作Ⅳ類的圍巖，差異很大。因此，在設計中，襯砌結構不能很好地滿足現場實際的地質條件，這一問題往往會成為在施工現場中經常面臨的問題。為了彌補設計過程中的漏洞，現場施工技術人員均應及時根據設計圖紙檢查開挖后范圍內的隧道狀態。若有不合理之處，不應該盲目地按照設計圖紙進行施工，而是應立刻與設計師進行協商并做出一些相應的變更。

5.2 加強施工管控制

裂縫無任何滲水情況，可以采取水泥漿進行修補，或先鑿毛后抹1∶1 水泥砂漿或環氧樹脂砂漿。為了防止砂漿固結和收縮，配制時最好摻入10%～17%的微膨脹劑。拱圈上出現了許多裂縫，有些甚至喪失了承載能力，原則上要將拱圈拆除并重建。通常選擇噴錨網或噴早強型鋼纖維混凝土；當拱裂縫嚴重，但拱圈的基本形狀無巨大變形時，可以考慮采用素噴混凝土的方法來進行處理。以往，對于隧道開裂或者變形較大的隧道襯砌，作為暫時性的加固和施工安全保護措施，常采取鋼拱來支護。當隧道內的凈空量足夠時，可在襯砌內搭設；當間隙不夠時，應鑿入襯砌。作為一種永久性加固措施，當凈空量較大時，通常選擇在隧道內再次架設一個鋼筋混凝土拱來進行加固；當建筑物的襯砌損壞或變形較大，侵入隧道的施工邊界段時，采用換襯法。

二次襯砌混凝土材料改良。要注意嚴格控制配合比，尤其是水灰比。通過合理地添加膨脹劑、外加劑，可以有效地降低二次襯砌中鋼筋混凝土的溫度收縮和失水收縮，提高二次襯砌的抗裂性能。增強隧道施工管理技術，各道工序之前都需要向工人進行一次技術交底。嚴格遵守規范進行施工，發現問題立即整改，確保隧道施工質量。拆模前應測量混凝土強度是否達到拆模強度。

5.3 做好隧道襯砌裂損病害檢測

公路隧道的可靠運作尤為重要。在進行病害管理之前，要做好全方位檢查，把握襯砌構造的具體情況，依據目前病害特點開展剖析，明確提出相應的處理方案。檢測工作人員應具有專業技能，依據目前統計數據開展分析，挑選合理的檢查技術，制訂檢查方案，進行公路隧道襯砌裂損病害檢驗實踐，并為管理方法提供重要的依據和支持。要對取得的病害檢查結果開展全方位檢查，嚴控檢查結果的質量。積極主動引入新技術、新方式、病害檢查標準。目前，隧道狀況檢驗領域的新技術應用已經開拓創新，環狀激光線技術、隧道病害檢測系統等眾多出色技術已經形成。激光點轉動速率到轉動精確測量、檢查速度比較慢的缺陷、360°環狀激光線投影技術、快速數碼照相機能快速地收集隧道表面的激光線圖像。在轉化成隧道表面形狀坐標的同時，給予提高了隧道檢查的實際效果和品質。另一個實例是，服務機器人也被用于隧道檢查產業鏈，表現出了優越的成效。利用新技術應用和新的工業設備，維持隧道襯砌損害檢查水準，有益于管理工作的進度。

5.4 做好病害治理環節的控制

在隧道施工襯砌縫隙病害整頓工作中，應以質量安全性為核心，開展施工項目管理，并采用下列控制方案。

引入整治技術。依據制定的病害管理方案，梳理管理工作的核心內容和難點，交到工程項目檢查員。檢查員把握新技術應用、新方式使用的重點，全面推行管理方法、防范措施。

控制好管理方面質量。依據對公路隧道襯砌縫隙管理方法的質量風險評估，緊緊圍繞原材料和機器設備等開展實際操作?？刂茩z修所需材料的訂購和應用過程，控制原材料質量和熱塑性樹脂的比率等，減少對檢修質量的影響。在病害管理期間，督促工程施工組嚴格遵守設計規范，避免質量問題和安全隱患，查驗病害管理方法的效果，產生更多的盈利和價值。病害管理方法實施后，運用專業技術開展查驗，妥善處置目前的質量問題。

6 結語

公路隧道襯砌裂損對我國人民群眾的生命和財產安全造成了嚴重的威脅，產生了一系列社會和經濟方面的問題。因此，對于公路隧道襯砌裂損的問題進行防治是迫在眉睫的。對于公路隧道滲漏水與襯砌裂損成因進行了分析并給出了相應的解決措施，做好質量與安全的整體把控，積極推廣應用現代化技術，適應檢測的新形勢與新要求，安全、高效地治理病害，助力隧道安全運行。