隧道襯砌裂縫深度測量方法和設備研究

袁夢雅，曾劍鋒，楊明，龐劍，趙干順

（1 廣西北投能源投資集團有限公司，廣西南寧 530000；2 廣西北投公路建設投資集團有限公司，廣西南寧 530000）

0 引言

隨著我國經濟的發展和路網建設規模的擴大，公路隧道的數量逐漸增加，規模日益擴大。越來越多的隧道建成，隧道病害的問題也越發凸顯。由于混凝土抗拉強度低，當出現溫度變化、受力不均等情況時，很容易出現裂縫，裂縫對于隧道襯砌而言是極為常見的一種病害。當裂縫剛開始出現時可能比較微小，不影響隧道混凝土結構的承載能力和使用功能，但若任由裂縫發展，則可能導致較為嚴重的后果。輕則影響混凝土表觀給人的視覺安全和舒適的感受，重則改變隧道結構的受力狀況，降低混凝土承載能力，甚至可能出現永久損壞和坍塌的風險。而且從混凝土結構耐久性角度來看，裂縫的出現，容易導致鋼筋銹蝕，降低隧道結構的使用壽命。隧道襯砌裂縫的檢測是應對裂縫病害問題的關鍵環節。長期以來，隨著光學技術、計算機圖像識別技術[1]和超聲波技術的進步，我國的裂縫檢測技術也取得長足發展。但是，由于隧道規模的差異以及出現裂縫的范圍和嚴重程度不同，現有的一些裂縫檢測技術也有局限性。現有的技術設備中，對襯砌裂縫深度的關注不足，能夠對其進行測量的也比較少，而且對于一些長度較短的隧道，裂縫相對較少，出現位置也比較集中的情況，采用這些先進的檢測技術和設備也并不經濟。針對現有研究和技術設備上的不足之處，本文提出了一種能對隧道裂縫深度進行測量的方法，并且形成了一套使用簡單方便、成本低廉、安全可靠的襯砌裂縫深度測量裝置，能夠粗略地評估隧道襯砌裂縫深度，實時地監控裂縫動態。

1 隧道襯砌裂縫成因及檢測技術

1.1 襯砌裂縫成因分析

隧道襯砌裂縫是隧道工程中難以避免的問題，出現裂縫是襯砌混凝土結構抗滲性能降低的直接原因，若任其發展，讓水分和空氣接觸到鋼筋，會導致鋼筋銹蝕，影響結構的耐久性。裂縫也是導致隧道襯砌滲漏水的直接原因，尤其是在寒冷地區，隧道裂縫導致滲漏水，當水在裂縫當中經過凍融循環之后，裂縫會進一步擴大，形成滲水通道，影響隧道的正常運營。導致隧道襯砌產生裂縫的原因可以歸結為兩大類：一類為內因，主要為襯砌自身材料因素導致裂縫產生；另一類為外因，主要為施工、外力、溫度等因素導致裂縫產生。

導致襯砌混凝土開裂的內因主要有水泥混凝土的自收縮特性、襯砌的配筋率、骨料的強度、使用的外加劑等。混凝土在膠凝硬化的過程中，體積收縮而產生裂縫。用于澆筑隧道襯砌的混凝土，通常采用泵送施工的工藝，為了保證足夠的流動性，不堵管，水灰比也設計得比較大。水灰比越大，混凝土干縮量也越大，在混凝土凝固成型時內部收縮應力也比較大，容易產生裂縫。配筋是控制混凝土結構裂縫的重要手段，根據相關規范進行混凝土結構設計，可以將裂縫寬度控制在可以接受的范圍之內。而在滿足結構強度要求的同時，適當增加混凝土結構的配筋率，有利于減小襯砌混凝土的收縮變形，從而減小裂縫。另外，選擇強度高的骨料也有利于抵制襯砌混凝土裂縫的產生。這是因為混凝土在承受荷載時，若骨料的強度較低易破碎，則容易導致混凝土收縮變形而產生裂縫。在拌制襯砌混凝土時摻入外加劑對襯砌裂縫也會有一定的影響。針對前述襯砌混凝土可泵性要求高的情況，可以通過配合比試驗，合理使用添加劑來實現。為了達到保證混凝土流動性的同時減小水灰比，從而減少混凝土凝結過程中產生收縮裂縫的目的，通常可以在混凝土中添加泵送劑、減水劑等添加劑。

導致襯砌混凝土開裂的外因主要有施工因素、環境溫濕度因素、隧道受力情況等。導致襯砌開裂的施工因素有：施工方法本身的缺陷或施工方法選擇不當導致裂縫產生；施工過程中未及時支護導致圍巖變形過大而導致裂縫產生；由于隧道毛洞存在超挖，澆筑襯砌前未回填密實，襯砌因空洞的緣故長期受力不均，局部應力過大而導致混凝土開裂；未按要求進行養護，襯砌施工質量差，局部欠挖，襯砌厚薄不均，未按要求施工沉降縫等都可能引起襯砌開裂。環境溫濕度變化過大也容易導致隧道襯砌開裂，尤其是隧道的洞口段最易受溫度變化的影響，環境溫度越低、濕度越小，襯砌的收縮變形越大，越容易變形開裂。隧道受力情況導致的襯砌開裂主要有以下幾個方面：隧道偏壓，受力不均而導致局部開裂[2]；混凝土養護時間不足，提前拆模導致混凝土強度不足以承受荷載，而造成襯砌開裂；當隧道所處地質環境水壓較高時，若排水泄壓設施淤堵，水壓升高也會導致混凝土開裂[3]；實際圍巖條件與設計參數有出入，襯砌參數與實際受力條件不匹配而導致開裂；不均勻沉降、受到膨脹性的土壓力作用、運營過程中受到車輛撞擊荷載等均會導致襯砌裂縫的產生。

1.2 現有隧道襯砌裂縫深度測量技術及其不足

由于隧道的裂縫會對襯砌結構的安全性和耐久性造成很大的影響，因此必須對隧道裂縫病害進行治理，而對裂縫進行治理的前提則是對裂縫進行檢測，以便選擇合適的處置方式。隨著隧道建設規模的擴大和科學技術的進步，隧道病害的檢測技術也有了很大的發展。傳統的裂縫檢測方式為人工現場勘測。隨著圖像識別技術、CT 掃描技術和結構光技術的發展，這些技術也被應用于隧道襯砌裂縫的檢測當中[4]。雖然這些技術的革新應用為隧道襯砌裂縫檢測帶來了新的方案，提高了裂縫檢測的效率，但是他們也有各自的局限性。例如，數字圖像處理技術和結構光裂縫檢測技術只能獲得裂縫寬度、長度等信息，無法檢測裂縫的深度；超聲波檢測技術雖然能通過測試數據來分析裂縫的深度，例如“KON-FSY 裂縫深度測試儀”[5]“混凝土多功能無損測試儀”“ZBL-F610 裂縫測深儀”等，但是超聲法測量的裂縫不能充水，且超聲法檢測受混凝土內鋼筋影響很大，然而這兩點條件恰恰是隧道襯砌難以保證的。采用超聲法測量襯砌裂縫深度，成本往往較高但檢測的結果卻很難保證準確，實際工程中應用性價比太低。

2 隧道襯砌裂縫深度測量裝置

2.1 基本原理及組成

眾所周知，當水位高度相同時，可以獲得相同的壓力水頭。在壓力水頭的作用下水會流入裂縫中。當遇到不同的裂縫深度和寬度時，水流的速度也相應改變，當裂縫寬度為零時，水流不流動，此時的流速為零，當裂縫深度較大，超出一定范圍時，水流速度達到最大值。

根據上述基本原理構建襯砌裂縫深度測量裝置的基本原理圖（圖1），測量裝置主要由水箱、調壓水箱、測量水槽三大部件組成。水箱中設置了水泵，可以將水抽至調壓水箱，同時調壓水箱與水箱連接出水管，出水管伸進調壓水箱一定高度，當調壓水箱中的水位到達出水管高度時，調壓水箱中的水會從出水管流回水箱，以此來獲得恒定的水位高度。具有恒定水頭高度的水通過輸水管流至測量水槽與襯砌組合成的槽型空間，并滲進裂縫當中。過程中通過水表監測輸水管的流量，并測量恒壓下輸水管流量和輸水管的橫截面面積，之后通過線性插值計算襯砌裂縫橫截面面積，再通過尺子量取襯砌裂縫的寬度，最后根據三角形的幾何關系計算襯砌裂縫的徑向深度。

圖1 裂縫深度測量裝置的基本原理圖

為了便于描述，設橫截面面積的符號：裂縫的為Ax，輸水管的為Ap；設輸水管的流速符號：當水流滲入裂縫時監測得到的實際流速為Vx，恒定壓力時的流速為Vmax；輸水管流量符號：當水流滲入裂縫時監測得到的實際流量為Qx，恒定壓力下的流量為Qmax；裂縫寬度為：D；裂縫徑向深度為：H。

當襯砌上不存在裂縫時，Ax=0，此時Vx=0；當裂縫深度超過一定范圍時，Vx=Vmax，此時Ax≥Ap，根據線性插值原理可知：

由于水在輸水管中流動是充滿管道的狀態，因而有：

本次設計的裂縫深度測量裝置的輸水管擬采用塑料圓管，由于輸水管很短，水流速度也不大，因此可以忽略不計水流在圓管中的流動而導致的水頭沿程損失。根據三角形的幾何關系可知：

根據上述原理設計裂縫深度測量裝置的具體結構，如圖2、圖3 所示。調壓水箱和下端的水箱通過連接架固定在一起，兩水箱之間布置有進水管和出水管，為焊接于兩個水箱之間的鋼管，進水管和出水管在調壓水箱處接口高度相同。下方的儲水箱中內置有一個水泵，可將水箱中的水抽到調壓水箱中。

圖2 裂縫深度測量裝置的結構示意圖（一）

圖3 裂縫深度測量裝置的結構示意圖（二）

水箱下方設置一根四節的固定錐，用于將測量裝置固定在隧道行車道面板上，并且能夠調節高度。固定錐上部有三段可以伸縮的管，當調整到合適的高度后通過螺栓擰緊來固定，下部為一根有底部尖端的錐管，可插入行車道板。測量水槽通過兩根支撐桿與兩個水箱固定成一個整體。測量水槽的結構如圖4所示，由一個U 型的測量槽以及用于密封的構件組成，使其能夠貼合隧道襯砌形成一個上部開口的腔體，從輸水管流進測量槽的水可以在此蓄積。

圖4 裂縫深度測量裝置測量槽結構放大圖

2.2 裂縫深度測量裝置安裝及工作過程

本文設計的裂縫深度測量裝置的安裝和使用過程較為簡單方便，使用時，首先根據裂縫所在的高度，調整裝置的固定錐高度。調節固定錐時，可通過伸縮中間兩個管節進行調節，調整到適合長度后擰緊固定螺栓即可。然后根據裂縫的位置，調節裝置的位置，再將固定錐插至隧道行車面板上固定位置。裝置固定好之后，給測量槽施加一個水平指向裂縫的壓力，使其與襯砌密貼形成一個不透水的腔體。準備就緒后開啟水泵，開始往調壓水箱抽水，此時水會直接從輸水管進入測量槽。剛開始時，視襯砌混凝土的干燥程度不同，襯砌混凝土會吸收掉不定量的水而導致調壓水箱和測量水槽中的水無法蓄積達到穩定的液面。當襯砌混凝土吸水飽和之后，調壓水箱和測量槽的液面高度趨于穩定，此時可以開始測量，利用水表和秒表記錄單位時間從裂縫流失的水量，再依據其余已知條件和前述的裂縫深度計算公式可求得裂縫的徑向深度。

2.3 適用條件及技術特點分析

由于本文所述的測量裝置利用的是水往裂縫中滲流的原理進行裂縫深度的測量，因此為了保證較好的測量精度，該裝置對所測的裂縫走向有一定的要求。當裂縫的走向與鉛錘方向夾角為0°時，可以將該測量裝置的精度發揮到最好，當夾角為0°～45°時也可以獲得較好的測量結果。對于與鉛錘方向夾角大于45°的襯砌裂縫，本裝置也可以進行測量，但是測量誤差較大。此外，該測量裝置對裂縫的寬度也有一定的要求，由于裝置需要往襯砌裂縫中滲水進行測量，若裂縫寬度太小，滲水太慢會導致無法測量，而這種裂縫往往也能滿足規范的限值要求而不需要測量其深度。本文所述的測量裝置要求裂縫寬度為肉眼可見的開裂程度，具體寬度量值應大于0.1mm，方可保證深度測量取得較好的結果。

本文設計的隧道裂縫深度測量裝置主要有以下特點：首先，該裝置通過測量水槽、調壓水箱、水箱以及連通管的設計，獲得等值的壓強使水沿裂縫流出，根據水流在裂縫中的流動規律，利用水表測量單位時間的水流量即可對裂縫深度進行測算，巧妙地解決了裂縫深度的測量問題，操作簡單方便、測量結果穩定、成本較低、可應用范圍廣、經濟環保；其次，本文設計的襯砌裂縫深度測量裝置可對襯砌裂縫進行實時監控量測，對裂縫發展進行粗略的評價，受測量環境的影響較小，安全可靠，實用性強。

2.4 工程應用示例

將本文開發的設備應用于柳州市柳東新區官塘片曙光大道工程三門江隧道右線進口YK0+950 附近的隧道二次襯砌的裂縫測量。本次加工的測量裝置輸水管橫截面面積Ap為3.14cm2，恒定壓力下，輸水管達到的流量最大值Qmax為31.4cm3/s，測量開始后，通過水表和秒表測量得到流入襯砌裂縫的水流量Qx為8.6cm3/s，再利用鋼尺測量得到該處裂縫的寬度D 為0.1cm。最后利用本文的裂縫深度計算公式計算得到H=5.480cm。

3 結語

隧道襯砌裂縫是公路隧道病害中最為常見的一種，裂縫檢測是對裂縫進行治理的前提。本文總結了隧道襯砌裂縫的成因及現有的裂縫檢測技術，并分析了現有襯砌裂縫檢測技術的不足之處，提出了一種隧道裂縫深度測量方法，并設計了具體的測量儀器，為隧道裂縫深度測量提供了一種方便實用、安全可靠又成本低廉的新思路。