公路運營隧道襯砌裂縫成因及處治效果分析

趙元科 胡振興

摘?要：襯砌裂縫是公路運營隧道最為常見的病害之一，開展襯砌裂縫成因分析可為運營隧道制訂養護維修計劃和對策提供技術參考和指導。裂縫維修處治后，將處治效果進行檢測和評價分析對隧道結構穩定和運營維護安全具有重要意義。以甘肅省某運營隧道維修加固工程為背景，從溫度、材質和施工原因三個方面對裂縫的成因進行了相關分析，在對該隧道檢測結果分類統計的基礎上，對裂縫處治效果進行了評價分析，闡述了影響裂縫處治效果的相關因素，并提出了相應的提升對策。

關鍵詞：運營隧道；襯砌裂縫；成因分析；檢測；效果分析

1?概述

從20世紀90年代開始，我國公路隧道建設已經過30余年的發展，成為隧道建設最多、運營里程最長的國家。截至2022年底，全國公路隧道24850座，總里程達26784.3千米，其中2022年隧道數量增加1582座，長度增加2085.4千米，國內在建和擬建公路隧道呈增長趨勢［1］。然而，隨著我國交通基礎設施不斷完善，隧道建設的步伐終將放緩，隧道工程將由建設高潮期轉入運營維護期，運營服役期的襯砌病害診治將成為隧道工程主要的研究方向［2］。據筆者調查，甘肅省公路運營隧道目前的主要表觀病害有襯砌裂損、滲漏水、路面底鼓變形等，襯砌裂縫的成因分析以及處治后的檢測和效果評價對公路隧道運營維護和運營安全有重要意義。

本文以甘肅省某運營隧道維修加固工程為背景，對公路隧道裂縫的成因進行了相關分析。通過對該隧道裂縫封閉處治施工過程進行跟蹤檢測，針對處治后效果進行研究和分析，為今后類似工程的施工、驗收檢測和處治決策分析提供參考。

2?工程概述

2.1?工程背景

甘肅省某隧道進口里程K1426+218，出口里程K1430+848，全長4630米，設計為巖石山嶺深埋特長雙線隧道，于2010年11月底建成通車運營。運營過程中隧道局部段落內出現了不同程度的襯砌裂損、滲漏水，路面底鼓變形、開裂等病害，對隧道通車運營和結構安全造成了較大威脅，2019年開展了該隧道的維修加固工作。

2.2?裂縫處治方案

設計方案中針對不同的裂縫類型和裂縫寬度，采取了不同的處治方法，具體如下：對縫寬小于0.3mm的局部裂縫采用專用裂縫膠灌注封閉；對縫寬大于0.3mm的環向裂縫采用機械或手工沿裂縫方向將襯砌表面處裂縫開鑿成“V”形，然后采用專用裂縫膠灌注封閉；對于縫寬大于0.3mm的縱向和斜向裂縫采用斜縫或騎縫注膠的方法進行結構封閉（a騎縫，b斜縫）。封閉膠采用改性環氧樹脂膠，注膠壓力值建議為0.7MPa。

3?隧道襯砌裂縫成因分析

公路運營隧道襯砌裂縫產生的原因較為復雜，涉及勘察設計、施工過程和運營管養等各個階段中的諸多因素。運營階段公路隧道襯砌裂縫的產生原因應根據定期檢查和專項檢測的結果，結合地勘資料、設計文件、施工記錄以及交竣工驗收質量檢測報告等文件進行綜合分析。下面從溫度、材質和施工原因三個方面對襯砌裂縫的成因進行探討。

3.1?溫度應力

在施工期襯砌混凝土澆筑過程中水化熱過大或養生不及時不到位，襯砌澆筑后易因降溫致使混凝土收縮而產生拉裂縫。研究結果表明，隧道襯砌結構溫度應力對隧道二次襯砌的影響不僅與混凝土水化熱有關，還與二次襯砌施工澆筑的氣溫有關。如果隧道二次襯砌澆筑時為最低溫度，則隧道內溫度變化為升溫，溫差將導致混凝土產生壓應力，反之產生拉應力。當最大降溫幅度達12℃時，襯砌結構的最大環向應力已基本接近或超過混凝土的極限抗拉強度，襯砌混凝土可能因溫度應力出現裂縫，這種情況在隧道洞口附近尤為明顯。

3.2?材質原因

（1）配合比不佳。配合比設計和驗證過程把控不嚴格，混凝土配置生產過程中原材料的計量稱重誤差大，碎石、砂等集料級配差，配合比不準確，含泥量超標等［4］。配合比不佳直接導致混凝土的整體材質強度下降，在襯砌拱頂、拱腳等受力較集中部位產生裂縫。

（2）外加劑摻量超標。在隧道襯砌泵送混凝土中添加一些外加劑對襯砌裂縫也會產生一定的影響，如果在混凝土中添加適當的泵送劑、減水劑等在一定程度上能夠減少混凝土的收縮變形，有利于抑制襯砌裂縫的產生。但如果外加劑添加過量，則起到相反的作用，會致使混凝土和易性降低，增加其收縮變形，從而導致裂縫增加。另外，摻加緩凝劑和用氯化鈣做催凝劑等也會增加襯砌混凝土的收縮變形，導致襯砌容易產生裂縫。

3.3?施工質量不佳

施工工藝不當和施工現場管控不嚴造成襯砌結構開裂，產生原因有6個方面：（1）襯砌厚度不足或背后存在空洞。襯砌預留變形量過小導致初期支護侵入二襯限界，襯砌臺車定位不準確導致環向某一部位厚度過小，泵送壓力不足、混凝土塌落度過大導致拱部易出現空洞，在襯砌內尤其是拱頂及拱腰部位形成多處薄弱面，彎曲受壓而引起不規則的斜向和縱向開裂。（2）拆模過早。二次襯砌拆模時間過早，混凝土強度可能未達到設計值的75%，過早承受混凝土自重或者圍巖壓力導致開裂。（3）二襯施作時機偏早。圍巖應力未完全釋放，初期支護變形未趨于穩定即施作二次襯砌，造成二次襯砌過早承受圍巖壓力而開裂。（4）二襯應力集中。仰拱超挖過多、拱腳存有虛渣，鎖腳錨桿施工質量不好會造成鋼拱架和二襯結構受力不均，造成應力集中并出現類似的環向裂縫。（5）養生不到位。隧址區氣候干燥，如果養生不及時，混凝土失水過多，易產生裂縫。（6）仰拱施工縫、襯砌施工縫及伸縮縫未合一，加上基底存在虛渣等問題，則會產生不均勻沉降，易產生裂縫。

4?襯砌裂縫處治效果的檢測與分析

4.1?檢測方法選擇

相關資料表明，采用超聲波和地質雷達相結合的方法對隧道二次襯砌裂縫進行綜合檢測，可以較好地分析二次襯砌裂縫深度及背后的缺陷情況，能夠對比深層裂縫是否貫通二次襯砌［5］。

針對裂縫處治效果不佳，裂縫未封閉、裂縫表層已封閉但深層未封閉、裂縫深度范圍內局部位置未封閉等情況，可先采用地質雷達配置高頻天線進行跨縫檢測。根據雷達電磁波穿越裂縫位置時，出現不連續的強反射波以及頻率、振幅和相位的變化，判斷目標位置是否存在裂縫。然后利用超聲波測試儀，不跨縫和跨縫平測法測出裂縫深度及位置［6］。但由于本隧道大部分段落為鋼筋混凝土結構，在進行地質雷達跨縫檢測中發現，雷達剖面圖上鋼筋的強雙曲線反射信號對裂縫目標體的反射界面形成了很大的干擾，裂縫的繞射弧線信號被基本覆蓋或無法提取。加上隧道處于施工期，隧道內各種機械、臺架、電纜線形成的電磁干擾也對雷達圖像識別產生了無法避免的影響，無損檢測實施難度較大。

綜合以上因素，最終采取取芯檢測這種最直觀和最準確的方法。

4.2?檢測結果統計評價

為綜合地評價隧道裂縫封閉處治的效果，分別對環向、斜向、縱向3種形態的已封閉裂縫分別鉆取30個芯樣進行統計分析。

采用Φ100鉆頭鉆取芯樣，深度為20～35cm，檢測芯樣裂縫是否處于完全封閉、局部未封閉和未封閉三種狀態，如圖2所示。選用直徑較大的鉆頭，可保證芯樣完整，方便觀察芯樣及孔壁周圍混凝土的狀態、裂縫的狀態和延伸趨勢。借助其他檢測手段和工具，結合施工資料及跟蹤調查，有助于較好地判斷和分析裂縫注膠不飽滿的原因。同時，大直徑芯樣方便對其進行劈裂抗拉強度試驗，進一步地驗證和評價裂縫注膠效果。

統計結果顯示，所取芯樣中完全封閉的芯樣數量占該類型芯樣總數的比例分別為：環向裂縫93.3%，縱向裂縫76.7%，斜向裂縫53.3%。處治效果最差的裂縫類型為斜向裂縫，未完全封閉的占比為36.7%，未封閉的占比為10.0%。

從芯樣和鉆孔壁的裂縫狀態來看，裂縫深度范圍內局部位置未封閉的數量居多，且該位置的襯砌混凝土大多呈現出氣孔較多，骨料分布不均勻、不密實等現象。沿深度方向垂直于襯砌表面的裂縫處治效果較佳，沿深度方向傾斜于襯砌表面的裂縫處治效果較差。檢測中還發現，部分裂縫存在表面封縫膠或聚合物砂漿開裂，裂縫中殘存施工灰渣及顆粒物等現象。

4.3?裂縫處治效果分析

根據該隧道襯砌裂縫的取芯檢測和統計結果，結合相關施工資料及跟蹤調查，筆者認為：（1）該隧道襯砌裂縫注膠處治效果與施工工藝水平和現場施工管理存在著密不可分的關系。施工隊伍專業技術不精湛，現場施工管理不嚴謹，質量驗收關把控不嚴格，未嚴格按照設計和相關規范中的施工工藝細節開展精細化施工是首要因素。如裂縫表面開槽不規范或未開槽，裂縫封口膠未固化便開始注膠施工，裂縫及注膠孔眼未清理干凈，注膠嘴安裝間距和角度不正確，注膠壓力和時間控制不嚴格，處治過程中未能按照設計文件要求進行分類施工，未及時調整施工工藝，施工過程中的工序驗收和質量抽檢不到位、不細致等因素均容易使裂縫注膠封閉的效果降低。（2）目前關于隧道襯砌質量的檢測技術仍存在一定的局限性，無損檢測的手段和精度難以甄別襯砌裂縫及混凝土載體的結構及特性。如裂縫在襯砌中的分布狀態和延伸趨勢難以準確調查，裂縫深度方向的原襯砌混凝土局部位置不密實等客觀因素也容易導致裂縫封閉效果不佳。

4.4?提高處治效果的施工對策

裂縫處治應主要從施工工藝上嚴格把控，精細化施工，加強施工現場質量管控，加強施工過程質量檢驗檢測，及時調整和改進施工工藝。

（1）開展施工處治前，盡可能詳細地調查和了解隧道襯砌裂縫寬度、長度、數量、空間分布等，制定合理的處置方案。（2）保證注膠處治前裂縫的清潔程度，提高膠體與襯砌混凝土間的黏合力。（3）表面封縫材料要嚴格按照設計規范施工，待封閉帶硬化并達到強度后，進行壓氣試驗，以檢查封閉帶是否封嚴，保證混凝土縫隙完全充滿膠液，能保持注膠壓力，同時又保證膠液不會大量外滲。（4）注膠嘴的間距、打設角度、注膠壓力應嚴格控制。在注膠過程中應注意控制壓力，裂縫寬度較大的，如果進膠通暢時，可選擇低壓注膠。（5）注膠順序和注膠時間的控制。環向及斜向裂縫宜由下向上逐漸壓注膠液，從一端開始壓漿后，另一端的注膠嘴在排出裂縫內的氣體后噴出膠液與壓入的膠液濃度相同時，可停止壓漿。（6）加強裂縫封閉處治效果的施工過程質量檢測工作，及時對已處治段落內的裂縫注膠飽滿程度采用鉆孔等方法進行驗證，必要時鉆取芯樣采用劈裂抗拉強度的測定方法對膠液的黏結力和注膠效果進行綜合測定。

結語

（1）公路運營隧道襯砌裂縫產生的原因較為復雜，應結合專項檢測以及隧道建設、運營中的相關資料開展綜合分析，溫度、材質和施工質量三個方面的因素對襯砌裂縫的產生影響較大。

（2）襯砌裂縫封閉處治后的注膠飽滿度檢測，其檢測方法應根據實際情況綜合選擇。當快速無損檢測實施難度較大或檢測效果不佳時，鉆芯取樣法是最為直觀和有效的檢測手段。

（3）襯砌裂縫封閉處治效果檢測應及時跟進施工過程，并結合施工資料和跟蹤調查，較系統地判斷和分析裂縫注膠不飽滿的原因，從而采取不同的施工設計和對策設計加以改進。

（4）隧道襯砌裂縫封閉處治效果與現場施工管理存在密不可分的關系，是否能嚴格按照設計和相關規范中的施工工藝細節開展精細化施工是首要因素。

（5）施工前開展裂縫的詳細調查，保證處治前裂縫的清潔程度和封縫材料的規范施工，提高注膠孔打設的間距和角度，準確控制注膠壓力和注膠時間等措施有助于提升裂縫處治效果。

參考文獻：

［1］2022年交通運輸行業發展統計公報［R/OL］.（20230616）.https：//xxgk.mot.gov.cn/2020/jigou/zhghs/202306/t20230615_3847023.html.

［2］劉德軍，仲飛，黃宏偉，等.運營隧道襯砌病害診治的現狀與發展［J］.中國公路學報，2021，31（11）：178198.

［3］李亞利，曲曉東，馮衛星，等.高速公路隧道襯砌裂縫調查分析與處治研究［J］.山西建筑，2020，46（2）：117119.

［4］程崇國，郭軍.公路隧道襯砌裂縫處治對策［J］.公路交通技術，2017，33（6）：9598.

［5］楊光，陳天驕，李盼，等.超聲波和雷達法在隧道襯砌裂縫檢測中的應用［J］.湖南交通科技，2020，46（1）：9194.

［6］T/CECS?G：J602020，公路隧道檢測規程［S］.

作者簡介：趙元科（1980—?），男，漢族，甘肅武威人，工程碩士，高級工程師，研究方向：公路橋梁隧道試驗檢測；胡振興（1988—?），男，漢族，甘肅慶陽人，工程碩士，高級工程師，研究方向：公路隧道檢測技術。