隧道襯砌背后空洞成因探究

周 宇 陳良銳

（重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074）

1 研究背景

這幾年以來，中國一直致力于加大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模，高速公路的發(fā)展得到了有效增強(qiáng)，為改善西部山地的線路類型和減少縱坡，以確保安全、舒適與駕駛速度，公路隧道的數(shù)量和總里程呈現(xiàn)出逐年上漲的大趨勢。據(jù)交通部發(fā)布的《2016年交通行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》可以知道，到2016年為止，全國的公路總里程為469.63萬公里，跟上一年相比增加了11.90萬公里。全國的公路隧道有15181處、1403.97萬米，跟上一年相比增加了1175處、135.58萬米，在這當(dāng)中特長隧道有815處、362.27萬米，長隧道有3520處、604.55萬米。根據(jù)國內(nèi)外調(diào)查研究可以知道，很大一部分的公路隧道襯砌背后都有空洞病害等現(xiàn)象，它的存在對隧道內(nèi)行車的安全、交通運(yùn)營有著不小影響。隧道襯砌背后的空洞如果在發(fā)現(xiàn)的第一時(shí)間不對它進(jìn)行加固等處理會(huì)造成襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)一步破壞，從財(cái)力方面來說是極大的浪費(fèi)，又會(huì)對社會(huì)產(chǎn)生不好的影響。

2 空洞病害特點(diǎn)

2.1 空洞出現(xiàn)的因素多種多樣。

自然和人為等多方面因素不斷作用于襯砌結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致產(chǎn)生襯砌裂損。占主導(dǎo)作用的自然和人為因素不同時(shí)，隧道襯砌空洞破壞類型和外觀特點(diǎn)也一定相同，而且在實(shí)際工程中主導(dǎo)因素往往不止一種。

2.2 成因不確定。

由于隧道深埋于圍巖當(dāng)中生存環(huán)境往往是不清楚的，不同類型襯砌破壞的外觀表現(xiàn)形式可能大同小異，但是造成襯砌背后出現(xiàn)空洞的原因可能完全不同。隧道襯砌空洞破壞特征與病害成因之間并不是我們想象的相對應(yīng)的關(guān)系。另一方面，在自然和人為多種不利因素相互影響下，不同因素對空洞影響的程度難以量化，導(dǎo)致病害的主導(dǎo)因素不好辨別，找不出空洞形成的真正原因。

2.3 空洞引起的襯砌破壞具有發(fā)展性。

由于空洞導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)裂縫時(shí)，如果不及時(shí)對出現(xiàn)的裂縫進(jìn)行整治處理，那么在各種因素的共同作用下會(huì)加速襯砌結(jié)構(gòu)的劣化，承載能力會(huì)快速喪失，造成隧道功能不能滿足運(yùn)營條件。最常見的有襯砌出現(xiàn)裂縫，地下水沿裂縫從圍巖滲漏到二襯里面，造成襯砌結(jié)構(gòu)混凝土出現(xiàn)碳化，鋼筋遇水的銹蝕等材料和結(jié)構(gòu)劣化的產(chǎn)生，從而更加有利于隧道破壞，導(dǎo)致隧道還沒有達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期就要進(jìn)行大修?？梢粤私獾揭r砌破壞時(shí)要特別注意它的發(fā)展性，一旦發(fā)現(xiàn)及時(shí)展開工作對其進(jìn)行檢測、加固以及日常的維護(hù)保養(yǎng)，避免病害進(jìn)一步擴(kuò)大影響到人民群眾的日常生產(chǎn)生活?？斩床『Φ男纬捎腥N情況：第一種情況是在施工時(shí)產(chǎn)生的空洞沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并得到治理，所以繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大；第二種情況是現(xiàn)目前表現(xiàn)出暫時(shí)穩(wěn)定或者經(jīng)過處理的空洞受到外界擾動(dòng)有了新的變化；第三種情況是完好的襯砌混凝土后產(chǎn)生了新的空洞。他們的成因多種多樣大都跟下文所述原因有關(guān)系。

3 襯砌背后空洞出現(xiàn)原因

3.1 混凝土收縮

由于受溫度應(yīng)力、干燥收縮影響造成的空洞大多發(fā)生在橫斷面方向。另外，隨著時(shí)間的推移，有時(shí)在縱向也會(huì)發(fā)生。溫度應(yīng)力的產(chǎn)生時(shí)間大致在混凝土澆注結(jié)束后7天左右，干燥收縮大致在混凝土澆注以后10天產(chǎn)生?？偟膩碚f，這兩種因素產(chǎn)生的空洞大都出現(xiàn)在混凝土澆筑初期并且產(chǎn)生的空洞較小，同時(shí)與混凝土施工條件有關(guān)。

3.2 混凝土澆筑期間技術(shù)不當(dāng)

混凝土泵將二襯所需要的混凝土壓入建筑模板時(shí)，由于輸送泵壓力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求會(huì)導(dǎo)致模板內(nèi)流動(dòng)混凝土壓力不足造成模板不能被充分灌注，特別是對于離泵送孔較遠(yuǎn)的部位。輸送泵是液態(tài)混凝土流動(dòng)的動(dòng)力來源，阻力來源有輸送管的摩阻力、混凝土上升過程中勢能的損失和模板及鋼筋對混凝土的阻礙作用。

3.3 采用的地壓理論及計(jì)算方法不符合實(shí)際

對于老隧道來說在設(shè)計(jì)時(shí)采用的是以前的普氏地壓公式，在現(xiàn)階段的隧道設(shè)計(jì)中采用的是規(guī)范里面的地層壓力計(jì)算公式，這兩種不同的計(jì)算公式都是依據(jù)拱形地壓理論為基礎(chǔ)。圍巖種類只要一明確，地壓大小也隨之明確，這是不夠完善的。在特殊的地質(zhì)、巖性、和地下水破壞作用明顯的圍巖情況下，比如常見的膨脹性圍巖、凍脹性圍巖以及進(jìn)水后可能軟化、浸析崩解的巖層，它們要是用拱形理論來計(jì)算地層壓力大小、分布和增長規(guī)律都是有所欠缺的。

4 結(jié)束語

本文對隧道襯砌結(jié)構(gòu)背后空洞的成因研究方法主要集中在成因分析基礎(chǔ)上，為隧道空洞病害方面做了最基本的一些探究，在今后我們需要更深入的研究。除了對空洞病害進(jìn)行分析之外還要對實(shí)際工程中的常見病害，如厚度不足、裂縫、材料劣化等進(jìn)行研究。本文的不足之處是沒有工程實(shí)際進(jìn)行依托并針對空洞病害進(jìn)行有限元仿真，這也是今后進(jìn)一步完善的方向。

[1]關(guān)寶樹．隧道工程維修管理要點(diǎn)集[M]，人民交通出版社，2004，北京

[2]吉林鐵路局工務(wù)處．鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(隧道) [M]，人民鐵道出版社，1980，北京