基于公路隧道襯砌裂縫成因分析及防治研究

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院 重慶 400074)

引言

近些年來，國內(nèi)高速公路事業(yè)取得了很大的發(fā)展，伴隨著大量的公路隧道建成并投入使用，極大地減輕了我國公路的發(fā)展壓力。然而，隧道的病害問題逐漸凸顯。目前，已經(jīng)建成或在建的隧道中伴隨著大量的裂縫病害，這些裂縫產(chǎn)生的原因，以及其對(duì)隧道的結(jié)構(gòu)有何種影響，如何去有效的防治裂縫所產(chǎn)生的不良影響成為了研究的重點(diǎn)。因而本文主要針對(duì)隧道襯砌裂縫的成因和防治問題進(jìn)行了一些深入的研究。

一、隧道襯砌裂縫的成因分析

隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的原因主要有以下幾點(diǎn)：隧道襯砌材料、環(huán)境、溫度、濕度、襯砌結(jié)構(gòu)受力、施工方面、設(shè)計(jì)等[1]。

(一)襯砌材料的影響

(1)水泥混凝土的自收縮性：水泥混凝土主要是隧道襯砌結(jié)構(gòu)所使用的材料，由于水泥混凝土具備有著自收縮性的一個(gè)明顯的特性，即同時(shí)會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)上面來說會(huì)有一些重大的影響?；炷恋氖湛s方式主要有兩種方式，一是自收縮，二是干縮。自收縮指的是對(duì)于水泥膠結(jié)材料來說，它是在一個(gè)恒定的溫度和絕對(duì)的濕度這兩種條件下，由于水化的作用而引起的一個(gè)體積的收縮；干縮是混凝土在沒有養(yǎng)護(hù)后，丟失內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水而導(dǎo)致的不可逆的收縮[2]。因而當(dāng)隧道在施工以及運(yùn)營中長時(shí)間的處于干燥的環(huán)境中往往會(huì)導(dǎo)致混凝圖出現(xiàn)開裂情況。

(2)襯砌結(jié)構(gòu)配筋率的影響：襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土在一定范圍內(nèi)增加配筋率能夠有效的降低收縮變形發(fā)生率并抑制裂縫的產(chǎn)生，然而配筋率過大會(huì)破壞原襯砌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致裂縫情況的產(chǎn)生[3]。

(3)混凝土骨料的影響：襯砌結(jié)構(gòu)中不同類別的骨料會(huì)對(duì)混凝土有著不同的影響，例如：砂巖為骨料的混凝土?xí)?dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)收縮變形變大，然以石灰?guī)r為骨料的混凝土不會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)收縮變形變大，因而裂縫也不容易產(chǎn)生，因而混凝土骨料要更多的選用石灰?guī)r骨料。

(二)外部環(huán)境的影響

對(duì)于外部環(huán)境這個(gè)影響因素來說，它主要指的是由環(huán)境溫度、濕度和水泥溫度這些量的變化而引起的一種混凝土的水化熱這種變化。隨著環(huán)境溫度的一些降低，混凝土的收縮變形在一定程度上將受到一些影響，因而隧道結(jié)構(gòu)在冬季時(shí)會(huì)發(fā)生比較大的變形。同時(shí)隧道所處環(huán)境濕度較大時(shí)也容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)收縮變形情況，并引起混凝土裂縫情況的產(chǎn)生[4]。

二、隧道襯砌裂縫的防治研究

因?yàn)閷?dǎo)致隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生成因非常多，因而要根據(jù)視病害實(shí)際情況進(jìn)行預(yù)防以及治理，主要方法如下所述：

(1)要嚴(yán)格把控設(shè)計(jì)施工：確保設(shè)計(jì)的科學(xué)性，要對(duì)隧道的地理位置、地質(zhì)情況以及水文情況等進(jìn)行全面科學(xué)有效的檢測，科學(xué)的設(shè)計(jì)襯砌結(jié)構(gòu)契合圍巖，確保結(jié)構(gòu)完整性；在施工的過程中要對(duì)進(jìn)料、裝卸到施工、養(yǎng)護(hù)等多個(gè)方面進(jìn)行全面的把控。

(2)裂縫表面涂抹：對(duì)于一些裂縫寬度小的(一般<0.3mm)、沒有明顯的剪切滑移和滲漏水的這些現(xiàn)象，主要可以用該方法進(jìn)行防治；除此之外，對(duì)于一些襯砌結(jié)構(gòu)來說，那些承載力影響比較小的、對(duì)隧道的安全和使用上面來說裂縫影響非常小的也同樣適用于此方法來進(jìn)行有效的防治。在涂抹的過程中要確?；覞{能夠可以充分的進(jìn)入到微裂縫的空隙當(dāng)中，涂刷時(shí)厚度應(yīng)要<0.2mm。

(3)對(duì)鉆眼、爆破水平進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化：優(yōu)化鉆眼以及光面爆破的水平，主要著眼于隧道開挖斷面的勘測還有控制隧道輪廓的開挖，這些對(duì)降低隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的形成以及發(fā)展有非常重大的幫助。

本篇論文對(duì)江北萬興路隧道進(jìn)行了建模分析，以判斷萬興路隧道在既有爆破參數(shù)下，對(duì)初次襯砌安全距離的要求。設(shè)置參數(shù)為：圍巖等級(jí)Ⅳ級(jí)，重度21.5kN/m3，彈性抗力系數(shù)350MPa/m，彈性模量7.437Gpa，泊松比0.35，內(nèi)摩擦角33.0°，粘聚力0.45MPa。噴射混凝土模型參數(shù)為：彈性模量28Gpa，重度24.0kN/m3，泊松比0.25，設(shè)計(jì)厚度240mm，采用板單元，彈性本構(gòu)模型。爆破參數(shù)設(shè)置為：炸藥密度1100kg/m3，爆速3000m/s，爆壓3000MPa，沖擊荷載峰值3.564MPa。

在爆破作用下，改變不同的初期支護(hù)厚度，通過觀察距離掌子面不同距離處的爆破振動(dòng)速度，來確定爆破作用對(duì)初期支護(hù)的安全距離，并以此作為參考減少襯砌裂縫的產(chǎn)生。

表1 不同初期支護(hù)下的爆破安全距離

(4)裂縫埋管灌漿：埋管灌漿是針對(duì)于較大裂縫(寬度在0.3mm～0.5mm之間)、范圍較大或產(chǎn)生錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象、對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性產(chǎn)生危害的裂縫進(jìn)行治理。

三、對(duì)連拱隧道襯砌結(jié)構(gòu)裂縫的防治

伴隨著我國公路隧道的迅猛發(fā)展，單拱隧道當(dāng)前已經(jīng)不能滿足日益增長的交通的需求，連拱隧道由于其優(yōu)點(diǎn)，大多數(shù)建成隧道已經(jīng)變?yōu)檫B拱隧道，本文主要對(duì)拱隧道的襯砌裂縫治理措施進(jìn)行深入的探討。本文連拱隧道襯砌裂縫的防治進(jìn)行了如下的總結(jié)：

(1)因?yàn)殡p連拱隧道一般都位于淺埋以及偏壓地段，其地質(zhì)類型以及條件通常都很惡劣，因而施工過程中的監(jiān)測、測量就非常重要。

(2)由于連拱隧道的地質(zhì)條件，特別是隧道進(jìn)口段對(duì)于Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，NATM方法已經(jīng)對(duì)此類情況不適用。在發(fā)生施工擾動(dòng)后，本來就位于淺埋以及偏壓地段，假如不能跟上隧道的二襯施工，洞口段發(fā)生坍塌幾率就會(huì)大大增加。

(3)在隧道的設(shè)計(jì)以及施工的過程中,要盡可能的改善防排水系統(tǒng),并對(duì)隧道內(nèi)的防排水狀況做到有效的檢測,并做好蓄水預(yù)處理方案。

(4)雙連拱隧道在施工時(shí)，要盡快的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)撐以及支護(hù)工作，要確保雙連拱隧道中隔墻的穩(wěn)定性，防止隔墻由于受力轉(zhuǎn)變過大而而導(dǎo)致?lián)p害的產(chǎn)生，同時(shí)要做好監(jiān)測工作，確保施工的穩(wěn)定進(jìn)行。

四、結(jié)語

在我國隧道事業(yè)取得較大進(jìn)展時(shí)，隧道襯砌裂縫成為了病害治理的研究重點(diǎn)。本文對(duì)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了較為全面的闡述,并對(duì)隧道襯砌裂縫的防治進(jìn)行了較為深入的研究,希望通過此能推動(dòng)我國隧道事業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。