高速公路隧道襯砌裂縫調(diào)查分析與處治研究

李亞利 曲曉東 馮衛(wèi)星 安辰亮

(1.中交遠(yuǎn)洲交通科技有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050035； 2.石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

1 概述

到2018年年底，我國公路隧道總數(shù)達(dá)到17 738座，運(yùn)營(yíng)里程為17 236.1 km。大量隧道的建設(shè)和投入運(yùn)營(yíng)，隧道襯砌的病害也隨之出現(xiàn)，其中襯砌裂縫是最常見的一種病害。襯砌裂縫的發(fā)展可能會(huì)帶來滲水、掉塊、掉拱等病害，進(jìn)而對(duì)行人和車輛的安全產(chǎn)生威脅，影響公路的正常運(yùn)營(yíng)[1-7]。為了對(duì)隧道進(jìn)行綜合整治，對(duì)襯砌裂縫的形成原因、分布狀況和處治措施進(jìn)行研究顯得非常重要。

京承高速公路是G45大廣高速的一段，線路全長(zhǎng)209.1 km，投資約200億元，其中承德段既是地方省級(jí)“五縱六橫七條線”高速公路網(wǎng)中的“一橫”，也是承德市市級(jí)高速網(wǎng)的重要組成部分。京承高速公路的開通對(duì)完善國家路網(wǎng)、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義，能夠有效地促進(jìn)華北地區(qū)與東北地區(qū)的交流聯(lián)系，對(duì)帶動(dòng)承德地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有積極的作用。

全長(zhǎng)76.7 km的京承高速公路承德段范圍為南起司馬臺(tái)長(zhǎng)城，北至承德市區(qū)南互通立交橋，2009年9月27日全線通車，該路段包含有7座分離式隧道，分別是金山嶺隧道(左右平均長(zhǎng)度1 286.65 m)、新道溝隧道(左右平均長(zhǎng)度285 m)、塔溝Ⅱ隧道(左右平均長(zhǎng)度169 m)、塔溝隧道(左右平均長(zhǎng)度621.28 m)、何家溝隧道(左右平均長(zhǎng)度1 006.08 m)、尹家溝隧道(左右平均長(zhǎng)度244 m)。自開通運(yùn)營(yíng)以來，這7座隧道陸續(xù)出現(xiàn)不同程度的襯砌開裂，有的還比較嚴(yán)重。為確保行車安全，需對(duì)裂縫進(jìn)行調(diào)查分析，并做出處治。

2 襯砌裂縫調(diào)查與整理

襯砌裂縫現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查采用檢測(cè)、拍照、描繪、記錄等方法進(jìn)行，歷時(shí)兩周。對(duì)7座隧道調(diào)查資料進(jìn)行匯總、整理和分析，可知襯砌裂縫分為三類，即環(huán)向裂縫、縱向裂縫以及斜向裂縫。

2.1 環(huán)向裂縫

環(huán)向裂縫一般都垂直隧道軸線(見圖1)，大部分出現(xiàn)在施工縫、沉降縫附近。比較典型的位置是在模筑混凝土的中間部位，裂縫從邊墻底部開始到拱腰附近結(jié)束，有的環(huán)向裂縫貫通襯砌橫斷面。左右邊墻都有裂縫，而且大致是兩邊對(duì)稱的。7座隧道中環(huán)向裂縫分布較多，所占比例較大。

2.2 縱向裂縫

縱向裂縫一般基本平行于隧道軸線(見圖2)，在拱腰和拱腳附近發(fā)生，盡管縱向裂縫數(shù)量不多，但是如果任由其發(fā)展，會(huì)導(dǎo)致邊墻斷裂、隧道掉拱等情況發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)隧道塌方。目前縱向裂縫對(duì)襯砌斷面的整體性尚未產(chǎn)生明顯影響。7座隧道均有不同程度的縱向裂縫存在。

2.3 斜向裂縫

斜向裂縫大致和隧道縱軸呈45°交角，長(zhǎng)度也比較長(zhǎng)，主要部位是拱腰和邊墻(見圖3)。斜向裂縫一般是由于剪應(yīng)力大于混凝土的抗拉以及抗剪強(qiáng)度，斜面裂縫的具體危害較小，當(dāng)裂縫寬度超過0.2 mm時(shí)，襯砌表面易出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。7座隧道均有少量斜向裂縫。

3 襯砌裂縫成因分析

京承高速公路承德段7座隧道均采用新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，支護(hù)結(jié)構(gòu)為初期支護(hù)和二次襯砌兩部分組成的復(fù)合式襯砌。初期支護(hù)由錨桿、鋼筋網(wǎng)、鋼格柵、噴射混凝土組合而成，二次襯砌為模注混凝土，初期支護(hù)和二襯之間鋪設(shè)防水板。

促使襯砌產(chǎn)生裂縫的因素很多，最主要的因素為設(shè)計(jì)、施工、溫差、地下水等。

3.1 設(shè)計(jì)方面

京承高速公路隧道設(shè)計(jì)于2004年，設(shè)計(jì)年代較早，使用JTJ 026—90公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范，同地區(qū)、同類型隧道的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)偏少。

京承高速公路隧道由于地質(zhì)條件較差，圍巖壓力較大。初期支護(hù)施作后變形較大，從而導(dǎo)致二次襯承受了較大的圍巖壓力，而且大部分二次襯砌用的是素混凝土，襯砌安全儲(chǔ)備不夠，隧道運(yùn)營(yíng)后出現(xiàn)了較多、較嚴(yán)重的裂縫。

當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)中采用JTJ 026—90規(guī)范，與目前設(shè)計(jì)規(guī)范相比，設(shè)計(jì)中有以下幾方面的不足：1)中空錨桿長(zhǎng)度較短；2)鋼筋格柵拱架用的多，工字鋼型鋼拱架用的少。格柵高度偏小，圍巖較好一點(diǎn)時(shí)還不使用鋼筋網(wǎng)；3)初期支護(hù)噴射混凝土厚度偏小，強(qiáng)度較低；4)預(yù)留變形量沉落量偏大；5)二次模注混凝土襯砌為素混凝土，強(qiáng)度較低，且厚度偏??；6)隧道設(shè)計(jì)時(shí)永久荷載未考慮地下水的作用。

3.2 施工方面

隧道施工中，沒有重視監(jiān)控量測(cè)工作，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)和資料未及時(shí)進(jìn)行分析整理與反饋，從而未能指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。在隧道施工過程中沒有充分利用圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌三者之間的關(guān)系，施工時(shí)引起的變形縫、接槎縫是導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)的重要因素。在施工過程中還存在如下問題：1)二次襯砌模筑混凝土施工工藝有缺陷，豎向分塊或堵頭模板設(shè)置不當(dāng)，大體積混凝土澆筑中分層連續(xù)澆筑做的不好；2)預(yù)留拱部下沉量設(shè)置不當(dāng)，邊墻基礎(chǔ)的虛碴未及時(shí)清理；3)過早拆模，混凝土強(qiáng)度還未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%，就去掉支撐和模板；4)混凝土澆筑施工中有中斷現(xiàn)象，且中斷時(shí)間超過初凝時(shí)間，繼續(xù)澆時(shí)，原有混凝土表面處理不當(dāng)。

3.3 環(huán)境方面

1)溫差影響。

京承高速承德段溫差較大，冬季特別冷，溫度非常低，氣溫突然下降時(shí)，封閉環(huán)狀襯砌結(jié)構(gòu)表面溫度下降很快，而襯砌內(nèi)側(cè)與圍巖密貼，溫度基本保持穩(wěn)定，且變形受到圍巖約束，內(nèi)外側(cè)劇烈的溫度差使襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，導(dǎo)致襯砌混凝土開裂。

2)地下水影響。

7座隧道均有滲水痕跡，但是舊公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范中隧道的永久荷載沒有考慮水的影響，水壓力對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的作用是很大的。如果地下水不能排出，地下水將作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，使得襯砌側(cè)向壓力加大，導(dǎo)致隧道從拱部到邊墻出現(xiàn)水平裂縫以及環(huán)狀開裂。除此之外，地下水還會(huì)使初期支護(hù)中的格柵鋼筋銹蝕，降低初期支護(hù)承載能力，從而加速二次襯砌裂縫等病害的發(fā)生和發(fā)展。

4 裂縫處治措施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況、以往經(jīng)驗(yàn)和施工隊(duì)伍的習(xí)慣，采用如下處治方法：

1)不漏水的斜向、環(huán)向裂縫。

對(duì)于不漏水的斜向、環(huán)向裂縫主要采用“鑿槽填充”法來整治：沿裂縫鑿一深、寬為5 cm×5 cm的槽，并清槽；向槽內(nèi)填充4 cm厚的高強(qiáng)度膨脹砂漿(配合比為水泥∶細(xì)骨料∶膨脹料UEA∶速凝劑=1∶1.2∶1.2∶0.6)；用配色砂漿(配合比為普通水泥∶細(xì)骨料∶白水泥∶水=1.8∶4.0∶1.0∶1.1)抹平剩余1 cm厚的槽面(見圖4)。

2)有滲漏水的環(huán)向及斜向裂縫。

對(duì)于有滲漏水的環(huán)向及斜向裂縫主要采用“鑿槽+導(dǎo)流+填充”法來整治，即沿裂縫走向?qū)⑺蛄芽p最低點(diǎn)處的接縫排水管中，鑿槽與透水管連通，槽內(nèi)用半片φ50 PVC導(dǎo)流管進(jìn)行引排水處理，然后做填充與抹面：沿裂縫鑿一深、寬為5 cm×8 cm的槽，再在該槽內(nèi)中間部位繼續(xù)鑿一深、寬為3 cm×5 cm的導(dǎo)流槽，并清槽；在導(dǎo)流槽內(nèi)安設(shè)半片φ50 PVC管，用雙液漿(水泥漿∶水玻璃液=1∶1)封口抹平，并用單面塑料膠帶貼封，然后填充2 cm厚的高強(qiáng)度膨脹砂漿，接著再用單面塑料膠帶貼封，在貼封膠帶上再填充2 cm厚的高強(qiáng)度膨脹砂漿，最后用配色砂漿抹平剩余1 cm厚的槽面(見圖5)。

3)縱向裂縫。

對(duì)于縱向裂縫，不論是有水還是沒有水，都采用壓漿封堵的辦法進(jìn)行處理，以保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全。具體做法是：沿裂縫鑿一深、寬為8 cm×8 cm的槽，并清槽；往槽內(nèi)填充7 cm厚的高強(qiáng)膨脹砂漿，填充中沿槽每隔60 cm預(yù)埋一個(gè)“6”型的注漿尖嘴(注漿尖嘴長(zhǎng)為8 cm)，注漿嘴須頂在鑿槽底部，以確保下一步的注漿效果；高強(qiáng)膨脹砂漿凝固后向注漿尖嘴里注入事先調(diào)配好的漿液(環(huán)氧樹脂∶二丁脂∶乙二氨∶滑石粉=1∶1.2∶0.7∶0.8)，直到注滿為止；注漿完畢，用配色砂漿抹平剩余1 cm厚的槽面。對(duì)于局部縱向裂縫較多的地方，采用打設(shè)錨桿進(jìn)行加強(qiáng)處理。

5 結(jié)語

在隧道施工與運(yùn)營(yíng)過程中，因受到設(shè)計(jì)方案、施工操作不規(guī)范、初期支護(hù)中錨桿效果不佳、襯砌周圍巖層結(jié)構(gòu)變化、環(huán)境溫差、地下水等多種因素的作用，容易導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變化，當(dāng)襯砌結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力大于極限應(yīng)力時(shí)，襯砌表面就會(huì)出現(xiàn)裂縫。對(duì)于運(yùn)營(yíng)隧道，要做好日常維護(hù)保養(yǎng)，加強(qiáng)裂縫觀測(cè)，及時(shí)掌握裂縫發(fā)展變化趨勢(shì)與規(guī)律，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處治，以確保隧道結(jié)構(gòu)安全和行車安全。本文所介紹的工作在實(shí)際工程中取得了明顯的成效，可供類似工程參考。