甘肅某高速公路隧道二襯裂縫成因及整治技術研究

馮金義 宋君萍 廖岳泰 段銳 蒲建軍

（1甘肅省公路建設管理集團有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

甘肅省每年都有一定數(shù)量的公路隧道投入營運。根據(jù)2018年政府排查報告，尤其近二十年來修建的公路隧道，大多存在不同程度的襯砌裂縫病害，威脅公路行車安全及結構安全，已經引起了相關部門的高度重視。

目前學術界及工程界在隧道襯砌裂縫的產生原因[1-5]、力學模型計算[6-10]、維修加固技術[11-14]等方面取得了豐碩的研究成果，為本項目裂縫處治技術方案提供了理論支撐和借鑒參考案例，但由于許多文獻是基于單座或幾座特定圍巖的隧道個體得到的研究結論，具有一定的局限性。本項目8座高速公路隧道穿越地層圍巖情況差異較大，為達到徹底消除裂縫病害的目的，襯砌裂縫產生的原因成為了關注的重點，其需要聯(lián)系各個隧道實際情況進行分析，制定有針對性的裂縫處治方案。因此，筆者在對8座隧道的原設計、施工、運營、檢測評估等資料進行全面搜集的基礎上，結合現(xiàn)場調查及本次維修處治期間現(xiàn)場揭露的情況，對襯砌裂縫成因進行了深入分析，提出了基于襯砌裂縫產生原因的處治方案，并采用試驗檢測手段驗證了維修處治效果良好。

1 隧道概況

甘肅某高速公路全線共設8座隧道（15座單洞，隧道資料見表1），均為分離式單洞兩車道隧道，根據(jù)檢測單位出具的檢測報告，自2011年5月底建成通車運營至今，二次襯砌裂縫普遍發(fā)育，個別隧道部分段落甚至存在襯砌掉塊的風險，嚴重威脅行車安全。

表1 甘肅某高速公路隧道信息統(tǒng)計表

圖1 典型襯砌裂縫發(fā)育情況

2018年9月，檢測單位對8座隧道進行了專項檢測。根據(jù)檢測結果，襯砌裂縫主要以縱向和環(huán)向裂縫為主，其中馬家山隧道襯砌裂縫病害最為發(fā)育，寬度超過0.5mm的縱縫占了較大比例，但裂縫兩側襯砌無明顯錯臺，按后續(xù)加固方按進行襯砌鑿毛施工期間也未發(fā)生掉塊現(xiàn)象（鑿毛深度約6mm），襯砌裂縫基本處于穩(wěn)定靜止狀態(tài)。馬家山隧道典型襯砌裂縫如圖1所示。

隧道交通封閉后，對寬度大于0.5mm的襯砌裂縫騎縫鉆取芯樣，發(fā)現(xiàn)其大多貫穿襯砌厚度，裂縫取芯情況如圖2所示。

圖2 寬度大于0.5mm裂縫鉆芯

2 襯砌裂縫病因分析

國內外隧道界學者采用理論分析、數(shù)值計算、現(xiàn)場試驗及模型試驗等技術手段對襯砌裂縫的產生原因進行了深入研究，張素磊[15]對其進行了歸納整理，主要有：塑性地壓、偏壓、膨脹性地壓、凍脹作用、地下水作用、襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、襯砌強度不足、“先拱后墻法”施工、圍巖處理不當、地層擾動、未設仰拱等。

從表1可以看出，隴西隧道主要穿越亞黏土地層，大像山、甘谷隧道主要穿越砂礫巖地層，秦州隧道主要穿越砂礫巖和泥巖地層，武山、廣武、馬家山、定西隧道主要穿越泥巖地層，建設期資料揭示8座隧道未見承壓性地下水且泥巖無較大膨脹性，僅局部發(fā)育圍巖裂隙水或層間埋藏水（隴西隧道地下水較發(fā)育），主洞深埋段不存在偏壓及凍脹作用，施工方法均為模筑襯砌法，除秦州隧道外圍巖類型單一，不存在圍巖處理不當問題及地層擾動，因此襯砌裂縫產生原因與地下水、膨脹性泥巖、偏壓、凍脹、施工方法、圍巖處理不當及地層擾動等因素基本無關，采用排除法導致裂縫的剩余可能因素有塑性地壓、襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、襯砌強度不足、未設仰拱。

根據(jù)維修前期專項檢測，8座隧道均存在不同程度的襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、仰拱厚度不足等質量缺陷。對襯砌病害與質量缺陷間的相關性進行對比分析發(fā)現(xiàn)，襯砌裂縫極度發(fā)育的段落，仰拱基本均存在厚度不足缺陷，襯砌背后脫空部位伴隨著襯砌厚度缺陷，通常裂縫也比較發(fā)育，典型襯砌病害及質量缺陷如圖3所示，典型路面病害及仰拱質量缺陷如圖4所示。

圖3 典型襯砌病害及質量缺陷

圖4 典型路面病害及仰拱缺陷

此外，對專項檢測中揭示拱頂存在二襯與初支層間脫空的部位進行注漿時，普遍存在漿液從二襯施工縫部位溢出的現(xiàn)象，分析認為其可能原因有兩點：一是二襯混凝土澆筑完成后混凝土收縮，造成二襯與初支層間脫空形成貫通的漿液通道；二是由于隧底仰拱厚度不足，提供的基底承載力不足以支承上部結構的自重產生豎向位移，隨著基底圍巖逐漸固結上部襯砌沉降變形趨于穩(wěn)定，而初支結構未發(fā)生變形導致層間脫空（初支在斷面開挖后已趨于穩(wěn)定，其通過設置的鋼架鎖腳和超前錨桿來承重）。由此可以推測，二次襯砌并未承受塑性地壓，圍巖壓力基本由初期支護承載，二襯裂縫的產生并不是由塑性地壓引起。

圖5 襯砌層間脫空施工縫漏漿

綜上所述，該高速公路隧道襯砌裂縫的形成與質量缺陷密不可分，尤其隧底仰拱結構缺陷直接導致了上部襯砌產生不均勻沉降，致使襯砌局部混凝土受拉產生裂縫，進而引發(fā)襯砌拱頂裂縫發(fā)育，而襯砌局部脫空或厚度不足減小了襯砌剛度，削弱了襯砌抵抗變形的能力，引發(fā)應力集中，惡化了受力狀況，從而導致開裂。通過向當時參建人員及后續(xù)運營管養(yǎng)工作人員了解的情況，建成通車后運營后1～2年時，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌裂縫病害持續(xù)發(fā)育，后續(xù)運營中裂縫發(fā)展性并不明顯，說明裂縫與圍巖的固結沉降密切相關，也佐證了襯砌裂縫的產生是由基底仰拱結構缺陷引發(fā)。

3 綜合處治方案

鑒于二襯裂縫是由隧底結構缺陷、襯砌背后脫空及襯砌厚度不足引起的不均勻沉降、襯砌結構剛度變異及應力集中效應等共同引發(fā)，維修處治方案須有針對性。首先解決隧底結構缺陷的問題，設計前期從路面向下鉆取混凝土芯樣，根據(jù)芯樣揭露的混凝土結構厚度、質量等缺陷，確定仰拱拆換、仰拱加固及隧底注漿加固三種處治方案（圖6）。

圖6 隧底結構缺陷處治技術方案

在確保下部結構穩(wěn)定的同時，對襯砌局部脫空進行注漿處治，確保同一板襯砌在隧道軸線方向上的剛度基本一致，消除或削弱應力集中效應，優(yōu)化襯砌結構受力。此外，由于既有襯砌裂縫均為靜止裂縫，出于最大優(yōu)化襯砌結構受力、發(fā)揮既有襯砌結構剩余承載能力、防止襯砌混凝土碳化等方面的考慮，對大于0.2mm寬度的裂縫進行低壓注膠處理，膠類產品采用改性環(huán)氧樹脂膠，先封縫再進行壓力注漿，確保注膠飽滿。

要說明的是，對于裂縫極度發(fā)育，局部存在襯砌掉塊風險的既有襯砌，承載能力已遭到嚴重削弱，根據(jù)病害程度采用二襯換拱或疊合式噴射混凝土套拱進行加固，以提升襯砌結構的承載能力及安全儲備，這部分未詳述。

4 結論

圖7 裂縫低壓注膠處治

1）甘肅某高速公路隧道襯砌裂縫產生的主因是隧底仰拱缺陷，其引發(fā)襯砌結構的不均勻沉降，致使襯砌局部混凝土受拉產生裂縫，隧底圍巖固結沉降穩(wěn)定后裂縫趨于穩(wěn)定。

2）襯砌背后空洞及襯砌厚度不足減小了襯砌剛度，削弱了襯砌抵抗變形的能力，引起的應力集中效應，惡化了襯砌結構受力狀況。

3）研究襯砌裂縫病害和隧道質量缺陷的相關性有重要意義，為制定有針對性的維修技術方案提供了新思路，對裂縫產生原因類似的隧道維修工程方案設計有借鑒意義。