公路隧道襯砌空洞成因及典型破壞形式

翟志強(qiáng)

山西遠(yuǎn)方路橋（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 山西大同 037006

1 本文研究背景

部分公路隧道在貫通通車后，隨著運(yùn)營年限的增長，隧道內(nèi)壁將逐漸出現(xiàn)襯砌開裂、襯砌剝離掉落、內(nèi)壁滲水等問題，如果后續(xù)養(yǎng)護(hù)工作不及時，初期的襯砌病害將快速劣化，且病害發(fā)展進(jìn)度不斷加快，嚴(yán)重情況下將導(dǎo)致隧道襯砌大面積開裂、剝離，嚴(yán)重削弱隧道襯砌對隧道圍巖的約束作用，襯砌碎渣及滲水聚集在路面上嚴(yán)重影響隧道的安全、順暢通行。通過分析部分公路隧道襯砌病害案例發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌病害基本歸因于內(nèi)部空洞、襯砌厚度不均勻等因素；尤其是隧道拱頂位置，受襯砌空洞的影響更加顯著，由于空洞的出現(xiàn)，襯砌在外荷載作用下出現(xiàn)一定的應(yīng)力重分布現(xiàn)象，進(jìn)而影響襯砌的整體力學(xué)行為，造成部分位置拉應(yīng)力超限，最終誘發(fā)襯砌開裂、剝離及滲水病害[1]。

在公路隧道施工實踐中，新奧法施工方案在隧道掘進(jìn)及圍巖支護(hù)中的應(yīng)用較為廣泛，采用新奧法開挖的隧道，圍巖襯砌結(jié)構(gòu)由初期支護(hù)和二次襯砌兩部分構(gòu)成；初期支護(hù)根據(jù)隧道圍巖等級及穩(wěn)定性情況一般選用錨桿噴射混凝土或增設(shè)鋼拱架，二次襯砌由混凝土整體澆筑，初期支護(hù)與二次襯砌共同構(gòu)成隧道圍巖復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)；但在具體施工過程中，受累于施工條件、現(xiàn)場質(zhì)量控制、人為因素及環(huán)境條件等因素，隧道圍巖襯砌背后容易出現(xiàn)空洞病害，空洞的隨機(jī)分布不同程度上破壞了隧道圍巖復(fù)合襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和完整性[2]。

2 公路隧道襯砌空洞成因分析

目前，為了提高檢測效率，降低空洞檢測對隧道圍巖襯砌結(jié)構(gòu)的破壞程度，在公路隧道襯砌空洞病害檢測中，常用到地質(zhì)雷達(dá)；通過總結(jié)大量無損檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，襯砌空洞廣泛存在于初期支護(hù)和二次襯砌中，且襯砌空洞分布有明顯的差異性，絕大多數(shù)空洞集中分布在隧道拱頂位置，而隧道拱腰及邊墻位置的空洞分布數(shù)量相對較少，且襯砌空洞容易以集群的形式出現(xiàn)；此外，隧道圍巖襯砌空洞數(shù)量與圍巖等級并無明顯的相關(guān)關(guān)系，等級介于Ⅱ～Ⅴ范圍內(nèi)的圍巖均會出現(xiàn)襯砌空洞病害。

2.1 地質(zhì)及水文等內(nèi)部成因分析

隧道地質(zhì)及水文等條件作為外部影響因素對圍巖襯砌空洞影響尤為顯著，是造成隧道初期支護(hù)空洞的重要誘因之一；由于隧道圍巖等級差異，在開挖掘進(jìn)過程中，由于圍巖風(fēng)化程度、巖石節(jié)理發(fā)育程度、天然斷裂帶分部等條件差異，均為圍巖襯砌空洞的出現(xiàn)提供了天然條件。在圍巖等級較高的區(qū)段，由于巖體節(jié)理發(fā)育成熟，圍巖基本呈散粒狀，在采用爆破開挖時，很容易造成圍巖超挖或者欠挖問題，初期支護(hù)如果不能及時跟進(jìn)或支護(hù)不到位，極易在初期支護(hù)背后產(chǎn)生空洞；此外，隧道圍巖滲水也是造成初期支護(hù)背后空洞的主要原因，富集在隧道圍巖中的徑流水長期沖刷，并裹挾大量泥沙，最終造成襯砌背后空洞病害，對于出現(xiàn)圍巖涌水病害的區(qū)段，初期支護(hù)混凝土無法及時封堵涌水，在涌水壓強(qiáng)作用下，導(dǎo)致混凝土支護(hù)出現(xiàn)永久性大變形，進(jìn)而引發(fā)支護(hù)背后空洞病害[3]。

2.2 施工及人為等外部成因分析

因施工及人為等外部成因?qū)е碌囊r砌空洞病害廣泛存在于初期支護(hù)和二次襯砌結(jié)構(gòu)中。初期支護(hù)空洞病害集中出現(xiàn)在爆破開挖的隧道襯砌中，由于爆破材料布置不合理導(dǎo)致圍巖爆破不徹底或者爆破當(dāng)量過大，最終引起圍巖超挖或者欠挖問題，此外，由于隧道勘察階段工作不到位，導(dǎo)致勘察數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，在爆破設(shè)計過程中出現(xiàn)爆破當(dāng)量設(shè)計過大或不足的問題，同樣引起超挖或欠挖問題，圍巖超挖或欠挖造成圍巖表面平整度下降，加之圍巖基面爆破碎屑清理不徹底，導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土無法與圍巖緊密貼合，從而形成襯砌空洞；初始噴射混凝土完成后，加掛鋼筋網(wǎng)與混凝土初噴面貼合不良，加之現(xiàn)場復(fù)噴射作業(yè)不規(guī)范，在圍巖與支撐拱架等交界位置存在不密實問題，最終導(dǎo)致復(fù)噴混凝土形成封閉背后空洞。

二次襯砌背后空洞病害主要受襯砌混凝土自身性能和澆筑模板剛度水平影響。隧道圍巖二襯砌結(jié)構(gòu)使用模板混凝土，如果襯砌混凝土本身性能不達(dá)標(biāo)勢必會引發(fā)襯砌背后空洞病害，由于混凝土原材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)、配合比設(shè)計不合理、拌和質(zhì)量控制不當(dāng)?shù)仍驅(qū)е乱r砌混凝土強(qiáng)度、塌落度、干縮性等因素不滿足設(shè)計要求，襯砌混凝土在凝結(jié)硬化過程中出現(xiàn)明顯干縮、剛度不足等問題，引起二襯砌與初期支護(hù)之間的貼合性下降，在二襯砌背后形成非連續(xù)空洞。此外，由于襯砌混凝土模板自身剛度不足，拱頂模板出現(xiàn)明顯沉降，模板沉降引發(fā)拱頂襯砌混凝土沉陷，最終在拱頂模板支架附近出現(xiàn)空洞病害。

3 公路隧道襯砌空洞典型破壞形式概述

空洞在公路隧道襯砌中廣泛存在，長期出現(xiàn)的襯砌空洞勢必會影響隧道襯砌的穩(wěn)定性和完整性，給隧道正常通行造成不利影響；空洞對隧道圍巖襯砌的破壞主要通過圍巖對襯砌壓力的變化得以體現(xiàn)，由于襯砌受圍巖壓力被迫改變，導(dǎo)致襯砌內(nèi)力響應(yīng)異常，最終表現(xiàn)為襯砌開裂、剝離、掉落等病害。

因襯砌背后空洞引發(fā)的襯砌破壞大致可分為以下三種形式。第一，失去襯砌約束的圍巖穩(wěn)定性和承載能力均下降；空洞分布于襯砌和隧道圍巖之間，影響了襯砌與圍巖之間的貼合性，襯砌與圍巖之間的傳力路徑被迫改變，襯砌對圍巖的約束反力下降，圍巖在自重、滲流等因素的綜合作用下相繼出現(xiàn)應(yīng)力松弛、大變形等問題，最終演變?yōu)槭Х€(wěn)、塌落病害，累及隧道襯砌結(jié)構(gòu)。第二，襯砌承載能力被削弱；襯砌空洞間接影響地面反力對襯砌的約束作用，襯砌失去約束而向圍巖反方向變形，局部薄弱位置在變形擠壓作用下出現(xiàn)開裂。第三，襯砌滲水引起的滲漏、凍脹及銹蝕破壞；圍巖徑流水長期集聚在空洞內(nèi)并向襯砌內(nèi)部滲透，經(jīng)過冬夏季凍融循環(huán)后，襯砌出現(xiàn)凍脹、滲漏破壞，襯砌內(nèi)鋼筋在浸水條件下則出現(xiàn)銹蝕破壞。

4 結(jié)語

綜上，本文以公路隧道襯砌空洞病害為研究對象，詳細(xì)闡述了隧道不同襯砌結(jié)構(gòu)的空洞病害成因，最后簡單概述了部分隧道圍巖襯砌空洞病害的典型破壞形式。