公路隧道襯砌裂縫病害成因及統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析

林海山 陳智超 王辰晨

摘要：受勘察設(shè)計(jì)、施工養(yǎng)護(hù)以及隧址區(qū)工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件等因素的綜合影響，運(yùn)營(yíng)公路隧道病害頻發(fā)，其中襯砌裂縫尤為常見。文章基于已有研究總結(jié)分析了公路隧道裂縫成因以及不同類型和形式裂縫數(shù)量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，可為新建或改擴(kuò)建隧道以及運(yùn)營(yíng)隧道襯砌裂縫病害處治提供參考。

關(guān)鍵詞：公路隧道;襯砌裂縫;成因;形式;統(tǒng)計(jì)規(guī)律

0 引言

截至2018年年底，我國(guó)已建成通車的公路隧道為17 738處、17 236.1 km，比上一年增加1 509處、1 951.0 km，并且仍在逐年增長(zhǎng)。隨著通車年限的增加，受勘察設(shè)計(jì)、施工、隧址區(qū)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件以及養(yǎng)護(hù)管理等因素的影響，公路隧道病害愈加凸顯，其中尤以襯砌裂縫最為常見。公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：隧道襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度不得超過0.2 mm，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫寬度則不得超過0.4 mm，不同形式和寬度的裂縫對(duì)于襯砌結(jié)構(gòu)的影響也不盡相同，故而，掌握不同類型襯砌裂縫的成因尤其重要，不僅是針對(duì)裂縫病害“對(duì)癥下藥”的前提條件，也是病害處治效果的有力保障。

本文對(duì)隧道襯砌裂縫的成因與表現(xiàn)形式進(jìn)行了總結(jié)分析，并基于已掌握的大量隧道病害檢測(cè)數(shù)據(jù)得出了不同類型和形式的襯砌裂縫數(shù)量的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，為新建與改擴(kuò)建隧道工程以及既有運(yùn)營(yíng)隧道養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 隧道襯砌裂縫的成因

隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展往往是由多種因素綜合影響的結(jié)果，主要包括工程地質(zhì)條件、勘察設(shè)計(jì)因素、施工技術(shù)水平與施工質(zhì)量以及氣候與行車環(huán)境等因素。

1.1 工程地質(zhì)條件

對(duì)隧道裂縫影響較大的地質(zhì)條件包括地下水作用、不利地質(zhì)條件和偏壓等。

（1）地下水作用：地下水作用包括襯砌外水壓力與水體凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力。隧道設(shè)計(jì)時(shí)往往不考慮地下水壓力對(duì)襯砌的作用，然而受排水系統(tǒng)局部堵塞或者失效以及雨季期間遭遇長(zhǎng)時(shí)間強(qiáng)降雨的影響，導(dǎo)致襯砌背后的地下水不能及時(shí)排出且隧址區(qū)地下水位居高不下，隧道襯砌局部受力處于極限平衡狀態(tài)，從而引發(fā)隧道襯砌薄弱處開裂，包括隧道拱部到邊墻的水平裂縫、環(huán)向裂縫。寒區(qū)隧道襯砌背后及圍巖中的地下水凍結(jié)[=XQS（]公路隧道襯砌裂縫病害成因及統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析/林海山，陳智超，王辰晨[=JP2]產(chǎn)生的凍脹力不僅會(huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生主動(dòng)土壓力，還會(huì)導(dǎo)致圍巖強(qiáng)度降低。隨著時(shí)間的推移，圍巖松動(dòng)壓力會(huì)逐年發(fā)展，沿著拱頂縱向出現(xiàn)張拉裂縫。此外，襯砌還會(huì)因?yàn)樘幱谇治g性地下水的長(zhǎng)期浸泡造成劣化而產(chǎn)生裂縫。

（2）不利地質(zhì)條件：隧道位于斷層破碎帶、巖溶等地下水富集區(qū)的圍巖壓力和圍巖環(huán)境復(fù)雜多變，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)受力不均或者局部受力超過極限承載力而產(chǎn)生裂縫甚至破損。例如，斷層破碎帶區(qū)域巖體松散、裂隙發(fā)育、松動(dòng)土壓力大加上因富集地下水產(chǎn)生的水壓而導(dǎo)致襯砌出現(xiàn)裂縫。含黏土礦物的圍巖遇水體積膨脹產(chǎn)生的膨脹力，會(huì)隨著時(shí)間不斷增長(zhǎng)，一般會(huì)引起隧道邊墻或拱肩水平開裂，接縫處則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)臺(tái)。隧道上覆軟弱圍巖在長(zhǎng)期蠕變作用下形成的變形壓力會(huì)持續(xù)作用在襯砌結(jié)構(gòu)上，在拱頂附近沿隧道縱向多發(fā)生張拉性開裂，在拱的兩肩處產(chǎn)生斜向開裂。

（3）偏壓：偏壓即襯砌結(jié)構(gòu)承受不對(duì)稱荷載作用，通常會(huì)誘發(fā)隧道襯砌產(chǎn)生縱向裂縫。偏壓的原因主要包括地形引起的偏壓和地質(zhì)構(gòu)造引起的偏壓兩種。

1.2 勘察設(shè)計(jì)因素

勘察設(shè)計(jì)階段主要影響因素包括圍巖級(jí)別劃分不準(zhǔn)確、襯砌類型選擇不當(dāng)、防水措施不足三種。

（1）圍巖級(jí)別劃分不準(zhǔn)確：在勘察階段，受隧址區(qū)工程地質(zhì)條件復(fù)雜多變，以及勘察深度、周期等因素的綜合制約，國(guó)內(nèi)大多數(shù)隧道在勘測(cè)期開展的地質(zhì)鉆孔的數(shù)量一般較少，難以獲得較為全面可靠的地質(zhì)資料，可能導(dǎo)致部分區(qū)段圍巖級(jí)別劃分不準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)該劃分結(jié)果選取的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計(jì)參數(shù)也會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)設(shè)計(jì)值不滿足實(shí)際和規(guī)范要求。

（2）襯砌類型選擇不當(dāng)：如果在設(shè)計(jì)階段選取的襯砌類型與實(shí)際情況不符，且在施工中未能及時(shí)進(jìn)行糾正，也會(huì)造成該地段的襯砌結(jié)構(gòu)所承受的實(shí)際圍巖荷載與設(shè)計(jì)值不相匹配。

（3）防水措施不足：未充分考慮隧道所處山體復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，如排水溝設(shè)計(jì)排水能力不足導(dǎo)致雨季期間隧道長(zhǎng)時(shí)間受到較高的地下水壓力作用，襯砌于薄弱位置出現(xiàn)裂縫。

1.3 施工因素

施工時(shí)，受技術(shù)條件、施工方法和工藝、施工管理等因素影響，造成隧道工程施工擾動(dòng)大、施工質(zhì)量差等問題，從而導(dǎo)致襯砌裂縫的產(chǎn)生。

（1）施工方法和工序不當(dāng)：對(duì)于穩(wěn)定性較差的松軟圍巖地段，采用先拱后墻法施工時(shí)，由于施工工序銜接不當(dāng)導(dǎo)致襯砌成環(huán)不及時(shí)、拱架支撐變形下沉等原因，易引發(fā)拱部襯砌出現(xiàn)不均勻下沉，進(jìn)而誘使拱腰和拱頂部位的襯砌在施工階段就產(chǎn)生早期裂縫。

（2）襯砌背后回填不密實(shí)：由于光面爆破質(zhì)量差、超挖以及壓漿回填不及時(shí)等原因，模筑混凝土襯砌拱背部位常出現(xiàn)拱頂襯砌與圍巖接觸不密實(shí)且存在空隙的情況，造成拱部處于“馬鞍形”受力狀態(tài)，即兩邊受力大、中間受力小，對(duì)應(yīng)拱腰內(nèi)移張裂，而拱頂上抬且內(nèi)緣受擠壓。

（3）襯砌厚度不足：由于施工中測(cè)量放線出現(xiàn)差錯(cuò)、欠挖、模板拱架變形等原因在施工中未能及時(shí)糾正和妥善處理，造成隧道襯砌局部位置的厚度小于設(shè)計(jì)值。

此外，鄰近工程施工引發(fā)的巖土擾動(dòng)、拆模時(shí)間過早、施工縫處理不當(dāng)、混凝土配合比控制不當(dāng)或者振搗不充分等，也會(huì)對(duì)混凝土襯砌的施工質(zhì)量造成影響。

1.4 環(huán)境因素

由于隧道所處的自然條件、氣候條件、混凝土材料性質(zhì)、運(yùn)營(yíng)車輛等因素，造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

（1）混凝土材料性質(zhì)：混凝土本身的干縮、塑性收縮、溫縮、碳化等現(xiàn)象是產(chǎn)生裂縫的重要原因。

（2）運(yùn)營(yíng)環(huán)境：在車輛荷載或地震等動(dòng)荷載的作用下，導(dǎo)致襯砌混凝土發(fā)生疲勞破壞，產(chǎn)生裂縫。

2 隧道襯砌裂縫的表現(xiàn)形式

為了便于描述隧道裂縫的形態(tài)，一般將隧道襯砌劃分為左右側(cè)邊墻、左右側(cè)拱部，以及隧道底部的仰拱共五部分。其中拱部又可分為拱頂、拱腰與拱腳，邊墻可以分為墻頂、墻腰、墻腳，仰拱可以分為仰拱底部、仰拱拱腳。依據(jù)隧道裂縫成因、襯砌受力形態(tài)和裂縫走向的不同，對(duì)隧道襯砌裂縫有不同的分類方法。

2.1 按裂縫成因分類

隧道襯砌結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)期承受的荷載主要包括各種外荷載和變形荷載。隧道襯砌裂縫按成因可以分為以下兩種。

（1）各種靜荷載、動(dòng)荷載等引起的裂縫。靜荷載主要有圍巖壓力、靜水壓力;動(dòng)荷載有動(dòng)水壓力、地震荷載、人工爆破振動(dòng)等。

（2）由變形荷載引起的裂縫，包括溫度、收縮、不均勻沉降等因素，其機(jī)理是襯砌結(jié)構(gòu)變形得不到滿足，產(chǎn)生的應(yīng)力超過襯砌材料抗拉強(qiáng)度時(shí)導(dǎo)致襯砌發(fā)生張性開裂。

由外荷載引起的裂縫表明可能存在襯砌結(jié)構(gòu)承載力不足或者其他質(zhì)量缺陷問題，由變形引起的裂縫一般對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載力的影響很小，可以不考慮。

2.2 按裂縫走向分類

根據(jù)隧道襯砌裂縫走向及其和隧道軸線方向之間的關(guān)系，可以將裂縫分為環(huán)向裂縫、縱向裂縫和斜向裂縫三種。環(huán)向裂縫一般對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載力的影響較小，而拱部和邊墻的縱向裂縫和斜向裂縫因?yàn)闀?huì)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的完整性和整體性造成破壞，因而危害較大。

（1）環(huán)向裂縫。環(huán)向裂縫垂直于隧道縱向軸線，主要由縱向不均勻荷載、圍巖地質(zhì)變化等因素所造成，通常發(fā)生在隧道洞口或不良地質(zhì)段與完整圍巖地層交界處。

（2）縱向裂縫?？v向裂縫平行于隧道縱向軸線，危害性較大。從受力角度分析，拱頂混凝土襯砌一般由于內(nèi)緣受壓從而引發(fā)襯砌開裂、剝落掉塊;拱腰部位則是內(nèi)緣受拉導(dǎo)致張裂;拱腳部位的縱向裂縫會(huì)使襯砌因錯(cuò)位導(dǎo)致掉拱;邊墻的縱向裂縫由于襯砌內(nèi)緣受拉張開而錯(cuò)位，可能導(dǎo)致隧道失穩(wěn)。

（3）斜向裂縫。斜向裂縫通常與隧道縱向軸線斜交，多受由襯砌環(huán)向應(yīng)力和縱向應(yīng)力組合而成的拉應(yīng)力作用所致，其危害性僅次于縱向裂縫。

3 隧道襯砌裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)規(guī)律分析

本文對(duì)國(guó)內(nèi)497座運(yùn)營(yíng)公路隧道存在的不同走向裂縫的數(shù)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。

其中，環(huán)向裂縫為18 361處，占比44.56%;縱向裂縫為14 493處，占比35.14%;斜向裂縫為8 353處，占比20.27%，裂縫病害總計(jì)41 207處?？傮w而言，環(huán)向裂縫最多，其次是縱向裂縫，而且二者總和占比近80%，斜向裂縫占比最小。

4 結(jié)語

本文通過總結(jié)公路隧道襯砌裂縫的成因以及對(duì)不同表現(xiàn)形式裂縫的數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)如下：

（1）隧道襯砌裂縫的成因主要包括工程地質(zhì)條件、勘察設(shè)計(jì)因素、施工技術(shù)水平與施工質(zhì)量等。

（2）運(yùn)營(yíng)公路隧道襯砌裂縫以環(huán)向裂縫為主，其次是縱向裂縫，斜向裂縫的占比最小。

（3）環(huán)向裂縫一般對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)承載力的影響較小;縱向裂縫是影響隧道襯砌承載力的主要裂縫形式;斜向裂縫的危害性僅次于縱向裂縫。

工程實(shí)踐中應(yīng)及時(shí)對(duì)隧道襯砌出現(xiàn)的縱向裂縫和斜向裂縫進(jìn)行封閉處治。

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