隧道二襯開裂原因及處治技術研究

謝平

（江西省公路工程監(jiān)理有限公司，江西 南昌 330013）

0 引言

我國地域遼闊，自然條件、地形條件和施工環(huán)境條件差異巨大，隧道建設條件復雜多變。受設計、施工、管理和材料等影響，隧道常出現(xiàn)襯砌混凝土劣化、開裂、掉塊、背后空洞和滲漏水等病害[1]。隧道二襯被稱為隧道結(jié)構(gòu)的最后一道防線，開裂作為其主要病害，不僅影響隧道質(zhì)量和運營安全，還會縮短隧道使用和維護周期。隧道二襯開裂的原因錯綜復雜，與圍巖壓力、材料特性和施工工藝等一個或多個因素相關。雖然國內(nèi)外學者對隧道二襯裂縫開展了一系列的研究，但并未對其進行系統(tǒng)的歸納總結(jié)。鑒于此，在總結(jié)分析隧道二襯裂縫類型、產(chǎn)生機理的基礎上，討論隧道二襯開裂的處治措施，以期為隧道二襯裂縫病害現(xiàn)象分析和處治提供一定的借鑒和參考。

1 隧道二襯裂縫分類

隧道二襯裂縫可根據(jù)以下五種指標進行分類：裂縫走向與隧道軸線的關系[2]、開裂原因[3]、裂縫寬度[4]、裂縫深度、受力變形特征和裂口特征[5]等標準進行分類。

1.1 裂縫走向與隧道軸線的關系

根據(jù)二襯裂縫走向與隧道軸線的關系，可將二襯裂縫分為縱向裂縫、斜向裂縫和環(huán)向裂縫。

1.1.1 縱向裂縫

縱向裂縫的走向與隧道軸線一致，容易引起隧道拱頂塌落，甚至整條隧道坍塌，是隧道結(jié)構(gòu)安全危害最大的裂縫類型?？v向裂縫如圖1所示。

圖1 縱向裂縫示意圖

縱向裂縫多見于隧道邊墻部位（單線隧道）和拱腰部位（雙線隧道）。拱腰部位開裂原因一般為拱頂內(nèi)緣受到擠壓，導致局部出現(xiàn)剝落掉塊，拱腰部位混凝土受拉張開。邊墻部位開裂原因為二襯內(nèi)緣受拉張開錯位。

1.1.2 斜向裂縫

斜向裂縫走向與隧道軸線夾角大致呈45°，常發(fā)生于邊墻和拱部。主要開裂原因為隧道環(huán)向力和縱向力同時作用產(chǎn)生的拉應力。斜向裂縫的危害介于環(huán)向裂縫和縱向裂縫之間，但當隧道二襯有多條斜向裂縫相互交錯時，容易導致隧道二襯結(jié)構(gòu)混凝土掉塊。斜向裂縫如圖2所示。

圖2 斜向裂縫示意圖

1.1.3 環(huán)向裂縫

環(huán)向裂縫走向與隧道軸線大致呈垂直關系，常發(fā)生于變形縫、施工縫處，同時也發(fā)生于圍巖特性變化地帶，主要成因為二襯結(jié)構(gòu)的不均勻沉降。三種裂縫中，環(huán)向裂縫危害最小。環(huán)向裂縫如圖3所示。

圖3 環(huán)向裂縫示意圖

1.2 開裂原因

根據(jù)隧道二襯開裂原因，可將其分為變形裂縫、干縮裂縫、溫度裂縫和接茬裂縫，見表1。

表1 二襯裂縫根據(jù)開裂原因分類

1.3 裂縫寬度

隧道二襯裂縫根據(jù)裂縫最大寬度值的分類，還需考慮不同工程環(huán)境?！惰F路工務技術手冊》將二襯裂縫分為毛裂縫、小裂縫、中裂縫和大裂縫；《美國隧道手冊-非預應力混凝土》將二襯裂縫分為輕度、中度和重度；《美國隧道手冊-預應力混凝土》將二襯裂縫分為中度和重度。詳細分類見表2。

表2 二襯裂縫根據(jù)裂縫最大寬度分類

1.4 裂縫深度

根據(jù)裂縫深度，可將隧道二襯裂縫分為貫通性裂縫和非貫通性裂縫。其中貫通性裂縫危害嚴重，容易引起隧道結(jié)構(gòu)滲漏水和襯砌破壞等問題。

1.5 受力變形和裂口特征

根據(jù)二襯結(jié)構(gòu)受力變形和裂口特征，可將二襯裂縫分為受壓閉口型裂縫、受剪錯臺型裂縫和受彎張口型裂縫，具體分類見表3。

表3 二襯裂縫根據(jù)受力變形和裂口特征分類

2 隧道二襯開裂原因

隧道二襯開裂原因錯綜復雜，包括工程設計、施工工藝及施工控制、不利外荷載作用、工程材料、運營管養(yǎng)等因素。綜合以往研究成果，總體上可將二襯開裂原因分為力學因素、結(jié)構(gòu)設計因素、施工因素、材料因素[6]。

2.1 力學因素

力學因素包括松弛荷載、襯砌背后空洞、偏壓荷載、隧道承載力不足、地下水作用、膨脹性土壓和其他荷載。

其一，松弛荷載的產(chǎn)生原因為隧道掘進引起圍巖擾動內(nèi)移，圍巖支護不及時，造成圍巖變形過大而松動，以垂直壓力為主。隨著時間推移，圍巖松弛荷載逐漸增大，當荷載值達到二襯混凝土極限承載力時，拱頂就會出現(xiàn)張拉型裂縫，拱肩處出現(xiàn)斜向裂縫和龜甲狀裂縫。其二，襯砌背后空洞由施工原因造成。由于局部約束缺失，襯砌結(jié)構(gòu)在空洞部位容易出現(xiàn)應力集中，在二襯結(jié)構(gòu)兩側(cè)起拱線上方約45°位置產(chǎn)生張口型裂縫，同時在拱頂出現(xiàn)縱向裂縫。如果襯砌背后空洞較大，圍巖塊體的坍塌掉落對襯砌結(jié)構(gòu)作用足夠的沖擊荷載，容易造成隧道坍塌。其三，偏壓荷載產(chǎn)生的主要原因有地形、地質(zhì)和開挖方式，如隧道出口段的開挖、卸坡，傍山隧道地形，傾斜層狀巖層等。較小的偏壓荷載即可造成襯砌開裂。二襯裂縫在不同類型偏壓荷載作用下，呈現(xiàn)不同的形式：被動土壓力主要產(chǎn)生斜向裂縫，常發(fā)生于拱肩位置，同時在隧道邊墻與拱部部位出現(xiàn)錯臺；主動土壓力主要產(chǎn)生縱向裂縫，常發(fā)生于拱肩位置。其四，隧道承載力不足常發(fā)生于隧道拱腳及仰拱處，基礎承載力不足造成隧道斷面豎向位移和不均勻沉降，最終形成全斷面環(huán)向裂縫。其五，膨脹性圍巖壓力包括隧道開挖造成的初始地應力的釋放和吸水膨脹性圍巖吸水膨脹等。當隨時間累積的圍巖壓力超過襯砌混凝土的極限承載力時，隨即發(fā)生襯砌開裂。膨脹性圍巖型裂縫常發(fā)生于隧道拱肩及邊墻位置，裂縫呈水平狀，接縫處有錯臺，同時在拱頂位置處混凝土受壓嚴重剝落掉塊。其六，地下水也是隧道二襯開裂的主要力學因素。豐富的地下水產(chǎn)生的側(cè)向水壓力容易造成邊墻到拱部位置的縱向裂縫和環(huán)向裂縫；同時，隧道仰拱處在地下水作用下產(chǎn)生隆起和開裂。除此之外，火災、地震等不確定因素，也是二襯混凝土開裂的力學因素。

2.2 結(jié)構(gòu)設計因素

在隧道結(jié)構(gòu)設計中，造成二襯開裂的主要原因為隧道選址不合理、隧道結(jié)構(gòu)形式和構(gòu)造設計不合理、對隧道圍巖地質(zhì)情況判斷不準確、支護參數(shù)選用不合理等。常見以下結(jié)構(gòu)設計因素：

其一，隧道選址不合理，如隧道選擇山體埡口進洞、隧道走向沿溝道布設和隧道順陡傾巖層山體走向布設等，使隧道結(jié)構(gòu)長期處于不良地質(zhì)條件作用。

其二，隧道設計采用復雜結(jié)構(gòu)形式，如連拱隧道結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式的受力和施工工藝復雜，且構(gòu)造設計和連接構(gòu)造難以實施，很容易造成襯砌開裂。忽視構(gòu)造和細部設計的重要性，如未預留縱向排水管位置，導致侵限，減小襯砌厚度。

其三，勘察資料不準確，抑或?qū)Σ槊鞯牟涣嫉刭|(zhì)條件未采取針對性的有效設計方案，是產(chǎn)生襯砌開裂的最主要因素，如遇膨脹性圍巖未設置仰拱，也未使用曲墻式襯砌。

2.3 施工因素

隧道施工引起襯砌開裂原因主要是施工標準、施工工藝和施工管理等方面未按照標準執(zhí)行。常見以下施工因素：其一，欠挖、初支侵限和邊墻縱向排水盲管侵限等因素，造成二襯整體厚度不足。其二，在襯砌混凝土澆筑過程中，振搗質(zhì)量差或漏振、混凝土模板清洗不凈或安裝不符合要求、未正確進行混凝土養(yǎng)護，導致混凝土澆筑質(zhì)量差。其三，襯砌與邊墻、邊墻與仰拱連接處施工縫未形成有效連接，導致承載力不足而變形開裂。其四，施工的時效性，如不及時施作支護結(jié)構(gòu)，不及時封閉成環(huán)，不及時開挖仰拱和施作二襯等。

2.4 材料因素

二襯材料包括混凝土、鋼筋和防水材料等，材料的質(zhì)量是二襯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的最基本保障。常見以下材料因素：其一，混凝土原材料和配合比等不符合規(guī)定。其二，外加劑不合格或者摻入量不符合規(guī)定。其三，防水材料質(zhì)量不符合規(guī)定，導致混凝土滲水，加速混凝土和鋼筋劣化。

3 隧道二襯開裂處治措施

根據(jù)以往大量的研究結(jié)果，隧道二襯開裂處治遵從“預防為主，防治結(jié)合，綜合治理，簡單經(jīng)濟”的原則。在總體上，可將隧道二襯開裂處治措施分為直接涂抹法、鑿槽嵌補法、套襯補強法、襯砌換拱法、錨固或深孔注漿法[7-8]。

3.1 直接涂抹法

直接涂抹法適用于對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響較小，主要影響結(jié)構(gòu)外觀的微小裂縫（0.2～0.5mm）。多使用水泥基滲透結(jié)晶材料。

3.2 鑿槽嵌補法

鑿槽嵌補法的適用對象與直接涂抹法相似，但適用的裂縫寬度稍大（0.5～1mm），且裂縫數(shù)量較少。使用前，需沿裂縫兩側(cè)鑿出一個內(nèi)口大于外口的楔形槽。多使用環(huán)氧樹脂砂漿或水泥砂漿。

3.3 套襯補強法

套襯補強法適用于裂縫（寬度1～5mm）已經(jīng)影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的情形，如拱頂出現(xiàn)掉塊、拱腰出現(xiàn)錯臺且裂縫密集，但隧道結(jié)構(gòu)還具備一定的承載能力，且隧道凈空富足。套襯補強法通過增加二襯結(jié)構(gòu)厚度提高結(jié)構(gòu)強度和整體穩(wěn)定性。多使用模筑混凝土或噴射混凝土。

3.4 襯砌換拱法

襯砌換拱法適用于二襯結(jié)構(gòu)破損和承載力喪失嚴重，只能依靠更換襯砌結(jié)構(gòu)才能穩(wěn)固隧道結(jié)構(gòu)的情形。

3.5 錨固或深孔注漿法

錨固或深孔注漿法適用于圍巖條件較好、無地下水的隧道，利用錨桿和漿體加強襯砌與圍巖連接，充分利用圍巖自身的承載力提高襯砌結(jié)構(gòu)的整體強度和穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

綜上所述，隧道二襯開裂原因錯綜復雜，綜合了材料、設計、施工等方面因素，雖然已有一定的技術手段進行有效的處治，但難度大，且造價高。因此，只有在隧道建設過程中，加強材料質(zhì)量管控，提高勘察設計的準確度，強化施工質(zhì)量的過程管理，同時合理選用先進的儀器設備，對隧道開挖和施工質(zhì)量等進行有效檢測控制，才能防止隧道二襯開裂。