公路隧道襯砌裂損相關(guān)研究

劉久正

（山西省襄汾公路管理段，山西臨汾 041000）

0 引言

伴隨社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國公路隧道的總里程不斷擴大，道路交通網(wǎng)絡(luò)的輻射范圍越來越廣，同時交通運輸工具的數(shù)量和噸位也在不斷增加，對于公路隧道的建設(shè)施工技術(shù)水平也提出了新的要求。道路交通網(wǎng)絡(luò)的不斷擴大開辟了新的經(jīng)濟可能性，有利于社區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。然而，如何處理公路隧道襯砌裂損相關(guān)問題，是有關(guān)部門在修建公路隧道中遇到的難點、重點問題。為了保證公路隧道在這種獨特環(huán)境下的完整性和穩(wěn)定性，必須積極解決隧道襯砌裂損問題。

1 我國公路隧道的發(fā)展歷史

公元前2000年左右，古巴比倫人在幼發(fā)拉底河下游地區(qū)修建了一條石灰?guī)r砌筑的人行道。這是目前已知世界上最早被用于運輸?shù)乃淼溃麄兪窃诤恿鞯目菟?，采用了明挖方式進行修建。公元前36年，古羅馬人修建了世界第一條公路隧道，在那不勒斯山和普佐里山之間開挖了長約2000m、寬7m、高10m 的公路隧道，是一條在石灰?guī)r中修建的較長隧道。而我國的隧道修建于公元66年，為了施工方便從而省去了襯砌結(jié)構(gòu)，大多建在堅硬的巖石中。在修建隧道的整個過程中，首先加熱周圍的巖壁，其次用冰水冷卻從而達到先膨脹后收縮開裂，以便開挖。但到了中世紀時，隧道則主要用于挖礦和軍事戰(zhàn)爭的目的。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)和軌道交通業(yè)的迅猛發(fā)展以及火藥的廣泛應(yīng)用，到了17、18世紀，我國的高速公路隧道建筑得到了蓬勃的發(fā)展；19世紀由于鐵路建設(shè)的迅猛發(fā)展，使得我國隧道建筑工程隨之發(fā)展，修建了許多隧道。20世紀以來，由于車輛交通量不斷增加，導(dǎo)致公路線路標(biāo)準也相應(yīng)提高，公路隧道數(shù)量也隨之越來越多。

鐵路隧道是我國最早修建的隧道。早在1970年以前，我國修建的鐵路隧道主要是采用了礦山法進行施工，但是并沒有采取任何防水措施。當(dāng)時隧道滲漏的強弱主要取決于雨水流量的大小以及地下水位的高低。至1970年以后，隨著新奧法逐漸傳入中國，鐵路隧道開始使用混凝土結(jié)構(gòu)。但由于施工技術(shù)及施工工具落后，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)各式各樣的裂縫，公路隧道的滲漏結(jié)果沒有發(fā)生變化。隨著電氣化機車的和較長隧道的出現(xiàn)，在1980年以后，人們開始意識到隧道滲漏是隧道工程最為重要的病害。由于我國公路隧道出現(xiàn)時間較晚，也沒有足夠的施工經(jīng)驗，都是按照鐵路隧道的施工經(jīng)驗來施工的，從而導(dǎo)致隧道出現(xiàn)了很多的施工縫，漏水嚴重。1980年以后，隨著國家的重視，工程師們提出了比鐵路隧道更高的要求。《公路隧道設(shè)計規(guī)范》（JTJ 026—1990）中首次提出對地下水的一般處理方法和原則，即“防、排、截、堵”有機結(jié)合，因地制宜進行綜合治理；同時還明確規(guī)定普通高速公路和隧道的施工防水要求：拱部不能滴水，邊墻不能滴水；設(shè)備箱孔口處路面上無任何積水、泄露或滲漏；隧道內(nèi)襯砌后無雨淋水，凍結(jié)區(qū)內(nèi)的排水溝未凍結(jié)。

2 公路隧道襯砌裂損的理論概述

因為地下水位的功效、地質(zhì)構(gòu)造對土壤層壓力的相互影響、地震災(zāi)害的應(yīng)力或別的人為要素的相互影響，隧道襯砌主體工程很有可能一起發(fā)生裂縫和斷層剝離、錯臺等狀況，導(dǎo)致全部地下隧道不能正常的工作，通稱為隧道襯砌裂損。

襯砌變形包含橫向變形和縱向變形。其中，橫向變形是關(guān)鍵變形。襯砌變形的橫向變形就是指襯砌由力造成拱形門樣式的轉(zhuǎn)變。襯砌挪動就是指兩端對齊的所有或一部分轉(zhuǎn)變，如轉(zhuǎn)動、移動、下移或升高，也是有豎直和橫向挪動的裂縫，通常出現(xiàn)在拱頂、拱腰、拱腳和外壁部位。隧道襯砌裂縫方位一般以縱向裂縫、斜裂縫、環(huán)裂、拱脫等多種方式呈現(xiàn)，其中縱向裂縫損害所占比例較大，大部分出現(xiàn)在拱腰部位。

3 國內(nèi)外公路隧道襯砌裂損相關(guān)研究

國外對襯砌裂縫的研究起步較早，最早可以追溯到19世紀中葉，延續(xù)至今，并取得各種成績。Dea-Hyuk 在四座服役五年以下的公路隧道中，發(fā)現(xiàn)4 種類型的裂縫，分析其數(shù)據(jù)并總結(jié)得出了縱向裂縫是影響公路隧道襯砌安全可靠的重要因素。Toshio-Askua 和Yoshikojima 針對法國的公路隧道襯砌變形進行了較深入的研究分析，同時總結(jié)得出了公路隧道襯砌裂損的有關(guān)整治措施，并且指出公路隧道檢測方法中無損檢測法是新方向。Bemardionchiai 和Alessandropfantiili 等人首先建立了關(guān)于隧道中玻璃纖維材料的鋼筋混凝土襯砌的性能評價分析模型，利用該分析模型能夠相對準確地判斷出裂縫可能產(chǎn)生的寬度、間距和厚度。Mikhailpleshk 對俄羅斯南部地區(qū)的鐵路隧道進行了研究分析，并對其混凝土結(jié)構(gòu)進行了計算，得出襯砌結(jié)構(gòu)的承載力明顯比正常結(jié)構(gòu)低，最小主應(yīng)力明顯增加，混凝土表面病害嚴重的結(jié)論，指出鐵路在運營中應(yīng)注意襯砌質(zhì)量缺陷。

為此，我國的隧道工程師們開展了更為深入、全面和系統(tǒng)的研究。經(jīng)過不懈的努力，在公路隧道襯砌裂損的各個方面都取得了極大的成就，張偉、李夕兵、宮鳳強、李地元等人分析了隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的原因，得出了勘察設(shè)計、施工技術(shù)、地質(zhì)環(huán)境等因素對襯砌裂縫的影響。

同時，對隧道襯砌應(yīng)力進行了ANSIS 有限元計算。結(jié)果表明，隧道襯砌裂縫主要分布在拱頂、拱腳和拱腰部位。盧穎明和陳禮偉等人系統(tǒng)地介紹了現(xiàn)有的公路隧道襯砌裂損病害，并進行了歸納總結(jié)，對公路隧道襯砌裂損病害的成因進行了系統(tǒng)性的分析，總結(jié)得出了隧道病害主要是由外力、水、襯砌裂損等其他病害引起的。張素磊、王磊等人通過對甘肅省重點公路隧道襯砌裂損的研究，總結(jié)得出了公路隧道襯砌裂損的發(fā)展規(guī)律及特點。

4 公路隧道襯砌裂損成因研究

4.1 勘察設(shè)計方面成因分析

在隧道工程設(shè)計中，由于隧道圍巖的結(jié)構(gòu)分類不準確，襯砌混凝土結(jié)構(gòu)選取不當(dāng)，從而導(dǎo)致各種襯砌結(jié)構(gòu)材料與建筑圍巖的實際受力載荷不相適應(yīng)，產(chǎn)生裂縫破壞。

水文地質(zhì)條件復(fù)雜多變。由于受設(shè)計和勘察深度的影響，大量的隧道只有少部分進行地質(zhì)勘察鉆孔，在設(shè)計階段難以獲得全面完整、精細的地質(zhì)信息。可能還出現(xiàn)某些地點圍巖的分類不準確，襯砌結(jié)構(gòu)類型的選擇錯誤、錯位或者漏判，導(dǎo)致該地點的襯砌結(jié)構(gòu)不符合圍巖的實際負荷。例如：

其一，對于一些膨脹性的圍巖地段，沒有采用彎曲墻和仰拱式的襯砌；

其二，該進行偏壓的地段沒有使用偏壓襯砌；

其三，襯砌結(jié)構(gòu)在斷層破碎帶、褶皺地帶區(qū)等局部范圍內(nèi)的巖石松動壓力或構(gòu)造應(yīng)力較大的地方，沒有進行相應(yīng)加固處理；

其四，對于混凝土基底軟弱且容易被風(fēng)化淤泥的地段，沒有設(shè)置排水措施，同時混凝土敷設(shè)的厚度不夠。

4.2 施工方面成因分析

在施工設(shè)計的過程中，由于各種技術(shù)條件的影響，造成了施工方法不合理，管理措施欠缺，工程質(zhì)量較差，拱腰出現(xiàn)早期裂縫。二級以下的圍巖通常是采取先拱后墻的施工方式。在施工的過程中，拱架發(fā)生了變形和下沉，導(dǎo)致拱內(nèi)襯不均勻而出現(xiàn)沉降，拱腰出現(xiàn)早期裂縫。由于建筑工藝之間的搭接不好、襯砌保護措施不及時、拱底襯砌懸掛段使用時間過長、拱支護變形而出現(xiàn)下沉等各種原因，容易導(dǎo)致拱體襯砌不均勻的沉降和拱腰、拱頂襯砌早期施工裂縫。

施工過程質(zhì)量安全監(jiān)督檢查管理保障措施不完善，混凝土鋼筋原材料檢查不嚴，施工材料配合比質(zhì)量控制不嚴，水灰比太大，混凝土鋼筋搗實施工質(zhì)量差，拱部由于間歇澆筑而成的水平裂縫等，導(dǎo)致了鋼筋襯砌施工質(zhì)量差，承載能力明顯降低。由于工人測量材料放線產(chǎn)生誤差、欠挖、工人沒有按照規(guī)范進行施工等多種原因，在施工過程中處理不當(dāng)而直接導(dǎo)致了基層局部墻體的襯砌層面的厚度不足。如果過早地拆除了襯砌模板的內(nèi)部支撐，襯砌無法承受可能超出允許荷載的荷載，從而導(dǎo)致開裂。

5 公路隧道襯砌裂損的防治措施

5.1 采用先進的技術(shù)設(shè)備

加強對地質(zhì)的勘探，為公路隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計人員提供精確的建筑工程地質(zhì)資料和水文地質(zhì)數(shù)據(jù)。在設(shè)計前，應(yīng)該使用地質(zhì)雷達進行探測，在施工過程中也應(yīng)該對工程進行復(fù)查和檢測。對于不良地質(zhì)地段的襯砌，應(yīng)貫徹“寧強勿弱，寧直勿曲，加強襯砌過渡段，寧長勿短”的設(shè)計原則。例如，某隧道原本設(shè)計為二級圍巖路段，總長200 多米。經(jīng)過開挖發(fā)現(xiàn)，大部分土石只能被當(dāng)作Ⅳ類的圍巖，差異很大。因此，在設(shè)計中，襯砌結(jié)構(gòu)不能很好地滿足現(xiàn)場實際的地質(zhì)條件，這一問題往往會成為在施工現(xiàn)場中經(jīng)常面臨的問題。為了彌補設(shè)計過程中的漏洞，現(xiàn)場施工技術(shù)人員均應(yīng)及時根據(jù)設(shè)計圖紙檢查開挖后范圍內(nèi)的隧道狀態(tài)。若有不合理之處，不應(yīng)該盲目地按照設(shè)計圖紙進行施工，而是應(yīng)立刻與設(shè)計師進行協(xié)商并做出一些相應(yīng)的變更。

5.2 加強施工管控制

裂縫無任何滲水情況，可以采取水泥漿進行修補，或先鑿毛后抹1∶1 水泥砂漿或環(huán)氧樹脂砂漿。為了防止砂漿固結(jié)和收縮，配制時最好摻入10%～17%的微膨脹劑。拱圈上出現(xiàn)了許多裂縫，有些甚至喪失了承載能力，原則上要將拱圈拆除并重建。通常選擇噴錨網(wǎng)或噴早強型鋼纖維混凝土；當(dāng)拱裂縫嚴重，但拱圈的基本形狀無巨大變形時，可以考慮采用素噴混凝土的方法來進行處理。以往，對于隧道開裂或者變形較大的隧道襯砌，作為暫時性的加固和施工安全保護措施，常采取鋼拱來支護。當(dāng)隧道內(nèi)的凈空量足夠時，可在襯砌內(nèi)搭設(shè)；當(dāng)間隙不夠時，應(yīng)鑿入襯砌。作為一種永久性加固措施，當(dāng)凈空量較大時，通常選擇在隧道內(nèi)再次架設(shè)一個鋼筋混凝土拱來進行加固；當(dāng)建筑物的襯砌損壞或變形較大，侵入隧道的施工邊界段時，采用換襯法。

二次襯砌混凝土材料改良。要注意嚴格控制配合比，尤其是水灰比。通過合理地添加膨脹劑、外加劑，可以有效地降低二次襯砌中鋼筋混凝土的溫度收縮和失水收縮，提高二次襯砌的抗裂性能。增強隧道施工管理技術(shù)，各道工序之前都需要向工人進行一次技術(shù)交底。嚴格遵守規(guī)范進行施工，發(fā)現(xiàn)問題立即整改，確保隧道施工質(zhì)量。拆模前應(yīng)測量混凝土強度是否達到拆模強度。

5.3 做好隧道襯砌裂損病害檢測

公路隧道的可靠運作尤為重要。在進行病害管理之前，要做好全方位檢查，把握襯砌構(gòu)造的具體情況，依據(jù)目前病害特點開展剖析，明確提出相應(yīng)的處理方案。檢測工作人員應(yīng)具有專業(yè)技能，依據(jù)目前統(tǒng)計數(shù)據(jù)開展分析，挑選合理的檢查技術(shù)，制訂檢查方案，進行公路隧道襯砌裂損病害檢驗實踐，并為管理方法提供重要的依據(jù)和支持。要對取得的病害檢查結(jié)果開展全方位檢查，嚴控檢查結(jié)果的質(zhì)量。積極主動引入新技術(shù)、新方式、病害檢查標(biāo)準。目前，隧道狀況檢驗領(lǐng)域的新技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)開拓創(chuàng)新，環(huán)狀激光線技術(shù)、隧道病害檢測系統(tǒng)等眾多出色技術(shù)已經(jīng)形成。激光點轉(zhuǎn)動速率到轉(zhuǎn)動精確測量、檢查速度比較慢的缺陷、360°環(huán)狀激光線投影技術(shù)、快速數(shù)碼照相機能快速地收集隧道表面的激光線圖像。在轉(zhuǎn)化成隧道表面形狀坐標(biāo)的同時，給予提高了隧道檢查的實際效果和品質(zhì)。另一個實例是，服務(wù)機器人也被用于隧道檢查產(chǎn)業(yè)鏈，表現(xiàn)出了優(yōu)越的成效。利用新技術(shù)應(yīng)用和新的工業(yè)設(shè)備，維持隧道襯砌損害檢查水準，有益于管理工作的進度。

5.4 做好病害治理環(huán)節(jié)的控制

在隧道施工襯砌縫隙病害整頓工作中，應(yīng)以質(zhì)量安全性為核心，開展施工項目管理，并采用下列控制方案。

引入整治技術(shù)。依據(jù)制定的病害管理方案，梳理管理工作的核心內(nèi)容和難點，交到工程項目檢查員。檢查員把握新技術(shù)應(yīng)用、新方式使用的重點，全面推行管理方法、防范措施。

控制好管理方面質(zhì)量。依據(jù)對公路隧道襯砌縫隙管理方法的質(zhì)量風(fēng)險評估，緊緊圍繞原材料和機器設(shè)備等開展實際操作?？刂茩z修所需材料的訂購和應(yīng)用過程，控制原材料質(zhì)量和熱塑性樹脂的比率等，減少對檢修質(zhì)量的影響。在病害管理期間，督促工程施工組嚴格遵守設(shè)計規(guī)范，避免質(zhì)量問題和安全隱患，查驗病害管理方法的效果，產(chǎn)生更多的盈利和價值。病害管理方法實施后，運用專業(yè)技術(shù)開展查驗，妥善處置目前的質(zhì)量問題。

6 結(jié)語

公路隧道襯砌裂損對我國人民群眾的生命和財產(chǎn)安全造成了嚴重的威脅，產(chǎn)生了一系列社會和經(jīng)濟方面的問題。因此，對于公路隧道襯砌裂損的問題進行防治是迫在眉睫的。對于公路隧道滲漏水與襯砌裂損成因進行了分析并給出了相應(yīng)的解決措施，做好質(zhì)量與安全的整體把控，積極推廣應(yīng)用現(xiàn)代化技術(shù)，適應(yīng)檢測的新形勢與新要求，安全、高效地治理病害，助力隧道安全運行。