公路隧道二次襯砌裂縫成因分析及修補方法研究

黃宇

[摘要]總結(jié)了常見的公路隧道二次襯砌的裂縫類型，分析了襯砌裂縫出現(xiàn)的原因，最后提出了公路隧道二次襯砌裂縫的修補方法，為公路隧道裂縫病害的防治和應(yīng)對提供了寶貴的參考意見。

[關(guān)鍵詞]公路隧道; 二次襯砌; 裂縫; 修補技術(shù)

[中國分類號]U457+.2? ? ? ? ? ? ? ? ?[文獻標志碼]B

0引言

隨著我國“交通強國”戰(zhàn)略的不斷實施，快速網(wǎng)、干線網(wǎng)等主要線路的不斷開展建設(shè)，高速公路隧道在工程中的數(shù)量和占比也不斷持續(xù)增高，研究表明，自21世紀以來，我國的隧道建設(shè)數(shù)量一直持續(xù)增高［1］，截至2020年，公路里程數(shù)519.91萬km。另一方面，工程數(shù)量的增加和工程進度的加快，引起的工程質(zhì)量問題也層出不窮，隧道工程作為高速公路中的關(guān)鍵性工程，具有病害隱秘性高、成因復(fù)雜、表癥出現(xiàn)遲、修復(fù)難度大等特點。其中，根據(jù)隧道病害檢測統(tǒng)計，運營隧道中，由裂縫引起的病害占所有病害總量的80%。因此，分析公路隧道二次襯砌裂縫的形成原因及開裂機理，在施工階段采取措施減少因施工原因引起的二襯開裂，對于已經(jīng)出現(xiàn)裂縫的隧道，根據(jù)裂縫的類型，針對性行的提出裂縫得到修補方案，做到方案行之有效，結(jié)構(gòu)安全耐久。這對于從事隧道相關(guān)專業(yè)的工程人員來說，是具有相當重要的意義的。

本文在總結(jié)前人知識的基礎(chǔ)上，結(jié)合筆者多年的工作經(jīng)驗，對隧道裂縫的類型進行了初步的分析及歸納，并結(jié)合裂縫發(fā)生的時間及原因，提出了適用的修補方案，為高速公路隧道二襯的修補及方案的選擇提供了可參考的意見。

1二次襯砌裂縫的類型及原因

1.1縱向裂縫

縱向裂縫根據(jù)裂縫出現(xiàn)的位置、分布范圍、時間及原因可以分為荷載引起的縱向裂縫和非荷載引起的縱向裂縫［2-4］。

荷載引起的縱向裂縫一般發(fā)生和發(fā)現(xiàn)的時間較晚，裂縫分布范圍相對集中，常常發(fā)生在拱肩位置處，裂縫長度較長，裂縫寬度較大，一般大于0.5 mm，裂縫貫通襯砌，裂縫分布范圍內(nèi)圍巖等級較差、存在斷層或巖層軟硬不均、隧道淺埋段、偏壓段等，形成荷載縱向裂縫的原因是由于隧道開挖后，圍巖荷載和支護結(jié)構(gòu)的抗力未達到平衡就施工二襯、隧道開挖后，圍巖塑性區(qū)變大或淺埋段圍巖存在偏壓而二襯設(shè)計較薄弱導(dǎo)致，其本質(zhì)是由于二襯無法承擔由于設(shè)計、施工、地質(zhì)條件變化等原因造成的增加的荷載，是屬于結(jié)構(gòu)性破壞。

非荷載引起的縱向裂縫一般發(fā)生和發(fā)現(xiàn)的時間較早，一般施工期就已存在。裂縫分布常在9～12 m長度（模板臺車長度）范圍內(nèi)，且裂縫分布位置無明顯規(guī)律。常見的縱縫類型有由于混凝土水灰比較大，拆模較早、溫度變化較大而引起的溫降裂縫，此類裂縫一般裂縫寬度較小，約0.1～0.2 mm，縱縫周邊常分布有其他微小斜裂縫或環(huán)向裂縫，同一段內(nèi)出現(xiàn)一條或幾條均有可能。另外一種較常見的是由于2次澆筑間隔時間較長，后續(xù)澆筑強未做處理的縱向裂縫，此類裂縫一般出現(xiàn)在澆筑面附件，澆筑界面位置有明顯色差或分層，伴隨出現(xiàn)骨料外露和滲水的情況，造成襯砌局部出現(xiàn)薄弱帶，施工過程中應(yīng)盡量避免這類情況出現(xiàn)（圖1～圖3）。

1.2環(huán)向裂縫

環(huán)向裂縫根據(jù)裂縫出現(xiàn)的位置、環(huán)向分布范圍、裂縫的發(fā)展規(guī)律可以分為施工引起的環(huán)向裂縫和非施工引起的縱向裂縫。

環(huán)向裂縫一般施工期間出現(xiàn)的較多，環(huán)向分布特征為：先行矮邊墻無環(huán)向縫的順延，環(huán)向縫分布高度一般未從矮邊墻最高至拱肩位置，裂縫寬度0.1～0.5 mm，裂縫深度為貫通襯砌，裂縫背后位置或附近為環(huán)向鋼筋，裂縫寬度沿二襯厚度方向逐漸變小。此類裂縫的主要原因主要和二襯的施工不規(guī)范有關(guān)，主要包括二襯澆筑時鋼筋籠存在未釋放的初始應(yīng)力、臺車支撐不規(guī)范，振搗時引起臺車輕微晃動等。施工單位應(yīng)尤其注意臺車的支撐以及附著振搗器的振搗時間等因素，鋼筋綁扎時，應(yīng)注意多余鋼筋頭的割除，臺車張開不到位時，應(yīng)注意及時檢查，不能盲目強行頂張。

非施工引起的環(huán)向裂縫一般為地基沉降引起的裂縫，此類裂縫的特征為：裂縫開裂較大，一般大于1.0 mm，最大寬度裂縫位于拱腳位置處，裂縫沿二襯厚度方向上貫通，伴隨滲水。裂縫高度方向上一般較低，裂縫監(jiān)測結(jié)果持續(xù)發(fā)展。此類裂縫的主要原因是隧道基底圍巖較高，或基底存在不良質(zhì)土或基底未進行整平或整平質(zhì)量較差。沉降引起的裂縫危害性大，治理難度很大，施工過程中應(yīng)密切注意拱腳位置地基的質(zhì)量。防止軟弱不均的地基出現(xiàn)（圖4、圖5）。

1.3斜向裂縫

斜向裂縫根據(jù)出現(xiàn)的位置、裂縫發(fā)展規(guī)律及分布范圍，可以分為施工引起的斜裂縫或非施工引起的斜向裂縫。

施工引起的斜向裂縫主要表現(xiàn)為，裂縫分布范圍小，常出現(xiàn)在臺車邊緣附近，拱腳及拱腰位置；裂縫寬度大，一般大于1.0 mm，深度很小，如圖6所示，根據(jù)以往取芯的經(jīng)驗，裂縫深度一般延伸至內(nèi)層鋼筋位置，未向外側(cè)發(fā)展，有掉塊的趨勢；此類裂縫產(chǎn)生的原因是混凝土在硬化凝結(jié)過程中受到外力擾動，外力的原因通常有澆筑過程中緊固端模板、臺車支撐不規(guī)范、施工過程中液壓千斤頂調(diào)整等因素。施工過程中無法完全避免，但應(yīng)盡量做好預(yù)防措施，減少此類裂縫的發(fā)生。

非施工引起的斜向裂縫主要是指沉降裂縫，斜向裂縫也是沉降裂縫的一種表現(xiàn)形式，表現(xiàn)特征大體一致，但走向與隧道縱向呈一定角度，斜向沉降縫的原因與環(huán)向沉降縫基本相同。具體表現(xiàn)如圖7所示。

1.4其他類型裂縫

其他類型的裂縫主要包含預(yù)留洞室角度裂縫、預(yù)埋管道位置環(huán)向裂縫、回填層龜裂等。

預(yù)留洞室角部裂縫的主要表現(xiàn)為裂縫沿角部呈45°發(fā)展，裂縫長度較短，1 m左右，裂縫寬度隨著距離洞室距離的增加而減小，裂縫深度較小。主要原因是角部混凝土欠振、漿體少、拆模較早的原因造成的（圖8）。

預(yù)埋管道位置處裂縫主要表現(xiàn)為裂縫沿預(yù)埋管道位置環(huán)向開裂，縫寬0.1～0.5 mm，裂縫起止位置為預(yù)埋管的起終點。此類裂縫產(chǎn)生的原因主要是由于預(yù)埋管材質(zhì)采用鍍鋅鋼管，鋼管加工精度不足，與鋼筋籠不匹配，造成鋼管位置處混凝土保護層厚度較小，鋼管在初始應(yīng)力的作用下引起混凝土開裂（圖9）。

回填層龜裂主要表現(xiàn)為回填層裂縫寬度較大，一般大于1.0 mm，發(fā)生時間較早，澆筑完成2～4 h內(nèi)發(fā)生，長度及分布范圍無明顯規(guī)律。此類裂縫問混凝土的塑性裂縫，由于養(yǎng)護條件不達標，初凝時混凝土失水較多，產(chǎn)生裂縫（圖10）。

2二次襯砌的裂縫修補方法

2.1表面覆蓋法

表面覆蓋法可用于溫差大、養(yǎng)護不足、過振等原因?qū)е碌臏\層穩(wěn)定裂縫問題，防止裂縫的后續(xù)發(fā)展及可能引起的鋼筋銹蝕。修補前需要將覆蓋材料均勻涂抹在裂縫表面，能夠?qū)崿F(xiàn)裂縫的表層修補和處理，主要起到隔絕空氣和水分的作用。工程上常用的材料有預(yù)縮水泥砂漿。一般這種方法不能將修補材料直接地嵌入裂縫內(nèi)部，也不會適應(yīng)裂縫的發(fā)展及變化。該處理方法使用的主要原料是彈性涂膜防水材料［5］，施工前，需要對整個混凝土表面實施粗糙拉毛處理、清洗等必要工藝，確保表面干凈、粗糙度符合要求，待晾干表面水分后方可開展涂抹施工，以確保各項指標滿足要求。

2.2低壓注漿法

低壓注漿法主要應(yīng)用于二襯預(yù)留槽角部裂縫及預(yù)埋管位置豎向裂縫等由于應(yīng)力分布不均原因產(chǎn)生的裂縫，主要施工步序［6］：

（1）二襯表面清理，清除涂裝、灰塵、雜物等，二襯表面裂縫應(yīng)清晰可見。

（2）制作符合工程要求的漿液，主要采用柔性環(huán)氧樹膠，相關(guān)性能指標如表1所示。

（3）裂縫較寬位置上下位置處鉆孔并清孔，作為注漿孔及觀察孔。

（4）用補縫器吸取注漿液，然后插入注漿嘴，推動補縫器活塞，使?jié){液通過注漿嘴壓入裂縫，當相鄰的注漿嘴中流出漿液時，就可以拔出補縫器，堵上鋁鉚釘。

（5）按照從上到下、從一側(cè)到另外一側(cè)的方式開展注漿作業(yè)，若要進一步提升注漿效果，可在注漿后0.5 h反向補漿處理。

2.3開槽修補法

沿混凝土裂縫開鑿成槽，用聚合物水泥砂漿將其填補封閉的方法稱為開槽修補法，開槽修補法主要應(yīng)用于因基礎(chǔ)沉降、混凝土初凝期受到擾動引起的，比較嚴重的環(huán)向或縱向裂縫。

此方法是將砂、水泥、環(huán)氧樹脂、聚硫橡膠、丙酮等原材料按照一定的比例混合，制備成環(huán)氧砂漿；然后利用特殊的注漿設(shè)備將環(huán)氧砂漿注入提前處理好的裂縫位置處混凝土凹槽中，最后表面用改性環(huán)氧樹脂覆蓋的工藝。從砂漿拌和到灌入施工完成，時間通常控制在30 min以內(nèi)。需要注意的是，該方法不適用處理處于活動中的裂縫，并且在灌入材料后，一定要徹底清理縫槽，并使用改性環(huán)氧樹脂覆蓋，待全部達到凝固標準后，方可噴水養(yǎng)護［7］。

3總結(jié)

總之，公路隧道二次襯砌的裂縫的表現(xiàn)形式多種多樣，但其成因分類比較明確，且大部分裂縫在施工期就能比較明顯的表現(xiàn)出來。因此，裂縫的修補整治的黃金時期也是在隧道的建設(shè)階段，因此，針對裂縫的表現(xiàn)，客觀合理地分析其形成原因，判斷裂縫的變化規(guī)律和趨勢走向，采取針對性的修補措施對二襯混凝土進行修復(fù)補強，才能延長混凝土結(jié)構(gòu)的壽命，提高隧道工程的品質(zhì)。當然，最重要的是了解隧道裂縫的成因，在施工過程中針對關(guān)鍵的工序及節(jié)點進行控制，防患于未然才是治本之法。

參考文獻

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