公路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌裂縫成因及處治效果分析

趙元科 胡振興

摘?要：襯砌裂縫是公路運(yùn)營(yíng)隧道最為常見(jiàn)的病害之一，開(kāi)展襯砌裂縫成因分析可為運(yùn)營(yíng)隧道制訂養(yǎng)護(hù)維修計(jì)劃和對(duì)策提供技術(shù)參考和指導(dǎo)。裂縫維修處治后，將處治效果進(jìn)行檢測(cè)和評(píng)價(jià)分析對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運(yùn)營(yíng)維護(hù)安全具有重要意義。以甘肅省某運(yùn)營(yíng)隧道維修加固工程為背景，從溫度、材質(zhì)和施工原因三個(gè)方面對(duì)裂縫的成因進(jìn)行了相關(guān)分析，在對(duì)該隧道檢測(cè)結(jié)果分類(lèi)統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)裂縫處治效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析，闡述了影響裂縫處治效果的相關(guān)因素，并提出了相應(yīng)的提升對(duì)策。

關(guān)鍵詞：運(yùn)營(yíng)隧道；襯砌裂縫；成因分析；檢測(cè)；效果分析

1?概述

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，我國(guó)公路隧道建設(shè)已經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展，成為隧道建設(shè)最多、運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)的國(guó)家。截至2022年底，全國(guó)公路隧道24850座，總里程達(dá)26784.3千米，其中2022年隧道數(shù)量增加1582座，長(zhǎng)度增加2085.4千米，國(guó)內(nèi)在建和擬建公路隧道呈增長(zhǎng)趨勢(shì)［1］。然而，隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，隧道建設(shè)的步伐終將放緩，隧道工程將由建設(shè)高潮期轉(zhuǎn)入運(yùn)營(yíng)維護(hù)期，運(yùn)營(yíng)服役期的襯砌病害診治將成為隧道工程主要的研究方向［2］。據(jù)筆者調(diào)查，甘肅省公路運(yùn)營(yíng)隧道目前的主要表觀病害有襯砌裂損、滲漏水、路面底鼓變形等，襯砌裂縫的成因分析以及處治后的檢測(cè)和效果評(píng)價(jià)對(duì)公路隧道運(yùn)營(yíng)維護(hù)和運(yùn)營(yíng)安全有重要意義。

本文以甘肅省某運(yùn)營(yíng)隧道維修加固工程為背景，對(duì)公路隧道裂縫的成因進(jìn)行了相關(guān)分析。通過(guò)對(duì)該隧道裂縫封閉處治施工過(guò)程進(jìn)行跟蹤檢測(cè)，針對(duì)處治后效果進(jìn)行研究和分析，為今后類(lèi)似工程的施工、驗(yàn)收檢測(cè)和處治決策分析提供參考。

2?工程概述

2.1?工程背景

甘肅省某隧道進(jìn)口里程K1426+218，出口里程K1430+848，全長(zhǎng)4630米，設(shè)計(jì)為巖石山嶺深埋特長(zhǎng)雙線隧道，于2010年11月底建成通車(chē)運(yùn)營(yíng)。運(yùn)營(yíng)過(guò)程中隧道局部段落內(nèi)出現(xiàn)了不同程度的襯砌裂損、滲漏水，路面底鼓變形、開(kāi)裂等病害，對(duì)隧道通車(chē)運(yùn)營(yíng)和結(jié)構(gòu)安全造成了較大威脅，2019年開(kāi)展了該隧道的維修加固工作。

2.2?裂縫處治方案

設(shè)計(jì)方案中針對(duì)不同的裂縫類(lèi)型和裂縫寬度，采取了不同的處治方法，具體如下：對(duì)縫寬小于0.3mm的局部裂縫采用專(zhuān)用裂縫膠灌注封閉；對(duì)縫寬大于0.3mm的環(huán)向裂縫采用機(jī)械或手工沿裂縫方向?qū)⒁r砌表面處裂縫開(kāi)鑿成“V”形，然后采用專(zhuān)用裂縫膠灌注封閉；對(duì)于縫寬大于0.3mm的縱向和斜向裂縫采用斜縫或騎縫注膠的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)封閉（a騎縫，b斜縫）。封閉膠采用改性環(huán)氧樹(shù)脂膠，注膠壓力值建議為0.7MPa。

3?隧道襯砌裂縫成因分析

公路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，涉及勘察設(shè)計(jì)、施工過(guò)程和運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)等各個(gè)階段中的諸多因素。運(yùn)營(yíng)階段公路隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生原因應(yīng)根據(jù)定期檢查和專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)的結(jié)果，結(jié)合地勘資料、設(shè)計(jì)文件、施工記錄以及交竣工驗(yàn)收質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告等文件進(jìn)行綜合分析。下面從溫度、材質(zhì)和施工原因三個(gè)方面對(duì)襯砌裂縫的成因進(jìn)行探討。

3.1?溫度應(yīng)力

在施工期襯砌混凝土澆筑過(guò)程中水化熱過(guò)大或養(yǎng)生不及時(shí)不到位，襯砌澆筑后易因降溫致使混凝土收縮而產(chǎn)生拉裂縫。研究結(jié)果表明，隧道襯砌結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力對(duì)隧道二次襯砌的影響不僅與混凝土水化熱有關(guān)，還與二次襯砌施工澆筑的氣溫有關(guān)。如果隧道二次襯砌澆筑時(shí)為最低溫度，則隧道內(nèi)溫度變化為升溫，溫差將導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，反之產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)最大降溫幅度達(dá)12℃時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)的最大環(huán)向應(yīng)力已基本接近或超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，襯砌混凝土可能因溫度應(yīng)力出現(xiàn)裂縫，這種情況在隧道洞口附近尤為明顯。

3.2?材質(zhì)原因

（1）配合比不佳。配合比設(shè)計(jì)和驗(yàn)證過(guò)程把控不嚴(yán)格，混凝土配置生產(chǎn)過(guò)程中原材料的計(jì)量稱重誤差大，碎石、砂等集料級(jí)配差，配合比不準(zhǔn)確，含泥量超標(biāo)等［4］。配合比不佳直接導(dǎo)致混凝土的整體材質(zhì)強(qiáng)度下降，在襯砌拱頂、拱腳等受力較集中部位產(chǎn)生裂縫。

（2）外加劑摻量超標(biāo)。在隧道襯砌泵送混凝土中添加一些外加劑對(duì)襯砌裂縫也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，如果在混凝土中添加適當(dāng)?shù)谋盟蛣p水劑等在一定程度上能夠減少混凝土的收縮變形，有利于抑制襯砌裂縫的產(chǎn)生。但如果外加劑添加過(guò)量，則起到相反的作用，會(huì)致使混凝土和易性降低，增加其收縮變形，從而導(dǎo)致裂縫增加。另外，摻加緩凝劑和用氯化鈣做催凝劑等也會(huì)增加襯砌混凝土的收縮變形，導(dǎo)致襯砌容易產(chǎn)生裂縫。

3.3?施工質(zhì)量不佳

施工工藝不當(dāng)和施工現(xiàn)場(chǎng)管控不嚴(yán)造成襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，產(chǎn)生原因有6個(gè)方面：（1）襯砌厚度不足或背后存在空洞。襯砌預(yù)留變形量過(guò)小導(dǎo)致初期支護(hù)侵入二襯限界，襯砌臺(tái)車(chē)定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致環(huán)向某一部位厚度過(guò)小，泵送壓力不足、混凝土塌落度過(guò)大導(dǎo)致拱部易出現(xiàn)空洞，在襯砌內(nèi)尤其是拱頂及拱腰部位形成多處薄弱面，彎曲受壓而引起不規(guī)則的斜向和縱向開(kāi)裂。（2）拆模過(guò)早。二次襯砌拆模時(shí)間過(guò)早，混凝土強(qiáng)度可能未達(dá)到設(shè)計(jì)值的75%，過(guò)早承受混凝土自重或者圍巖壓力導(dǎo)致開(kāi)裂。（3）二襯施作時(shí)機(jī)偏早。圍巖應(yīng)力未完全釋放，初期支護(hù)變形未趨于穩(wěn)定即施作二次襯砌，造成二次襯砌過(guò)早承受?chē)鷰r壓力而開(kāi)裂。（4）二襯應(yīng)力集中。仰拱超挖過(guò)多、拱腳存有虛渣，鎖腳錨桿施工質(zhì)量不好會(huì)造成鋼拱架和二襯結(jié)構(gòu)受力不均，造成應(yīng)力集中并出現(xiàn)類(lèi)似的環(huán)向裂縫。（5）養(yǎng)生不到位。隧址區(qū)氣候干燥，如果養(yǎng)生不及時(shí)，混凝土失水過(guò)多，易產(chǎn)生裂縫。（6）仰拱施工縫、襯砌施工縫及伸縮縫未合一，加上基底存在虛渣等問(wèn)題，則會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降，易產(chǎn)生裂縫。

4?襯砌裂縫處治效果的檢測(cè)與分析

4.1?檢測(cè)方法選擇

相關(guān)資料表明，采用超聲波和地質(zhì)雷達(dá)相結(jié)合的方法對(duì)隧道二次襯砌裂縫進(jìn)行綜合檢測(cè)，可以較好地分析二次襯砌裂縫深度及背后的缺陷情況，能夠?qū)Ρ壬顚恿芽p是否貫通二次襯砌［5］。

針對(duì)裂縫處治效果不佳，裂縫未封閉、裂縫表層已封閉但深層未封閉、裂縫深度范圍內(nèi)局部位置未封閉等情況，可先采用地質(zhì)雷達(dá)配置高頻天線進(jìn)行跨縫檢測(cè)。根據(jù)雷達(dá)電磁波穿越裂縫位置時(shí)，出現(xiàn)不連續(xù)的強(qiáng)反射波以及頻率、振幅和相位的變化，判斷目標(biāo)位置是否存在裂縫。然后利用超聲波測(cè)試儀，不跨縫和跨縫平測(cè)法測(cè)出裂縫深度及位置［6］。但由于本隧道大部分段落為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)跨縫檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，雷達(dá)剖面圖上鋼筋的強(qiáng)雙曲線反射信號(hào)對(duì)裂縫目標(biāo)體的反射界面形成了很大的干擾，裂縫的繞射弧線信號(hào)被基本覆蓋或無(wú)法提取。加上隧道處于施工期，隧道內(nèi)各種機(jī)械、臺(tái)架、電纜線形成的電磁干擾也對(duì)雷達(dá)圖像識(shí)別產(chǎn)生了無(wú)法避免的影響，無(wú)損檢測(cè)實(shí)施難度較大。

綜合以上因素，最終采取取芯檢測(cè)這種最直觀和最準(zhǔn)確的方法。

4.2?檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)

為綜合地評(píng)價(jià)隧道裂縫封閉處治的效果，分別對(duì)環(huán)向、斜向、縱向3種形態(tài)的已封閉裂縫分別鉆取30個(gè)芯樣進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

采用Φ100鉆頭鉆取芯樣，深度為20～35cm，檢測(cè)芯樣裂縫是否處于完全封閉、局部未封閉和未封閉三種狀態(tài)，如圖2所示。選用直徑較大的鉆頭，可保證芯樣完整，方便觀察芯樣及孔壁周?chē)炷恋臓顟B(tài)、裂縫的狀態(tài)和延伸趨勢(shì)。借助其他檢測(cè)手段和工具，結(jié)合施工資料及跟蹤調(diào)查，有助于較好地判斷和分析裂縫注膠不飽滿的原因。同時(shí)，大直徑芯樣方便對(duì)其進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，進(jìn)一步地驗(yàn)證和評(píng)價(jià)裂縫注膠效果。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，所取芯樣中完全封閉的芯樣數(shù)量占該類(lèi)型芯樣總數(shù)的比例分別為：環(huán)向裂縫93.3%，縱向裂縫76.7%，斜向裂縫53.3%。處治效果最差的裂縫類(lèi)型為斜向裂縫，未完全封閉的占比為36.7%，未封閉的占比為10.0%。

從芯樣和鉆孔壁的裂縫狀態(tài)來(lái)看，裂縫深度范圍內(nèi)局部位置未封閉的數(shù)量居多，且該位置的襯砌混凝土大多呈現(xiàn)出氣孔較多，骨料分布不均勻、不密實(shí)等現(xiàn)象。沿深度方向垂直于襯砌表面的裂縫處治效果較佳，沿深度方向傾斜于襯砌表面的裂縫處治效果較差。檢測(cè)中還發(fā)現(xiàn)，部分裂縫存在表面封縫膠或聚合物砂漿開(kāi)裂，裂縫中殘存施工灰渣及顆粒物等現(xiàn)象。

4.3?裂縫處治效果分析

根據(jù)該隧道襯砌裂縫的取芯檢測(cè)和統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合相關(guān)施工資料及跟蹤調(diào)查，筆者認(rèn)為：（1）該隧道襯砌裂縫注膠處治效果與施工工藝水平和現(xiàn)場(chǎng)施工管理存在著密不可分的關(guān)系。施工隊(duì)伍專(zhuān)業(yè)技術(shù)不精湛，現(xiàn)場(chǎng)施工管理不嚴(yán)謹(jǐn)，質(zhì)量驗(yàn)收關(guān)把控不嚴(yán)格，未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范中的施工工藝細(xì)節(jié)開(kāi)展精細(xì)化施工是首要因素。如裂縫表面開(kāi)槽不規(guī)范或未開(kāi)槽，裂縫封口膠未固化便開(kāi)始注膠施工，裂縫及注膠孔眼未清理干凈，注膠嘴安裝間距和角度不正確，注膠壓力和時(shí)間控制不嚴(yán)格，處治過(guò)程中未能按照設(shè)計(jì)文件要求進(jìn)行分類(lèi)施工，未及時(shí)調(diào)整施工工藝，施工過(guò)程中的工序驗(yàn)收和質(zhì)量抽檢不到位、不細(xì)致等因素均容易使裂縫注膠封閉的效果降低。（2）目前關(guān)于隧道襯砌質(zhì)量的檢測(cè)技術(shù)仍存在一定的局限性，無(wú)損檢測(cè)的手段和精度難以甄別襯砌裂縫及混凝土載體的結(jié)構(gòu)及特性。如裂縫在襯砌中的分布狀態(tài)和延伸趨勢(shì)難以準(zhǔn)確調(diào)查，裂縫深度方向的原襯砌混凝土局部位置不密實(shí)等客觀因素也容易導(dǎo)致裂縫封閉效果不佳。

4.4?提高處治效果的施工對(duì)策

裂縫處治應(yīng)主要從施工工藝上嚴(yán)格把控，精細(xì)化施工，加強(qiáng)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管控，加強(qiáng)施工過(guò)程質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)，及時(shí)調(diào)整和改進(jìn)施工工藝。

（1）開(kāi)展施工處治前，盡可能詳細(xì)地調(diào)查和了解隧道襯砌裂縫寬度、長(zhǎng)度、數(shù)量、空間分布等，制定合理的處置方案。（2）保證注膠處治前裂縫的清潔程度，提高膠體與襯砌混凝土間的黏合力。（3）表面封縫材料要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)規(guī)范施工，待封閉帶硬化并達(dá)到強(qiáng)度后，進(jìn)行壓氣試驗(yàn)，以檢查封閉帶是否封嚴(yán)，保證混凝土縫隙完全充滿膠液，能保持注膠壓力，同時(shí)又保證膠液不會(huì)大量外滲。（4）注膠嘴的間距、打設(shè)角度、注膠壓力應(yīng)嚴(yán)格控制。在注膠過(guò)程中應(yīng)注意控制壓力，裂縫寬度較大的，如果進(jìn)膠通暢時(shí)，可選擇低壓注膠。（5）注膠順序和注膠時(shí)間的控制。環(huán)向及斜向裂縫宜由下向上逐漸壓注膠液，從一端開(kāi)始?jí)簼{后，另一端的注膠嘴在排出裂縫內(nèi)的氣體后噴出膠液與壓入的膠液濃度相同時(shí)，可停止壓漿。（6）加強(qiáng)裂縫封閉處治效果的施工過(guò)程質(zhì)量檢測(cè)工作，及時(shí)對(duì)已處治段落內(nèi)的裂縫注膠飽滿程度采用鉆孔等方法進(jìn)行驗(yàn)證，必要時(shí)鉆取芯樣采用劈裂抗拉強(qiáng)度的測(cè)定方法對(duì)膠液的黏結(jié)力和注膠效果進(jìn)行綜合測(cè)定。

結(jié)語(yǔ)

（1）公路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)以及隧道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)中的相關(guān)資料開(kāi)展綜合分析，溫度、材質(zhì)和施工質(zhì)量三個(gè)方面的因素對(duì)襯砌裂縫的產(chǎn)生影響較大。

（2）襯砌裂縫封閉處治后的注膠飽滿度檢測(cè)，其檢測(cè)方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合選擇。當(dāng)快速無(wú)損檢測(cè)實(shí)施難度較大或檢測(cè)效果不佳時(shí)，鉆芯取樣法是最為直觀和有效的檢測(cè)手段。

（3）襯砌裂縫封閉處治效果檢測(cè)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)施工過(guò)程，并結(jié)合施工資料和跟蹤調(diào)查，較系統(tǒng)地判斷和分析裂縫注膠不飽滿的原因，從而采取不同的施工設(shè)計(jì)和對(duì)策設(shè)計(jì)加以改進(jìn)。

（4）隧道襯砌裂縫封閉處治效果與現(xiàn)場(chǎng)施工管理存在密不可分的關(guān)系，是否能?chē)?yán)格按照設(shè)計(jì)和相關(guān)規(guī)范中的施工工藝細(xì)節(jié)開(kāi)展精細(xì)化施工是首要因素。

（5）施工前開(kāi)展裂縫的詳細(xì)調(diào)查，保證處治前裂縫的清潔程度和封縫材料的規(guī)范施工，提高注膠孔打設(shè)的間距和角度，準(zhǔn)確控制注膠壓力和注膠時(shí)間等措施有助于提升裂縫處治效果。

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［6］T/CECS?G：J602020，公路隧道檢測(cè)規(guī)程［S］.

作者簡(jiǎn)介：趙元科（1980—?），男，漢族，甘肅武威人，工程碩士，高級(jí)工程師，研究方向：公路橋梁隧道試驗(yàn)檢測(cè)；胡振興（1988—?），男，漢族，甘肅慶陽(yáng)人，工程碩士，高級(jí)工程師，研究方向：公路隧道檢測(cè)技術(shù)。