连拱隧道衬砌裂缝病害特征及裂缝研究

2009-09-05宋莉唐富军

中小企业管理与科技·下旬刊 2009年3期

宋　莉　唐富军

摘要：隧道工程中最常见的病害是隧道衬砌开裂，衬砌开裂是隧道出现衬砌渗水的主要原因，而防水措施是连拱隧道施工中的一个难点，因此对衬砌裂缝产生的过程和原因以及裂缝病害的特征研究显得十分重要。

关键词：连拱隧道衬砌裂缝

0 引言

公路隧道在运营中常出现一些病害，如:渗漏水、衬砌开裂、隧道冻害和衬砌腐蚀等，其中最常见的病害是隧道衬砌开裂，衬砌开裂是隧道出现衬砌渗漏水的主要原因，而防水措施是连拱隧道中的一个难点，因此对衬砌裂缝的产生过程和原因以及裂缝病害的特征研究显得十分重要。本文详细分析了西汉高速公路黄花岭双联拱隧道衬砌裂缝病害特征及裂缝产生的过程和原因，并简单介绍了用碳纤维加固法对裂缝进行修补的施工工艺。

1 项目简介

西汉高速公路黄花岭双联拱隧道全长135米，为整体式隧道，隧道最大开挖宽度23.8米，最大开挖高度10米。隧道进口4米，出口3米，进洞位置较差，与山体呈30度斜交。一侧山势较高，另一侧山势较低，形成明显的自然偏压。隧道围岩为浅灰色花岗岩，粗粒结构，弱片麻状构造。其中：Ⅰ类围岩16米，Ⅱ围岩20米，Ⅲ围岩99米。围岩表层全风化成松散碎石土状全风化至全强风化层厚度较大，对隧道稳定性影响较大。围岩中节理发育，隧道附近发育一条断层，与之平行的节理贯通性好，规模大。裂隙水发育。施工中采用钻爆发施工，初期支护为锚喷支护结合钢拱架施工，二衬为45厘米C30钢筋混凝土，中隔墙为1.6m厚C30钢筋混凝土。

2 裂缝的调查统计

该隧道的病害主要是衬砌裂缝，可归纳为以下几种:①隧道衬砌沿中隔墙施工缝出现环向裂缝；②中隔墙沿施工缝出现竖向裂缝，由于中隔墙的单元长为8m，衬砌的单元长为10m，两者变形不协调，致使中隔墙开裂将衬砌拉裂，裂缝沿环向延伸长度不一；③隧道衬砌在拱肩两侧沿纵向出现较长裂缝，裂缝遍布隧道全长，有的裂缝从衬砌外部向衬砌内层倾斜延伸；④隧道北出口有两处在衬砌与中隔墙结合部渗水；⑤隧道北出口一字墙左侧渗水较多。对该隧道的调查以及统计得出如下的大致结果列于表1，并示于图1中。纵向裂缝，沿隧道纵轴展开，基本呈水平状。主要有以下几种展布状态:平直(基本成一直线)、起伏(基本直线，细部有弯曲起伏)、弧形(呈弧形弯曲)与分叉。环向裂缝，垂直于隧道轴线沿隧道衬砌环向展开，展布状态同纵向裂缝。本次调查中大部分的裂缝形状是弧形，部分属于起伏形。斜向裂缝，与隧道纵轴以及隧道横截面均有一定角度，展布状态同纵向裂缝。调查结果示于表2与图2中。

3 连拱隧道衬砌裂缝产生的过程和原因分析

混凝土在外力作用下会产生内力和变形。当承受荷载较低时，混凝土并不出现损坏迹象；当荷载逐渐增加到一定水平后，混凝土表面出现许多小裂缝；当荷载继续增加，这些裂缝会蔓延并贯通；当达到极限荷载时，混凝土会产生最终破坏。试件在加荷载过程中，裂缝的发展经历了裂缝微裂、临界扩展、失稳性断裂等几个阶段。隧道衬砌裂缝开展原因是复杂的、多方面的，裂缝发展形式不同，其产生的原因也不相同，主要因素如下:

3.1 施工因素 ①平行于隧道衬砌环，因施工质量与混凝土结构本身等因素出现裂缝。②受施工技术条件限制，施工质量管理松弛和不善，混凝土材料检验不力，施工配合比控制不严，水灰比过大，混凝土捣实质量不佳，拱部浇注间歇施工形成水平工作缝，混凝土模板不平等因素，修成的隧道衬砌在施工缝处产生裂缝，以及衬砌混凝土表面产生蜂窝麻面等衬砌质量不良，降低承载能力；③施工测量放线发生差错、欠挖、模板拱架支撑变形、塌方等原因，造成局部衬砌厚度偏薄或衬砌结构受力不对称，降低了衬砌承载能力；④由于施工方法和施工组织不当，在施工过程中各工序紧跟不上不能及时成环，如落中槽挖马口时拱部衬砌悬空段过长、支撑段长度过短，支撑的稳固条件和强度不足，都会造成不均匀沉降和拱脚内移，常在拱顶和拱腰处出现裂缝；⑤模筑混凝土衬砌拱背部位常出现拱顶衬砌与围岩不密贴的空隙，不及时回填密实，就形成拱腰承受围岩较大荷载，拱顶在一定范围存在空载，从而形成对拱部衬砌不利的“马鞍型”受力状态，正是导致拱腰内移张裂、相应拱顶上移、内缘受挤压等常见病害产生的荷载条件。

3.2 设计因素 ①隧道施工工序问题：现阶段的一般施工工序都是先易后难，先修建山坡外的隧洞，然后是修建山坡内的隧洞，这样当修建完山坡外的隧洞再修建山坡内的隧洞时，扰动产生的荷载都由中隔墙承担，对中隔墙的受力不利，所以中隔墙出的裂缝较多；②因围岩级别划分不准、衬砌类型选择不当，造成衬砌结构与围岩实际荷载不相适应而引起衬砌裂缝病害；③隧道穿过偏压地段时，没有采用偏压衬砌；④隧道穿过断层破碎带、褶皱区等局部围岩松散压力或结构力较大的地段，衬砌结构没有相应地采取加强措施；⑤基底软弱和易风化围岩地段，未设可靠防水设施，混凝土铺底厚度及强度不足，使得隧道发生不均匀沉降。