公路隧道衬砌裂损防治措施

幸垚，李明，刘农

(重庆交通大学土木工程学院，重庆400074)

公路隧道衬砌裂损防治措施

幸垚，李明，刘农

(重庆交通大学土木工程学院，重庆400074)

为深入研究公路隧道混凝土衬砌裂损成因及其处治措施，基于现有文献对隧道衬砌裂缝的调查结果和工程实践处治经验，该文对隧道衬砌裂损的几种常见形式进行分类。根据隧道衬砌裂损相关力学原理、设计和施工技术、地质条件等其他相关因子分析其病害成因，总结得出隧道衬砌开裂的防治原则和有效的整治措施，以期对工程实践提供理论依据和参考，在隧道衬砌施工和隧道衬砌裂损整治方面发挥积极作用。

隧道衬砌；隧道病害；裂损防治措施

0 引言

隧道衬砌断面主要承受压应力，为隧道提供足够的结构安全储备，防止围岩变形坍落。衬砌开裂不仅破坏隧道结构的稳定性、整体性，还将缩短运营隧道的使用寿命，造成极大的安全隐患[1]。

本文旨在针对公路隧道出现衬砌开裂甚至出现渗漏等病害时整治成本高、难度大、施工与运营相互干扰等问题；结合隧道结构特点、功能和病害发展情况对隧道裂缝进行跟踪观测；并查阅相关文献、运用工作经验对几种常见裂缝形式进行病害机理和成因的分析，提出相应的防治原则和整治措施[2]。将这些技术措施应用到隧道衬砌裂损加固工程中，在既有隧道病害整治方面提供技术指导，服务在建隧道工程。

1 隧道衬砌裂损检测

利用测量工具对隧道围岩的形变、支护结构的工作状态进行量测，有助于更加清晰地判断衬砌病害的成因，并采取及时有效的措施。隧道裂损的检测包括衬砌变形、裂缝观测、裂缝宽度和深度测量以及衬砌背后空洞与密实性检测等项目，最后根据检测结果按照一定比例绘制裂缝观测图。

衬砌裂损的检测方法[3]如下。

（1）衬砌变形：在变形部位设钎钉，钎钉上挂锤球（要求测出垂距），与埋设在隧底的固定点对应，以此为依据，观测和计算衬砌形变。

（2）裂缝观测：①灰块测标观测法：一般设在裂缝起止端、裂缝最宽或交合处，每3～5m设一块。②钎钉测标观测法：在裂缝两侧良好圬工中埋入一个L型钎钉和常规钎钉，钉尖相交于一点；通过两钉尖相对位置的变化来量测裂缝的扩张程度和错距。③金属板测标观测法：在裂缝两侧良好圬工中分别用2个标钉固定一块有刻度的薄金属板和有划零点的薄金属板，通过两金属板相互移动的位置来观测裂缝宽度。

（3）裂缝宽度和深度测量：可用读数显微镜（刻度一般为0.02mm）和声波仪检测（或钻芯法）。

（4）衬砌背后空洞与密实性检测：敲打法、中钻探检查法、开挖检测法和物探（无损）检测法。

2 衬砌开裂的类型

我国现有的10022座典型公路隧道，根据隧道裂缝的相关文献研究成果和调查统计，结合隧道工程实例检测结果[4]。结合大量文献资料和隧道工程实例检测结果，本文拟根据裂缝走向和隧道长度方向的相互关系分类，见表1；分为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝。

表1 隧道混凝土衬砌裂缝调查统计

（1）纵向裂缝：裂纹平行于隧道轴线，单线隧道集中在边墙部分，双线隧道主要集中在拱腰，危险系数最高。拱顶由于内缘压力的存在，容易受内侧挤压产生衬砌开裂，剥落掉块；拱腰受衬砌内缘张拉开裂；拱脚裂缝会使衬砌发生错动，存在掉拱的可能性；边墙裂纹容易受内缘张拉错位，如图1。

（2）环向裂缝：因承受不均匀的纵向荷载、围岩压力的变化等引起，多发生在进出洞口段或不良地质带与较好岩层的接壤处,如图2。

（3）斜向裂缝：常与隧道纵向轴线呈45°夹角，由于混凝土衬砌的纵向应力和环向受力共同作用形成拉应力，危害程度仅次于纵向裂缝，在进行衬砌加固时需做一定的特殊处理，如图3。

在隧道作业工程实践中环向裂缝一般对衬砌结构的正常承载影响不大；纵向裂纹及斜向裂纹对结构的整体稳定性破坏程度较大[5]。

3 衬砌开裂原因分析

隧道衬砌裂损的机理可以概括为：衬砌在地层压力、岩石膨胀力和地震力等应力作用下，混凝土衬砌承受的应力超过其强度极限发生裂损[6]。衬砌开裂常见受力机理包括：（1）隧道围岩压力使衬砌结构发生拉弯效应，产生的应力超过了混凝土抗拉强度极限而发生弯张裂损，裂缝发展到一定程度后，拱背对应的位置可能会出现挤压掉块现象；（2）衬砌背后岩层局部推力会造成裂缝宽度较小的剪切裂缝，并伴有明显错台，有滑移痕迹；（3）压剪裂缝是在高应力挤压下，产生刀刃形的尖劈状裂缝，破口处无明显锯齿状，有错台；（4）扭弯裂缝是由于岩层扭弯变形、基础不均匀沉降而产生的裂缝，破口处一般无锯齿状，张口较小。该裂缝可由一条或多条方向大致相同的裂缝组成，并沿斜向发展[7]。

3.1 设计方面的原因

隧道在设计之初，因隧址区复杂地质条件的制约等因素，围岩级别划分与衬砌类型选择相对困难，容易造成衬砌结构与岩层实际荷载不相适宜，引发裂损病害。客观上，隧道在设计之初就不能绝对适时地按照围岩实际情况调整设计方案，或是在施工中也得不到及时的纠正，这些因素都会导致隧道衬砌局部强度欠缺，引发衬砌局部开裂等病害[8]。

3.2 施工方面的原因

隧道施工技术条件要求较高，施工方法具有一定的特殊性，因此建设过程中受诸多问题干扰，这也是导致衬砌开裂的最重要因素之一。例如：施工过程中超欠挖、监控量测出现差错、拱架支撑变形、坍塌等风险源没有早发现早处理，造成衬砌厚偏差开裂；拱背背后形成了局部空腔，当围岩变形时，会使衬砌局部受力过大引起裂损；围岩还未基本稳定过早施工隧道衬砌，加大衬砌负荷而损伤。

3.3 工程地质方面的原因

隧道工程所处地质空间环境的复杂性，多变性使隧道围岩等级和覆土情况产生较大差异。这一问题在山岭隧道中尤为明显。例如两种围岩交界处，围岩性质发生较大变化致使衬砌受力突变，则容易产生纵向沉降差引起隧道衬砌开裂。不对称地形和地质条件的存在，如偏压、节理、地质突变段和断层也会使衬砌产生结构性裂缝。

3.4 侵蚀介质腐蚀的原因

隧道所处的地下空间环境湿度较大，气态介质、腐蚀性水、固态介质中存在一定的酸碱盐粒子。较多的侵蚀性介质更加有利于对衬砌腐蚀。如气态介质或酸碱盐溶液侵蚀紧贴围岩侧的混凝土衬砌面，使混凝土碳化并逐渐锈蚀钢筋，引起衬砌裂损。

3.5 其他原因

其他原因主要来自于地震、滑坡和泥石流等自然灾害，隧洞内引发火灾等不可抗力或不可预知因素等；隧道运营过程中维护不当,对已产生的病害未能做到及早发现、及时处理,未能采取积极有效的维护措施，使其进一步恶化。

4 衬砌开裂防治原则和整治措施

4.1 衬砌裂损病害的防治原则

衬砌裂缝的整治应结合裂缝宽度、受力状态和发展情况综合考虑。对不同裂损区域采用不同的工程措施，以稳固围岩为主加固衬砌相结合的综合治理措施。尽量减少对原衬砌的扰动，避免破坏原衬砌结构的整体性、稳定性。同时加强观测，掌握裂缝变形情况，已有的衬砌裂损对结构造成的危害要及时控制并防止扩大[9]。

对运营中的隧道应合理安排施工，合理地控制行车流量，尽量减少对正常运行的干扰。对施工中的隧道应加强监控量测，保证隧道衬砌锚喷加固、拱背压浆等治理措施的施工质量，确保加固后的隧道净空满足限界要求[10]。

4.2 裂缝整修措施

对于不影响结构安全性的一般浅表性细小裂缝，且无渗水，按照“预防为主、预防与整治相结合”原则，用砂浆抹面阻止细小裂缝的发展。

对于未贯穿衬砌厚度的局部细小裂缝，可用水泥浆嵌补或先凿槽（在衬砌开裂处开凿“V”形或“U”形槽口）后再用1：1水泥砂浆或环氧树脂浆液嵌补；添加10%～17%微膨胀剂可防止砂浆固结收缩。采用低压灌注树脂浆液技术，将统计好的裂缝宽度的裂缝进行清洁处理，并预留注浆口封闭裂缝，安设好注浆底座后进行浆液注入，待浆液固化后清除封胶和底座[11]。

裂缝修整还可以利用高强度密封砂浆封闭裂缝表面，防止裂缝进一步发展。当裂缝发展到1mm以上时，在封闭裂缝表面的同时还应注射环氧树脂和高强度胶填充裂缝使其填充饱满。衬砌裂缝填充封闭设计见图4。

图4 衬砌裂缝填充封闭设计

4.3 岩体稳固措施

岩体的稳固主要靠优化围岩周围应力场分布，控制塑性区变形发展，最大限度地控制围岩与周围岩体综合作用向衬砌受力有利的方向发展。限制其危害程度，控制围岩变形和失稳，提高岩体的抗滑能力，从而增强围岩整体稳定性[12]。

（1）锚杆加固技术：锚杆支护的形式主要有注浆锚杆支护、钢拱架注浆锚杆加固、喷锚联合支护、锚杆与金属支架联合支护等。锚杆支护属于主动支护，具有支挡作用、悬吊作用和组合梁拱作用；以此增强围岩的抗变形能力，提高围岩强度，保持岩体长期稳定。锚杆伸入围岩内部通过与围岩的复合作用使围岩成为一个有效的承载体和防护结构；就像混凝土中加入钢筋一样，起到了加强筋作用，可以最大限度地防止围岩的松弛，增强锚固区岩体强度和整体性。在一定的超前工作面或土体深度加固，锚杆对围岩有着预先控制的作用，能够对岩体进行有效的超前支护。锚杆支护有着其他支护方式很多没有的优点[13]。

（2）注浆回填加固：适用于衬砌周围存在空隙或施工回填不密实造成的衬砌病害。注浆回填技术能够有效地稳固围岩，使衬砌与围岩紧密贴实，改善衬砌受力情况。然而注浆技术的难点在于控制注浆量和注浆压力的控制。所以在回填、注浆施工前应对衬砌背后空洞大小进行检测探明；拟定注浆量和注浆压力，并试压。注浆回填过程中要严控注浆压力、注浆流量和注浆空隙间距，密切关注衬砌变形。注浆结束后应对注浆效果进行检查，对未达到设计要求的断面及时进行补注浆。

（3）渗水治理加固：治水措施应当遵循“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”的原则。衬砌发生开裂并伴有渗漏水甚至涌水，这类病害宜采用修补恢复裂损衬砌强度，堵水或排水设计和施工综合整治的方法。如：

①喷射法：适用于大面积发生渗漏水，但漏水量小、止水无害的衬砌病害；

②涂层法：渗漏水范围较小、轻微时适用；

③凿槽排水即把衬砌渗漏水引入排水沟，此方法适用于漏水量较多，且漏水沿施工缝或衬砌开裂处呈线状分布的情况；

④嵌缝堵漏应用于程度较轻，漏水沿衬砌开裂处呈线状且止水无不良影响的情况。

4.4 衬砌加固措施

图5 隧道套拱加固

（1）套拱、换拱加固：套拱或换拱整治适用于衬砌腐蚀裂损严重、病害严重或多种病害并发的地段，对病害的整治较为彻底[14]。套拱法在衬砌开裂明显、掉块剥落严重和隧道建筑界限满足套拱厚度要求的情况具有显著效果。按照套拱结构加固的不同范围，可分为整体式套拱和局部套拱，见图5（图5（a）整体式套拱，图5（b）局部套拱）。衬砌结构严重破坏变形丧失承载能力，用其他补强措施难以保证结构稳定，或衬砌已经严重侵入限界时则应考虑更换衬砌。衬砌更换可分为整体衬砌结构更换和局部衬砌结构更换，见图6（图6（a）整体衬砌结构更换，图6（b）局部衬砌结构更换）。施作套拱法应当考虑新旧拱圈的衔接方法，包括对新增拱圈支撑点作加固处理；设置适宜强度的拱脚支撑，栓钉或界面凿毛刷涂界面剂。换拱法根据更换部位不同施作拱部置换、边墙置换和全环置换；对松动围岩的预加固处理、拱圈的拆除施工、跳槽施工和搭接间距作合理布置处理。

图6 隧道换拱结构加固

（2）锚喷加固：锚喷支护作为一种“柔性”支护，适应整治衬砌大面积裂损病害。锚喷支护可分为素喷、网喷、锚网喷和喷射早强钢纤维混凝土等施工方法。目前常用的方式是将锚杆和喷射混凝土联合支护加固裂损衬砌，可根据实际工况考虑是否铺设钢筋网；此方法最大的优点在于充分发挥锚杆、混凝土、钢筋网三者优势综合作用；喷层与原衬砌之间具能够紧密粘结，形成刚度较大的新旧组合拱结构；同时加设钢筋网大幅提高了组合拱结构的抗弯、抗剪强度和抗裂性，有效提高了围岩的抗变形能力和原衬砌的承载能力[15]。

（3）衬砌背后空洞压浆：该方法主要用于隧道衬砌发生外鼓变形或局部处理。压浆填充拱背空隙和裂缝孔隙，增加拱约束和约束衬砌变形，固结稳定衬砌背后松散围岩，有利于改善衬砌受力状态，提高衬砌刚度和稳定性。压浆耗材可选用常规水泥、水泥粉煤灰砂浆和自密实水泥砂浆等可灌性好、抗渗性耐腐蚀性强的廉价材料，有利于达到经济实用的效果。

5 结语

本文通过介绍隧道衬砌开裂的基本形态和检测方法，重点分析病害形成机理和原因，以此作为理论依据。总结提出了隧道衬砌开裂的防治原则，以及在隧道在设计、施工、运营中，针对不同的衬砌裂损病害，采用相应的加固整治措施；包括：

（1）衬砌裂缝填充封闭修整技术及注浆技术。

（2）以锚杆支挡技术为主，注浆回填背后空洞以及防排水施工处治技术的围岩稳固措施。

（3）针对隧道衬砌较严重病害的套拱、换拱技术，锚喷衬砌加固技术等。

此研究希望对隧道衬砌裂损的整治提供了理论依据和技术指导，对工程实践具有一定的借鉴意义。

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责任编辑:孙苏,李红

Prevention Measures for Lining Crack of Highway Tunnel

In order to deeply study the causes and countermeasures of lining cracks of highway tunnels in the construction process,this paper,based on the existing literature on the investigation of tunnel lining cracks and engineering practice experience,classifies the several common forms of tunnel lining fractures.According to the mechanical theories,design and construction technology,geological conditions and other related factors,the causes of tunnel damages are analyzed,and the principle of prevention and cure of tunnel lining cracking and the effective remediation measures are summarized.It's hoped to provide a theoretical basis and reference for engineering practice,and to play an active role in tunnel lining construction and tunnel lining crack treatment.

tunnel lining;tunnel damage;remediation measures

U458.1

A

1671-9107（2017）09-0049-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.09.049

2016-10-11

幸垚（1991-），男，重庆人，硕士研究生，研究方向为隧道工程及岩土工程。

李明（1978-），男，重庆人，博士，教授，研究方向为隧道工程及结构工程。