隧道二次衬砌裂缝处治技术的应用

摘要：文章结合高速公路隧道病害处治实例，介紹了隧道二次衬砌裂缝产生的原因、衬砌裂缝处治方案及施工工艺，并阐述了隧道衬砌裂缝处治技术在公路隧道病害处治中的应用情况。

关键词：隧道;二次衬砌;裂缝处治

0 引言

随着我国公路建设的不断推进，部分公路已运营多年，随着时间推移，受温度应力、岩层蠕变、不均匀沉降、施工方法不当等因素的影响，部分公路隧道的二次衬砌产生裂缝，如不及时对这些裂缝进行处治，将影响公路运营安全。因此，隧道衬砌裂缝处治技术在隧道病害处治中将有广泛的应用前景。

1 工程概述

某高速公路隧道是复工建设项目，为小净距隧道，净空为10.75 m×5 m。左洞起讫桩号为ZK58+615.5～ZK58+865，长249.5 m;右洞起讫桩号为YK58+620～YK58+872，长252 m。进、出口端洞门型式均为端墙式。该隧道复工前左右线洞身二衬、端墙式洞门、电缆沟、路面基层已施作。

经外观质量检测，该隧道左、右洞二次衬砌出现较多裂缝，裂缝宽度多超过钢筋混凝土结构裂缝宽度限值，特别是左线出口靠近洞口段落多处衬砌已被剪断。

对该隧道左洞二次衬砌采用冲击回波法进行16处裂缝深度检测，发现左洞二次衬砌所抽检裂缝中，裂缝深度最小为13.63 cm，最大达54.85 cm（位于ZK58+630左边墙，属于环向裂缝），抽检裂缝中有15条为结构性裂缝。对该隧道右洞二次衬砌采用冲击回波法进行18处裂缝深度检测，发现右洞二次衬砌所抽检裂缝中，裂缝深度最小为13.57 cm，最大达49.97 cm（位于YK58+667左边墙，属于斜向裂缝），抽检裂缝中有12条为结构性裂缝。

在无损检测裂缝深度的基础上，采用钻芯法（常规钻头+加长钻杆）抽取该隧道左、右洞9处典型裂缝进行验证，经量测芯样与孔内裂缝，发现裂缝深度均>23 cm，结果与无损检测结果基本吻合。

对该隧道仰拱采用钻芯法进行检测，发现原施工单位未按设计进行仰拱施工，仰拱位置基本为夹有虚渣或者全部是虚渣。

2 隧道衬砌裂缝产生原因及机理分析

根据现场勘查及检测结果，该隧道衬砌裂缝产生原因及机理分析如下：

（1）该隧道位于剥蚀丘陵地貌，自然坡度为10°～40°，植被较密，以灌木为主，地表未见滑坡、崩塌发育。隧道埋深0.5～65 m，围岩主要为泥盆系下统莲花山组中风化泥质细砂岩，局部渐变为泥岩或砂岩，节理发育，各组节理倾角陡缓不一，倾向各异，对隧道围岩稳定影响较大。

（2）隧道出口左洞洞顶坡面揭示覆盖层为紫红色黏土，厚约1～2 m，下伏基岩为紫红色厚层-中厚层状强风化砂岩，厚度为15～20 m，往下为紫红色厚层-中厚层状中风化砂岩，节理裂隙较发育，岩层产状：52°/NW∠36°，岩层切层外倾。

（3）经分析，造成隧道二衬出现裂缝的主要原因如下：①隧道出洞方案为交错出洞，左洞右侧出现临空面，无支挡防护，为坡体变形创造条件;②隧道长期处于偏压状态，左侧坡体长时间受坡体偏压作用而产生蠕动变形;③坡体岩层产状为切层顺向，在坡脚出现临空面和偏压的共同作用下，岩层出现顺层位移，对隧道衬砌进行挤压;④隧道仰拱未按设计施工，为回填虚渣，基础承载力不够，产生沉降。在上述几点因素共同作用下，隧道二次衬砌出现较严重裂缝。

3 处治方案

（1）为使洞口平衡，减小地形偏压影响，在右洞出口段接长明洞，新增明洞洞门与左线洞门平行，以增加坡体抗滑阻力。明洞采用SM-A型衬砌结构。

（2）在左洞洞顶边坡增加锚索防护（见图1），对洞顶浅层围岩进行锚固防护，防止后期替换二衬时围岩发生较大的应力松弛。防护长度为40 m，桩号为ZK58+825～ZK58+865，沿路线方向设置2排，锚索长度为30 m，锚固长度为12 m，入射角与水平线夹角为30°，锚索纵向和横向间距均为4 m。

（3）对检测结果中仰拱未施作段（原设计有）补做仰拱。补做仰拱采用厚度为50 cm的钢筋格栅C30混凝土，格栅拱架型号为20 cm（宽）×38 cm（高），主筋为25 mm的HRB400钢筋，格栅拱架中心间距为40 cm，格栅拱架垫板采用M20×400高强钢螺杆锚入拱墙二衬底部（见图2）。

（4）待仰拱补做完毕后，对检测结果中拱圈二衬结构性裂缝在拱圈密集分布或有严重缺陷段落的二衬拱墙进行加固的方案为：将二衬拱墙全环拆除，重新浇筑C30钢筋混凝土。对检测结果中二衬结构性裂缝在两侧边墙密集分布的二衬拱墙进行加固的方案为：凿除二衬边墙，重新浇筑C30钢筋混凝土。对检测结果中二衬拱墙分布有较短的斜纵向裂缝及较严重的环向裂缝的二衬拱墙进行加固的方案为：粘贴8 mm厚钢板加固。详见图3～5。

4 施工工艺

4.1 补做钢筋格栅仰拱施工工艺

补做钢筋格栅仰拱施工工艺为：测量布点→钻孔、清孔→安装89×6 mm锁脚钢花管→注浆→凿除旧有路面、开挖仰拱、清理虚渣→恢复预埋100HDPE纵向波纹管、横向导水管→安装钢筋格栅→立模、浇筑仰拱混凝土→仰拱回填。

（1）准备工作：施工前，对现有路面、电缆槽等高程进行测量，按纵向2 m间距测量布点，并标注89×6 mm锁脚钢花管位置。

（2）钻孔、清孔：按纵向间距200 cm于两侧电缆沟底部外角处外45°打设长6 m89×6 mm锁脚钢花管（钢管长度可根据具体围岩情况进行调整，围岩相对较好段落以嵌入基岩1 m为准）。锁脚钢花管钻孔采用潜孔钻。钻孔后，用高压风将孔内石粉吹干净。

（3）安设钢花管：成孔后，安装89×6 mm锁脚钢花管。钢花管就位前应对钢花管进行全面检查，如加工情况等，检测是否顺直，并应除锈，就位时应慢而稳。

（4）钢花管注浆：钢花管安装完成后，向管内注1∶1水泥浆液，注浆压力为1.5～2.0 MPa，要保证注浆饱满[1]。

（5）仰拱开挖及清理：将补做仰拱段划分成多个段落，钢花管注浆完成后，用破碎锤将原有路面凿除掉，为保证施工安全，每段每次凿除长度≤3 m。每次路面凿除清理完后，用破碎锤向下进行仰拱开挖，人工修整到位，及时清理虚渣。

（6）布设排水管：仰拱开挖完成后，用钻杆清理原横向排水管，保证围岩背后的水能顺利排出，并采用100HDPE横向排水管接长原横向排水管至双侧侧向盲沟。原纵、横向排水管损坏的应更换。

（7）安装钢筋格栅：安装20 cm（宽）×38 cm（高）钢筋格栅，格栅拱架中心间距为40 cm。为保证新增设仰拱与二次衬砌连接可靠，格栅拱架垫板采用M20×400高强钢螺杆锚入拱墙二衬底部，锚入深度≥35 cm。若下排螺杆对应位置为虚渣，可换用M20×2000螺杆锚入二衬背后围岩中，并挤注水泥药卷锚固（见图6）。

（8）浇筑仰拱：安装模板，浇筑50 cm厚C30仰拱混凝土。

（9）仰拱回填：采用C15混凝土回填仰拱。

（10）施工注意事项：仰拱填充部位的混凝土及硬岩开挖应采用液压机械方式进行分裂，不得采用传统炸药爆破，并保证浇筑仰拱混凝土拱底无虚渣。原二衬拱墙底部与仰拱间隔位置应先切割分离。相邻段路面的凿除和仰拱的开挖必须在上一段仰拱填充混凝土强度达到设计强度的70%后才能开始。

4.2 二衬拱墙全环拆除重建施工工艺

二衬拱墙全环拆除重建施工工艺为：测量标注拆除范围→径向注浆预加固→分区分块拆除开裂二衬→防排水设施布设→布设钢筋、预埋件→混凝土浇筑。

（1）测量定位：根据检测单位检测报告对需要拆除重建的二衬放样定位，并用红油漆详细标记拆分区块。

（2）注浆加固：破损严重、围岩较差及渗漏水严重段落的二衬拆除，须在凿除二衬拱墙前完成径向超前注浆加固。即在起拱线以上打入5.5 m长42×4 mm注浆小导管，小导管呈@100（环）×120（纵）cm梅花布置，注浆导管外倾60°。导管端部尽可能焊接在初支型钢钢架上，导管孔间采用快硬水泥卷堵塞止浆。注浆浆液采用42.5级水泥配置，水灰比为0.8∶1，掺入水玻璃含量为水泥用量的3%～5%，水玻璃规格为35 Be，模数为2.4～2.8[2]。

（3）凿除破损二衬：使用液压墙锯对拆除区域二衬进行切割分块，采用破碎锤拆除二衬，左右侧跳槽分块凿除二衬混凝土，每次凿除长度为200～300 cm。凿除施工按“先拱后墙，从上到下”的原则进行，施工缝处预留25 cm进行人工拆除，拆除过程注意保护防水板。每段二衬混凝土拆除完成后及时清理拆除物。

（4）布设防排水设施：拆除二衬后人工清理初期支护面的防水板，检查初期支护情况，对结构已经损坏或已经变形侵占二衬限界的初期支护进行更换。初期支护处理完成后，重新顺接排水管、铺设土工布及防水板，对两端二衬施工缝进行人工凿槽，并安装橡胶止水带和止水条。

（5）安装钢筋、预埋件：根据具体段落的衬砌结构钢筋布置图，在二衬凿除端头采用改性环氧类A级胶植筋，植入主筋深入原二衬长度为40 cm。

（6）浇筑混凝土：重新浇筑C30水泥混凝土，混凝土掺入微膨胀剂。待新浇筑二次衬砌混凝土强度达到设计强度的70%后，方可进行下一块二次衬砌凿除浇筑。对新老混凝土形成的冷缝采用注环氧类裂缝修补胶进行封闭。

（7）施工注意事项：二衬凿除前应根据裂缝实际情况进行现场分块，并采用红油漆标出分块轮廓。凿除重新浇筑二次衬砌施工中，严禁左右侧边墙同时凿除，必须采用跳槽凿除，并严格控制每次凿除长度，防止边墙二次衬砌凿除后引起拱部发生变形及坍塌。凿除重新浇筑二次衬砌施工中应加强监控量测，每个凿除分块部位应至少有一个监控量测断面。

4.3 二衬边墙凿除重做施工工艺

仅凿除边墙重做二衬的施工工艺为：待仰拱补做完毕后，左右侧跳槽分块凿除边墙混凝土，每次凿除长度为200～300 cm，凿除高度为边墙最高裂缝外侧30～50 cm，清理凿除物，重新顺接排水管，铺设土工布及防水板，在二衬凿除端头采用改性环氧类A级胶植筋（植入主筋深入原二衬长度为40 cm），然后重新浇筑C30钢筋混凝土（掺入微膨胀剂）。

4.4 粘贴钢板加固施工工艺

粘贴钢板加固施工工艺为：混凝土表面处理→钢板定型防锈处理→安装锚固钢板→周边密封→配胶及压灌胶→固化。

（1）混凝土表面处理：安装钢板前需完成二衬裂缝的外观处治，然后用金刚片打磨混凝土粘合表面，直至露出砂石新面层。

（2）钢板定型防锈处理：对8 mm厚钢板进行除锈、打磨处理，按50 cm宽进行切割，采用弯曲机械按隧道内轮廓半径对钢板进行定型，按设计尺寸搭设螺栓孔。

（3）安装锚固钢板：根据螺栓间距设置M22×300化学螺栓（见图7），螺栓采用改性环氧类A级胶后锚固。将钢板托起悬挂在各螺栓上，拧紧螺母，为控制注胶层厚度，可在部分M22螺栓上设置一定厚度的垫片。留排气孔在灌注粘贴面周边，于灌胶处设置灌胶嘴，每隔0.5～1 m插入软管作为排气管，钢板周边各角点均设置排气管[3]。

（4）周边密封：使用改性环氧树脂植筋胶或者粘钢胶作为封边胶，使钢板周边缝隙、膨胀螺栓及注嘴周围间隙密封。

（5）配胶及压灌胶：使用粘钢胶作为粘结胶，根据产品说明及厂家提供的参数进行配胶，搅拌均匀后倒入灌浆容器，用灌浆机从注浆嘴压力注入胶液。注胶工作保持低压低速，当临近注胶嘴中有胶液流出时，将当前注胶嘴封闭，移至出胶的注胶嘴继续注胶。注胶的同时用橡皮锤敲击钢板，由声音判断胶液流动情况及胶液是否注满。注胶从隧道左右两侧钢板最低位置开始注入，向拱頂逐步推进，最后一个排气管应在维持注入压力的情况下封闭，以防胶层脱空[4]。

（6）固化：注胶施工后最初几小时应注意检查是否有流胶现象，以防脱胶。常温（25 ℃）下固化≥3 d，固化温度降低，固化时间应延长[5]。

（7）施工注意事项：施工完毕3 d内不要冲击钢板。灌注粘钢施工前，对钢板表面涂阻锈剂2度进行防腐处理，粘钢施工完成后按照洞内装饰颜色喷涂面漆。

5 实施效果

该方案实施后，隧道二次衬砌得到妥善加固，洞口边仰坡未发现有开裂、滑塌等迹象，处于稳定状态。二次衬砌未出现新的裂缝，经过粘贴钢板加固的裂缝没有变宽变深的情况，处于稳定状态。该隧道的裂缝处治效果比较理想。

6 结语

在公路运营过程中，隧道裂缝处治是一项重要的工作。本文介绍的仰拱处治、拆除重建二次衬砌、粘贴钢板加固二次衬砌处治方案是对二次衬砌较严重结构性裂缝的有效处理措施，且经过实践，由于其具有施工安全性、处治效果好等特点，有较大的推广价值。

参考文献：

[1]仲 波.刍议高速公路隧道洞口浅埋段的施工技术[J].环球市场，2017（7）：212-213.

[2]杨晓东.强风化混合花岗岩断层破碎带隧道涌水处治措施研究[D].西安：长安大学，2015.

[3]潘东芳.低粘度建筑结构胶的性能及应用研究[D].长沙：湖南大学，2005.

[4]吕少华.T型梁桥维修加固工程施工控制[J].黑龙江交通科技，2011（8）：147，149.

[5]梁展凡，韦景光，李宗文.百色百林大桥旧桥维修加固技术[J].西部交通科技，2009（6）：31-35.

作者简介：张朝斌（1987—），工程师，从事建设工程监理工作。