隧道衬砌环向裂缝的成因分析及预防建议

刘刚

摘 要： 随着我国经济在快速发展，社会在不断进步，环向裂缝是隧道衬砌表面最常见的裂缝形式，应予以重视。环向裂缝的成因，追根溯源，是衬砌混凝土纵向收缩受到约束而产生的应力，大于混凝土的抗拉强度;因此准确地计算衬砌混凝土的收缩应力，对于预防环向裂缝具有非常重要的意义。目前，计算衬砌的收缩应力普遍沿用了王铁梦提出的简化算法;现在该法的基础上，结合隧道环向裂缝的分布规律，尝试了两项改进：补充了反映衬砌断面曲率的参数;将所有变量表述为时间的函数，既可提高取值精度，也能反映应力变化。现通过算例及分析，总结了环向裂缝的技术特点，提出了预防环向裂缝的建议，可供隧道设计与施工参考。

关键词： 公路隧道;环向裂缝;收缩应力;混凝土徐变

【中图分类号】TV543 【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）08-0110-01

引言：隧道衬砌裂缝是在铁路、公路隧道建设期或运营期出现的主要病害之一，也是较为棘手的问题之一。隧道衬砌裂缝的产生原因一方面是由于隧道处于复杂的围岩地质体中，受到地应力、围岩体压力、温度和收缩压力、地下水压力等荷载作用，导致隧道衬砌结构产生裂缝和变形，即所称的结构性裂缝;另一方面是由隧道衬砌混凝土的原材料、设计和施工质量等因素造成的，即所称的非结构性裂缝。对于不同的隧道衬砌裂缝，处治措施会明显不同。本文结合实际工程的衬砌裂缝成因分析，针对性地提出裂缝处治措施，为类似工程裂缝处治提供参考。

1 概述

大量隧道病害案例表明，几乎所有的病害形式都与隧道衬砌开裂有关。衬砌裂缝可能引起渗漏、加速材料劣化或诱发其他病害，甚至危及交通安全或结构安全;因此，研究衬砌裂缝产生的原因乃至提出相应的抑制手段，于延缓在役隧道的“衰老”是十分必要的。普遍认为，衬砌产生裂缝的原因是多方面的，衬砌裂缝一般可分为荷载裂缝和非荷载裂缝;荷载裂缝是襯砌混凝土受外力作用产生的裂缝，主要表现为纵向裂缝或斜向裂缝;非荷载裂缝是衬砌混凝土由自身变形而导致的裂缝，主要表现为环向裂缝。调查表明，环向裂缝或为数量最多的裂缝形式;环向裂缝具有明显的规律性，属“共性”，更有研究的价值。环向裂缝的成因，追根溯源，是衬砌混凝土纵向收缩受到约束而产生的应力，大于混凝土的抗拉强度;因此准确地计算衬砌混凝土的收缩应力，对于预防环向裂缝具有非常重要的意义。目前，计算衬砌的收缩应力普遍沿用了王铁梦提出的简化算法，该法基于某些假定，演绎过程简明，容易为行业所接受。现在该法基础上，结合隧道环向裂缝的分布规律，尝试了两项改进;（1）补充了反映衬砌断面曲率的参数;（2）将所有变量表述为时间的函数，既可提高取值精度，也能反映应力变化。现通过算例及分析，总结环向裂缝的技术特点，提出预防环向裂缝的建议，可供隧道设计与施工参考;研究发现，环向裂缝的形成及发展机理复杂，涉及诸多因素，现阶段的理论研究还不能很好地解释所有的实际问题，需要在实践过程中继续完善。

2 隧道衬砌环向裂缝的成因分析及预防建议

2.1 施工前准备工作

（1）仔细检查隧道施工缝、沉降缝的防水设施是否完善，若有缺陷应及时补做;仔细排查排水系统是否堵塞，若堵塞应及时疏通。（2）对二衬开裂区采用地质雷达进行探测，探明二衬厚度、衬砌外侧是否存在空洞、薄弱处和其他不良地质情况;对于衬砌外存在空洞或围岩破碎松动处应进行注浆补强。（3）做好施工组织及交通安全防范工作，并保持裂缝观测的持续性。

2.2 无水裂缝处治方法

隧道运营时，进行衬砌裂缝可以应用下面方法处治。第一，裂缝宽度<0.2mm、长度不大并且是单一的，可以暂时不处理。第二，裂缝宽度>0.2mm，应用刮胶、注胶等形式进行合理封闭。第三，没有处理货只应用注胶处理的裂缝，要观察形式处治，比如骑缝贴玻璃片、应用裂缝观测计等。第四，裂缝呈现网状、纵向张开，宽度及长度有继续发展现象，通常是因衬砌结构受力不均、较大、衬砌强度和厚度不足、地基沉降而形成，一定要马上处治。可以应用贴钢带、设套拱、实施挂网喷混凝土等方法处治。第五，长形水平冷缝，是因拱部混凝土浇筑产生的，可以应用贴钢带和局部拆换的方式处治，裂缝严重会应用套拱方式处治。第六、衬砌破损轻、掉块小、没有足够厚度等区段，可以应用拆换处治。第七，对于拱顶的缺料、厚度不足、边墙及边墙脚厚度不足问题，应用局部凿除、拆换等处治方式。

2.3 施工工艺

（1）隧道施工过程中由于安全步距的要求，开挖面距二衬作业面距离未超过90m，最近距离达到50m，开挖爆破过程中产生的震动对养生未到龄期的二衬影响较大。（2）由于二衬紧跟掌子面施工，对于新奥法隧道而言，山体地应力重分配未完成，围岩收敛未趋于稳定，过早地进行支护施工让二衬承受极大压应力，因而易引发二衬开裂。（3）隧道仰拱开挖后清渣不彻底，出现地基承载力不均匀的情况，从而仰拱出现裂缝反射至路面板。（4）该隧道在完成所有二衬及仰拱施工后，进入冬季，青海省属于高寒高海拔地区，冬季寒冷，昼夜温差大，混凝土胀缩幅度较大，容易引起温度裂缝。

结语：隧道衬砌裂缝形成原因是受各种因素的影响，非常复杂，其处治方案也是多样的，只有从各个方面系统地分析裂缝成因，才能较好地提出相应的处治措施。本文从隧道地质情况、自然条件、施工工艺、裂缝监测、二衬混凝土检测等方面进行综合判析，较为准确地判断二衬裂缝形成原因，提出采用裂缝用环氧树脂充填、环向钢板箍贴二衬的处治方案，安全、快捷地处治了隧道大范围裂缝病害。

参考文献

[1] 张士兵等.隧道衬砌裂缝成因调查检测与初步分析[J].桥梁与隧道工程，2011，（22）：168-172.

[2] 陈泽魁.公路隧道衬砌混凝土裂缝的成因与防治[J].广东建材，2005，（8）：25-271.

[3] 代高飞等.某公路隧道病害成因分析与治理研究[J].中国安全科学报，2005，15（12）：89-92.

[4] 赵国旗.铁路隧道衬砌开裂病害整治方法初探[J].岩石力学与工程学报，1996，15（4）：385-389.

[5] 廖宏等.隧道衬砌混凝土非结构性裂缝分析及对策[J].隧道建设，2009，29（1）：8-14.