甘肃某高速公路隧道二衬裂缝成因及整治技术研究

冯金义 宋君萍 廖岳泰 段锐 蒲建军

（1甘肃省公路建设管理集团有限公司，甘肃 兰州 730070；2甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730070）

0 引言

甘肃省每年都有一定数量的公路隧道投入营运。根据2018年政府排查报告，尤其近二十年来修建的公路隧道，大多存在不同程度的衬砌裂缝病害，威胁公路行车安全及结构安全，已经引起了相关部门的高度重视。

目前学术界及工程界在隧道衬砌裂缝的产生原因[1-5]、力学模型计算[6-10]、维修加固技术[11-14]等方面取得了丰硕的研究成果，为本项目裂缝处治技术方案提供了理论支撑和借鉴参考案例，但由于许多文献是基于单座或几座特定围岩的隧道个体得到的研究结论，具有一定的局限性。本项目8座高速公路隧道穿越地层围岩情况差异较大，为达到彻底消除裂缝病害的目的，衬砌裂缝产生的原因成为了关注的重点，其需要联系各个隧道实际情况进行分析，制定有针对性的裂缝处治方案。因此，笔者在对8座隧道的原设计、施工、运营、检测评估等资料进行全面搜集的基础上，结合现场调查及本次维修处治期间现场揭露的情况，对衬砌裂缝成因进行了深入分析，提出了基于衬砌裂缝产生原因的处治方案，并采用试验检测手段验证了维修处治效果良好。

1 隧道概况

甘肃某高速公路全线共设8座隧道（15座单洞，隧道资料见表1），均为分离式单洞两车道隧道，根据检测单位出具的检测报告，自2011年5月底建成通车运营至今，二次衬砌裂缝普遍发育，个别隧道部分段落甚至存在衬砌掉块的风险，严重威胁行车安全。

表1 甘肃某高速公路隧道信息统计表

图1 典型衬砌裂缝发育情况

2018年9月，检测单位对8座隧道进行了专项检测。根据检测结果，衬砌裂缝主要以纵向和环向裂缝为主，其中马家山隧道衬砌裂缝病害最为发育，宽度超过0.5mm的纵缝占了较大比例，但裂缝两侧衬砌无明显错台，按后续加固方按进行衬砌凿毛施工期间也未发生掉块现象（凿毛深度约6mm），衬砌裂缝基本处于稳定静止状态。马家山隧道典型衬砌裂缝如图1所示。

隧道交通封闭后，对宽度大于0.5mm的衬砌裂缝骑缝钻取芯样，发现其大多贯穿衬砌厚度，裂缝取芯情况如图2所示。

图2 宽度大于0.5mm裂缝钻芯

2 衬砌裂缝病因分析

国内外隧道界学者采用理论分析、数值计算、现场试验及模型试验等技术手段对衬砌裂缝的产生原因进行了深入研究，张素磊[15]对其进行了归纳整理，主要有：塑性地压、偏压、膨胀性地压、冻胀作用、地下水作用、衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、衬砌强度不足、“先拱后墙法”施工、围岩处理不当、地层扰动、未设仰拱等。

从表1可以看出，陇西隧道主要穿越亚黏土地层，大像山、甘谷隧道主要穿越砂砾岩地层，秦州隧道主要穿越砂砾岩和泥岩地层，武山、广武、马家山、定西隧道主要穿越泥岩地层，建设期资料揭示8座隧道未见承压性地下水且泥岩无较大膨胀性，仅局部发育围岩裂隙水或层间埋藏水（陇西隧道地下水较发育），主洞深埋段不存在偏压及冻胀作用，施工方法均为模筑衬砌法，除秦州隧道外围岩类型单一，不存在围岩处理不当问题及地层扰动，因此衬砌裂缝产生原因与地下水、膨胀性泥岩、偏压、冻胀、施工方法、围岩处理不当及地层扰动等因素基本无关，采用排除法导致裂缝的剩余可能因素有塑性地压、衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、衬砌强度不足、未设仰拱。

根据维修前期专项检测，8座隧道均存在不同程度的衬砌背后空洞、衬砌厚度不足、仰拱厚度不足等质量缺陷。对衬砌病害与质量缺陷间的相关性进行对比分析发现，衬砌裂缝极度发育的段落，仰拱基本均存在厚度不足缺陷，衬砌背后脱空部位伴随着衬砌厚度缺陷，通常裂缝也比较发育，典型衬砌病害及质量缺陷如图3所示，典型路面病害及仰拱质量缺陷如图4所示。

图3 典型衬砌病害及质量缺陷

图4 典型路面病害及仰拱缺陷

此外，对专项检测中揭示拱顶存在二衬与初支层间脱空的部位进行注浆时，普遍存在浆液从二衬施工缝部位溢出的现象，分析认为其可能原因有两点：一是二衬混凝土浇筑完成后混凝土收缩，造成二衬与初支层间脱空形成贯通的浆液通道；二是由于隧底仰拱厚度不足，提供的基底承载力不足以支承上部结构的自重产生竖向位移，随着基底围岩逐渐固结上部衬砌沉降变形趋于稳定，而初支结构未发生变形导致层间脱空（初支在断面开挖后已趋于稳定，其通过设置的钢架锁脚和超前锚杆来承重）。由此可以推测，二次衬砌并未承受塑性地压，围岩压力基本由初期支护承载，二衬裂缝的产生并不是由塑性地压引起。

图5 衬砌层间脱空施工缝漏浆

综上所述，该高速公路隧道衬砌裂缝的形成与质量缺陷密不可分，尤其隧底仰拱结构缺陷直接导致了上部衬砌产生不均匀沉降，致使衬砌局部混凝土受拉产生裂缝，进而引发衬砌拱顶裂缝发育，而衬砌局部脱空或厚度不足减小了衬砌刚度，削弱了衬砌抵抗变形的能力，引发应力集中，恶化了受力状况，从而导致开裂。通过向当时参建人员及后续运营管养工作人员了解的情况，建成通车后运营后1～2年时，发现隧道衬砌裂缝病害持续发育，后续运营中裂缝发展性并不明显，说明裂缝与围岩的固结沉降密切相关，也佐证了衬砌裂缝的产生是由基底仰拱结构缺陷引发。

3 综合处治方案

鉴于二衬裂缝是由隧底结构缺陷、衬砌背后脱空及衬砌厚度不足引起的不均匀沉降、衬砌结构刚度变异及应力集中效应等共同引发，维修处治方案须有针对性。首先解决隧底结构缺陷的问题，设计前期从路面向下钻取混凝土芯样，根据芯样揭露的混凝土结构厚度、质量等缺陷，确定仰拱拆换、仰拱加固及隧底注浆加固三种处治方案（图6）。

图6 隧底结构缺陷处治技术方案

在确保下部结构稳定的同时，对衬砌局部脱空进行注浆处治，确保同一板衬砌在隧道轴线方向上的刚度基本一致，消除或削弱应力集中效应，优化衬砌结构受力。此外，由于既有衬砌裂缝均为静止裂缝，出于最大优化衬砌结构受力、发挥既有衬砌结构剩余承载能力、防止衬砌混凝土碳化等方面的考虑，对大于0.2mm宽度的裂缝进行低压注胶处理，胶类产品采用改性环氧树脂胶，先封缝再进行压力注浆，确保注胶饱满。

要说明的是，对于裂缝极度发育，局部存在衬砌掉块风险的既有衬砌，承载能力已遭到严重削弱，根据病害程度采用二衬换拱或叠合式喷射混凝土套拱进行加固，以提升衬砌结构的承载能力及安全储备，这部分未详述。

4 结论

图7 裂缝低压注胶处治

1）甘肃某高速公路隧道衬砌裂缝产生的主因是隧底仰拱缺陷，其引发衬砌结构的不均匀沉降，致使衬砌局部混凝土受拉产生裂缝，隧底围岩固结沉降稳定后裂缝趋于稳定。

2）衬砌背后空洞及衬砌厚度不足减小了衬砌刚度，削弱了衬砌抵抗变形的能力，引起的应力集中效应，恶化了衬砌结构受力状况。

3）研究衬砌裂缝病害和隧道质量缺陷的相关性有重要意义，为制定有针对性的维修技术方案提供了新思路，对裂缝产生原因类似的隧道维修工程方案设计有借鉴意义。