隧道衬砌裂缝成因分析及处理方法

汪威

普洱交投路桥工程有限公司 云南普洱 665000

在建设公路隧道过程中，常见的问题类型是公路隧道特殊围岩以及膏溶角砾岩。首先，隧道开挖的过程中会伴随着应力场的重新分布，但这种分布也是有一定范围的，而这种应力发生重分布区域内的岩体，称作围岩。在实践过程中，遇到的围岩一般有如下几种：坚硬块状岩石、层状岩体、碎裂岩体、松软岩体以及膏溶角砾岩。围岩类型不同，对隧道质量产生的影响也不尽相同，但也有一些共同影响，即影响隧道路线的选择，给隧道安全性造成威胁。

1 工程简介

德安隧道为整体式隧道，德安隧道区位于德安乡上曼村西南方向约200米，起讫里程：K100+215至K100+675，隧道长度460m。构造侵蚀中切割高中山地貌区，地形起伏较大，隧道附近省道S222边坡一侧部分地段有基岩出露。地形坡度较陡，地形坡度变化较大，隧道区高程介于1290.37-1373.3之间，相对高差82.93m，隧道进口段省道S222，交通便利。隧道线型为直线，隧道纵坡为1.65%，隧道围岩等级V级，二次衬砌为C30钢筋混凝土，厚度45cm[1]。

2 隧道衬砌混凝土开裂现象及原因分析

2.1 隧道衬砌混凝土裂缝分类

在隧道建成后5-10年内裂缝产生的数量较少，在建成10年后由于各种原因也会出现损坏、渗漏等劣化现象。德安隧道共有315条纵向、斜向裂缝、环向裂缝、人字形裂缝及网状裂缝，Lmax=22.00m，δmax=2.4mm，裂缝总长度1435.4m。本方案针对静止裂缝编制，对活动裂缝和尚在发展裂缝，结合病害产生原因可采取围岩注浆、衬砌加固、隧底加固等措施，依据裂缝宽度不同（以0.2mm为界限）采取表面封闭法或注射法。

2.2 隧道衬砌开裂的原因

除全环开裂外，大部分裂缝均主要分布在边墙至拱腰范围，拱腰至拱部几乎未见开裂。初步分析隧道衬砌开裂原因如下：

（1）围岩荷载作用。隧道围岩在长期的施工过程中，可能发生松动或变形现象，作用于衬砌结构上后，导致二次衬砌承载过大，可能使衬砌结构开裂。该影响因素下衬砌结构易出现斜向及纵向裂缝。

（2）围岩类型变化，产生不均匀沉降。隧址区位于较活动的滇西准地槽，地质构造较为复杂，褶皱及断层极为发育，主要受古城断层和新露头褶皱影响，古城断层（F15）横穿隧道洞身段，受构造影响极大，基础可能出现不均匀沉降，导致衬砌出现开裂。该影响因素下衬砌结构易出现环向裂缝，此类裂缝在施工缝及沉降缝处更为明显[2]。

（3）空间及地形因素。隧道区构造侵蚀中切割高中山地貌区，地形起伏较大，坡度较陡，一般坡度20-40°，多林木（松树）和灌木，隧道所在地段高程为1290.37-1373.3m之间，地形坡度变化很大，相对高差最大82.93m，岩体对隧道垂直应力作用明显，经查隧道进口洞顶靠右沿隧道走向存在一深沟，出口端路线在山腰穿行，存在一定的偏压作用，易加剧洞内二次衬砌变形开裂。

（4）地下水使围岩产生膨胀。根据《德安隧道衬砌裂缝对结构安全性的影响分析报告》所示，隧道区土样自由膨胀在43%-86%之间，具有弱-中等膨胀性，在地下水影响下，使围岩膨胀，产生膨胀力，导致二衬荷载加大。

2.3 隧道衬砌混凝土温度应力

（1）约束应力。由于衬砌混凝土结构温度变化而产生温度变形，当受到周围结构（如隧道初期支护、围岩等）约束时，温度变形得不到释放从而在混凝土结构内部产生温度应力。

（2）非线性应力。隧道衬砌混凝土浇筑完成后，其内部温度由于水泥水化放热作用而迅速升高。当水泥水化放热基本完成后，在环境温度作用下混凝土表面和内部温度均开始下降。但由于混凝土导热性能较差，衬砌混凝土表面温度下降较快而内部核心区混凝土温度下降较慢，便在衬砌混凝土中出现温度梯度。温度不均匀分布直接导致大体积混凝土（隧道衬砌）内部各位置处变形不均匀，从而出现自生应力。需要注意的是，大体积混凝土因温度非线性分布产生的应力不受周围约束条件的影响，即使大体积混凝土处于完全自由状态，该温度非线性应力仍然存在。在工程实践中，隧道衬砌混凝土温度应力为约束应力和非线性应力的叠加作用[3]。

3 隧道衬砌混凝土裂缝防治技术

按《公路隧道加固技术规范》（JTG/T5440）的规定，隧道模筑衬砌混凝土裂缝可分为静止裂缝、活动裂缝和尚在发展裂缝，活动裂缝和尚在发展裂缝应在采取其他措施待裂缝停止发展后进行修补。

3.1 混凝土水化温升调控技术

（1）使用低热水泥。低热水泥通过调整水泥熟料矿物组成，实现降低水泥水化放热量、提高耐久性等目的。该水泥以硅酸二钙为主要矿物，又称为高贝利特水泥。采用低热水泥代替普通硅酸盐水泥配制隧道衬砌混凝土，将有效降低水泥水化过程的放热量，从而显著降低隧道衬砌混凝土温升值，降低约束开裂风险。

（2）使用矿物掺和料。在高性能混凝土配制中使用的矿物掺和料主要包括粉煤灰、矿渣粉、硅灰等。这些矿物掺和料具有一定的水化活性，在水泥水化后期起到增加混凝土密实性、提高混凝土耐久性的作用。使用上述矿物掺和料替代一部分水泥将有效降低混凝土因水泥水化放热导致的温度升高，对于隧道衬砌混凝土等大体积混凝土结构意义重大。

（3）使用水泥水化温升抑制材料。水泥水化温升抑制材料是通过改变混凝土中水泥水化历程来调控水化放热，从而降低隧道衬砌等大体积混凝土水化温升值。水泥水化温升抑制材料主要包括复合型、蛋白质类、氨类水化抑制剂等。研究结果表明，水泥水化抑制剂的使用可显著降低水泥水化72h的累积放热量，减缓水泥水化放热速率，推迟放热峰出现。

3.2 隧道工程衬砌裂缝碳纤维加固法

衬砌裂缝病害是我们经常见到的一种症状，现阶段，实践中最常使用的修补方法就是碳纤维加固法。这种方法的流程也是比较繁琐的。首先，应当进行表层处理，清理公路隧道衬砌表面存在的凸起、灰尘等，确保公路隧道衬砌表面是干燥且洁净的。对于碳纤维加固方法而言，这一步就是后续流程的地基，这一步的清洁程度直接决定后续的施工质量。其次，到了封闭裂缝处理这一阶段，即采用粘胶等物质对裂缝进行填补，在这一过程中，应该注意控制底胶的厚度，过厚或过薄都不可能达到较好的修补质量。在这一步完成以后，仍然要对裂缝进行整平处理，进一步提升稳固性。

3.3 混凝土温度梯度调控技术

（1）控制混凝土入模温度。混凝土入模温度是其温度变化历程的起点，该参数对大体积混凝土温度控制尤为重要。因为对于固定配合比的混凝土而言，其绝热状态下的温度升高值可以认为是固定的。混凝土入模温度越高，其放热量达到峰值时内部最高温度越高。当环境温度一定时，混凝土内部与隧道环境之间的温度梯度越显著，衬砌混凝土自身非线性温度应力越大。混凝土入模温度与水泥、粗细骨料、用于拌和的水等主要原材料的温度密切相关，在工程实践中可通过降低原材料温度来实现对混凝土入模温度的控制。尤其在夏季施工中，对该参数进行控制更为重要。TB/T3275-2018《混凝土》规定，混凝土的入模温度不宜超过30℃，且与混凝土接触的介质温度不宜超过40℃。

（2）选择适当的养护方式。在隧道衬砌混凝土浇筑完成后进行适当的养护是降低其温度梯度的重要途径之一。目前，国内外隧道衬砌混凝土主要采用标准养护、气雾养护、喷水和涂膜等养护方式。其中，对降低隧道衬砌混凝土温度梯度最为有效的是气雾养护。气雾养护是采用蒸汽或喷雾的方式对隧道衬砌混凝土表面进行养护，使其表面保持在较高的温度水平，从而彻底消除隧道衬砌混凝土早龄期温度梯度，降低非线性温度应力和开裂风险。在工程实践中，可通过养护台车实现对隧道衬砌混凝土的气雾养护，养护台车不仅可以对养护过程中的温度、湿度进行实时监控，还可以实现对养护关键数据的自动采集、记录、存储和传输。

4 结语

总之，作为城市发展的物质基础，公路建设事业对我国的发展起着重要作用。良好的交通网络不仅能够给社会大众提供良好的出行条件，更能够促进一国经济的发展。因此，为了提高公路隧道建设技术和质量水平，需要利用下列措施确保裂缝的有效控制。

（1）公路隧道衬砌混凝土裂缝依据产生的原因可分为荷载裂缝和非荷载裂缝，其中非荷载因素导致的裂缝占总裂缝数的50%-70%。

（2）导致隧道衬砌混凝土非荷载裂缝产生的因素主要包括温度应力和收缩应力。隧道衬砌为大体积混凝土，其非荷载裂缝主要是由温度应力导致的。

（3）隧道衬砌混凝土在浇筑完成后由于水泥水化放热，其内部温度逐渐升高。同时，在与环境热量交换过程中也在混凝土内部出现温度梯度。靠近隧道内部温度梯度较大，而靠近初期支护一侧温度梯度相对较小。

（4）通过降低衬砌混凝土整体水化温升值和控制边界温度梯度，可降低隧道衬砌混凝土温度开裂风险。降低水化温升值可通过使用低热水泥、矿物掺和料和水泥水化抑制材料来实现；控制边界温度梯度则可通过控制混凝土入模温度、加强养护的方式实现。