公路隧道衬砌裂缝病害成因及统计规律分析

林海山 陈智超 王辰晨

摘要：受勘察设计、施工养护以及隧址区工程地质条件和水文地质条件等因素的综合影响，运营公路隧道病害频发，其中衬砌裂缝尤为常见。文章基于已有研究总结分析了公路隧道裂缝成因以及不同类型和形式裂缝数量的统计规律，可为新建或改扩建隧道以及运营隧道衬砌裂缝病害处治提供参考。

关键词：公路隧道;襯砌裂缝;成因;形式;统计规律

0 引言

截至2018年年底，我国已建成通车的公路隧道为17 738处、17 236.1 km，比上一年增加1 509处、1 951.0 km，并且仍在逐年增长。随着通车年限的增加，受勘察设计、施工、隧址区工程地质条件、水文地质条件以及养护管理等因素的影响，公路隧道病害愈加凸显，其中尤以衬砌裂缝最为常见。公路工程质量检验评定标准规定：隧道衬砌钢筋混凝土结构裂缝宽度不得超过0.2 mm，混凝土结构裂缝宽度则不得超过0.4 mm，不同形式和宽度的裂缝对于衬砌结构的影响也不尽相同，故而，掌握不同类型衬砌裂缝的成因尤其重要，不仅是针对裂缝病害“对症下药”的前提条件，也是病害处治效果的有力保障。

本文对隧道衬砌裂缝的成因与表现形式进行了总结分析，并基于已掌握的大量隧道病害检测数据得出了不同类型和形式的衬砌裂缝数量的统计规律，为新建与改扩建隧道工程以及既有运营隧道养护提供参考。

1 隧道衬砌裂缝的成因

隧道衬砌裂缝的产生与发展往往是由多种因素综合影响的结果，主要包括工程地质条件、勘察设计因素、施工技术水平与施工质量以及气候与行车环境等因素。

1.1 工程地质条件

对隧道裂缝影响较大的地质条件包括地下水作用、不利地质条件和偏压等。

（1）地下水作用：地下水作用包括衬砌外水压力与水体冻结产生的冻胀力。隧道设计时往往不考虑地下水压力对衬砌的作用，然而受排水系统局部堵塞或者失效以及雨季期间遭遇长时间强降雨的影响，导致衬砌背后的地下水不能及时排出且隧址区地下水位居高不下，隧道衬砌局部受力处于极限平衡状态，从而引发隧道衬砌薄弱处开裂，包括隧道拱部到边墙的水平裂缝、环向裂缝。寒区隧道衬砌背后及围岩中的地下水冻结[=XQS（]公路隧道衬砌裂缝病害成因及统计规律分析/林海山，陈智超，王辰晨[=JP2]产生的冻胀力不仅会对衬砌结构产生主动土压力，还会导致围岩强度降低。随着时间的推移，围岩松动压力会逐年发展，沿着拱顶纵向出现张拉裂缝。此外，衬砌还会因为处于侵蚀性地下水的长期浸泡造成劣化而产生裂缝。

（2）不利地质条件：隧道位于断层破碎带、岩溶等地下水富集区的围岩压力和围岩环境复杂多变，导致衬砌结构受力不均或者局部受力超过极限承载力而产生裂缝甚至破损。例如，断层破碎带区域岩体松散、裂隙发育、松动土压力大加上因富集地下水产生的水压而导致衬砌出现裂缝。含黏土矿物的围岩遇水体积膨胀产生的膨胀力，会随着时间不断增长，一般会引起隧道边墙或拱肩水平开裂，接缝处则会产生错台。隧道上覆软弱围岩在长期蠕变作用下形成的变形压力会持续作用在衬砌结构上，在拱顶附近沿隧道纵向多发生张拉性开裂，在拱的两肩处产生斜向开裂。

（3）偏压：偏压即衬砌结构承受不对称荷载作用，通常会诱发隧道衬砌产生纵向裂缝。偏压的原因主要包括地形引起的偏压和地质构造引起的偏压两种。

1.2 勘察设计因素

勘察设计阶段主要影响因素包括围岩级别划分不准确、衬砌类型选择不当、防水措施不足三种。

（1）围岩级别划分不准确：在勘察阶段，受隧址区工程地质条件复杂多变，以及勘察深度、周期等因素的综合制约，国内大多数隧道在勘测期开展的地质钻孔的数量一般较少，难以获得较为全面可靠的地质资料，可能导致部分区段围岩级别划分不准确，设计时依据该划分结果选取的支护结构类型及设计参数也会出现较大的偏差，最终导致衬砌结构安全系数设计值不满足实际和规范要求。

（2）衬砌类型选择不当：如果在设计阶段选取的衬砌类型与实际情况不符，且在施工中未能及时进行纠正，也会造成该地段的衬砌结构所承受的实际围岩荷载与设计值不相匹配。

（3）防水措施不足：未充分考虑隧道所处山体复杂的水文地质条件，如排水沟设计排水能力不足导致雨季期间隧道长时间受到较高的地下水压力作用，衬砌于薄弱位置出现裂缝。

1.3 施工因素

施工时，受技术条件、施工方法和工艺、施工管理等因素影响，造成隧道工程施工扰动大、施工质量差等问题，从而导致衬砌裂缝的产生。

（1）施工方法和工序不当：对于稳定性较差的松软围岩地段，采用先拱后墙法施工时，由于施工工序衔接不当导致衬砌成环不及时、拱架支撑变形下沉等原因，易引发拱部衬砌出现不均匀下沉，进而诱使拱腰和拱顶部位的衬砌在施工阶段就产生早期裂缝。

（2）衬砌背后回填不密实：由于光面爆破质量差、超挖以及压浆回填不及时等原因，模筑混凝土衬砌拱背部位常出现拱顶衬砌与围岩接触不密实且存在空隙的情况，造成拱部处于“马鞍形”受力状态，即两边受力大、中间受力小，对应拱腰内移张裂，而拱顶上抬且内缘受挤压。

（3）衬砌厚度不足：由于施工中测量放线出现差错、欠挖、模板拱架变形等原因在施工中未能及时纠正和妥善处理，造成隧道衬砌局部位置的厚度小于设计值。

此外，邻近工程施工引发的岩土扰动、拆模时间过早、施工缝处理不当、混凝土配合比控制不当或者振捣不充分等，也会对混凝土衬砌的施工质量造成影响。

1.4 环境因素

由于隧道所处的自然条件、气候条件、混凝土材料性质、运营车辆等因素，造成隧道衬砌结构产生裂缝。

（1）混凝土材料性质：混凝土本身的干缩、塑性收缩、温缩、碳化等现象是产生裂缝的重要原因。

（2）运营环境：在车辆荷载或地震等动荷载的作用下，导致衬砌混凝土发生疲劳破坏，产生裂缝。

2 隧道衬砌裂缝的表现形式

为了便于描述隧道裂缝的形态，一般将隧道衬砌划分为左右侧边墙、左右侧拱部，以及隧道底部的仰拱共五部分。其中拱部又可分为拱顶、拱腰与拱脚，边墙可以分为墙顶、墙腰、墙脚，仰拱可以分为仰拱底部、仰拱拱脚。依据隧道裂缝成因、衬砌受力形态和裂缝走向的不同，对隧道衬砌裂缝有不同的分类方法。

2.1 按裂缝成因分类

隧道衬砌结构在运营期承受的荷载主要包括各种外荷载和变形荷载。隧道衬砌裂缝按成因可以分为以下两种。

（1）各种静荷载、动荷载等引起的裂缝。静荷载主要有围岩压力、静水压力;动荷载有动水压力、地震荷载、人工爆破振动等。

（2）由变形荷载引起的裂缝，包括温度、收缩、不均匀沉降等因素，其机理是衬砌结构变形得不到满足，产生的应力超过衬砌材料抗拉强度时导致衬砌发生张性开裂。

由外荷载引起的裂缝表明可能存在衬砌结构承载力不足或者其他质量缺陷问题，由变形引起的裂缝一般对衬砌结构承载力的影响很小，可以不考虑。

2.2 按裂缝走向分类

根据隧道衬砌裂缝走向及其和隧道轴线方向之间的关系，可以将裂缝分为环向裂缝、纵向裂缝和斜向裂缝三种。环向裂缝一般对衬砌结构承载力的影响较小，而拱部和边墙的纵向裂缝和斜向裂缝因为会对衬砌结构的完整性和整体性造成破坏，因而危害较大。

（1）环向裂缝。环向裂缝垂直于隧道纵向轴线，主要由纵向不均匀荷载、围岩地质变化等因素所造成，通常发生在隧道洞口或不良地质段与完整围岩地层交界处。

（2）纵向裂缝。纵向裂缝平行于隧道纵向轴线，危害性较大。从受力角度分析，拱顶混凝土衬砌一般由于内缘受压从而引发衬砌开裂、剥落掉块;拱腰部位则是内缘受拉导致张裂;拱脚部位的纵向裂缝会使衬砌因错位导致掉拱;边墙的纵向裂缝由于衬砌内缘受拉张开而错位，可能导致隧道失稳。

（3）斜向裂缝。斜向裂缝通常与隧道纵向轴线斜交，多受由衬砌环向应力和纵向应力组合而成的拉应力作用所致，其危害性仅次于纵向裂缝。

3 隧道衬砌裂缝数量统计规律分析

本文对国内497座运营公路隧道存在的不同走向裂缝的数量进行了统计分析，结果如图1所示。

其中，环向裂缝为18 361处，占比44.56%;纵向裂缝为14 493处，占比35.14%;斜向裂缝为8 353处，占比20.27%，裂缝病害总计41 207处。总体而言，环向裂缝最多，其次是纵向裂缝，而且二者总和占比近80%，斜向裂缝占比最小。

4 结语

本文通过总结公路隧道衬砌裂缝的成因以及对不同表现形式裂缝的数量进行统计分析，总结如下：

（1）隧道衬砌裂缝的成因主要包括工程地质条件、勘察设计因素、施工技术水平与施工质量等。

（2）运营公路隧道衬砌裂缝以环向裂缝为主，其次是纵向裂缝，斜向裂缝的占比最小。

（3）环向裂缝一般对衬砌结构承载力的影响较小;纵向裂缝是影响隧道衬砌承载力的主要裂缝形式;斜向裂缝的危害性仅次于纵向裂缝。

工程实践中应及时对隧道衬砌出现的纵向裂缝和斜向裂缝进行封闭处治。

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