在役隧道衬砌裂缝评价与治理探讨

■王明智

（漳州通广云平高速公路有限公司，漳州 363000）

公路隧道运营过程中，常因地质因素、施工先天缺陷、后期养护不到位等不同原因而产生裂缝、渗漏水、仰拱隆起、破损、施工缝错台等不同病害，其中裂缝和渗漏水病害尤为突出。 衬砌的开裂问题往往会使得隧道结构的安全性能降低， 加速衬砌的破坏，不加以控制甚至影响行车安全。 前人针对衬砌裂缝的发育规律及成因机制[1-3]、衬砌裂缝对隧道结构安全的影响分析[4-8]等方面已有大量的研究， 就裂缝成因机制和影响程度得出了广泛共识。 同时伴随近年来监测设施设备快速发展，公路隧道相关的健康监测也逐渐在大力推广[9-10]。 但针对公路隧道裂缝的评价、 治理和长期维护的系统性研究相对较少， 因此本文拟结合隧道结构裂缝调查统计分析、典型裂缝影响分析、衬砌加固处治以及加固后长期监测等方面系统阐述运营公路隧道裂缝整治处理的整套思路， 为后续类似工程应用提供参考。

1 工程概况

狮头岽隧道为单线双洞分离式隧道，左线里程桩号为 ZK96 +660 ～ZK97 +339.223， 长度为679.223 m， 右线里程桩号为YK96+665～YK97+346.962，长度为681.962 m（图1）。 隧道衬砌施工完成后在局部区段 （ZK96+760～ZK97+140，YK96+760～YK97+140）发育了多处二衬裂缝病害，病害段衬砌支护类型为Z4 型，初支为C25 喷射混凝土+钢格栅支撑+A8 型钢筋焊接网， 二衬为35 cm 厚C30防水混凝土（图2）。

图1 隧道现场图

图2 Z4 型复核支护立面图

2 隧道调查与治理

2.1 隧道病害规律

依据狮头岽隧道病害段调查结果，该段二衬裂缝左右线共有145 条。 （1）隧道左线共有74 条裂缝，按裂缝宽度可分为：细微裂缝（缝宽≤0.2 mm）23 条、常规裂缝（0.2 mm＜缝宽＜0.5 mm）18 条、超限裂缝（缝宽≥0.5 mm）33 条，按裂缝类型可分为：横向裂缝32 条、 纵向裂缝24 条和斜向裂缝18 条；（2）隧道右线共有71 条裂缝，按裂缝宽度可分为：细微裂缝（缝宽≤0.2 mm）21 条、常规裂缝（0.2 mm＜缝宽＜0.5 mm）9 条、超限裂缝（缝宽≥0.5 mm）41条，按裂缝类型可分为：横向裂缝42 条、纵向裂缝20 条和斜向裂缝9 条（图3、4）。 以上裂缝多分布于左右墙位置， 右洞YK96+820～YK96+980 拱顶纵向裂缝相对集中，作为后续评价重点区段，该段病害展布图见图5。

图3 左洞裂缝统计

图4 右洞裂缝统计

图5 右洞重点段病害展布图（YK96+820～YK96+980）

2.2 隧道治理措施

隧道治理措施依据裂缝宽度进行选择，对于裂缝超限或衬砌存在缺陷情况，裂缝修复后还需对结构进行加固，具体治理措施如下（表1）。

表1 隧道治理措施

2.2.1 隧道细微裂缝修复（缝宽≤0.2 mm）

隧道细微裂缝修复（缝宽≤0.2mm），即表面环氧胶封闭处理，具体步骤如下：（1）先剔除砼表面抹灰层，并用机械方法打磨平整；（2）涂刷低黏度改性环氧底胶， 涂刷时应使胶液在混凝土表面充分渗透，微裂纹内应含胶饱满，必要时可沿裂缝多道涂刷；（3）在底胶干后，使用改性环氧砂浆处治砼表面缺损。

2.2.2 隧道常规裂缝修复（0.2 mm＜缝宽＜0.5 mm）

隧道常规裂缝修复（0.2 mm＜缝宽＜0.5 mm），即毕可法（恒压灌浆法）处理，具体步骤如下：（1）对裂缝缝口及封边表面清平；（2）在裂缝表面进行骑缝钻孔，作为注射器底座导向孔；（3）用0.2 MPa 以上气压的压缩空气清除裂缝的灰渣和浮尘，沿缝长范围内砼表面用丙酮进行清洗去污；（4）注射器底座应用丙酮洗净后， 在底盘周围均匀抹上1～2 mm 厚的改性环氧砂浆，并与孔眼对准埋贴于裂缝上；（5）根据施工实际采用妥善措施如水泥砂浆、改性环氧砂浆与浆液结合玻璃丝布封堵等进行嵌缝止浆处理，确保压浆压力作用下缝口密闭；（6）裂缝封堵至少1 d 后， 应进行压气试验， 气压控制在0.2～0.4 MPa， 在封闭带及嘴子周围可涂肥皂水来检查裂缝的封闭和嘴子的通畅， 对冒泡部位应再次封闭；（7）进行压力灌浆时，保证压浆头与注射器底座密贴不漏气；（8）浆液固化后，立即拆除注射器底座，并用改性环氧砂浆抹平，并及时用丙酮洗液对缝口周围清洗。

2.2.3 隧道超限裂缝修复（缝宽≥0.5 mm）

隧道超限裂缝修复（缝宽≥0.5 mm），即埋管注浆和粘贴钢带加固，分为修复和加固。 裂缝修复采用开槽埋管注浆法进行处理，裂缝修复后对结构进行粘钢加固，具体步骤如下：（1）钢带施工前应对衬砌表面打磨（深度2～3 mm），必须完全露出新面，并用压缩空气吹除粉尘， 然后将衬砌表面清理干净；（2）锚固螺栓安装，应先探测混凝土中钢筋分布情况，尽可能避开受力主筋，标定位置后钻孔，在钢带对应位置开孔，螺栓环向间距可根据现场情况作适当调整，通过锚栓将钢板锚固于二次衬砌上，预留注浆间隙，同时注意不得破坏已处治好的裂缝处理措施，若裂缝处理措施被破坏，则需处治；（3）钢带粘贴，对螺栓固定的钢带用结构胶封边，预埋灌胶嘴（环向间隔0.5～1 m 设置）、出气孔，粘合剂的选用应能保证后续压力注浆的要求， 封边固化结硬后，方可压入粘合剂，并保证注浆压力持续、缓慢、均匀，保证注浆密实度。 待钢带施工完成后，再用环氧树脂胶浆封面， 环氧树脂胶封面应涂刷均匀，色泽与周围混凝土保持一致。

3 隧道结构评价

为了解隧道结构因病害导致的承载性能下降情况，同时复核隧道修复加固措施效能，针对隧道结构开展评估，拟采用同济曙光软件——公路隧道设计与分析软件V7.0， 原理为荷载-结构法。荷载-结构法为JTG 3370.1-2018 《公路隧道设计规范第一册土建工程》推荐采用的标准隧道结构设计计算方法，从隧道力学的基本概念出发，考虑了隧道围岩压力与抗力的大小和分布模式， 同时考虑隧道衬砌结构的计算方法， 利用梁单元模拟衬砌结构承载轴向荷载、 剪切荷载与弯曲荷载的能力。

3.1 带病害隧道结构分析

隧道病害结构计算建模时，重点考虑病害存在对梁单元上述3 种承受能力的影响。 隧道病害结构计算模型病害处理方式：（1）针对裂缝病害，应根据实际有效厚度与设计厚度比，折减计算出实际衬砌材料参数；（2）针对二衬厚度不足，则应用实际检测结果对隧道结构进行建模。

隧道病害中纵向裂缝和厚度不足对结构整体承载性能影响较大， 针对右洞YK96+820～YK96+980 段纵向裂缝相对集中， 选取其中最不利断面YK96+900 进行分析，该断面支护类型为Z4，断面围岩等级为IV 级，二衬外荷载比例依据设计规范要求取30%分担比， 该断面两侧存在二衬厚度不足（最小左侧27.3 cm），拱顶和右边墙均分布纵向裂缝。

依据对狮头岽隧道最不利断面YK96+900 的无病害状态和带病害状态计算对比分析可知：（1）如图6（a）（b）（c）所示，衬砌支护结构在无病害状态，结构安全系数满足规范对素混凝土二衬最小安全系数3.6 的要求（表2）；（2）如图6（d）（e）（f）所示，当模型依据检测结果增加了纵向裂缝和厚度不足等病害时， 隧道结构整体受力规律发生了调整，整体承载性能出现了明显的下降，因拱部纵向裂缝的发育， 隧道整体最小安全系数仍分布于拱顶部位，但数值出现了明显的下降，由无病害状态最小安全系数3.72 降低到病害状态下最小安全系数1.2（表2），不再满足规范要求，隧道结构存在安全隐患。

图6 YK96+900 断面隧道结构验算图

表2 YK96+900 断面隧道结构验算结果

3.2 隧道结构加固分析

针对目前隧道结构安全储备低，拱顶和右侧存在纵向裂缝，两侧边墙厚度不足的情况，该断面附近衬砌考虑采用对检修道以上范围进行二衬全断面粘贴钢板，钢板采用6 mm×300 mm 热轧钢板，纵向间隔70 cm，二衬支护为Z4 型，锚栓采用M16 高强度化学锚栓，具体加固情况如图7 所示。

图7 狮头岽隧道粘钢加固示意图

依据隧道的加固设计方案， 对该断面加固后的结构安全性能进行验算（图8），在该断面整环进行粘钢处治后，衬砌结构整体性得以恢复，整体承载性能出现整体上升， 该断面加固后弯矩值M达到－27.87 kN·m，轴力值为286.04 kN，最小安全系数恢复至4.64，满足规范3.6 的要求，隧道结构加固后安全得到整体提升， 为后续养护运维提供安全保障。

图8 YK96+900 断面隧道结构加固验算图

4 隧道长期健康监测

隧道长期健康监测往往指对隧道结构病害、位移和受力等情况针对性开展监测工作[9-10]，即依据隧道结构存在的裂缝、厚度不足等病害问题，开展针对裂缝、表面应力的健康监测工作，旨在了解隧道结构加固治理效果，同时也是为了隧道后续运营安全考虑。 通过监测数据可第一时间反映隧道结构异常，及时采取措施治理可确保隧道安全，也可大大降低隧道运营维护成本。

4.1 裂缝监测

裂缝张开采用裂缝计开展自动化监测，实时采集裂缝变形数据，分析隧道裂缝张开变化原因及规律，对隧道结构变形等风险进行有效预测。 裂缝计监测点是根据各洞裂缝超限及地质条件进行布设，左洞布设7 个监测断面， 右洞布设8 个监测断面，一共布设15 个断面，每个断面安装1 支裂缝计，裂缝计安装情况如图9 所示。

图9 裂缝计现场图

4.2 表面应力监测

表面应力采用表面应变计开展自动化监测，实时采集裂缝周边应力变化数据，分析隧道裂缝应力变化原因及规律，对隧道结构变形等风险进行有效预测。 表面应力监测断面布设与裂缝张开断面一致，左洞布设7 个监测断面，右洞布设8 个监测断面，一共布设15 个断面，每个断面安装1 支表面应变计，表面应变计安装情况如图10 所示。

图10 表面应变计现场图

4.3 健康监测分析

隧道病害处治后持续对裂缝宽度和表面应力进行监测，分析健康监测结果可知：（1）裂缝张开监测数据变化量较小，监测指标低于规范要求。 其中运营初期裂缝张开有轻微的波动，累计变化量最大值为0.13 mm，小于规范限值，监测3 个月后所有断面裂缝张开变形均趋于稳定（图11）。 （2）表面应力监测数据变化量较小，与裂缝张开变形情况基本一致，监测指标低于规范要求。 其中运营初期表面应力有轻微的波动，累计变化量最大值为－0.19 MPa，小于规范限值，监测3 个月后所有断面表面应力变形趋于稳定（图12）。 （3）依据运营期间隧道普查结果， 隧道表面结构未出现新增裂缝及其他病害，故判定隧道处于安全、稳定的状态。

图11 狮头岽隧道裂缝张开累计变化时程曲线图

图12 狮头岽隧道表面应力累计变化时程曲线图

5 结论

通过对隧道病害段现场调查、病害治理、结构安全分析以及长期监测等进行探讨， 得出以下结论：（1）隧道衬砌因纵向裂缝的发育以及衬砌厚度的不足叠加导致结构整体承载性能出现了明显的下降，为隧道的运营安全带来较大的安全隐患。 （2）针对二衬重点裂缝段采用粘钢加固措施，对结构整体性能进行了修复，病害段经加固后隧道安全系数能满足规范要求，也论证该加固措施的可靠性和可行性。 （3）为巩固加固效果，维护隧道安全，通过埋设裂缝计、表面应力计等设备对裂缝的张开及周边表面应力的变形进行长期自动化监测，监测数据反映出隧道加固效果良好，运营安全得到保障。 （4）伴随越来越多公路隧道运营年限的增加，后续隧道治理和养护工作不断增加。 对于存在安全隐患的隧道及时开展健康监测工作，可有效地跟踪隧道结构安全并及时治理隐患， 保证隧道结构安全及行车安全。 隧道裂缝检测、修复、加固、评价和健康监测工作的实施，可为类似公路隧道病害治理提供较为可靠的处理思路和流程。