公路隧道二次衬砌裂缝成因分析及修补方法研究

黄宇

[摘要]总结了常见的公路隧道二次衬砌的裂缝类型，分析了衬砌裂缝出现的原因，最后提出了公路隧道二次衬砌裂缝的修补方法，为公路隧道裂缝病害的防治和应对提供了宝贵的参考意见。

[关键词]公路隧道; 二次衬砌; 裂缝; 修补技术

[中国分类号]U457+.2                 [文献标志码]B

0引言

随着我国“交通强国”战略的不断实施，快速网、干线网等主要线路的不断开展建设，高速公路隧道在工程中的数量和占比也不断持续增高，研究表明，自21世纪以来，我国的隧道建设数量一直持续增高［1］，截至2020年，公路里程数519.91万km。另一方面，工程数量的增加和工程进度的加快，引起的工程质量问题也层出不穷，隧道工程作为高速公路中的关键性工程，具有病害隐秘性高、成因复杂、表症出现迟、修复难度大等特点。其中，根据隧道病害检测统计，运营隧道中，由裂缝引起的病害占所有病害总量的80%。因此，分析公路隧道二次衬砌裂缝的形成原因及开裂机理，在施工阶段采取措施减少因施工原因引起的二衬开裂，对于已经出现裂缝的隧道，根据裂缝的类型，针对性行的提出裂缝得到修补方案，做到方案行之有效，结构安全耐久。这对于从事隧道相关专业的工程人员来说，是具有相当重要的意义的。

本文在总结前人知识的基础上，结合笔者多年的工作经验，对隧道裂缝的类型进行了初步的分析及归纳，并结合裂缝发生的时间及原因，提出了适用的修补方案，为高速公路隧道二衬的修补及方案的选择提供了可参考的意见。

1二次衬砌裂缝的类型及原因

1.1纵向裂缝

纵向裂缝根据裂缝出现的位置、分布范围、时间及原因可以分为荷载引起的纵向裂缝和非荷载引起的纵向裂缝［2-4］。

荷载引起的纵向裂缝一般发生和发现的时间较晚，裂缝分布范围相对集中，常常发生在拱肩位置处，裂缝长度较长，裂缝宽度较大，一般大于0.5 mm，裂缝贯通衬砌，裂缝分布范围内围岩等级较差、存在断层或岩层软硬不均、隧道浅埋段、偏压段等，形成荷载纵向裂缝的原因是由于隧道开挖后，围岩荷载和支护结构的抗力未达到平衡就施工二衬、隧道开挖后，围岩塑性区变大或浅埋段围岩存在偏压而二衬设计较薄弱导致，其本质是由于二衬无法承担由于设计、施工、地质条件变化等原因造成的增加的荷载，是属于结构性破坏。

非荷载引起的纵向裂缝一般发生和发现的时间较早，一般施工期就已存在。裂缝分布常在9～12 m长度（模板台车长度）范围内，且裂缝分布位置无明显规律。常见的纵缝类型有由于混凝土水灰比较大，拆模较早、温度变化较大而引起的温降裂缝，此类裂缝一般裂缝宽度较小，约0.1～0.2 mm，纵缝周边常分布有其他微小斜裂缝或环向裂缝，同一段内出现一条或几条均有可能。另外一种较常见的是由于2次浇筑间隔时间较长，后续浇筑强未做处理的纵向裂缝，此类裂缝一般出现在浇筑面附件，浇筑界面位置有明显色差或分层，伴随出现骨料外露和渗水的情况，造成衬砌局部出现薄弱带，施工过程中应尽量避免这类情况出现（图1～图3）。

1.2环向裂缝

环向裂缝根据裂缝出现的位置、环向分布范围、裂缝的发展规律可以分为施工引起的环向裂缝和非施工引起的纵向裂缝。

环向裂缝一般施工期间出现的较多，环向分布特征为：先行矮边墙无环向缝的顺延，环向缝分布高度一般未从矮边墙最高至拱肩位置，裂缝宽度0.1～0.5 mm，裂缝深度为贯通衬砌，裂缝背后位置或附近为环向钢筋，裂缝宽度沿二衬厚度方向逐渐变小。此类裂缝的主要原因主要和二衬的施工不规范有关，主要包括二衬浇筑时钢筋笼存在未释放的初始应力、台车支撑不规范，振捣时引起台车轻微晃动等。施工单位应尤其注意台车的支撑以及附着振捣器的振捣时间等因素，钢筋绑扎时，应注意多余钢筋头的割除，台车张开不到位时，应注意及时检查，不能盲目强行顶张。

非施工引起的环向裂缝一般为地基沉降引起的裂缝，此类裂缝的特征为：裂缝开裂较大，一般大于1.0 mm，最大宽度裂缝位于拱脚位置处，裂缝沿二衬厚度方向上贯通，伴随渗水。裂缝高度方向上一般较低，裂缝监测结果持续发展。此类裂缝的主要原因是隧道基底围岩较高，或基底存在不良质土或基底未进行整平或整平质量较差。沉降引起的裂缝危害性大，治理难度很大，施工过程中应密切注意拱脚位置地基的质量。防止软弱不均的地基出现（图4、图5）。

1.3斜向裂缝

斜向裂缝根据出现的位置、裂缝发展规律及分布范围，可以分为施工引起的斜裂缝或非施工引起的斜向裂缝。

施工引起的斜向裂缝主要表现为，裂缝分布范围小，常出现在台车边缘附近，拱脚及拱腰位置；裂缝宽度大，一般大于1.0 mm，深度很小，如图6所示，根据以往取芯的经验，裂缝深度一般延伸至内层钢筋位置，未向外侧发展，有掉块的趋势；此类裂缝产生的原因是混凝土在硬化凝结过程中受到外力扰动，外力的原因通常有浇筑过程中紧固端模板、台车支撑不规范、施工过程中液压千斤顶调整等因素。施工过程中无法完全避免，但应尽量做好预防措施，减少此类裂缝的发生。

非施工引起的斜向裂缝主要是指沉降裂缝，斜向裂缝也是沉降裂缝的一种表现形式，表现特征大体一致，但走向与隧道纵向呈一定角度，斜向沉降缝的原因与环向沉降缝基本相同。具体表现如图7所示。

1.4其他类型裂缝

其他类型的裂缝主要包含预留洞室角度裂缝、预埋管道位置环向裂缝、回填层龟裂等。

预留洞室角部裂缝的主要表现为裂缝沿角部呈45°发展，裂缝长度较短，1 m左右，裂缝宽度随着距离洞室距离的增加而减小，裂缝深度较小。主要原因是角部混凝土欠振、浆体少、拆模较早的原因造成的（图8）。

预埋管道位置处裂缝主要表现为裂缝沿预埋管道位置环向開裂，缝宽0.1～0.5 mm，裂缝起止位置为预埋管的起终点。此类裂缝产生的原因主要是由于预埋管材质采用镀锌钢管，钢管加工精度不足，与钢筋笼不匹配，造成钢管位置处混凝土保护层厚度较小，钢管在初始应力的作用下引起混凝土开裂（图9）。

回填层龟裂主要表现为回填层裂缝宽度较大，一般大于1.0 mm，发生时间较早，浇筑完成2～4 h内发生，长度及分布范围无明显规律。此类裂缝问混凝土的塑性裂缝，由于养护条件不达标，初凝时混凝土失水较多，产生裂缝（图10）。

2二次衬砌的裂缝修补方法

2.1表面覆盖法

表面覆盖法可用于温差大、养护不足、过振等原因导致的浅层稳定裂缝问题，防止裂缝的后续发展及可能引起的钢筋锈蚀。修补前需要将覆盖材料均匀涂抹在裂缝表面，能够实现裂缝的表层修补和处理，主要起到隔绝空气和水分的作用。工程上常用的材料有预缩水泥砂浆。一般这种方法不能将修补材料直接地嵌入裂缝内部，也不会适应裂缝的发展及变化。该处理方法使用的主要原料是弹性涂膜防水材料［5］，施工前，需要对整个混凝土表面实施粗糙拉毛处理、清洗等必要工艺，确保表面干净、粗糙度符合要求，待晾干表面水分后方可开展涂抹施工，以确保各项指标满足要求。

2.2低压注浆法

低压注浆法主要应用于二衬预留槽角部裂缝及预埋管位置竖向裂缝等由于应力分布不均原因产生的裂缝，主要施工步序［6］：

（1）二衬表面清理，清除涂装、灰尘、杂物等，二衬表面裂缝应清晰可见。

（2）制作符合工程要求的浆液，主要采用柔性环氧树胶，相关性能指标如表1所示。

（3）裂缝较宽位置上下位置处钻孔并清孔，作为注浆孔及观察孔。

（4）用补缝器吸取注浆液，然后插入注浆嘴，推动补缝器活塞，使浆液通过注浆嘴压入裂缝，当相邻的注浆嘴中流出浆液时，就可以拔出补缝器，堵上铝铆钉。

（5）按照从上到下、从一侧到另外一侧的方式开展注浆作业，若要进一步提升注浆效果，可在注浆后0.5 h反向补浆处理。

2.3开槽修补法

沿混凝土裂缝开凿成槽，用聚合物水泥砂浆将其填补封闭的方法称为开槽修补法，开槽修补法主要应用于因基础沉降、混凝土初凝期受到扰动引起的，比较严重的环向或纵向裂缝。

此方法是将砂、水泥、环氧树脂、聚硫橡胶、丙酮等原材料按照一定的比例混合，制备成环氧砂浆；然后利用特殊的注浆设备将环氧砂浆注入提前处理好的裂缝位置处混凝土凹槽中，最后表面用改性环氧树脂覆盖的工艺。从砂浆拌和到灌入施工完成，时间通常控制在30 min以内。需要注意的是，该方法不适用处理处于活动中的裂缝，并且在灌入材料后，一定要彻底清理缝槽，并使用改性环氧树脂覆盖，待全部达到凝固标准后，方可喷水养护［7］。

3总结

总之，公路隧道二次衬砌的裂缝的表现形式多种多样，但其成因分类比较明确，且大部分裂缝在施工期就能比较明显的表现出来。因此，裂缝的修补整治的黄金时期也是在隧道的建设阶段，因此，针对裂缝的表现，客观合理地分析其形成原因，判断裂缝的变化规律和趋势走向，采取针对性的修补措施对二衬混凝土进行修复补强，才能延长混凝土结构的寿命，提高隧道工程的品质。当然，最重要的是了解隧道裂缝的成因，在施工过程中针对关键的工序及节点进行控制，防患于未然才是治本之法。

参考文献

［1］ 张在晨，林从谋，李家盛，等. 我国公路隧道改扩建技术发展现状及研究展望［J］.隧道建设，2022，42（4）：570-585.

［2］王雄.公路隧道衬砌裂缝成因与处治技术分析［J］.中国公路，2022（4）：106-107.

［3］张寿红，张建忠，李顺平，等. 青藏铁路桥隧混凝土开裂原因及修补材料研究［J］.中国铁路，2016（5）：21-27.

［4］蒲貴安. 混凝土桥梁结构裂缝成因及修补方法研究［J］.黑龙江交通科技，2020，（3）：85-88.

［5］余建平，路易·杜朗.高铁桥梁用暴露型防水耐磨弹性涂膜［J］.上海涂料，2009，47（5）：41-43.

［6］尹国林，吕伟荣，卢倍嵘，等. 受弯构件经环氧注浆裂缝修补受力性能研究［J］.建筑结构，2021，51（11）：136-140.

［7］张齐成. 纤维对水工混凝土裂缝修补材料性能影响试验研究［J］.水利科技与经济，2022，28（4）：132-135.