带裂缝隧道衬砌安全性评价及处治技术研究

薛晓辉，张 军，宿钟鸣，孙志杰

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006)

带裂缝隧道衬砌安全性评价及处治技术研究

薛晓辉，张 军，宿钟鸣，孙志杰

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006)

为深入研究带裂缝隧道衬砌安全性评价的方法及裂缝处治技术，基于隧道衬砌裂缝调查结果，利用综合判定法对带裂缝隧道衬砌段的安全性进行了全面评价，同时利用刚度退化理论对带裂缝隧道衬砌结构的安全系数进行了验算，在此基础上，采用埋管注浆法和“钢拱架+注浆锚杆”法有针对性的对不同安全性的带裂缝隧道衬砌段进行了处治。研究结果表明:综合判定法融合了各单指标评价体系，使其对带裂缝衬砌安全性评价结果更加全面、客观、准确；利用刚度退化理论对带裂缝隧道衬砌安全系数验算结果与安全性评价结果基本吻合，二者共同为带裂缝隧道衬砌的处治提供了理论依据；采用埋管注浆法和“钢拱架+注浆锚杆”法对不同隧道段有针对性的进行处治，可取得良好的效果。

隧道工程；带裂缝隧道衬砌；安全性评价；刚度退化理论；处治技术

0 引 言

截至2012年底，我国修建的公路隧道有10 022座，隧道单洞延米已达8 052.7 km。据不完全统计，我国建成10年以上的隧道中约80%存在衬砌裂缝病害现象，而新建隧道中也普遍存在衬砌开裂现象。目前，衬砌裂缝作为隧道的主要病害形式而逐渐成为一大热点研究问题。隧道衬砌裂缝对于支护结构的耐久性、安全性等有不同程度的影响，从而造成隧道衬砌结构性能劣化。

目前国内外学者针对隧道裂缝的理论计算、形成机理、安全性评价、处治技术等方面做了大量研究。在安全性评价方面，王晓形[1]基于隧道裂缝调查结果及二衬质量检测结果，建立了带裂缝衬砌计算模型，分析带裂缝隧道衬砌结构的实际承载能力及其安全性；王华牢等[2]针对隧道拱部纵向裂缝进行了安全性评价，给出了安全等级。在带裂缝隧道处治技术方面，潘洪科等[3]利用综合分析法及力学计算法研究了偏压隧道衬砌裂缝产生的主要原因，在此基础上提出了综合处理隧道裂缝的具体措施；王建秀等[4]结合云南元磨高速公路三公箐隧道的裂缝监测工作，分析了连拱隧道裂缝的主要成因，并提出了地基补强、加强中隔墙中导洞的侧壁支撑、加固变形边坡、消除偏压、洞内注浆加固以及地表注浆加固等处治方案；吴启勇等[5]针对延安至安塞高速公路墩山连拱隧道衬砌裂缝、渗漏水等病害情况,根据裂缝的开裂程度与发展规律,采用碳纤维布对隧道衬砌裂缝进行了局部修复和整体加固补强。然而，目前隧道安全性评价并未对裂缝处治提供有效的指导，而带裂缝隧道衬砌处治方案的制定主要依靠经验法，也未与安全性评价有机结合起来，具有很大的盲目性。为此，笔者选取太旧高速公路北茹隧道作为研究的工程实例，对其衬砌裂缝特征进行详细调查分析，利用综合判定法对带裂缝隧道衬砌段的安全性进行了全面评价，同时利用刚度退化理论对带裂缝隧道衬砌结构的安全系数进行了验算，在此基础上，有针对性的提出了相应的处治方案，从而为类似隧道工程裂缝病害处治提供了理论依据和技术指导。

1 工程概况

北茹隧道位于太旧高速公路中段,为越岭分离式隧道，修建于1996年。隧道左右线长度分别为1 065 m、1 060 m。隧道进口段发育一条正断层，层面产状为330°∠65°,断距10～12 m，断层带内岩体破碎。隧址区内出露二迭系上统砂岩、砂质泥岩,部分地段覆盖第四系更新统坡积层碎石土，洞身围岩节理裂隙发育。隧址区内地下水类型主要为基岩裂隙水,受大气降水控制。

由于北茹隧道设计为大格栅，二衬由小模板混凝土浇筑，未设防水板，且运营年限较长，目前该隧道衬砌裂缝、渗漏水现象较严重，已严重影响隧道的正常运营，亟需对其衬砌进行处治，具体情况如图1。

图1 北茹隧道衬砌裂缝情况Fig.1 Situation of Beiru Tunnel lining with cracks

2 裂缝调查

2.1 裂缝调查方法及内容

1)裂缝宽度(w)调查。采用GTJ-FKY裂缝测宽仪对隧道衬砌裂缝进行测量，该测宽仪采用现代电子成像技术，将被测裂缝原貌成像于主机显示屏幕上，通过屏幕上蓝色智能裂缝宽度数值及红色高精准激光刻度尺相结合即可读出具体的裂缝宽度数据。测量精度为0.02 mm，测量范围为0～5 mm，具体情况如图2。

3)裂缝宽度变化量(Δw)调查。采用JM振弦式测缝计对裂缝的发展情况进行监测，首先将两个带螺纹的锚头用灌浆方法或用螺栓固定于裂缝的两侧，然后将测缝计连接在两锚头上，定期采集数据，即可获得裂缝在一定时间段内的宽度变化量。该测缝计量程为0～25 mm，精度为±0.25%F.S。具体情况如图3。

图2 裂缝宽度测试Fig.2 Crack width test

图3 裂缝宽度变化量测试Fig.3 Test of crack width change

2.2 裂缝调查结果

针对北茹隧道衬砌裂缝病害的情况，选取6个典型隧道段(K1～K6)重点进行调查，每个隧道段长30 m，调查时间为2013年6月— 9月，具体调查结果如表1。

表1 裂缝病害调查结果

由表1可见，隧道衬砌段K1～K6的裂缝病害在几何形态、分布位置、发展趋势、产生原因、稳定时间等方面差异较大。对于K1，K5隧道段，围岩地质条件较差，节理裂缝极为发育，围岩风化程度较高，且在施工过程中发现其大量溶洞，因此该隧道段围岩自稳能力不足，承载能力差，导致隧道衬砌承受较大荷载，在起拱线上方产生裂缝，该裂缝宽度较小，但深度较大，在围岩与支护结构长期作用下，该裂缝已基本稳定；对于K2隧道段，该处地表属典型山凹地貌，存在较为明显的偏压现象，导致隧道衬砌右拱肩承受较大压力，衬砌混凝土产生斜向裂缝，其长度达6.1 m，而裂缝深度较小，仅为4.82 cm；对于K3隧道段，由于该段衬砌混凝土浇筑时气温较低，在水—冰反复交融过程中体积发生变化，使混凝土内部出现空隙和微裂缝，其裂缝的宽度、深度、长度均较小，呈网状分布，但在冻融循环作用下裂缝将进一步发展，严重时混凝土发生剥落或掉块；对于K4,K6隧道段，由于其衬砌混凝土采用小模板法进行浇注，其施工质量难以保证，导致在该处产生裂缝，其深度较大，基本穿透隧道衬砌，长度较大，呈环状分布。

3 带裂缝隧道衬砌安全性评价

3.1 带裂缝隧道衬砌安全等级评定

在带裂缝隧道衬砌安全等级评定方面，首先应进行定性分析，即参考JTGH 12—2003《公路隧道养护技术规范》和TB/T 2820.2—1997《铁路桥隧建筑物劣化评定标准-隧道》给出的衬砌裂缝的定性判定标准对裂缝进行初步评定，具体标准如表2；其次根据裂缝长度、宽度、深度等因素进行定量判定，具体标准如表3、表4；最后根据定性、定量判定结果进行综合判定，判定结果如表5。

表2 带裂缝隧道衬砌定性评定标准

表3 衬砌裂缝长度、宽度判定标准

表4 衬砌裂缝深度判定标准

注：D为衬砌最小保护层厚度(cm)，该处为5 cm。

表5 衬砌裂缝安全等级评价结果

由表5可以看出，利用综合判定法融合了各单指标评价体系，综合考虑了衬砌裂缝的长度、宽度、深度、宽度变化量等因素，避免了单指标评价体系的片面性，使其评价结果更加全面、客观、准确。

3.2 带裂缝隧道衬砌刚度验算

隧道衬砌为钢筋混凝土构件，在经历了一段使用期后,衬砌结构的受拉区极易出现裂缝,而裂缝的出现将直接导致衬砌结构截面刚度的劣化。由于隧道衬砌结构为超静定结构，截面刚度的劣化对衬砌结构内力分布有较大程度的影响，从而进一步影响衬砌结构的承载能力、耐久性、安全性。因此，在对衬砌结构裂缝情况进行详细调查的基础上，利用刚度退化理论对带裂缝隧道衬砌结构进行刚度验算将有助于衬砌结构的安全性评价。

2005年,顾祥林等[6]提出了刚度退化理论，其编制了钢筋混凝土梁截面弯矩-曲率关系计算程序,采用该程序计算了不同混凝土强度等级、不同截面尺寸和不同配筋率情况下的弯矩-曲率关系，在此基础上研究了混凝土开裂至纵向受力钢筋屈服这一阶段梁截面抗弯刚度的变化规律,给出了估计钢筋混凝土梁开裂后截面抗弯刚度的实用方法，具体情况如表6。

表6 带裂缝衬砌结构刚度与初始刚度比值关系式

表6中，B1/B0为衬砌结构开裂后割线刚度与初始刚度之比；B2/B0为钢筋屈服时割线刚度与初始刚度之比；ρ为衬砌截面受拉钢筋的配筋率(%)。在实际测试中，根据表6的结果，结合裂缝开展情况选取合适的刚度比，即：当裂缝宽度w≥3 mm时，取B2/B0；当裂缝宽度w≤0.5 mm时，取B1/B0；当裂缝宽度3 mm>w>0.5 mm时，按线性插值法确定。同时，当B1/B0>1时，取B1/B0=1；当B2/B0>0.6时，取B2/B0=0.6。利用刚度退化理论，对隧道段K1～K6进行刚度验算，其结果如表7。

表7 带裂缝衬砌结构刚度比计算结果

由表7可以看出，不同隧道衬砌段的刚度退化程度不同，因此对于带裂缝隧道衬砌段应采取不同的处治措施，有针对性的对其进行处治。对于隧道段K6，其刚度比仅为0.38，刚度退化程度较高，已严重影响隧道衬砌结构的整体稳定性及安全性，应采用结构加固技术进行处治；而对于其他隧道段，其刚度退化程度相对较低，衬砌裂缝并未威胁到其安全性及使用性能，采用封闭处理即可。

4 隧道衬砌裂缝处治技术

4.1 隧道衬砌裂缝处治设计原则

在隧道衬砌裂缝病害处治过程中，应尽量减小对原隧道衬砌的扰动，避免破坏原衬砌结构整体稳定性，以免发生施工危险[7-9]。

通过综合考虑裂缝的开裂程度、性质、受力状态等因素，采取不同的处治措施，有针对性的对衬砌裂缝进行处治，从而有效提高处治效果及其经济效益。

对于存在渗漏水病害的裂缝进行处治时，应充分利用原有防排水结构，以排为主，可采用开槽加排水管并喷射混凝土的处治方法。

对于未影响隧道衬砌安全性且无继续发展趋势的裂缝，可采用封闭处理即可，如直接涂抹法、埋管注浆法等；而对于已严重影响隧道衬砌整体稳定性的裂缝，应对衬砌结构进行加固，如凿槽嵌补法、增设套拱、钢拱架或高强W钢带+注浆锚杆法、锚杆加固岩土法等。

4.2 隧道衬砌裂缝处治方案

4.2.1 埋管注浆法

对于隧道衬砌段K1～K5，其裂缝发生范围虽较大，但无明显的剪切滑移趋势，裂缝处于稳定状态，且衬砌刚度退化程度相对较低，衬砌裂缝并未威胁到其安全性及使用性能，因此决定采用埋管注浆法对裂缝进行封闭处理。其具体施工步骤如下：

1)从衬砌裂缝起点向外延伸10 cm的部位开始，用专用混凝土切缝机在裂缝两侧切割两条平行切缝，缝间距一般为5 cm，可视情况适当调节；其次用钢凿凿除切缝间的混凝土，凿槽深度为5 cm；用钢丝刷刷除浮渣，并用水冲洗干净。

2)在凿槽内用直径Φ20 mm冲击钻打孔，孔深15 cm，孔间距为0.8～1.0 m，并将孔内冲洗干净。

3)在钻孔内安装直径Φ16 mm、长15 cm的注浆钢管，其下垫有塑料泡沫条；用环氧树脂砂浆固定注浆钢管，并将凿槽回填抹平；待环氧树脂砂浆强度形成后，通过注浆钢管压注环氧树脂浆液，注浆压力为0.3～0.5 MPa。环氧树脂砂浆、浆液配合比如表8。

4)注浆结束后，割掉注浆钢管外露部分，并在衬砌表面涂刷两遍SWF混凝土密封胶。

表8 环氧树脂砂浆、浆液配合比

4.2.2 “钢拱架+注浆锚杆”法

对于隧道衬砌段K6，由于其刚度退化程度较高，其整体稳定性及安全性已受到严重威胁。经综合考虑，项目组决定采用“钢拱架+注浆锚杆”法进行结构加固，具体加固设计方案如图4,具体施工步骤如下：

1)在隧道左右拱脚处浇注C25混凝土支墩，其顶面宽度为50 cm，高度为50 cm。为增强其稳定性，可根据实际情况适当布置一定量的钢筋。该支墩一方面为增设的钢拱架提供了“支座作用”，另一方面增强了拱脚的承载力，提高了衬砌结构的整体稳定性。

2)在原隧道二次衬砌内侧增设I20a型工字钢拱架，其纵向间距为65 cm，具体情况如图5。

3)为使得增设的钢拱架能够与原有隧道衬砌、围岩发生协同作用，共同受力变形，因此应在原有隧道衬砌、围岩上钻设锚杆注浆孔，该孔深度为2 m，直径为26 mm，环向间距100 cm，纵向间距65 cm；利用压浆泵将砂浆压注到钻孔内，注浆压力一般为0.5～1.5 MPa，孔口溢浆时压力维持时间≮10 min；随后在钻孔内插入Φ22 mm锚杆，其端头弯折成“L”型，并与钢拱架焊接为一体。

4)在钢拱架内外翼缘板上焊接双层Φ8 mm钢筋网片，其间距为20×20 cm；采用C25喷射混凝土进行充填，其厚度为26 cm。

图4 加固设计方案Fig.4 Reinforcement design scheme

图5 增设钢拱架Fig.5 Addition of steel arch centre

根据对处治后的隧道衬砌段进行现场观察及安全性验算可知，利用埋管注浆法进行裂缝封闭处理后，可有效避免了渗漏水的发生，进而消除了裂缝处钢筋混凝土被腐蚀及裂缝的进一步发展；而采用“钢拱架+注浆锚杆”法进行加固处治后，隧道衬砌安全系数有较大幅度的提升，达到了预期效果。

5 结 论

1)在对隧道衬砌裂缝进行详细调查的基础上，可利用综合判定法对带裂缝衬砌安全性进行评价。由于该判定法融合了各单指标评价体系，综合考虑了衬砌裂缝的长度、宽度、深度、宽度变化量等因素，其评价结果更加全面、客观、准确。

2)利用刚度退化理论对带裂缝隧道衬砌刚度进行验算，其结果与安全性评价结果基本吻合，二者共同为带裂缝隧道衬砌的处治提供了理论依据。

3)采用埋管注浆法和“钢拱架+注浆锚杆”法对不同隧道段有针对性的进行处治，可取得良好的效果，对类似工程具有一定的指导意义。

4)为了使带裂缝隧道衬砌安全性评价更加准确，更有针对性的制定带裂缝衬砌处治方案，应在后续研究工作中进一步完善隧道衬砌安全性评价体系。

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Safety Evaluation and Treatment Technology of Tunnel Lining with Cracks

XUE Xiaohui, ZHANG Jun, SU Zhongming, SUN Zhijie

(Key Laboratory of Highway Construction & Maintenance Technology in Loess Region,Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, Shanxi,P.R.China)

In order to study the safety evaluation method and treatment technology of tunnel lining with cracks in detail, the overall evaluation of the tunnel lining with cracks was carried out by the comprehensive assessment method, which was based on the research result of tunnel lining cracks. At the same time, the safety coefficients of the tunnel lining with cracks were checked by the theory of stiffness degradation. On the above basis, the “burying pipe and grouting” method and “steel arch centre and grouting bolt” method were adopted to treat tunnel lining with cracks with different safety. The results show that the comprehensive assessment method merges various single evaluation index systems, therefore, its safety evaluation on the tunnel lining with cracks is more comprehensive, objective and accurate. The check result of safety coefficients of the tunnel lining with cracks obtained by the theory of stiffness degradation coincides with the result of safety evaluation, and these two results provide theoretical basis for the treatment of the tunnel lining with cracks. Different tunnel sections are targeted for treatment by using the “burying pipe and grouting” method and “steel arch centre and grouting bolt” method, which has a good effect.

tunnel engineering; tunnel lining with cracks; safety evaluation; stiffness degradation theory; treatment technology

2014-09-20；

2015-03-06

山西省交通运输厅科研项目(2013-1-3，2015-1-18)；交通运输部应用基础研究项目(2014319771190)

薛晓辉(1986—)，男，山西芮城人，工程师，硕士，主要从事隧道及地下工程方面的科研工作。E-mail:582991719@qq.com。

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.01.06

U457+.3

A

1674-0696(2016)01-028-05