基于公路隧道衬砌裂缝成因分析及防治研究

(重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074)

引言

近些年来，国内高速公路事业取得了很大的发展，伴随着大量的公路隧道建成并投入使用，极大地减轻了我国公路的发展压力。然而，隧道的病害问题逐渐凸显。目前，已经建成或在建的隧道中伴随着大量的裂缝病害，这些裂缝产生的原因，以及其对隧道的结构有何种影响，如何去有效的防治裂缝所产生的不良影响成为了研究的重点。因而本文主要针对隧道衬砌裂缝的成因和防治问题进行了一些深入的研究。

一、隧道衬砌裂缝的成因分析

隧道衬砌裂缝产生的原因主要有以下几点：隧道衬砌材料、环境、温度、湿度、衬砌结构受力、施工方面、设计等[1]。

(一)衬砌材料的影响

(1)水泥混凝土的自收缩性：水泥混凝土主要是隧道衬砌结构所使用的材料，由于水泥混凝土具备有着自收缩性的一个明显的特性，即同时会对衬砌结构上面来说会有一些重大的影响。混凝土的收缩方式主要有两种方式，一是自收缩，二是干缩。自收缩指的是对于水泥胶结材料来说，它是在一个恒定的温度和绝对的湿度这两种条件下，由于水化的作用而引起的一个体积的收缩；干缩是混凝土在没有养护后，丢失内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而导致的不可逆的收缩[2]。因而当隧道在施工以及运营中长时间的处于干燥的环境中往往会导致混凝图出现开裂情况。

(2)衬砌结构配筋率的影响：衬砌结构的混凝土在一定范围内增加配筋率能够有效的降低收缩变形发生率并抑制裂缝的产生，然而配筋率过大会破坏原衬砌结构，导致裂缝情况的产生[3]。

(3)混凝土骨料的影响：衬砌结构中不同类别的骨料会对混凝土有着不同的影响，例如：砂岩为骨料的混凝土会导致衬砌结构收缩变形变大，然以石灰岩为骨料的混凝土不会导致衬砌结构收缩变形变大，因而裂缝也不容易产生，因而混凝土骨料要更多的选用石灰岩骨料。

(二)外部环境的影响

对于外部环境这个影响因素来说，它主要指的是由环境温度、湿度和水泥温度这些量的变化而引起的一种混凝土的水化热这种变化。随着环境温度的一些降低，混凝土的收缩变形在一定程度上将受到一些影响，因而隧道结构在冬季时会发生比较大的变形。同时隧道所处环境湿度较大时也容易导致衬砌结构出现收缩变形情况，并引起混凝土裂缝情况的产生[4]。

二、隧道衬砌裂缝的防治研究

因为导致隧道衬砌裂缝的产生成因非常多，因而要根据视病害实际情况进行预防以及治理，主要方法如下所述：

(1)要严格把控设计施工：确保设计的科学性，要对隧道的地理位置、地质情况以及水文情况等进行全面科学有效的检测，科学的设计衬砌结构契合围岩，确保结构完整性；在施工的过程中要对进料、装卸到施工、养护等多个方面进行全面的把控。

(2)裂缝表面涂抹：对于一些裂缝宽度小的(一般<0.3mm)、没有明显的剪切滑移和渗漏水的这些现象，主要可以用该方法进行防治；除此之外，对于一些衬砌结构来说，那些承载力影响比较小的、对隧道的安全和使用上面来说裂缝影响非常小的也同样适用于此方法来进行有效的防治。在涂抹的过程中要确保灰浆能够可以充分的进入到微裂缝的空隙当中，涂刷时厚度应要<0.2mm。

(3)对钻眼、爆破水平进行进一步的优化：优化钻眼以及光面爆破的水平，主要着眼于隧道开挖断面的勘测还有控制隧道轮廓的开挖，这些对降低隧道衬砌结构裂缝的形成以及发展有非常重大的帮助。

本篇论文对江北万兴路隧道进行了建模分析，以判断万兴路隧道在既有爆破参数下，对初次衬砌安全距离的要求。设置参数为：围岩等级Ⅳ级，重度21.5kN/m3，弹性抗力系数350MPa/m，弹性模量7.437Gpa，泊松比0.35，内摩擦角33.0°，粘聚力0.45MPa。喷射混凝土模型参数为：弹性模量28Gpa，重度24.0kN/m3，泊松比0.25，设计厚度240mm，采用板单元，弹性本构模型。爆破参数设置为：炸药密度1100kg/m3，爆速3000m/s，爆压3000MPa，冲击荷载峰值3.564MPa。

在爆破作用下，改变不同的初期支护厚度，通过观察距离掌子面不同距离处的爆破振动速度，来确定爆破作用对初期支护的安全距离，并以此作为参考减少衬砌裂缝的产生。

表1 不同初期支护下的爆破安全距离

(4)裂缝埋管灌浆：埋管灌浆是针对于较大裂缝(宽度在0.3mm～0.5mm之间)、范围较大或产生错动现象、对结构稳定性产生危害的裂缝进行治理。

三、对连拱隧道衬砌结构裂缝的防治

伴随着我国公路隧道的迅猛发展，单拱隧道当前已经不能满足日益增长的交通的需求，连拱隧道由于其优点，大多数建成隧道已经变为连拱隧道，本文主要对拱隧道的衬砌裂缝治理措施进行深入的探讨。本文连拱隧道衬砌裂缝的防治进行了如下的总结：

(1)因为双连拱隧道一般都位于浅埋以及偏压地段，其地质类型以及条件通常都很恶劣，因而施工过程中的监测、测量就非常重要。

(2)由于连拱隧道的地质条件，特别是隧道进口段对于Ⅳ、Ⅴ级围岩，NATM方法已经对此类情况不适用。在发生施工扰动后，本来就位于浅埋以及偏压地段，假如不能跟上隧道的二衬施工，洞口段发生坍塌几率就会大大增加。

(3)在隧道的设计以及施工的过程中,要尽可能的改善防排水系统,并对隧道内的防排水状况做到有效的检测,并做好蓄水预处理方案。

(4)双连拱隧道在施工时，要尽快的实现结构侧撑以及支护工作，要确保双连拱隧道中隔墙的稳定性，防止隔墙由于受力转变过大而而导致损害的产生，同时要做好监测工作，确保施工的稳定进行。

四、结语

在我国隧道事业取得较大进展时，隧道衬砌裂缝成为了病害治理的研究重点。本文对隧道衬砌裂缝产生的原因进行了较为全面的阐述,并对隧道衬砌裂缝的防治进行了较为深入的研究,希望通过此能推动我国隧道事业的健康稳定发展。