高速公路隧道衬砌裂缝调查分析与处治研究

李亚利 曲晓东 冯卫星 安辰亮

(1.中交远洲交通科技有限责任公司，河北 石家庄 050035； 2.石家庄铁道大学土木工程学院，河北 石家庄 050043)

1 概述

到2018年年底，我国公路隧道总数达到17 738座，运营里程为17 236.1 km。大量隧道的建设和投入运营，隧道衬砌的病害也随之出现，其中衬砌裂缝是最常见的一种病害。衬砌裂缝的发展可能会带来渗水、掉块、掉拱等病害，进而对行人和车辆的安全产生威胁，影响公路的正常运营[1-7]。为了对隧道进行综合整治，对衬砌裂缝的形成原因、分布状况和处治措施进行研究显得非常重要。

京承高速公路是G45大广高速的一段，线路全长209.1 km，投资约200亿元，其中承德段既是地方省级“五纵六横七条线”高速公路网中的“一横”，也是承德市市级高速网的重要组成部分。京承高速公路的开通对完善国家路网、促进国民经济发展具有重大意义，能够有效地促进华北地区与东北地区的交流联系，对带动承德地区的经济发展具有积极的作用。

全长76.7 km的京承高速公路承德段范围为南起司马台长城，北至承德市区南互通立交桥，2009年9月27日全线通车，该路段包含有7座分离式隧道，分别是金山岭隧道(左右平均长度1 286.65 m)、新道沟隧道(左右平均长度285 m)、塔沟Ⅱ隧道(左右平均长度169 m)、塔沟隧道(左右平均长度621.28 m)、何家沟隧道(左右平均长度1 006.08 m)、尹家沟隧道(左右平均长度244 m)。自开通运营以来，这7座隧道陆续出现不同程度的衬砌开裂，有的还比较严重。为确保行车安全，需对裂缝进行调查分析，并做出处治。

2 衬砌裂缝调查与整理

衬砌裂缝现场调查采用检测、拍照、描绘、记录等方法进行，历时两周。对7座隧道调查资料进行汇总、整理和分析，可知衬砌裂缝分为三类，即环向裂缝、纵向裂缝以及斜向裂缝。

2.1 环向裂缝

环向裂缝一般都垂直隧道轴线(见图1)，大部分出现在施工缝、沉降缝附近。比较典型的位置是在模筑混凝土的中间部位，裂缝从边墙底部开始到拱腰附近结束，有的环向裂缝贯通衬砌横断面。左右边墙都有裂缝，而且大致是两边对称的。7座隧道中环向裂缝分布较多，所占比例较大。

2.2 纵向裂缝

纵向裂缝一般基本平行于隧道轴线(见图2)，在拱腰和拱脚附近发生，尽管纵向裂缝数量不多，但是如果任由其发展，会导致边墙断裂、隧道掉拱等情况发生，严重时会出现隧道塌方。目前纵向裂缝对衬砌断面的整体性尚未产生明显影响。7座隧道均有不同程度的纵向裂缝存在。

2.3 斜向裂缝

斜向裂缝大致和隧道纵轴呈45°交角，长度也比较长，主要部位是拱腰和边墙(见图3)。斜向裂缝一般是由于剪应力大于混凝土的抗拉以及抗剪强度，斜面裂缝的具体危害较小，当裂缝宽度超过0.2 mm时，衬砌表面易出现渗水现象。7座隧道均有少量斜向裂缝。

3 衬砌裂缝成因分析

京承高速公路承德段7座隧道均采用新奥法原理进行设计，支护结构为初期支护和二次衬砌两部分组成的复合式衬砌。初期支护由锚杆、钢筋网、钢格栅、喷射混凝土组合而成，二次衬砌为模注混凝土，初期支护和二衬之间铺设防水板。

促使衬砌产生裂缝的因素很多，最主要的因素为设计、施工、温差、地下水等。

3.1 设计方面

京承高速公路隧道设计于2004年，设计年代较早，使用JTJ 026—90公路隧道设计规范，同地区、同类型隧道的设计经验偏少。

京承高速公路隧道由于地质条件较差，围岩压力较大。初期支护施作后变形较大，从而导致二次衬承受了较大的围岩压力，而且大部分二次衬砌用的是素混凝土，衬砌安全储备不够，隧道运营后出现了较多、较严重的裂缝。

当时设计中采用JTJ 026—90规范，与目前设计规范相比，设计中有以下几方面的不足：1)中空锚杆长度较短；2)钢筋格栅拱架用的多，工字钢型钢拱架用的少。格栅高度偏小，围岩较好一点时还不使用钢筋网；3)初期支护喷射混凝土厚度偏小，强度较低；4)预留变形量沉落量偏大；5)二次模注混凝土衬砌为素混凝土，强度较低，且厚度偏小；6)隧道设计时永久荷载未考虑地下水的作用。

3.2 施工方面

隧道施工中，没有重视监控量测工作，对测量数据和资料未及时进行分析整理与反馈，从而未能指导设计和施工。在隧道施工过程中没有充分利用围岩、初期支护及二次衬砌三者之间的关系，施工时引起的变形缝、接槎缝是导致裂缝出现的重要因素。在施工过程中还存在如下问题：1)二次衬砌模筑混凝土施工工艺有缺陷，竖向分块或堵头模板设置不当，大体积混凝土浇筑中分层连续浇筑做的不好；2)预留拱部下沉量设置不当，边墙基础的虚碴未及时清理；3)过早拆模，混凝土强度还未达到设计强度的75%，就去掉支撑和模板；4)混凝土浇筑施工中有中断现象，且中断时间超过初凝时间，继续浇时，原有混凝土表面处理不当。

3.3 环境方面

1)温差影响。

京承高速承德段温差较大，冬季特别冷，温度非常低，气温突然下降时，封闭环状衬砌结构表面温度下降很快，而衬砌内侧与围岩密贴，温度基本保持稳定，且变形受到围岩约束，内外侧剧烈的温度差使衬砌结构产生较大的拉应力，导致衬砌混凝土开裂。

2)地下水影响。

7座隧道均有渗水痕迹，但是旧公路隧道设计规范中隧道的永久荷载没有考虑水的影响，水压力对隧道衬砌结构的作用是很大的。如果地下水不能排出，地下水将作用于支护结构，使得衬砌侧向压力加大，导致隧道从拱部到边墙出现水平裂缝以及环状开裂。除此之外，地下水还会使初期支护中的格栅钢筋锈蚀，降低初期支护承载能力，从而加速二次衬砌裂缝等病害的发生和发展。

4 裂缝处治措施

根据现场实际情况、以往经验和施工队伍的习惯，采用如下处治方法：

1)不漏水的斜向、环向裂缝。

对于不漏水的斜向、环向裂缝主要采用“凿槽填充”法来整治：沿裂缝凿一深、宽为5 cm×5 cm的槽，并清槽；向槽内填充4 cm厚的高强度膨胀砂浆(配合比为水泥∶细骨料∶膨胀料UEA∶速凝剂=1∶1.2∶1.2∶0.6)；用配色砂浆(配合比为普通水泥∶细骨料∶白水泥∶水=1.8∶4.0∶1.0∶1.1)抹平剩余1 cm厚的槽面(见图4)。

2)有渗漏水的环向及斜向裂缝。

对于有渗漏水的环向及斜向裂缝主要采用“凿槽+导流+填充”法来整治，即沿裂缝走向将水引向裂缝最低点处的接缝排水管中，凿槽与透水管连通，槽内用半片φ50 PVC导流管进行引排水处理，然后做填充与抹面：沿裂缝凿一深、宽为5 cm×8 cm的槽，再在该槽内中间部位继续凿一深、宽为3 cm×5 cm的导流槽，并清槽；在导流槽内安设半片φ50 PVC管，用双液浆(水泥浆∶水玻璃液=1∶1)封口抹平，并用单面塑料胶带贴封，然后填充2 cm厚的高强度膨胀砂浆，接着再用单面塑料胶带贴封，在贴封胶带上再填充2 cm厚的高强度膨胀砂浆，最后用配色砂浆抹平剩余1 cm厚的槽面(见图5)。

3)纵向裂缝。

对于纵向裂缝，不论是有水还是没有水，都采用压浆封堵的办法进行处理，以保证隧道衬砌结构的安全。具体做法是：沿裂缝凿一深、宽为8 cm×8 cm的槽，并清槽；往槽内填充7 cm厚的高强膨胀砂浆，填充中沿槽每隔60 cm预埋一个“6”型的注浆尖嘴(注浆尖嘴长为8 cm)，注浆嘴须顶在凿槽底部，以确保下一步的注浆效果；高强膨胀砂浆凝固后向注浆尖嘴里注入事先调配好的浆液(环氧树脂∶二丁脂∶乙二氨∶滑石粉=1∶1.2∶0.7∶0.8)，直到注满为止；注浆完毕，用配色砂浆抹平剩余1 cm厚的槽面。对于局部纵向裂缝较多的地方，采用打设锚杆进行加强处理。

5 结语

在隧道施工与运营过程中，因受到设计方案、施工操作不规范、初期支护中锚杆效果不佳、衬砌周围岩层结构变化、环境温差、地下水等多种因素的作用，容易导致衬砌结构受力发生变化，当衬砌结构的拉应力大于极限应力时，衬砌表面就会出现裂缝。对于运营隧道，要做好日常维护保养，加强裂缝观测，及时掌握裂缝发展变化趋势与规律，发现问题及时处治，以确保隧道结构安全和行车安全。本文所介绍的工作在实际工程中取得了明显的成效，可供类似工程参考。