隧道二衬开裂原因及处治技术研究

谢平

（江西省公路工程监理有限公司，江西 南昌 330013）

0 引言

我国地域辽阔，自然条件、地形条件和施工环境条件差异巨大，隧道建设条件复杂多变。受设计、施工、管理和材料等影响，隧道常出现衬砌混凝土劣化、开裂、掉块、背后空洞和渗漏水等病害[1]。隧道二衬被称为隧道结构的最后一道防线，开裂作为其主要病害，不仅影响隧道质量和运营安全，还会缩短隧道使用和维护周期。隧道二衬开裂的原因错综复杂，与围岩压力、材料特性和施工工艺等一个或多个因素相关。虽然国内外学者对隧道二衬裂缝开展了一系列的研究，但并未对其进行系统的归纳总结。鉴于此，在总结分析隧道二衬裂缝类型、产生机理的基础上，讨论隧道二衬开裂的处治措施，以期为隧道二衬裂缝病害现象分析和处治提供一定的借鉴和参考。

1 隧道二衬裂缝分类

隧道二衬裂缝可根据以下五种指标进行分类：裂缝走向与隧道轴线的关系[2]、开裂原因[3]、裂缝宽度[4]、裂缝深度、受力变形特征和裂口特征[5]等标准进行分类。

1.1 裂缝走向与隧道轴线的关系

根据二衬裂缝走向与隧道轴线的关系，可将二衬裂缝分为纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝。

1.1.1 纵向裂缝

纵向裂缝的走向与隧道轴线一致，容易引起隧道拱顶塌落，甚至整条隧道坍塌，是隧道结构安全危害最大的裂缝类型。纵向裂缝如图1所示。

图1 纵向裂缝示意图

纵向裂缝多见于隧道边墙部位（单线隧道）和拱腰部位（双线隧道）。拱腰部位开裂原因一般为拱顶内缘受到挤压，导致局部出现剥落掉块，拱腰部位混凝土受拉张开。边墙部位开裂原因为二衬内缘受拉张开错位。

1.1.2 斜向裂缝

斜向裂缝走向与隧道轴线夹角大致呈45°，常发生于边墙和拱部。主要开裂原因为隧道环向力和纵向力同时作用产生的拉应力。斜向裂缝的危害介于环向裂缝和纵向裂缝之间，但当隧道二衬有多条斜向裂缝相互交错时，容易导致隧道二衬结构混凝土掉块。斜向裂缝如图2所示。

图2 斜向裂缝示意图

1.1.3 环向裂缝

环向裂缝走向与隧道轴线大致呈垂直关系，常发生于变形缝、施工缝处，同时也发生于围岩特性变化地带，主要成因为二衬结构的不均匀沉降。三种裂缝中，环向裂缝危害最小。环向裂缝如图3所示。

图3 环向裂缝示意图

1.2 开裂原因

根据隧道二衬开裂原因，可将其分为变形裂缝、干缩裂缝、温度裂缝和接茬裂缝，见表1。

表1 二衬裂缝根据开裂原因分类

1.3 裂缝宽度

隧道二衬裂缝根据裂缝最大宽度值的分类，还需考虑不同工程环境。《铁路工务技术手册》将二衬裂缝分为毛裂缝、小裂缝、中裂缝和大裂缝；《美国隧道手册-非预应力混凝土》将二衬裂缝分为轻度、中度和重度；《美国隧道手册-预应力混凝土》将二衬裂缝分为中度和重度。详细分类见表2。

表2 二衬裂缝根据裂缝最大宽度分类

1.4 裂缝深度

根据裂缝深度，可将隧道二衬裂缝分为贯通性裂缝和非贯通性裂缝。其中贯通性裂缝危害严重，容易引起隧道结构渗漏水和衬砌破坏等问题。

1.5 受力变形和裂口特征

根据二衬结构受力变形和裂口特征，可将二衬裂缝分为受压闭口型裂缝、受剪错台型裂缝和受弯张口型裂缝，具体分类见表3。

表3 二衬裂缝根据受力变形和裂口特征分类

2 隧道二衬开裂原因

隧道二衬开裂原因错综复杂，包括工程设计、施工工艺及施工控制、不利外荷载作用、工程材料、运营管养等因素。综合以往研究成果，总体上可将二衬开裂原因分为力学因素、结构设计因素、施工因素、材料因素[6]。

2.1 力学因素

力学因素包括松弛荷载、衬砌背后空洞、偏压荷载、隧道承载力不足、地下水作用、膨胀性土压和其他荷载。

其一，松弛荷载的产生原因为隧道掘进引起围岩扰动内移，围岩支护不及时，造成围岩变形过大而松动，以垂直压力为主。随着时间推移，围岩松弛荷载逐渐增大，当荷载值达到二衬混凝土极限承载力时，拱顶就会出现张拉型裂缝，拱肩处出现斜向裂缝和龟甲状裂缝。其二，衬砌背后空洞由施工原因造成。由于局部约束缺失，衬砌结构在空洞部位容易出现应力集中，在二衬结构两侧起拱线上方约45°位置产生张口型裂缝，同时在拱顶出现纵向裂缝。如果衬砌背后空洞较大，围岩块体的坍塌掉落对衬砌结构作用足够的冲击荷载，容易造成隧道坍塌。其三，偏压荷载产生的主要原因有地形、地质和开挖方式，如隧道出口段的开挖、卸坡，傍山隧道地形，倾斜层状岩层等。较小的偏压荷载即可造成衬砌开裂。二衬裂缝在不同类型偏压荷载作用下，呈现不同的形式：被动土压力主要产生斜向裂缝，常发生于拱肩位置，同时在隧道边墙与拱部部位出现错台；主动土压力主要产生纵向裂缝，常发生于拱肩位置。其四，隧道承载力不足常发生于隧道拱脚及仰拱处，基础承载力不足造成隧道断面竖向位移和不均匀沉降，最终形成全断面环向裂缝。其五，膨胀性围岩压力包括隧道开挖造成的初始地应力的释放和吸水膨胀性围岩吸水膨胀等。当随时间累积的围岩压力超过衬砌混凝土的极限承载力时，随即发生衬砌开裂。膨胀性围岩型裂缝常发生于隧道拱肩及边墙位置，裂缝呈水平状，接缝处有错台，同时在拱顶位置处混凝土受压严重剥落掉块。其六，地下水也是隧道二衬开裂的主要力学因素。丰富的地下水产生的侧向水压力容易造成边墙到拱部位置的纵向裂缝和环向裂缝；同时，隧道仰拱处在地下水作用下产生隆起和开裂。除此之外，火灾、地震等不确定因素，也是二衬混凝土开裂的力学因素。

2.2 结构设计因素

在隧道结构设计中，造成二衬开裂的主要原因为隧道选址不合理、隧道结构形式和构造设计不合理、对隧道围岩地质情况判断不准确、支护参数选用不合理等。常见以下结构设计因素：

其一，隧道选址不合理，如隧道选择山体垭口进洞、隧道走向沿沟道布设和隧道顺陡倾岩层山体走向布设等，使隧道结构长期处于不良地质条件作用。

其二，隧道设计采用复杂结构形式，如连拱隧道结构。该结构形式的受力和施工工艺复杂，且构造设计和连接构造难以实施，很容易造成衬砌开裂。忽视构造和细部设计的重要性，如未预留纵向排水管位置，导致侵限，减小衬砌厚度。

其三，勘察资料不准确，抑或对查明的不良地质条件未采取针对性的有效设计方案，是产生衬砌开裂的最主要因素，如遇膨胀性围岩未设置仰拱，也未使用曲墙式衬砌。

2.3 施工因素

隧道施工引起衬砌开裂原因主要是施工标准、施工工艺和施工管理等方面未按照标准执行。常见以下施工因素：其一，欠挖、初支侵限和边墙纵向排水盲管侵限等因素，造成二衬整体厚度不足。其二，在衬砌混凝土浇筑过程中，振捣质量差或漏振、混凝土模板清洗不净或安装不符合要求、未正确进行混凝土养护，导致混凝土浇筑质量差。其三，衬砌与边墙、边墙与仰拱连接处施工缝未形成有效连接，导致承载力不足而变形开裂。其四，施工的时效性，如不及时施作支护结构，不及时封闭成环，不及时开挖仰拱和施作二衬等。

2.4 材料因素

二衬材料包括混凝土、钢筋和防水材料等，材料的质量是二衬结构稳定的最基本保障。常见以下材料因素：其一，混凝土原材料和配合比等不符合规定。其二，外加剂不合格或者掺入量不符合规定。其三，防水材料质量不符合规定，导致混凝土渗水，加速混凝土和钢筋劣化。

3 隧道二衬开裂处治措施

根据以往大量的研究结果，隧道二衬开裂处治遵从“预防为主，防治结合，综合治理，简单经济”的原则。在总体上，可将隧道二衬开裂处治措施分为直接涂抹法、凿槽嵌补法、套衬补强法、衬砌换拱法、锚固或深孔注浆法[7-8]。

3.1 直接涂抹法

直接涂抹法适用于对隧道结构稳定性影响较小，主要影响结构外观的微小裂缝（0.2～0.5mm）。多使用水泥基渗透结晶材料。

3.2 凿槽嵌补法

凿槽嵌补法的适用对象与直接涂抹法相似，但适用的裂缝宽度稍大（0.5～1mm），且裂缝数量较少。使用前，需沿裂缝两侧凿出一个内口大于外口的楔形槽。多使用环氧树脂砂浆或水泥砂浆。

3.3 套衬补强法

套衬补强法适用于裂缝（宽度1～5mm）已经影响隧道结构稳定性的情形，如拱顶出现掉块、拱腰出现错台且裂缝密集，但隧道结构还具备一定的承载能力，且隧道净空富足。套衬补强法通过增加二衬结构厚度提高结构强度和整体稳定性。多使用模筑混凝土或喷射混凝土。

3.4 衬砌换拱法

衬砌换拱法适用于二衬结构破损和承载力丧失严重，只能依靠更换衬砌结构才能稳固隧道结构的情形。

3.5 锚固或深孔注浆法

锚固或深孔注浆法适用于围岩条件较好、无地下水的隧道，利用锚杆和浆体加强衬砌与围岩连接，充分利用围岩自身的承载力提高衬砌结构的整体强度和稳定性。

4 结语

综上所述，隧道二衬开裂原因错综复杂，综合了材料、设计、施工等方面因素，虽然已有一定的技术手段进行有效的处治，但难度大，且造价高。因此，只有在隧道建设过程中，加强材料质量管控，提高勘察设计的准确度，强化施工质量的过程管理，同时合理选用先进的仪器设备，对隧道开挖和施工质量等进行有效检测控制，才能防止隧道二衬开裂。