公路隧道衬砌裂损相关研究

刘久正

（山西省襄汾公路管理段，山西临汾 041000）

0 引言

伴随社会经济的发展，我国公路隧道的总里程不断扩大，道路交通网络的辐射范围越来越广，同时交通运输工具的数量和吨位也在不断增加，对于公路隧道的建设施工技术水平也提出了新的要求。道路交通网络的不断扩大开辟了新的经济可能性，有利于社区的可持续发展。然而，如何处理公路隧道衬砌裂损相关问题，是有关部门在修建公路隧道中遇到的难点、重点问题。为了保证公路隧道在这种独特环境下的完整性和稳定性，必须积极解决隧道衬砌裂损问题。

1 我国公路隧道的发展历史

公元前2000年左右，古巴比伦人在幼发拉底河下游地区修建了一条石灰岩砌筑的人行道。这是目前已知世界上最早被用于运输的隧道，他们是在河流的枯水期，采用了明挖方式进行修建。公元前36年，古罗马人修建了世界第一条公路隧道，在那不勒斯山和普佐里山之间开挖了长约2000m、宽7m、高10m 的公路隧道，是一条在石灰岩中修建的较长隧道。而我国的隧道修建于公元66年，为了施工方便从而省去了衬砌结构，大多建在坚硬的岩石中。在修建隧道的整个过程中，首先加热周围的岩壁，其次用冰水冷却从而达到先膨胀后收缩开裂，以便开挖。但到了中世纪时，隧道则主要用于挖矿和军事战争的目的。随着现代工程技术和轨道交通业的迅猛发展以及火药的广泛应用，到了17、18世纪，我国的高速公路隧道建筑得到了蓬勃的发展；19世纪由于铁路建设的迅猛发展，使得我国隧道建筑工程随之发展，修建了许多隧道。20世纪以来，由于车辆交通量不断增加，导致公路线路标准也相应提高，公路隧道数量也随之越来越多。

铁路隧道是我国最早修建的隧道。早在1970年以前，我国修建的铁路隧道主要是采用了矿山法进行施工，但是并没有采取任何防水措施。当时隧道渗漏的强弱主要取决于雨水流量的大小以及地下水位的高低。至1970年以后，随着新奥法逐渐传入中国，铁路隧道开始使用混凝土结构。但由于施工技术及施工工具落后，混凝土结构出现各式各样的裂缝，公路隧道的渗漏结果没有发生变化。随着电气化机车的和较长隧道的出现，在1980年以后，人们开始意识到隧道渗漏是隧道工程最为重要的病害。由于我国公路隧道出现时间较晚，也没有足够的施工经验，都是按照铁路隧道的施工经验来施工的，从而导致隧道出现了很多的施工缝，漏水严重。1980年以后，随着国家的重视，工程师们提出了比铁路隧道更高的要求。《公路隧道设计规范》（JTJ 026—1990）中首次提出对地下水的一般处理方法和原则，即“防、排、截、堵”有机结合，因地制宜进行综合治理；同时还明确规定普通高速公路和隧道的施工防水要求：拱部不能滴水，边墙不能滴水；设备箱孔口处路面上无任何积水、泄露或渗漏；隧道内衬砌后无雨淋水，冻结区内的排水沟未冻结。

2 公路隧道衬砌裂损的理论概述

因为地下水位的功效、地质构造对土壤层压力的相互影响、地震灾害的应力或别的人为要素的相互影响，隧道衬砌主体工程很有可能一起发生裂缝和断层剥离、错台等状况，导致全部地下隧道不能正常的工作，通称为隧道衬砌裂损。

衬砌变形包含横向变形和纵向变形。其中，横向变形是关键变形。衬砌变形的横向变形就是指衬砌由力造成拱形门样式的转变。衬砌挪动就是指两端对齐的所有或一部分转变，如转动、移动、下移或升高，也是有竖直和横向挪动的裂缝，通常出现在拱顶、拱腰、拱脚和外壁部位。隧道衬砌裂缝方位一般以纵向裂缝、斜裂缝、环裂、拱脱等多种方式呈现，其中纵向裂缝损害所占比例较大，大部分出现在拱腰部位。

3 国内外公路隧道衬砌裂损相关研究

国外对衬砌裂缝的研究起步较早，最早可以追溯到19世纪中叶，延续至今，并取得各种成绩。Dea-Hyuk 在四座服役五年以下的公路隧道中，发现4 种类型的裂缝，分析其数据并总结得出了纵向裂缝是影响公路隧道衬砌安全可靠的重要因素。Toshio-Askua 和Yoshikojima 针对法国的公路隧道衬砌变形进行了较深入的研究分析，同时总结得出了公路隧道衬砌裂损的有关整治措施，并且指出公路隧道检测方法中无损检测法是新方向。Bemardionchiai 和Alessandropfantiili 等人首先建立了关于隧道中玻璃纤维材料的钢筋混凝土衬砌的性能评价分析模型，利用该分析模型能够相对准确地判断出裂缝可能产生的宽度、间距和厚度。Mikhailpleshk 对俄罗斯南部地区的铁路隧道进行了研究分析，并对其混凝土结构进行了计算，得出衬砌结构的承载力明显比正常结构低，最小主应力明显增加，混凝土表面病害严重的结论，指出铁路在运营中应注意衬砌质量缺陷。

为此，我国的隧道工程师们开展了更为深入、全面和系统的研究。经过不懈的努力，在公路隧道衬砌裂损的各个方面都取得了极大的成就，张伟、李夕兵、宫凤强、李地元等人分析了隧道衬砌裂缝产生的原因，得出了勘察设计、施工技术、地质环境等因素对衬砌裂缝的影响。

同时，对隧道衬砌应力进行了ANSIS 有限元计算。结果表明，隧道衬砌裂缝主要分布在拱顶、拱脚和拱腰部位。卢颖明和陈礼伟等人系统地介绍了现有的公路隧道衬砌裂损病害，并进行了归纳总结，对公路隧道衬砌裂损病害的成因进行了系统性的分析，总结得出了隧道病害主要是由外力、水、衬砌裂损等其他病害引起的。张素磊、王磊等人通过对甘肃省重点公路隧道衬砌裂损的研究，总结得出了公路隧道衬砌裂损的发展规律及特点。

4 公路隧道衬砌裂损成因研究

4.1 勘察设计方面成因分析

在隧道工程设计中，由于隧道围岩的结构分类不准确，衬砌混凝土结构选取不当，从而导致各种衬砌结构材料与建筑围岩的实际受力载荷不相适应，产生裂缝破坏。

水文地质条件复杂多变。由于受设计和勘察深度的影响，大量的隧道只有少部分进行地质勘察钻孔，在设计阶段难以获得全面完整、精细的地质信息。可能还出现某些地点围岩的分类不准确，衬砌结构类型的选择错误、错位或者漏判，导致该地点的衬砌结构不符合围岩的实际负荷。例如：

其一，对于一些膨胀性的围岩地段，没有采用弯曲墙和仰拱式的衬砌；

其二，该进行偏压的地段没有使用偏压衬砌；

其三，衬砌结构在断层破碎带、褶皱地带区等局部范围内的岩石松动压力或构造应力较大的地方，没有进行相应加固处理；

其四，对于混凝土基底软弱且容易被风化淤泥的地段，没有设置排水措施，同时混凝土敷设的厚度不够。

4.2 施工方面成因分析

在施工设计的过程中，由于各种技术条件的影响，造成了施工方法不合理，管理措施欠缺，工程质量较差，拱腰出现早期裂缝。二级以下的围岩通常是采取先拱后墙的施工方式。在施工的过程中，拱架发生了变形和下沉，导致拱内衬不均匀而出现沉降，拱腰出现早期裂缝。由于建筑工艺之间的搭接不好、衬砌保护措施不及时、拱底衬砌悬挂段使用时间过长、拱支护变形而出现下沉等各种原因，容易导致拱体衬砌不均匀的沉降和拱腰、拱顶衬砌早期施工裂缝。

施工过程质量安全监督检查管理保障措施不完善，混凝土钢筋原材料检查不严，施工材料配合比质量控制不严，水灰比太大，混凝土钢筋捣实施工质量差，拱部由于间歇浇筑而成的水平裂缝等，导致了钢筋衬砌施工质量差，承载能力明显降低。由于工人测量材料放线产生误差、欠挖、工人没有按照规范进行施工等多种原因，在施工过程中处理不当而直接导致了基层局部墙体的衬砌层面的厚度不足。如果过早地拆除了衬砌模板的内部支撑，衬砌无法承受可能超出允许荷载的荷载，从而导致开裂。

5 公路隧道衬砌裂损的防治措施

5.1 采用先进的技术设备

加强对地质的勘探，为公路隧道衬砌结构的设计人员提供精确的建筑工程地质资料和水文地质数据。在设计前，应该使用地质雷达进行探测，在施工过程中也应该对工程进行复查和检测。对于不良地质地段的衬砌，应贯彻“宁强勿弱，宁直勿曲，加强衬砌过渡段，宁长勿短”的设计原则。例如，某隧道原本设计为二级围岩路段，总长200 多米。经过开挖发现，大部分土石只能被当作Ⅳ类的围岩，差异很大。因此，在设计中，衬砌结构不能很好地满足现场实际的地质条件，这一问题往往会成为在施工现场中经常面临的问题。为了弥补设计过程中的漏洞，现场施工技术人员均应及时根据设计图纸检查开挖后范围内的隧道状态。若有不合理之处，不应该盲目地按照设计图纸进行施工，而是应立刻与设计师进行协商并做出一些相应的变更。

5.2 加强施工管控制

裂缝无任何渗水情况，可以采取水泥浆进行修补，或先凿毛后抹1∶1 水泥砂浆或环氧树脂砂浆。为了防止砂浆固结和收缩，配制时最好掺入10%～17%的微膨胀剂。拱圈上出现了许多裂缝，有些甚至丧失了承载能力，原则上要将拱圈拆除并重建。通常选择喷锚网或喷早强型钢纤维混凝土；当拱裂缝严重，但拱圈的基本形状无巨大变形时，可以考虑采用素喷混凝土的方法来进行处理。以往，对于隧道开裂或者变形较大的隧道衬砌，作为暂时性的加固和施工安全保护措施，常采取钢拱来支护。当隧道内的净空量足够时，可在衬砌内搭设；当间隙不够时，应凿入衬砌。作为一种永久性加固措施，当净空量较大时，通常选择在隧道内再次架设一个钢筋混凝土拱来进行加固；当建筑物的衬砌损坏或变形较大，侵入隧道的施工边界段时，采用换衬法。

二次衬砌混凝土材料改良。要注意严格控制配合比，尤其是水灰比。通过合理地添加膨胀剂、外加剂，可以有效地降低二次衬砌中钢筋混凝土的温度收缩和失水收缩，提高二次衬砌的抗裂性能。增强隧道施工管理技术，各道工序之前都需要向工人进行一次技术交底。严格遵守规范进行施工，发现问题立即整改，确保隧道施工质量。拆模前应测量混凝土强度是否达到拆模强度。

5.3 做好隧道衬砌裂损病害检测

公路隧道的可靠运作尤为重要。在进行病害管理之前，要做好全方位检查，把握衬砌构造的具体情况，依据目前病害特点开展剖析，明确提出相应的处理方案。检测工作人员应具有专业技能，依据目前统计数据开展分析，挑选合理的检查技术，制订检查方案，进行公路隧道衬砌裂损病害检验实践，并为管理方法提供重要的依据和支持。要对取得的病害检查结果开展全方位检查，严控检查结果的质量。积极主动引入新技术、新方式、病害检查标准。目前，隧道状况检验领域的新技术应用已经开拓创新，环状激光线技术、隧道病害检测系统等众多出色技术已经形成。激光点转动速率到转动精确测量、检查速度比较慢的缺陷、360°环状激光线投影技术、快速数码照相机能快速地收集隧道表面的激光线图像。在转化成隧道表面形状坐标的同时，给予提高了隧道检查的实际效果和品质。另一个实例是，服务机器人也被用于隧道检查产业链，表现出了优越的成效。利用新技术应用和新的工业设备，维持隧道衬砌损害检查水准，有益于管理工作的进度。

5.4 做好病害治理环节的控制

在隧道施工衬砌缝隙病害整顿工作中，应以质量安全性为核心，开展施工项目管理，并采用下列控制方案。

引入整治技术。依据制定的病害管理方案，梳理管理工作的核心内容和难点，交到工程项目检查员。检查员把握新技术应用、新方式使用的重点，全面推行管理方法、防范措施。

控制好管理方面质量。依据对公路隧道衬砌缝隙管理方法的质量风险评估，紧紧围绕原材料和机器设备等开展实际操作。控制检修所需材料的订购和应用过程，控制原材料质量和热塑性树脂的比率等，减少对检修质量的影响。在病害管理期间，督促工程施工组严格遵守设计规范，避免质量问题和安全隐患，查验病害管理方法的效果，产生更多的盈利和价值。病害管理方法实施后，运用专业技术开展查验，妥善处置目前的质量问题。

6 结语

公路隧道衬砌裂损对我国人民群众的生命和财产安全造成了严重的威胁，产生了一系列社会和经济方面的问题。因此，对于公路隧道衬砌裂损的问题进行防治是迫在眉睫的。对于公路隧道渗漏水与衬砌裂损成因进行了分析并给出了相应的解决措施，做好质量与安全的整体把控，积极推广应用现代化技术，适应检测的新形势与新要求，安全、高效地治理病害，助力隧道安全运行。