蔣華龍，范厚彬

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海市 200092；2.浙江省交通集團(tuán)甬臺(tái)溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040）

公路隧道二次襯砌厚度不足成因分析和治理研究

蔣華龍1，范厚彬2

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海市 200092；2.浙江省交通集團(tuán)甬臺(tái)溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040）

二次襯砌厚度不足會(huì)導(dǎo)致隧道各種病害,首先從隧道二次襯砌設(shè)計(jì)和施工兩個(gè)方面分析導(dǎo)致厚度不足的原因；然后結(jié)合隧道二次襯砌應(yīng)力分布和受載情況分析襯砌厚度不足對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；最后通過(guò)研究總結(jié)二次襯砌施工質(zhì)量控制預(yù)防和補(bǔ)強(qiáng)加固兩方面治理措施，達(dá)到治理襯砌厚度不足引起的各種病害的目的。該項(xiàng)研究對(duì)隧道二次襯砌施工和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)具有重要借鑒作用。

隧道；二次襯砌；厚度不足；成因分析；治理

0　引言

隨著高速公路建設(shè)迅速發(fā)展，在建和建成公路隧道里程越來(lái)越長(zhǎng)。截至目前，浙江省內(nèi)現(xiàn)有隧道1 200余座，其中長(zhǎng)和特長(zhǎng)隧道有240多座，公路隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，多樣復(fù)雜的地質(zhì)地貌使隧道在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)過(guò)程中都極易出現(xiàn)不同成因所引起的襯砌裂縫、滲漏水、變形等病害，給已建運(yùn)營(yíng)隧道病害的治理造成重要的影響。而隧道二次襯砌厚度不足是引起隧道襯砌裂縫和滲漏水兩種常見(jiàn)病害的重要原因。因此行業(yè)主管部門(mén)對(duì)此提高重視程度，2013年浙江省交通運(yùn)輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局對(duì)隧道二次襯砌交（竣）工驗(yàn)收做出如下規(guī)定[1]：隧道工程襯砌厚度合格率低于90%或有小于設(shè)計(jì)厚度二分之一的部位，空洞累計(jì)長(zhǎng)度超過(guò)隧道長(zhǎng)度的3%或單個(gè)空洞面積大于3 m2為不合格工程，需進(jìn)行整改合格后方能驗(yàn)收。

隧道二次襯砌厚度不足主要由施工等原因造成，隧道二次襯砌是提供安全儲(chǔ)備或承受后期圍巖壓力的結(jié)構(gòu)物，二次襯砌厚度不足對(duì)隧道安全營(yíng)運(yùn)有較大影響，因此對(duì)隧道二次襯砌厚度不足成因分析和治理研究具有較大的意義和價(jià)值。

1　襯砌厚度不足的成因分析

充分了解和認(rèn)識(shí)隧道二次襯砌厚度不足的嚴(yán)重性和危害性及其處治的特殊性、困難性，通過(guò)廣泛和細(xì)致深入的調(diào)查研究，從設(shè)計(jì)和施工兩方面分析隧道襯砌厚度不足的成因。

1.1設(shè)計(jì)方面

（1）部分工程項(xiàng)目，為降低工程造價(jià)，在斷面設(shè)計(jì)時(shí)Ⅲ～Ⅴ類(lèi)圍巖未設(shè)置預(yù)留變形量，施工又要滿(mǎn)足設(shè)計(jì)建筑界限要求，由于圍巖變形嵌入二次襯砌界限，二次襯砌厚度只能小于設(shè)計(jì)值施工。

（2）為降低工程造價(jià)，設(shè)計(jì)對(duì)防水卷材材料要求不高，防水材料的柔韌性直接影響其與圍巖的貼附程度，防水卷材不能緊貼支護(hù)圍巖，造成局部二次襯砌厚度小于設(shè)計(jì)值。

1.2施工方面

施工質(zhì)量不理想是造成隧道二次襯砌厚度不足的主要原因，而引起施工質(zhì)量不理想的原因主要有圍巖開(kāi)挖光面爆破效果不好、施工過(guò)程人為因素、技術(shù)因素三個(gè)方面。

1.2.1圍巖開(kāi)挖光面爆破效果不好

光面爆破不夠完善，造成隧道開(kāi)挖輪廓凹凸不平，圍巖超挖部分襯砌變厚，而局部欠挖又侵入襯砌；初期支護(hù)，噴射混凝土沒(méi)有把凹凸面補(bǔ)平，平整度達(dá)不到規(guī)范要求。

1.2.2施工過(guò)程人為因素

（1）發(fā)現(xiàn)圍巖欠挖，而事后未能妥善處理，造成局部襯砌厚度偏薄。

（2）由于初期支護(hù)沒(méi)有及時(shí)跟進(jìn)，圍巖變形量過(guò)大，超出設(shè)計(jì)預(yù)留變形量，嵌入二次襯砌界限內(nèi)。另外，在及時(shí)支護(hù)的情況下，由于支護(hù)效果不理想，沒(méi)有及時(shí)變更設(shè)計(jì)加強(qiáng)支護(hù)，圍巖變形量過(guò)大。

（3）在拱頂混凝土施工出現(xiàn)堵管，現(xiàn)場(chǎng)人員在未仔細(xì)分析的情況下即認(rèn)為已經(jīng)泵滿(mǎn)，停止混凝土泵送造成二次襯砌厚度不足。

（4）用輸送泵送混凝土?xí)r，拱頂面的混凝土在輸送過(guò)程中把部分空氣密閉在狹小的空間內(nèi)，混凝土振搗不到位，不能把大量的空氣氣囊消除，造成拱背留有空隙，引起厚度不足。

（5）初期支護(hù)錨桿外露過(guò)長(zhǎng)，沒(méi)有進(jìn)行切割處理，致使防水板不能緊貼圍巖導(dǎo)致二次襯砌厚度不足。

（6）防水板安裝時(shí)未預(yù)留足夠的松散系數(shù)，致使局部緊繃，混凝土泵送壓力不能促使防水板與初期支護(hù)緊貼導(dǎo)致襯砌不足。

（7）現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)管理人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)襯砌實(shí)際需要的混凝土數(shù)量不清，提供混凝土用量的不真實(shí)數(shù)據(jù)，造成攪拌站停止攪拌，實(shí)際襯砌在未注滿(mǎn)的情況下停止。

（8）施工班組為降低工程成本，主觀上存在偷工減料行為，通過(guò)調(diào)整襯砌臺(tái)車(chē)標(biāo)高，減小襯砌厚度。

1.2.3技術(shù)因素

（1）由于施工測(cè)量放線發(fā)生差錯(cuò)，放樣軸線偏位或開(kāi)挖斷面局部點(diǎn)位不準(zhǔn)確，造成圍巖超欠挖，引起襯砌厚度不足；襯砌臺(tái)車(chē)就位測(cè)量放樣不準(zhǔn)，造成臺(tái)車(chē)偏位或標(biāo)高錯(cuò)誤引起襯砌厚度不足。

（2）混凝土施工配合比水灰比偏大、混合料坍落度大、混凝土振搗不密實(shí)，混凝土自重下沉；混凝土收縮徐變，造成留有空隙，導(dǎo)致厚度不足。

2　二次襯砌厚度不足的影響

有學(xué)者研究表明[2]，圍巖對(duì)二次襯砌結(jié)構(gòu)施加主動(dòng)荷載，而襯砌底部基地對(duì)結(jié)構(gòu)存在約束。通過(guò)有限元程序ANSYS分析得出：同一斷面由于部位不同，二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度不同，通常拱部的應(yīng)力和位移變化要大一些，而且發(fā)現(xiàn)二次襯砌厚度變化對(duì)位移的變化影響較大，位移的變化從拱部向邊墻逐漸減小，隨著二次襯砌厚度的增加，隧道的豎向位移減少，在局部不平整的地方有較大的位移。因此厚度不足的地方，在襯砌內(nèi)形成了多處薄弱面，這些薄弱面受混凝土收縮、溫度變化等綜合作用而開(kāi)裂，形成不規(guī)則的斜向和豎向裂縫。此外，襯砌厚度不足往往伴隨拱背脫空現(xiàn)象，脫空部位容易形成水囊，隨著時(shí)間推移，容易形成隧道滲漏水病害。

當(dāng)隧道二次襯砌厚度不足時(shí)，襯砌不足部位剛度減弱，彎矩減小，但相鄰部位彎矩增大。二次襯砌拱頂和拱腰位置由于彎矩較大，如果這兩個(gè)部位襯砌厚度不足，最容易產(chǎn)生病害。拱頂內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力增加較快，尤其當(dāng)拱頂襯砌厚度不足時(shí)，拱頂混凝土拉應(yīng)力成倍增長(zhǎng)，當(dāng)拉應(yīng)力增加超出相應(yīng)標(biāo)號(hào)混凝土極限抗拉強(qiáng)度后，相應(yīng)部位出現(xiàn)裂縫；拱腰部位襯砌厚度不足時(shí)，拱腰內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力明顯增加，厚度不足處形成壓應(yīng)力集中容易造成襯砌結(jié)構(gòu)破壞。此外，二次襯砌厚度局部不足容易造成拱頂下沉的病害[3]。

3　治理措施

通過(guò)對(duì)隧道二次襯砌厚度不足的成因分析，治理隧道二次襯砌厚度不足的問(wèn)題主要通過(guò)隧道全過(guò)程施工質(zhì)量控制預(yù)防和建成后襯砌結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固兩個(gè)方面進(jìn)行。

施工質(zhì)量控制不理想是造成隧道二次襯砌厚度不足的主要原因，所以施工質(zhì)量控制預(yù)防就顯得尤為重要。只有通過(guò)施工現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格質(zhì)量控制、精細(xì)化施工管理，分別從人、機(jī)、料、環(huán)、法、測(cè)六個(gè)方面對(duì)隧道施工進(jìn)行全過(guò)程質(zhì)量控制，才能從源頭較好地解決隧道襯砌厚度不足的問(wèn)題[4]。具體見(jiàn)表1。

表1　隧道二次襯砌厚度施工控制方法

3.2襯砌結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)加固

公路隧道建設(shè)較長(zhǎng)一段時(shí)間對(duì)二次襯砌厚度控制不夠重視，許多已建成隧道存在二次襯砌厚度不足的情況，其中部分隧道因此產(chǎn)生較嚴(yán)重的病害，嚴(yán)重影響高速公路的運(yùn)營(yíng)并造成安全隱患，所以對(duì)已建成隧道襯砌厚度不足的治理工作十分必要和迫切[5]。目前針對(duì)已建成隧道二次襯砌厚度不足的治理方法主要有拆除重建法、注漿回填法掛網(wǎng)噴漿法、套襯砌補(bǔ)強(qiáng)法、局部嵌補(bǔ)法等。

3.2.1拆除重建法

拆除重建法適用于二次襯砌厚度嚴(yán)重不足，少于設(shè)計(jì)值1/2厚度的范圍過(guò)大，襯砌已經(jīng)失去基本功能的情況。施工步驟：架設(shè)臨時(shí)支撐→逐步拆除原結(jié)構(gòu)→施做臨時(shí)支護(hù)→施做新的襯砌結(jié)構(gòu)。注意事項(xiàng)：事先做好臨時(shí)支撐和臨時(shí)支護(hù)方案，防止隧道塌方或掉塊；拆除不合格襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)減少對(duì)合格襯砌結(jié)構(gòu)的影響；在施工新襯砌結(jié)構(gòu)時(shí)，除保證襯砌厚度外，需采取新舊襯砌處增加連接鋼筋的措施，確保新舊混凝土銜接良好。

3.2.2注漿回填法［6］

采用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)（%）表示，采用x2檢驗(yàn)，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

注漿回填法適用于拱背空洞或脫空引起的襯砌厚度不足的情況，這種情況較常見(jiàn)。施工步驟：探明需注漿加固的范圍和數(shù)量→鉆孔預(yù)留注漿管→注漿→注漿管封口。注意事項(xiàng)：空洞面積和脫空高度小的部位一般采用孔徑小的注漿管（42 mm）注水泥砂漿，水泥砂漿要具有良好的流動(dòng)性；空洞面積大和脫空高度大的部位一般采用大孔徑注漿管（150 mm），鋼管接混凝土輸送泵直接泵送混凝土，混凝土要具有良好的和易性和流動(dòng)性；鉆孔預(yù)留注漿管時(shí)，管口距圍巖應(yīng)預(yù)留5～10 cm空隙，以便漿液能順利流出；注漿管要用鋼板和膨脹螺栓與既有襯砌固結(jié)，最后通過(guò)法蘭盤(pán)連接注漿管或注漿泵進(jìn)行注漿或泵送混凝土。注漿過(guò)程速度不能過(guò)快，當(dāng)出現(xiàn)較大壓力時(shí)可暫停10 min左右，使?jié){液順利擴(kuò)散。注漿完成不要急于拆除法蘭盤(pán)，待漿液有一定的自穩(wěn)能力后再拆除并及時(shí)封堵注漿口。為確保注漿效果，在埋注漿管的同時(shí)還要預(yù)埋檢測(cè)管，檢測(cè)管頂端與圍巖要有1～2 cm的空隙。當(dāng)檢測(cè)管有漿液流出，應(yīng)封閉檢測(cè)管并保持緩慢注漿，當(dāng)壓力持續(xù)升高時(shí)停止注漿。

3.2.3掛網(wǎng)噴漿法

掛網(wǎng)噴漿法（見(jiàn)圖1）是內(nèi)輪廓補(bǔ)強(qiáng)的一種方法，噴漿材料一般有高分子材料砂漿、普通砂漿、GFRC、混凝土、STRC五種（見(jiàn)表2）。本方法適用于二次襯砌厚度較設(shè)計(jì)值減少不多，襯砌緊貼圍巖，但混凝土裂縫較多，對(duì)隧道的承載能力和穩(wěn)定影響較小的情況。施工步驟：鑿除局部破壞部位→裂縫封閉→打釬釘、掛鋼筋網(wǎng)→噴混凝土或鋼纖維混凝土→用防水砂找平。注意事項(xiàng)：注意噴漿的均勻性，并注意外觀效果，盡可能與原襯砌結(jié)構(gòu)外觀相近。

圖1　諸永高速公路包岙隧道掛網(wǎng)噴漿法效果

表2　內(nèi)輪廓補(bǔ)強(qiáng)法施工厚度［7］

3.2.4套襯砌補(bǔ)強(qiáng)法

套襯砌補(bǔ)強(qiáng)法（現(xiàn)澆混凝土法）也是內(nèi)輪廓補(bǔ)強(qiáng)的一種方法，適用于襯砌結(jié)構(gòu)厚度嚴(yán)重不足，范圍較大時(shí)，建筑界限有富裕的情況。施工步驟：原襯砌混凝土鑿毛→施做連接錨栓→鋪設(shè)補(bǔ)強(qiáng)鋼筋網(wǎng)→澆筑混凝土。注意事項(xiàng)：舊襯砌鑿面需保證均勻清鑿0.6～1 cm深；設(shè)置連接新舊混凝土的錨栓（榫釘）和處置好施工縫特別重要，錨栓長(zhǎng)度大于15(錨栓直徑)，錨固長(zhǎng)度10(錨栓直徑)，并與補(bǔ)強(qiáng)鋼筋網(wǎng)焊接。

3.2.5局部嵌補(bǔ)法

局部嵌補(bǔ)法適用于因圍巖欠挖致使襯砌局部厚度不足，范圍較小的情況。施工步驟：對(duì)襯砌局部鑿除或切割（見(jiàn)圖2）→鑿除欠挖圍巖→處理圍巖錨噴→施做補(bǔ)強(qiáng)鋼筋網(wǎng)→澆筑混凝土。注意事項(xiàng)：該方法在破壞原有襯砌結(jié)構(gòu)的整體性前提下進(jìn)行，治理后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并不一定比原結(jié)構(gòu)好，建議非特殊情況不采用。

4　結(jié)論和建議

造成公路隧道二次襯砌厚度不足的因素復(fù)雜，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響也很多，本文著重從施工質(zhì)量控制方面進(jìn)行了分析總結(jié)。襯砌厚度不足的治理研究從施工質(zhì)量控制和補(bǔ)強(qiáng)加固兩個(gè)方面進(jìn)行全面歸納總結(jié)，治理方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可操作性，為今后隧道二次襯砌施工和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)提供借鑒。

圖2　襯砌結(jié)構(gòu)局部切割后

通過(guò)對(duì)二次襯砌厚度不足成因和治理措施的總結(jié)分析，對(duì)提高襯砌厚度質(zhì)量還有以下幾點(diǎn)建議：

（1）洞室襯砌厚度不足是一個(gè)容易被忽視的問(wèn)題，往往只注重主體的厚度，局部的變形容易造成襯砌結(jié)構(gòu)的變形。另外，針對(duì)不同的地質(zhì)條件，采用適宜的洞室斷面結(jié)構(gòu)。

（2）二次襯砌厚度設(shè)計(jì)保守，安全系數(shù)往往較高，工程造價(jià)較高，在保證安全的前提下，通過(guò)精準(zhǔn)的計(jì)算，對(duì)二次襯砌厚度進(jìn)行優(yōu)化，減少工程投資。隨著設(shè)計(jì)施工總承包模式推廣，可以采用邊施工邊設(shè)計(jì)的情況，施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)圍巖地質(zhì)情況有變化，與原設(shè)計(jì)不符時(shí)，應(yīng)及時(shí)變更設(shè)計(jì)，使襯砌符合實(shí)際需求。

（3）在條件允許的情況下，地質(zhì)情況不好的地段，建議隧道二次襯砌混凝土采用具有良好的整體抗拉及抗壓性能的鋼纖維混凝土。

（4）提高機(jī)械化作業(yè)程度，保證工程質(zhì)量。采用多臂鑿巖臺(tái)車(chē)施工以控制隧道超欠挖，從而保證襯砌結(jié)構(gòu)混凝土厚度。

[1]浙交〔2013〕22號(hào).浙江省公路工程竣（交）工驗(yàn)收實(shí)施細(xì)則（試行）.

[2]楊建宏.隧道二次襯砌厚度概率分布特征與可靠度分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2002.

[3]汪永剛.隧道二次襯砌局部厚度不足對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響[J].華東科技（學(xué)術(shù)版），2014（3）:132.

[4]JTG F60—2009公路隧道施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[5]張志軍.青沙山隧道襯砌開(kāi)裂補(bǔ)強(qiáng)處理[J].鐵路建筑，2006（4）: 31-33.

[6]仇義中，胡學(xué)兵.隧道施工中的安全隱患及防治措施探討[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5:1781-1785.

[7]關(guān)寶樹(shù)，譯.隧道維修加固手冊(cè)[R].成都：西南交通大學(xué)，1994.

圖5　方案2復(fù)核結(jié)果

綜上所述，平原水網(wǎng)區(qū)雨水管渠采用推理公式法3 a一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期可有效應(yīng)對(duì)50 a一遇的降雨。當(dāng)然，這需要典型地區(qū)前置條件的穩(wěn)定，如切實(shí)做好源頭控制（綜合徑流系數(shù)控制）、地面高程達(dá)到豎向規(guī)劃要求、控制好內(nèi)河水系水位等。

4　結(jié)語(yǔ)

（1）平原水網(wǎng)區(qū)的排水防澇體系顯著特點(diǎn)之一是單個(gè)雨水匯水區(qū)面積遠(yuǎn)小于2 km2。

（2）平原水網(wǎng)區(qū)雨水管渠設(shè)計(jì)建議采用恒定均勻流推理公式法進(jìn)行，對(duì)于已建雨水管渠在基礎(chǔ)資料充分的條件下可以采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行復(fù)核。

（3）雨水管渠設(shè)計(jì)重現(xiàn)期應(yīng)與內(nèi)澇防治設(shè)計(jì)重現(xiàn)期相匹配。平原水網(wǎng)區(qū)典型匯水區(qū)，采用推理公式法3 a一遇設(shè)計(jì)重現(xiàn)期的雨水管渠可有效應(yīng)對(duì)50 a一遇的降雨。

參考文獻(xiàn)：

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U455.91

B

1009-7716（2016）04-0113-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.035

2015-12-22

蔣華龍（1982-），男，湖南邵陽(yáng)人，本科，工程師，從事公路工程檢測(cè)工作。