馮金義 宋君萍 廖岳泰 段銳 蒲建軍

（1甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730070；2甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

甘肅省每年都有一定數(shù)量的公路隧道投入營(yíng)運(yùn)。根據(jù)2018年政府排查報(bào)告，尤其近二十年來(lái)修建的公路隧道，大多存在不同程度的襯砌裂縫病害，威脅公路行車(chē)安全及結(jié)構(gòu)安全，已經(jīng)引起了相關(guān)部門(mén)的高度重視。

目前學(xué)術(shù)界及工程界在隧道襯砌裂縫的產(chǎn)生原因[1-5]、力學(xué)模型計(jì)算[6-10]、維修加固技術(shù)[11-14]等方面取得了豐碩的研究成果，為本項(xiàng)目裂縫處治技術(shù)方案提供了理論支撐和借鑒參考案例，但由于許多文獻(xiàn)是基于單座或幾座特定圍巖的隧道個(gè)體得到的研究結(jié)論，具有一定的局限性。本項(xiàng)目8座高速公路隧道穿越地層圍巖情況差異較大，為達(dá)到徹底消除裂縫病害的目的，襯砌裂縫產(chǎn)生的原因成為了關(guān)注的重點(diǎn)，其需要聯(lián)系各個(gè)隧道實(shí)際情況進(jìn)行分析，制定有針對(duì)性的裂縫處治方案。因此，筆者在對(duì)8座隧道的原設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)、檢測(cè)評(píng)估等資料進(jìn)行全面搜集的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及本次維修處治期間現(xiàn)場(chǎng)揭露的情況，對(duì)襯砌裂縫成因進(jìn)行了深入分析，提出了基于襯砌裂縫產(chǎn)生原因的處治方案，并采用試驗(yàn)檢測(cè)手段驗(yàn)證了維修處治效果良好。

1 隧道概況

甘肅某高速公路全線(xiàn)共設(shè)8座隧道（15座單洞，隧道資料見(jiàn)表1），均為分離式單洞兩車(chē)道隧道，根據(jù)檢測(cè)單位出具的檢測(cè)報(bào)告，自2011年5月底建成通車(chē)運(yùn)營(yíng)至今，二次襯砌裂縫普遍發(fā)育，個(gè)別隧道部分段落甚至存在襯砌掉塊的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅行車(chē)安全。

表1 甘肅某高速公路隧道信息統(tǒng)計(jì)表

圖1 典型襯砌裂縫發(fā)育情況

2018年9月，檢測(cè)單位對(duì)8座隧道進(jìn)行了專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，襯砌裂縫主要以縱向和環(huán)向裂縫為主，其中馬家山隧道襯砌裂縫病害最為發(fā)育，寬度超過(guò)0.5mm的縱縫占了較大比例，但裂縫兩側(cè)襯砌無(wú)明顯錯(cuò)臺(tái)，按后續(xù)加固方按進(jìn)行襯砌鑿毛施工期間也未發(fā)生掉塊現(xiàn)象（鑿毛深度約6mm），襯砌裂縫基本處于穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)。馬家山隧道典型襯砌裂縫如圖1所示。

隧道交通封閉后，對(duì)寬度大于0.5mm的襯砌裂縫騎縫鉆取芯樣，發(fā)現(xiàn)其大多貫穿襯砌厚度，裂縫取芯情況如圖2所示。

圖2 寬度大于0.5mm裂縫鉆芯

2 襯砌裂縫病因分析

國(guó)內(nèi)外隧道界學(xué)者采用理論分析、數(shù)值計(jì)算、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及模型試驗(yàn)等技術(shù)手段對(duì)襯砌裂縫的產(chǎn)生原因進(jìn)行了深入研究，張素磊[15]對(duì)其進(jìn)行了歸納整理，主要有：塑性地壓、偏壓、膨脹性地壓、凍脹作用、地下水作用、襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、襯砌強(qiáng)度不足、“先拱后墻法”施工、圍巖處理不當(dāng)、地層擾動(dòng)、未設(shè)仰拱等。

從表1可以看出，隴西隧道主要穿越亞黏土地層，大像山、甘谷隧道主要穿越砂礫巖地層，秦州隧道主要穿越砂礫巖和泥巖地層，武山、廣武、馬家山、定西隧道主要穿越泥巖地層，建設(shè)期資料揭示8座隧道未見(jiàn)承壓性地下水且泥巖無(wú)較大膨脹性，僅局部發(fā)育圍巖裂隙水或?qū)娱g埋藏水（隴西隧道地下水較發(fā)育），主洞深埋段不存在偏壓及凍脹作用，施工方法均為模筑襯砌法，除秦州隧道外圍巖類(lèi)型單一，不存在圍巖處理不當(dāng)問(wèn)題及地層擾動(dòng)，因此襯砌裂縫產(chǎn)生原因與地下水、膨脹性泥巖、偏壓、凍脹、施工方法、圍巖處理不當(dāng)及地層擾動(dòng)等因素基本無(wú)關(guān)，采用排除法導(dǎo)致裂縫的剩余可能因素有塑性地壓、襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、襯砌強(qiáng)度不足、未設(shè)仰拱。

根據(jù)維修前期專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)，8座隧道均存在不同程度的襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、仰拱厚度不足等質(zhì)量缺陷。對(duì)襯砌病害與質(zhì)量缺陷間的相關(guān)性進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，襯砌裂縫極度發(fā)育的段落，仰拱基本均存在厚度不足缺陷，襯砌背后脫空部位伴隨著襯砌厚度缺陷，通常裂縫也比較發(fā)育，典型襯砌病害及質(zhì)量缺陷如圖3所示，典型路面病害及仰拱質(zhì)量缺陷如圖4所示。

圖3 典型襯砌病害及質(zhì)量缺陷

圖4 典型路面病害及仰拱缺陷

此外，對(duì)專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)中揭示拱頂存在二襯與初支層間脫空的部位進(jìn)行注漿時(shí)，普遍存在漿液從二襯施工縫部位溢出的現(xiàn)象，分析認(rèn)為其可能原因有兩點(diǎn)：一是二襯混凝土澆筑完成后混凝土收縮，造成二襯與初支層間脫空形成貫通的漿液通道；二是由于隧底仰拱厚度不足，提供的基底承載力不足以支承上部結(jié)構(gòu)的自重產(chǎn)生豎向位移，隨著基底圍巖逐漸固結(jié)上部襯砌沉降變形趨于穩(wěn)定，而初支結(jié)構(gòu)未發(fā)生變形導(dǎo)致層間脫空（初支在斷面開(kāi)挖后已趨于穩(wěn)定，其通過(guò)設(shè)置的鋼架鎖腳和超前錨桿來(lái)承重）。由此可以推測(cè)，二次襯砌并未承受塑性地壓，圍巖壓力基本由初期支護(hù)承載，二襯裂縫的產(chǎn)生并不是由塑性地壓引起。

圖5 襯砌層間脫空施工縫漏漿

綜上所述，該高速公路隧道襯砌裂縫的形成與質(zhì)量缺陷密不可分，尤其隧底仰拱結(jié)構(gòu)缺陷直接導(dǎo)致了上部襯砌產(chǎn)生不均勻沉降，致使襯砌局部混凝土受拉產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而引發(fā)襯砌拱頂裂縫發(fā)育，而襯砌局部脫空或厚度不足減小了襯砌剛度，削弱了襯砌抵抗變形的能力，引發(fā)應(yīng)力集中，惡化了受力狀況，從而導(dǎo)致開(kāi)裂。通過(guò)向當(dāng)時(shí)參建人員及后續(xù)運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)工作人員了解的情況，建成通車(chē)后運(yùn)營(yíng)后1～2年時(shí)，發(fā)現(xiàn)隧道襯砌裂縫病害持續(xù)發(fā)育，后續(xù)運(yùn)營(yíng)中裂縫發(fā)展性并不明顯，說(shuō)明裂縫與圍巖的固結(jié)沉降密切相關(guān)，也佐證了襯砌裂縫的產(chǎn)生是由基底仰拱結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)。

3 綜合處治方案

鑒于二襯裂縫是由隧底結(jié)構(gòu)缺陷、襯砌背后脫空及襯砌厚度不足引起的不均勻沉降、襯砌結(jié)構(gòu)剛度變異及應(yīng)力集中效應(yīng)等共同引發(fā)，維修處治方案須有針對(duì)性。首先解決隧底結(jié)構(gòu)缺陷的問(wèn)題，設(shè)計(jì)前期從路面向下鉆取混凝土芯樣，根據(jù)芯樣揭露的混凝土結(jié)構(gòu)厚度、質(zhì)量等缺陷，確定仰拱拆換、仰拱加固及隧底注漿加固三種處治方案（圖6）。

圖6 隧底結(jié)構(gòu)缺陷處治技術(shù)方案

在確保下部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時(shí)，對(duì)襯砌局部脫空進(jìn)行注漿處治，確保同一板襯砌在隧道軸線(xiàn)方向上的剛度基本一致，消除或削弱應(yīng)力集中效應(yīng)，優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)受力。此外，由于既有襯砌裂縫均為靜止裂縫，出于最大優(yōu)化襯砌結(jié)構(gòu)受力、發(fā)揮既有襯砌結(jié)構(gòu)剩余承載能力、防止襯砌混凝土碳化等方面的考慮，對(duì)大于0.2mm寬度的裂縫進(jìn)行低壓注膠處理，膠類(lèi)產(chǎn)品采用改性環(huán)氧樹(shù)脂膠，先封縫再進(jìn)行壓力注漿，確保注膠飽滿(mǎn)。

要說(shuō)明的是，對(duì)于裂縫極度發(fā)育，局部存在襯砌掉塊風(fēng)險(xiǎn)的既有襯砌，承載能力已遭到嚴(yán)重削弱，根據(jù)病害程度采用二襯換拱或疊合式噴射混凝土套拱進(jìn)行加固，以提升襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力及安全儲(chǔ)備，這部分未詳述。

4 結(jié)論

圖7 裂縫低壓注膠處治

1）甘肅某高速公路隧道襯砌裂縫產(chǎn)生的主因是隧底仰拱缺陷，其引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)的不均勻沉降，致使襯砌局部混凝土受拉產(chǎn)生裂縫，隧底圍巖固結(jié)沉降穩(wěn)定后裂縫趨于穩(wěn)定。

2）襯砌背后空洞及襯砌厚度不足減小了襯砌剛度，削弱了襯砌抵抗變形的能力，引起的應(yīng)力集中效應(yīng)，惡化了襯砌結(jié)構(gòu)受力狀況。

3）研究襯砌裂縫病害和隧道質(zhì)量缺陷的相關(guān)性有重要意義，為制定有針對(duì)性的維修技術(shù)方案提供了新思路，對(duì)裂縫產(chǎn)生原因類(lèi)似的隧道維修工程方案設(shè)計(jì)有借鑒意義。