田奎

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，武漢 430056）

1 引言

在公路工程和鐵路工程中，隧道工程是關鍵節(jié)點，尤其是在山區(qū)修建時，隧道能夠大大縮短線路里程，達到快速通行的目的。因此，隧道結構的安全和穩(wěn)定性是保證整體隧道通行能力的重要基礎。但由于隧道所處位置為地下，巖體性質通常較為復雜，難以滿足設計和施工中的所有要求。普通混凝土襯砌結構缺乏鋼筋骨架，抗彎強度不足，隨著運行過程中材料性能的減弱，開裂、滲水等病害逐漸突出[1]。

已建公鐵隧道內襯材料多由混凝土和鋼組成，從初期支護到二次襯砌，鋼材、混凝土交替存在，如若設計、施工等環(huán)節(jié)處理不當，極可能在不均勻應力的作用下造成襯砌材料出現(xiàn)大裂縫，進而對隧道結構的安全性造成嚴重影響。目前，在國內外已有許多研究人員對隧道襯砌材料的開裂問題進行了研究[2]，例如，對隧道形式，裂縫的形式、走向、條紋，以及裂縫的分類等。其次，在裂縫處理方面，國內外也有不少學者進行了相關研究，早期學者對裂縫處理主要以后期發(fā)現(xiàn)修補為主。近年來，越來越多的科技手段被廣泛應用于工程領域，并且逐步向前期預防裂縫轉變[3]。

2 裂縫分類

隧道是一種地下構筑物，所處環(huán)境復雜，受各種因素的影響，隧道裂縫也復雜多樣，隧道結構裂縫產生的原因及形態(tài)也復雜多樣，在分類方法上也有所不同，目前隧道結構裂縫病害的分類方法主要有以下3種：（1）從隧道裂縫的走向分類；（2）按裂縫所在的部位進行分類；（3）按裂縫寬度進行分類。

2.1 按裂縫走向進行分類

按照裂縫走向，隧道襯砌結構裂縫大致可以分為沿隧道軸向發(fā)展的隧道縱向裂縫、沿隧道環(huán)向發(fā)展的環(huán)向裂縫、垂直于隧道軸向發(fā)展的橫向裂縫以及介于隧道縱向和橫向發(fā)展的斜向裂縫（見圖1）。

圖1 裂縫照按走向分類示意圖

2.2 按裂縫部位進行分類

目前，我國修建的隧道一般形態(tài)相同，無論公路隧道還是鐵路隧道，大體形態(tài)均如圖1所示，只是大小有所差別。一般在公路隧道中，隧道的內徑較大，鐵路隧道內徑較小，但兩種隧道均可分為以下部分：（1）隧道的拱頂，如圖1中的區(qū)域A，一般指的是隧道最高部位及其周邊；（2）隧道的拱腰，一般指的是拱頂周邊至隧道起拱線位置，如圖1中的區(qū)域B；（3）隧道的邊墻，常指拱腰以下至隧道地面所在位置，如圖1中的區(qū)域C。各結構部分產生的裂縫分別稱為：邊墻縫、拱腰縫及拱頂縫。

2.3 按裂縫寬度進行分類

對裂縫按跨度分類時，一般參考相關規(guī)范進行劃分，單位以毫米計量，常將裂縫寬度小于0.3 mm的裂縫稱之為毛裂縫；寬度大于0.3 mm而小于2 mm的裂縫稱之為小裂縫或細裂縫；寬度大于2 mm小于20 mm的裂縫稱之為中裂縫；大于20 mm的裂縫則被稱之為大裂縫，此類裂縫一般不允許在隧道結構中產生，一旦發(fā)生，將嚴重影響隧道的結構安全和運維安全。

3 隧道襯砌裂縫產生的原因

隧道裂縫造成的原因復雜且多樣，對隧道裂縫的成因分析可以從多角度出發(fā)，本研究對隧道裂縫的成因分析將從3個階段角度進行：隧道開挖前、隧道開挖過程中和隧道開挖后。

3.1 隧道開挖前

隧道開挖前，一般指的是隧道的勘察設計階段。在進行隧道勘察設計時，若沒有很好地對隧道選址區(qū)進行地質勘察，極易導致隧道修建在復雜地質環(huán)境中。從而使隧道產生裂縫，如果所處位置圍巖軟弱，隧道極易在修建過程中產生較大的沉降，不利于隧道施工，即使完成支護，也容易在圍巖較大的變形作用下致使隧道襯砌結構產生較大的裂縫。如果隧道修建在高應力或軟弱破碎圍巖條件下，隧道襯砌結構也容易產生裂縫。若隧道選址區(qū)地下水較淺，容易導致隧道襯砌浸沒在水中，水對鋼筋混凝土的侵蝕作用也容易導致隧道發(fā)生裂縫，且容易對隧道的運維造成影響。

3.2 隧道開挖過程

隧道開挖過程，一般指隧道的施工過程，這類條件下隧道產生裂縫的主要原因如下：（1）施工過程不可靠，圍巖與襯砌之間的連接強度不夠，導致在隧道發(fā)生變形時，不能發(fā)揮圍巖與襯砌的結合支護作用，進而導致隧道產生較大的裂縫。（2）隧道襯砌材料選擇不當，尤其是混凝土的選擇，當選擇的混凝土強度較低時，無法承擔較高的圍巖壓力，進而導致裂縫，當混凝土材料選擇強度較高時，容易導致施工工藝復雜，進而對施工班組要求較高，不當?shù)氖┕し椒ɑ虿划數(shù)氖┕と藛T均容易造成混凝土開裂。（3）施工工藝選擇不當，施工工藝也是影響隧道襯砌裂縫的主要因素之一，良好的施工工藝能有效減少襯砌施工過程中裂縫的產生。

3.3 隧道開挖后

隧道開挖后主要指的是隧道的運維階段，在此階段的主要影響因素是隧道運行管理和監(jiān)測、及時消除地下水、及時控制小裂縫、預測隧道附近山體蠕變、泥石流控制等。對隧道的運維管理和監(jiān)測可以預防裂縫的產生和發(fā)展，運維管理和監(jiān)測的內容主要包括襯砌是否發(fā)生滲漏、山體地質構造的運動規(guī)律及變形量等。

4 隧道襯砌裂縫治理方法

進行隧道襯砌裂縫治理時，應結合上述襯砌裂縫產生原因，本研究主要從以下4個方面進行隧道結構裂縫病害的預防與治理分析：（1）隧道勘察階段的裂縫預防措施；（2）隧道設計階段的裂縫預防措施；（3）隧道施工過程中的裂縫治理；（4）隧道運維過程中的裂縫治理。

4.1 隧道勘察階段的裂縫預防措施

隧道勘察階段一般以預防裂縫發(fā)生為主。在此階段，隧道尚未修建，但不準確的勘察結果會間接導致隧道產生裂縫。因此，勘察階段應合理進行隧道選址，選擇地質條件簡單，如圍巖品質良好，沒有豐富的地下水的串流，沒有高地應力，沒有軟弱圍巖，沒有破碎圍巖，地質構造不明顯區(qū)域等。目前，可通過提高勘察儀器的精度及勘察結果的準確性提高隧道選址的合理性，以此避免或減少隧道結構病害裂縫的產生。

4.2 隧道設計階段的裂縫治理方法

進行隧道設計時，首先，應對不良地質進行規(guī)避；其次，對于無法規(guī)避的不良地質，應及時制訂科學合理的設計方案，尤其在圍巖等級較差的地質環(huán)境中，良好的設計方案有助于規(guī)避由于設計不當造成的隧道結構襯砌裂縫。

除此之外，為了更好地從設計階段防治隧道襯砌結構裂縫的產生，不少學者已將各類數(shù)字技術運用到隧道設計中，如BIM技術等高維仿真技術，利用該類技術，可以將隧道的地質信息與隧道結構信息相結合，并通過圖2所示BIM網格對隧道襯砌結構進行受力分析，以此規(guī)避隧道襯砌裂縫。

圖2 隧道結構受力分析B IM模型示意圖

4.3 隧道施工過程中的裂縫治理方法

準備施工材料時，需要合理選擇水泥材料的種類，骨料種類、細度以及混凝土的配合比，有助于減少由于混凝土收縮產生的裂縫。施工時，工藝應簡單，符合力學原則，并正確控制光滑爆破的程度，以確保襯砌厚度均勻，避免應力過大。圍巖和襯砌之間的連接應有足夠的強度。襯砌混凝土達到設計強度后，可以拆除混凝土綁扎物。

在后處理過程中，襯砌混凝土的表面漆層應盡可能均勻，其厚度應合適，以避免混凝土碳化使鋼筋暴露而生銹。同時，合理確定伸縮縫的間距。

4.4 隧道運維過程中的裂縫治理方法

在隧道的運維過程中，應及時排出地下水，及時處理小裂縫，防止其膨脹。如果裂縫導致泄漏，可以使用聚氨酯樹脂對裂縫進行堵塞，必要時可以使用環(huán)氧樹脂提高結構強度。另外，應提前預測和控制隧道附近的山地蠕變和泥石流。

目前，針對隧道運維階段的隧道裂縫病害治理方法較多，以紅外圖像識別監(jiān)測為例，該方法主要通過以下步驟實現(xiàn)：首先，由紅外圖像采集儀對隧道整體進行圖像采集，并在頻域內對圖像進行預處理；其次，在圖像子塊中計算每個像素的條件紋理各向異性，并用迭代法得到最優(yōu)閾值，以此根據該閾值確定圖像子塊中的裂紋。最后，將每個子區(qū)域的裂縫連接起來，從而實現(xiàn)對裂縫的識別，再根據裂縫的大小進行處治。除此紅外圖像識別之外，還有以BP神經網絡為代表的深度學習技術等也正在廣泛被應用于隧道裂縫的識別于處理。

5 結語

隧道結構裂縫病害一直是困擾隧道修建及運維的難題，為解決此難題，本文首先對裂縫的分類進行介紹，在此基礎之上，從隧道開挖前、開挖中以及開挖后3個階段系統(tǒng)地分析了隧道結構裂縫的主要成因，以及隧道設計、施工、運行階段可能導致裂縫發(fā)展的因素，并針對以上原因提供了裂縫的處理方法，為隧道結構裂縫病害的處治奠定理論基礎。