隧道圍巖襯砌開裂病害成因分析

山西交通職業技術學院 山西 太原 030032

隨著服役時間的累積，大量已建成服役隧道已經進入養護運營期，通過研判大量隧道工程案例發現，隧道襯砌是已建成隧道中最容易出現病害的結構之一，由于襯砌直接暴露于隧道凈空內，一旦出現開裂、剝離掉塊、滲漏等病害，必將不同程度影響隧道內的車輛正常通行；引發隧道襯砌開裂、剝離等病害的誘因眾多，且并非單一因素作用結果，地質條件、偶然荷載擾動、施工技術水平及材料質量等均會誘發襯砌病害。本文特以已建成隧道襯砌結構為研究對象，擬重點針對襯砌開裂病害，分析建成隧道襯砌開裂病害的類型及成因，從而進一步深化對運營隧道襯砌開裂病害的認識。

1 建成隧道圍巖襯砌開裂病害形式分析

通過現場調查分析省內大量隧道襯砌開裂病害案例，發現隧道襯砌結構裂損形式存在明顯的幾何分布特點，大體可細分為：襯砌縱向開裂、襯砌斜向開裂及襯砌環向開裂三類；其中，縱向開裂病害尤為普遍，明顯超過了斜向開裂和環向開裂總和，且縱向開裂普遍存在于隧道襯砌的各個位置，而環向開裂和斜向開裂則集中分布在襯砌邊墻區域。

1.1 隧道襯砌縱向開裂

隧道襯砌縱向開裂是隧道襯砌裂損病害中最常見的一種，其好發于隧道襯砌的各個位置，尤其以拱頂位置最為多見，拱頂襯砌在復雜應力擾動作用下，一旦出現縱向開裂后，常常伴隨襯砌剝落病害。襯砌縱向開裂多見于縱向貫穿開裂，且多條縱向裂縫首尾相連，縱向裂縫走勢與隧道縱軸線基本呈平行分布；除了拱頂位置外，拱腰及邊墻縱向裂縫分布與隧道洞口形式有較大關聯，單隧洞隧道縱向裂縫更多集中在邊墻上，雙隧洞隧道縱向裂縫則偏好于位置更高的拱腰位置。此外，基于隧道內不同位置襯砌的應力狀態差異，誘導縱向開裂的機理稍有差異，拱頂受壓應力主導，襯砌向內擠壓變形，導致開裂剝離，破壞程度較大；拱腰受拉應力主導，襯砌混凝土被拉裂，破壞程度一般；邊墻襯砌受拉應力主導，易出現張拉錯動［1］。

1.2 隧道襯砌斜向開裂

隧道襯砌斜向開裂與受壓混凝土梁剪切裂縫分布形式相類似，斜向襯砌裂縫與隧道縱軸線大致呈45°夾角，斜向開裂多發于隧道邊墻及拱頂與拱腰交界區域；隧道襯砌斜向開裂是縱向應力和隧洞截面環向應力耦合作用的結果，屬于典型的張拉開裂破壞；通常情況下，斜向開裂的破壞程度介于縱向開裂和環向開裂之間，在工程實踐中，斜向開裂往往集中出現，多條斜向裂縫交錯后，容易“剪壞”隧道襯砌結構，嚴重影響襯砌的完整性。

1.3 隧道襯砌環向開裂

環向開裂與隧道縱軸線基本正交，環向開裂主要受累于隧道圍巖的不均勻沉陷問題，圍巖在縱向非均勻荷載的作用下，沿縱軸線出現不均勻沉陷，造成圍巖內部應力增長，并誘導襯砌結構出現環向開裂；環向開裂多見于地質條件不良及隧道圍巖等級突變區域，環向開裂基本伴隨著隧道服役的全過程，屬于自然現象范疇，其對隧道工程穩定性的影響較低，危害程度也是三種裂縫中最小的一種。

2 建成隧道圍巖襯砌開裂病害主要成因分析

構成隧道襯砌開裂的因素眾多，且大部分襯砌開裂病害并非單一因素作用的結果，加之隧道工程結構的復雜性和不確定性，在后期襯砌評價及處治過程中必須綜合考慮各種潛在影響因素［2］。以下就隧道圍巖襯砌開裂病害成因進行以下分類研究。

2.1 隧道襯砌外荷載擾動

隧道圍巖因外力擾動出現局部松弛，導致部分圍巖脫離主體，無法與圍巖共同承載，脫離的圍巖壓在隧道襯砌背面，導致隧道襯砌背面處于持續承壓狀態，最終沿隧道拱頂襯砌出現縱向開裂，并伴隨拱腰附近出現網狀開裂，嚴重情況下，若圍巖大面積松弛，掉落的圍巖沖擊拱頂襯砌，極易引發襯砌崩塌病害；此外，襯砌偏心荷載也是導致襯砌開裂的一大誘因，受地質構造、地下水水位變動、人為擾動等因素影響，導致襯砌結構處于偏心荷載作用狀態，長期的偏心作用將引發襯砌軸向受壓破壞，并誘導張拉裂縫；隧道圍巖不均勻沉陷也會引起襯砌內應力過大，進而引發襯砌開裂，圍巖沿行車方向不均勻沉陷，在拱腳位置將出現豎向開裂，并最終發展成為環向裂縫，沿隧洞橫截面方向出現不均勻沉陷，將誘發拱頂及隧道內路面縱向開裂。

2.2 隧道襯砌自然劣化

襯砌屬于混凝土結構，隨著服役年限的延長，襯砌混凝土容易出現碳化、開裂及滲漏病害，從而影響襯砌混凝土的力學性和耐久性；此外，滲水病害也是誘發襯砌開裂的一大因素，由于襯砌結構中存在鋼筋網、錨桿等金屬結構，在長期滲水環境下，金屬結構將發生電化學反應，生成氧化產物，最終表現為隧道襯砌的銹脹開裂；凍融循環作用下的凍脹裂縫多發于嚴寒地區隧道中，襯砌滲水在冬季嚴寒條件下凍脹后體積增加，融化后在對應位置易出現網狀開裂、蜂窩麻面等病害［3］。

2.3 人為因素

隧道在設計階段由于地質勘查數據不準確，導致圍巖分級判定存在誤差，在進行隧道襯砌設計時，存在強度設防不足的問題，在極端情況下將造成圍巖荷載超限問題；或未在必要地段進行專門的仰拱、防排水及襯砌強化設計，最終造成圍巖襯砌開裂病害。此外，施工階段的不當操作也會造成隧道襯砌開裂，比如，未對施工縫、變形縫進行合理處治，引發環向開裂；因超挖或者欠挖引起襯砌空洞，造成襯砌與圍巖貼合度不良，引發局部應力集中，并在拱腰位置出現襯砌開裂。

3 結語

運營期隧道襯砌開裂病害廣泛存在于在役公路隧道中，已經嚴重影響了隧道的健康運營，必須引起足夠的重視；對襯砌各種裂縫病害及成因進行準確定位和分類是隧道襯砌裂縫養護的基礎和前提，也將直接關系到公路隧道襯砌的養護質量。