公路隧道襯砌空洞成因及典型破壞形式

翟志強

山西遠方路橋（集團）有限責任公司 山西大同 037006

1 本文研究背景

部分公路隧道在貫通通車后，隨著運營年限的增長，隧道內壁將逐漸出現襯砌開裂、襯砌剝離掉落、內壁滲水等問題，如果后續養護工作不及時，初期的襯砌病害將快速劣化，且病害發展進度不斷加快，嚴重情況下將導致隧道襯砌大面積開裂、剝離，嚴重削弱隧道襯砌對隧道圍巖的約束作用，襯砌碎渣及滲水聚集在路面上嚴重影響隧道的安全、順暢通行。通過分析部分公路隧道襯砌病害案例發現，隧道襯砌病害基本歸因于內部空洞、襯砌厚度不均勻等因素；尤其是隧道拱頂位置，受襯砌空洞的影響更加顯著，由于空洞的出現，襯砌在外荷載作用下出現一定的應力重分布現象，進而影響襯砌的整體力學行為，造成部分位置拉應力超限，最終誘發襯砌開裂、剝離及滲水病害[1]。

在公路隧道施工實踐中，新奧法施工方案在隧道掘進及圍巖支護中的應用較為廣泛，采用新奧法開挖的隧道，圍巖襯砌結構由初期支護和二次襯砌兩部分構成；初期支護根據隧道圍巖等級及穩定性情況一般選用錨桿噴射混凝土或增設鋼拱架，二次襯砌由混凝土整體澆筑，初期支護與二次襯砌共同構成隧道圍巖復合襯砌結構；但在具體施工過程中，受累于施工條件、現場質量控制、人為因素及環境條件等因素，隧道圍巖襯砌背后容易出現空洞病害，空洞的隨機分布不同程度上破壞了隧道圍巖復合襯砌結構的穩定性和完整性[2]。

2 公路隧道襯砌空洞成因分析

目前，為了提高檢測效率，降低空洞檢測對隧道圍巖襯砌結構的破壞程度，在公路隧道襯砌空洞病害檢測中，常用到地質雷達；通過總結大量無損檢測數據發現，襯砌空洞廣泛存在于初期支護和二次襯砌中，且襯砌空洞分布有明顯的差異性，絕大多數空洞集中分布在隧道拱頂位置，而隧道拱腰及邊墻位置的空洞分布數量相對較少，且襯砌空洞容易以集群的形式出現；此外，隧道圍巖襯砌空洞數量與圍巖等級并無明顯的相關關系，等級介于Ⅱ～Ⅴ范圍內的圍巖均會出現襯砌空洞病害。

2.1 地質及水文等內部成因分析

隧道地質及水文等條件作為外部影響因素對圍巖襯砌空洞影響尤為顯著，是造成隧道初期支護空洞的重要誘因之一；由于隧道圍巖等級差異，在開挖掘進過程中，由于圍巖風化程度、巖石節理發育程度、天然斷裂帶分部等條件差異，均為圍巖襯砌空洞的出現提供了天然條件。在圍巖等級較高的區段，由于巖體節理發育成熟，圍巖基本呈散粒狀，在采用爆破開挖時，很容易造成圍巖超挖或者欠挖問題，初期支護如果不能及時跟進或支護不到位，極易在初期支護背后產生空洞；此外，隧道圍巖滲水也是造成初期支護背后空洞的主要原因，富集在隧道圍巖中的徑流水長期沖刷，并裹挾大量泥沙，最終造成襯砌背后空洞病害，對于出現圍巖涌水病害的區段，初期支護混凝土無法及時封堵涌水，在涌水壓強作用下，導致混凝土支護出現永久性大變形，進而引發支護背后空洞病害[3]。

2.2 施工及人為等外部成因分析

因施工及人為等外部成因導致的襯砌空洞病害廣泛存在于初期支護和二次襯砌結構中。初期支護空洞病害集中出現在爆破開挖的隧道襯砌中，由于爆破材料布置不合理導致圍巖爆破不徹底或者爆破當量過大，最終引起圍巖超挖或者欠挖問題，此外，由于隧道勘察階段工作不到位，導致勘察數據不準確，在爆破設計過程中出現爆破當量設計過大或不足的問題，同樣引起超挖或欠挖問題，圍巖超挖或欠挖造成圍巖表面平整度下降，加之圍巖基面爆破碎屑清理不徹底，導致初期支護混凝土無法與圍巖緊密貼合，從而形成襯砌空洞；初始噴射混凝土完成后，加掛鋼筋網與混凝土初噴面貼合不良，加之現場復噴射作業不規范，在圍巖與支撐拱架等交界位置存在不密實問題，最終導致復噴混凝土形成封閉背后空洞。

二次襯砌背后空洞病害主要受襯砌混凝土自身性能和澆筑模板剛度水平影響。隧道圍巖二襯砌結構使用模板混凝土，如果襯砌混凝土本身性能不達標勢必會引發襯砌背后空洞病害，由于混凝土原材料質量不達標、配合比設計不合理、拌和質量控制不當等原因導致襯砌混凝土強度、塌落度、干縮性等因素不滿足設計要求，襯砌混凝土在凝結硬化過程中出現明顯干縮、剛度不足等問題，引起二襯砌與初期支護之間的貼合性下降，在二襯砌背后形成非連續空洞。此外，由于襯砌混凝土模板自身剛度不足，拱頂模板出現明顯沉降，模板沉降引發拱頂襯砌混凝土沉陷，最終在拱頂模板支架附近出現空洞病害。

3 公路隧道襯砌空洞典型破壞形式概述

空洞在公路隧道襯砌中廣泛存在，長期出現的襯砌空洞勢必會影響隧道襯砌的穩定性和完整性，給隧道正常通行造成不利影響；空洞對隧道圍巖襯砌的破壞主要通過圍巖對襯砌壓力的變化得以體現，由于襯砌受圍巖壓力被迫改變，導致襯砌內力響應異常，最終表現為襯砌開裂、剝離、掉落等病害。

因襯砌背后空洞引發的襯砌破壞大致可分為以下三種形式。第一，失去襯砌約束的圍巖穩定性和承載能力均下降；空洞分布于襯砌和隧道圍巖之間，影響了襯砌與圍巖之間的貼合性，襯砌與圍巖之間的傳力路徑被迫改變，襯砌對圍巖的約束反力下降，圍巖在自重、滲流等因素的綜合作用下相繼出現應力松弛、大變形等問題，最終演變為失穩、塌落病害，累及隧道襯砌結構。第二，襯砌承載能力被削弱；襯砌空洞間接影響地面反力對襯砌的約束作用，襯砌失去約束而向圍巖反方向變形，局部薄弱位置在變形擠壓作用下出現開裂。第三，襯砌滲水引起的滲漏、凍脹及銹蝕破壞；圍巖徑流水長期集聚在空洞內并向襯砌內部滲透，經過冬夏季凍融循環后，襯砌出現凍脹、滲漏破壞，襯砌內鋼筋在浸水條件下則出現銹蝕破壞。

4 結語

綜上，本文以公路隧道襯砌空洞病害為研究對象，詳細闡述了隧道不同襯砌結構的空洞病害成因，最后簡單概述了部分隧道圍巖襯砌空洞病害的典型破壞形式。