高速公路隧道襯砌開裂的原因與對(duì)策分析

中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530000

1 工程概況

某高速公路段主線起訖里程為YK16+940～YK20+160，總長度為3.22km，采取雙向六車道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度為100km/h。該段整體式路基寬33.5m，分離式路基寬16.75m，沿線建設(shè)有1座隧道，左洞1417m、右洞1429m。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查后發(fā)現(xiàn)襯砌存在開裂現(xiàn)象，需要分析成因并正確處理。

2 襯砌開裂概述

二次襯砌開裂普遍集中在中隔墻、邊墻及拱頂處，各自的縫寬具有差異性，且?guī)聿煌潭鹊挠绊懀F(xiàn)就具體情況做如下分析。

（1）中隔墻。中隔墻的沉降縫和施工縫存在橫向錯(cuò)位現(xiàn)象，錯(cuò)位量普遍集中在3～6cm，最嚴(yán)重區(qū)域可達(dá)到12.5cm。中隔墻較初始狀態(tài)有所下沉，頂部和起拱線相連接的區(qū)域存在貫穿性裂縫，嚴(yán)重影響裂縫所在結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。墻內(nèi)鋼筋未得到有效的防護(hù)，局部裸露于外界，嚴(yán)重的區(qū)域有折斷現(xiàn)象，穩(wěn)定性明顯不足。

（2）邊墻。邊墻存在較多的縱向裂縫和斜向裂縫，各自寬度普遍達(dá)到0.3mm以上，嚴(yán)重區(qū)域約20mm。

（3）拱頂。上行線的拱頂處分布有大量的縱向裂縫，寬度為0.3～10mm，以YK18+900～YK18+940段最為明顯。下行線裂縫主要見于YK18+920～YK18+930段，縫寬0.3～15mm。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)勘察后可知，裂縫總長約2200m，多為縫寬0.3～3.0mm的裂縫，總長約1000m，縫寬超過0.3mm的裂縫達(dá)到900m左右，剩余部分普遍為縫寬在0.3mm以下的裂縫。

（4）根據(jù)上述描述，YK18+900～YK18+940段的襯砌裂縫病害較為嚴(yán)重，其中，出口段的襯砌已經(jīng)受到較為明顯的破壞，局部邊墻和中隔墻存在斷裂的情況，襯砌的承載能力明顯下降，難以滿足隧道的穩(wěn)定性要求。

3 襯砌開裂的成因

隧址區(qū)山體的整體穩(wěn)定性較好，但依然存在三個(gè)明顯的非穩(wěn)定區(qū)，以砂、黏土和塊石居多，構(gòu)成具有易失穩(wěn)特性的松散層，加之雨水、隧道開挖擾動(dòng)等因素的干擾，導(dǎo)致襯砌難以維持正常使用的狀態(tài)。第一個(gè)非穩(wěn)定區(qū)分布在隧道出口處，塊石和沙黏土占比較大，強(qiáng)度偏低。現(xiàn)場(chǎng)地形較陡，遇強(qiáng)降雨天氣后巖土體因吸水而導(dǎo)致重度明顯提高，變形流動(dòng)幅度加大，易對(duì)隧道帶來顯著的側(cè)向推力。受此影響，出現(xiàn)隧道側(cè)移和襯砌受損的情況。第二個(gè)非穩(wěn)定區(qū)分布在隧道頂部，在開挖擾動(dòng)性作用下，形成明顯的節(jié)理裂隙帶，內(nèi)部以充填砂和黏土居多，強(qiáng)度和模量均偏低，存在塌方冒頂?shù)目赡堋５谌齻€(gè)非穩(wěn)定性分布在山坡淺表松散層，以砂和風(fēng)化殘余塊體為主，遇水后失穩(wěn)，流動(dòng)性明顯增加，進(jìn)而發(fā)生淺表滑坡現(xiàn)象。不良地質(zhì)條件下將明顯加大隧道施工難度，洞口圍巖易由于受擾而失穩(wěn)，存在諸多不可預(yù)見因素，若缺乏可行的施工技術(shù)，則將直接影響施工質(zhì)量，甚至引發(fā)安全事故。

4 襯砌開裂的處治措施

4.1 增設(shè)架立鋼筋，提高整體穩(wěn)定性

（1）二襯鋼筋安裝前，按橫向2m、環(huán)向1.2m的間距標(biāo)準(zhǔn)架立鋼筋，材料的具體型號(hào)需與環(huán)向鋼筋保持一致，以構(gòu)成相協(xié)調(diào)的整體。（2）架立定位鋼筋應(yīng)滿足位置精度要求，因此施工前組織測(cè)量工作，對(duì)環(huán)向定位筋測(cè)量放樣，以此為依據(jù)將環(huán)向定位筋安裝到位，無誤后再于該處通過焊接的方式設(shè)置橫向架立鋼筋，以隧道中心線為基準(zhǔn)呈兩側(cè)對(duì)稱布置，具體情況如圖1所示。（3）架立筋安裝到位且經(jīng)過焊接處理后，綁扎外層（即第一層）二襯拱墻鋼筋，具體情況如圖2所示。（4）外層二襯拱墻鋼筋安裝到位后，取環(huán)向和橫向鋼筋的交接區(qū)域，于該處焊接“L”形支撐筋，在發(fā)揮出支撐作用的同時(shí)確定第二層鋼筋的具體安裝位置。定位筋端頭至第二層鋼筋的長度應(yīng)小于保護(hù)層厚度3mm，以免在澆筑后露筋。（5）“L”形支撐筋安裝完成后，組織第二層鋼筋的測(cè)量放樣工作，并在預(yù)先設(shè)置的定位筋上做好標(biāo)識(shí)。在定位筋的兩端頭上拉設(shè)水平線，經(jīng)焊接后穩(wěn)定設(shè)置橫向架立鋼筋，使其具有平、直的特點(diǎn)，然后將橫向架立鋼筋與定位鋼筋連接，在此基礎(chǔ)上綁扎第二層鋼筋。（6）二襯臺(tái)車模板為襯砌處治工作中的重要裝置，若存在尺寸誤差，將導(dǎo)致成型后的保護(hù)層厚度存在偏差，因此需嚴(yán)格控制其尺寸精度。在二襯臺(tái)車定位前，需要復(fù)核二襯臺(tái)車模板的尺寸，將實(shí)測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比分析，若無誤則對(duì)臺(tái)車進(jìn)行定位，隨后再次復(fù)核二襯臺(tái)車模板，要求其輪廓線與襯砌的內(nèi)輪廓線的偏差控制在許可范圍，否則需及時(shí)調(diào)整二襯臺(tái)車模板，直至其定位可滿足要求為止[1]。

圖1 外層鋼筋架立筋安裝

圖2 外層鋼筋安裝

4.2 襯砌開裂的加固方法

鑒于襯砌開裂的情況，需通過化學(xué)灌漿等方式修補(bǔ)，具體應(yīng)根據(jù)裂縫的寬度采取合適的方法以及材料。（1）縫寬在0.3mm以下的裂縫，允許直接進(jìn)行表面封堵，材料可選擇YZJ-1型結(jié)構(gòu)膠，應(yīng)保證各處涂抹厚度具有均勻性。（2）縫寬在0.3～3mm的裂縫，依然以灌縫處理的方式為宜，所用材料為YZJ-5型結(jié)構(gòu)膠。（3）縫寬超3mm的裂縫，其處理難度較大且工序較多。首先需全面檢查裂縫的情況，鑿除裂縫的松動(dòng)部分，全面清理鑿除期間產(chǎn)生的雜物，再向其中灌入高強(qiáng)微膨脹無收縮化學(xué)灌漿材料，在該灌漿料的作用下使開裂的結(jié)構(gòu)連接于一體。（4）襯砌部分區(qū)域存在混凝土破損的情況，可通過插筋的方式處理或是用纖維混凝土補(bǔ)強(qiáng)，但此時(shí)所用的纖維混凝土強(qiáng)度應(yīng)高于既有結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度。（5）對(duì)于錯(cuò)臺(tái)病害，需鑿開該處的鋼筋混凝土，選擇全新的且質(zhì)量達(dá)標(biāo)的鋼筋，重新焊接到位，再組織澆筑作業(yè)，使實(shí)際高度略高于原混凝土，同時(shí)合理修正，以保證鋼板可穩(wěn)定粘貼到位，使其與混凝土之間不形成間隙。（6）對(duì)于邊墻和中隔墻兩部分的病害處理，則需要完成基礎(chǔ)灌漿作業(yè)，以提高基礎(chǔ)的穩(wěn)定性；加強(qiáng)處理兩處的局部時(shí)，應(yīng)先灌縫，解決結(jié)構(gòu)松散的問題，再粘貼鋼板，最后植筋以確保鋼板具有穩(wěn)定性。（7）拱頂和邊拱兩部分的處理可采取對(duì)拱外圈灌漿的方式，使原本處于松散狀態(tài)的結(jié)構(gòu)連接成穩(wěn)定的拱圈，再粘貼鋼板。（8）鋼板安裝到位后，于該處設(shè)置錨栓，保證鋼板具有穩(wěn)定性，正常情況下錨深以160mm為宜，遇特嚴(yán)重區(qū)域時(shí)適當(dāng)加大錨深；若無誤，則在鋼板上焊接環(huán)向I20a工字鋼，均勻涂抹結(jié)構(gòu)膠，以便構(gòu)成具有封閉特性的空間。

4.3 混凝土裂縫的防控措施

混凝土裂縫的防控需嚴(yán)把原材料質(zhì)量關(guān)。（1）水泥：以普通硅酸鹽水泥為宜，在不影響混凝土工程性能的前提下需適當(dāng)減少單位水泥的用量。（2）碎石：以泵送管路的內(nèi)徑為依據(jù)合理選擇碎石，粒徑以5～31.5mm為宜，含泥量≤1%，針片狀含量≤15%。（3）砂：以級(jí)配良好的中砂為宜，要求含泥量在3%以內(nèi)。考慮到運(yùn)輸、泵送及澆筑各環(huán)節(jié)的施工需求，將砂率設(shè)為35%～45%。

4.4 加強(qiáng)對(duì)混凝土施工工藝的控制

（1）根據(jù)規(guī)范將鉆孔作業(yè)落實(shí)到位，視實(shí)際情況優(yōu)化鉆爆參數(shù)；開挖期間加強(qiáng)檢測(cè)，掌握實(shí)際開挖進(jìn)尺情況，避免超欠挖現(xiàn)象，以便給后續(xù)的襯砌施工創(chuàng)設(shè)良好的條件。（2）待圍巖和初期支護(hù)均維持穩(wěn)定或變形量極小時(shí)，即可組織二次襯砌施工作業(yè)。遇圍巖變形量偏大的情況時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提前二次襯砌的施作時(shí)間，必要時(shí)對(duì)襯砌采取加強(qiáng)措施，確保穩(wěn)定性[2]。（3）按現(xiàn)場(chǎng)施工需求生產(chǎn)混凝土，嚴(yán)格控制配合比，定期校正計(jì)量裝置，精準(zhǔn)稱量水泥、碎石、砂等材料，避免用量誤差。加強(qiáng)對(duì)砂石料含水率的檢測(cè)，給予充分的攪拌，使原材料可混合均勻。夏季施工時(shí)氣溫相對(duì)較高，若實(shí)測(cè)氣溫值達(dá)到32℃以上，應(yīng)搭建遮陽棚，以便有效防護(hù)砂石料，并利用冷水沖洗碎石，降低其溫度[3]。

4.5 灌注

（1）按預(yù)先規(guī)劃的路線及時(shí)運(yùn)輸混凝土，泵送期間不宜加水。（2）灌注速度不宜過快，兩側(cè)邊墻對(duì)稱分層依次灌注到位，到達(dá)墻、拱交界區(qū)域時(shí)需要暫停1h左右，觀察邊墻混凝土的實(shí)際狀況，若下沉穩(wěn)定，則灌注拱部混凝土。（3）灌注期間加強(qiáng)振搗，減小內(nèi)部氣孔數(shù)量，提高混凝土的密實(shí)性與平整性。

5 結(jié)束語

綜上所述，在完成對(duì)襯砌的加固處理后，將隧道襯砌加固前后的收斂量和拱頂下沉量進(jìn)行對(duì)比分析。根據(jù)所得結(jié)果可知，加固前單日收斂量可達(dá)到0.62mm，而在采取加固措施后，單日收斂量可減少至0.049mm；拱頂下沉方面，未加固前平均量為0.83mm，經(jīng)加固后可縮減至0.054mm。總體來看，所采取的襯砌加固措施具有可行性，隧道襯砌開裂、變形等質(zhì)量問題得到了有效解決，可滿足預(yù)期要求，能夠給高速公路隧道后續(xù)的建設(shè)工作奠定良好的基礎(chǔ)。