高速公路隧道二襯超限裂縫成因及解決辦法

（中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 256102）

1 工程概況

本工程隧道是雙洞小凈距六車道的短隧道，右洞長322m、左洞長318m，二襯混凝土等級為C25，厚度保持在40～55cm 范圍。施工中多采用機械施工，針對不同級別的圍巖施工方法不同：III 級、IV 級、V 級圍巖分別用到了上下臺階法、中隔壁法以及雙側壁導坑法。

2 裂縫調查

二襯施工大約一年，有裂縫產生，之后施工人員對其長度、深度和寬度進行了勘測。在皮卷尺的作用下測定裂縫位置，利用鋼卷尺測量長度，通過BJCS-1 型混凝土裂縫測深儀測量深度。調查裂縫病害的詳細情況后需要進行后續的觀測，以確定裂縫后續發展的情況，方便制定具有針對性的裂縫治理方案。

在調查隧道自身狀態和裂縫形態之后，詳實記錄數據結果。2020年2月20日，在兩處裂縫上放置RTF 表面裂縫計進行三維位移監測，為了達到更好的監測目的，還在有裂縫的斷面二襯上設置了3 個拱頂下沉和收斂監測斷面。直到2020年3月25日共獲得了16 次數據。該階段裂縫自身寬度穩定，并無明顯變化。

3 裂縫產狀成因及影響分析

一般來說，學界探究襯砌裂縫產生原因的方式有模型試驗、理論分析、現場試驗和數值計算等多種方法[1]，為了方便研究，張素磊整理了可能的影響因素，具體包括“先拱后墻法”施工、地下水作用、偏壓、襯砌強度不足、未設仰拱、塑性地壓、圍巖處理不當、凍脹作用、地層擾動、襯砌背后空洞等。

（1）經過分析，施工縫處并沒有產生隧道裂縫，其也不是由于混凝土施工縫導致。通過閱讀監測資料，發現二襯周邊拱頂下沉速率不超過O.O7mm/d，位移速率不超過O.lmm/d，此時裂縫自身寬度未產生變化，圍巖較為穩定。對隧道二襯混凝土進行檢測之后，發現其厚度、強度均達到規范要求，檢查斷面未發現內侵。沉陷裂縫往往會發生錯位，特別是比較大的時候會和地面呈30～45°甚至發生垂直。對裂縫進行觀察，一般呈現出縱向，由于其發展方向并不是如上所述的30～45°方向發展，所以其并不是沉陷裂縫。

（2）在圍巖不穩定的情況下，縱向裂縫普遍發生在二襯拱頂上，而斜裂縫大多數存在于拱腰之上。通過檢測，現場中的二處裂縫均是拱頂處的縱向裂縫，在拱腰位置裂縫有縱、斜向發育的趨勢，由此可見隧道圍巖在壓力增大的情況下處于不穩定狀態。

（3）通過計算襯砌收縮應力可以得出，如果不及時養護混凝土或者搗振不充分，混凝土自身的抗拉強度小于徐變應力，此時會發生二襯開裂現象。開裂處離洞口只有大約10m，而且由于隧道處于入海口，混凝土進行拆模后在風速比較大的地方水分快速蒸發，所以不及時養護便會發生裂縫。

（4）通過進一步專項檢測發現，在展開二襯和初支層之間的注漿過程中，經常發生二襯施工縫中溢出漿液的情況，如圖1所示。通過觀測分析共總結出以下兩方面原因：一方面，二襯混凝土完成澆筑之后會收縮，此時初支層和二襯會出現脫空，因此與漿液通道相連；另一方面，隧道拱底的厚度不符合要求，上部結構太重，超過基底承載力承受范圍，因此上部結構出現豎向位移。之后基地圍巖開始固結，上部襯砌的變形不再明顯，但是此時未發生變形的初支結構出現了層間脫空。通過上述兩方面的分析可知，塑性地壓僅僅影響了初期支護，但是沒有影響二次襯砌，因此塑性地壓并不會導致二襯產生裂縫。

圖1 襯砌層間脫空施工縫漏漿

因此，導致隧道產生裂縫的原因有兩個：（1）二襯自身混凝土所占體積較大，所以后期會受到收縮應力的影響，當其本身的抗拉強度低于徐變應力時導致裂縫；（2）隧道圍巖穩定性不強，裂縫會由于圍巖壓力的增大而產生。

4 裂縫病害處理方案

對兩條拱頂縱向超限裂縫進行檢測。比較各個方案并最終決定對裂縫進行開槽理管注漿封閉，再利用鋼帶對二襯進行加固處理。

4.1 裂縫開槽埋管注漿

（1）順著裂縫發展方向，鑿一個上部、下部寬和槽深分別為6cm、9cm、10cm 的梯形槽，之后將10cm 的注漿鋼管埋入其中。

（2）為了形成注漿導向管，將騎縫鉆孔進槽里裂縫的表面。具體來說，孔深為1cm、孔距為50cm。

（3）為了讓裂縫不發生堵塞，利用不低于0.2MPa 的氣壓對裂縫、鉆孔內部的雜物進行清除，且利用丙酮清理槽。

（4）將L=20cm、lOcm 注漿鋼管固定在騎縫孔中，之后在槽上涂抹環氧樹脂混凝土。需等到環氧樹脂混凝土的強度符合設計要求后才可以利用注漿鋼管進行注漿。保證該過程中注漿鋼管和壓漿頭始終密閉。

4.2 粘貼鋼帶

待裂縫開槽理管注漿完成且強度符合規范要求之后，利用環向粘貼鋼帶對二襯表面進行加固。環鋼帶縱向間距維持在1m，寬、長分別為30cm、12m。

（1）正式施工前先打磨襯砌的表面2～3mm 之后漏出新面，為了讓襯砌表面更加干凈，還需要對粉塵進一步處理。

（2）為了在安裝錨固螺栓過程中不影響到受力主筋，先探測混凝土內部的鋼筋分布情況。鉆孔前先標位，之后精準開孔，在考察現場情況之后再調整螺栓環向間距。二次襯砌上固定好錨栓前要避開之前已經治理好的裂縫。

（3）為了讓后續柱壓順利進行，根據實際情況合理選擇預理灌膠嘴（環向間隔O.5～lm 設置）、出氣孔、粘合劑。固定鋼帶之后對其封邊。控制注漿壓力始終處于均勻、持續的狀態，以確保注漿密實度達到要求。完成上述工序之后，再次利用環氧樹脂膠漿進行封面，該過程中必須涂刷均勻，而且顏色和周邊混凝土的顏色維持相同狀態。其中所選鋼帶類型為進行除銹的Q235熱軋鋼帶。

4.3 處置技術

4.3.1 細微裂縫處治

細微裂縫的擴展性較弱，后期可自愈，對隧道襯砌結構的影響較小[2]。具體處治方法為：首先清理裂縫表面、涂刷環氧樹脂漿液，涂刷次數控制在2～3 遍為宜，接著涂刮抹料，處治裂縫，最后將色料涂刷在混凝土表面，保持修整后的混凝土表面與周圍其他混凝土顏色相同即可。

4.3.2 嚴重裂縫處治

嚴重裂縫是指裂縫寬度超過0.2mm 的裂縫，這類裂縫對高速公路隧道二次襯砌結構的影響較大，若不采取相應的處治措施，將極大影響高速公路的穩定性與安全性，造成更為嚴重的裂縫病害[3]。而嚴重裂縫應用最為廣泛的處治方式為高壓注漿。具體施工步驟如下：

（1）檢查裂縫情況，評估裂縫等級。

（2）清理裂縫兩側3cm 范圍內混凝土表面的雜質，清除表面松散混凝土，鑿除空鼓與蜂窩結構，為后續裂縫處治創造良好的基礎[4]。

（3）檢查裂縫方向，并沿著裂縫方向鉆槽，鑿出寬度為5cm、深為6cm的V 形槽。

（4）以20～40cm 為一個單位，在V 形槽開展鉆孔作業并設置注漿嘴。

（5）沿著注漿嘴實施封閉作業，采用環氧膠泥作為封閉材料。

（6）加壓試驗，檢查裂縫封閉效果。

（7）高壓注漿，灌注混凝土，處治裂縫。

（8）注漿作業質量驗收，驗收合格后及時拆除注漿嘴和清理裂縫封口位置的環氧膠泥。

（9）刮抹防水涂料，日常養護。

（10）在混凝土表面涂刷色料，保持修整后的裂縫表面與周圍其他混凝土顏色一致，保證高速公路的整體性與美觀性[5]。

5 結構受力計算分析

對隧道缺陷修復前后數值模擬進行分析，且對襯砌處理完后自身的變形和受力進行對比分析，最終評估隧道結構修復之后的安全性。綜合考量二襯厚度后，對YK23+028 斷面也就是二襯最薄進行計算。

5.1 計算模型

采用巖土及地下工程專業有限元計算軟件MIDAS GTS NX 建立二維地層一結構法計算模型。模型中圍巖及二襯采用四邊形實體單元模擬，初支采用梁單元模擬，初支錨桿則采用桿單元模擬。圍巖采用彈塑性木構關系，Mohr-Columb 屈服準則，其余結構均定義為彈性材料。建立的二維有限元模型寬180m、高為120m，共劃分了5889 個節點、5704 個單元。

5.2 計算結果

（1）位移結果。觀察豎向位移云圖發現，仰拱中部發生了0.5cm 的上抬，拱頂發生了0.44cm 的沉降。觀察二襯X 向位移云圖對比二襯變形的情況，詳細來說，左側拱腰X 發生了0.35mm 的位移，而右側則發生了-0.36mm。

（2）圍巖屈服區結果。左右側拱腳部位是圍巖屈服務區，且寬度為1.5m。

（3）二襯應力結果。從二襯最大主應力結果來看，右拱腰處出現的是拉應力，除此之外均為壓應力。從最小主應力結果來看，二襯左、右拱腳處出現了二襯的最大主應力，為6MPa，混凝土抗壓強度達到了C25 的強度。根據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG 3370.1—2018）可知，混凝土結構自身的抗拉、抗壓極限強度的安全系數分別是3.6、2.4。針對木斷面的混凝土來說均符合上述規范要求。

6 結束語

綜上所述，對襯砌以及裂縫分別進行詳細檢測和詳實監測之后，發現隧道兩處裂縫的形成有兩個原因：一是混凝土的抗拉強度小于其徐變應力；二是由于圍巖壓力不斷增大，隧道圍巖也變得處于不穩定狀態。待檢測統計好裂縫的長、寬、深后確定裂縫的健康等級。針對拱頂縱向出現的超限裂縫，需要進行開槽理管注漿。為了抑制襯砌的變形，利用粘貼鋼帶對二襯表面進行固定。之后分析隧道二襯受力情況，再進一步調整施工參數。本文工程最終取得了良好的處治效果，可為今后類似工程提供參考。