隧道襯砌裂縫成因分析及處理方法

汪威

普洱交投路橋工程有限公司 云南普洱 665000

在建設公路隧道過程中，常見的問題類型是公路隧道特殊圍巖以及膏溶角礫巖。首先，隧道開挖的過程中會伴隨著應力場的重新分布，但這種分布也是有一定范圍的，而這種應力發(fā)生重分布區(qū)域內(nèi)的巖體，稱作圍巖。在實踐過程中，遇到的圍巖一般有如下幾種：堅硬塊狀巖石、層狀巖體、碎裂巖體、松軟巖體以及膏溶角礫巖。圍巖類型不同，對隧道質量產(chǎn)生的影響也不盡相同，但也有一些共同影響，即影響隧道路線的選擇，給隧道安全性造成威脅。

1 工程簡介

德安隧道為整體式隧道，德安隧道區(qū)位于德安鄉(xiāng)上曼村西南方向約200米，起訖里程：K100+215至K100+675，隧道長度460m。構造侵蝕中切割高中山地貌區(qū)，地形起伏較大，隧道附近省道S222邊坡一側部分地段有基巖出露。地形坡度較陡，地形坡度變化較大，隧道區(qū)高程介于1290.37-1373.3之間，相對高差82.93m，隧道進口段省道S222，交通便利。隧道線型為直線，隧道縱坡為1.65%，隧道圍巖等級V級，二次襯砌為C30鋼筋混凝土，厚度45cm[1]。

2 隧道襯砌混凝土開裂現(xiàn)象及原因分析

2.1 隧道襯砌混凝土裂縫分類

在隧道建成后5-10年內(nèi)裂縫產(chǎn)生的數(shù)量較少，在建成10年后由于各種原因也會出現(xiàn)損壞、滲漏等劣化現(xiàn)象。德安隧道共有315條縱向、斜向裂縫、環(huán)向裂縫、人字形裂縫及網(wǎng)狀裂縫，Lmax=22.00m，δmax=2.4mm，裂縫總長度1435.4m。本方案針對靜止裂縫編制，對活動裂縫和尚在發(fā)展裂縫，結合病害產(chǎn)生原因可采取圍巖注漿、襯砌加固、隧底加固等措施，依據(jù)裂縫寬度不同（以0.2mm為界限）采取表面封閉法或注射法。

2.2 隧道襯砌開裂的原因

除全環(huán)開裂外，大部分裂縫均主要分布在邊墻至拱腰范圍，拱腰至拱部幾乎未見開裂。初步分析隧道襯砌開裂原因如下：

（1）圍巖荷載作用。隧道圍巖在長期的施工過程中，可能發(fā)生松動或變形現(xiàn)象，作用于襯砌結構上后，導致二次襯砌承載過大，可能使襯砌結構開裂。該影響因素下襯砌結構易出現(xiàn)斜向及縱向裂縫。

（2）圍巖類型變化，產(chǎn)生不均勻沉降。隧址區(qū)位于較活動的滇西準地槽，地質構造較為復雜，褶皺及斷層極為發(fā)育，主要受古城斷層和新露頭褶皺影響，古城斷層（F15）橫穿隧道洞身段，受構造影響極大，基礎可能出現(xiàn)不均勻沉降，導致襯砌出現(xiàn)開裂。該影響因素下襯砌結構易出現(xiàn)環(huán)向裂縫，此類裂縫在施工縫及沉降縫處更為明顯[2]。

（3）空間及地形因素。隧道區(qū)構造侵蝕中切割高中山地貌區(qū)，地形起伏較大，坡度較陡，一般坡度20-40°，多林木（松樹）和灌木，隧道所在地段高程為1290.37-1373.3m之間，地形坡度變化很大，相對高差最大82.93m，巖體對隧道垂直應力作用明顯，經(jīng)查隧道進口洞頂靠右沿隧道走向存在一深溝，出口端路線在山腰穿行，存在一定的偏壓作用，易加劇洞內(nèi)二次襯砌變形開裂。

（4）地下水使圍巖產(chǎn)生膨脹。根據(jù)《德安隧道襯砌裂縫對結構安全性的影響分析報告》所示，隧道區(qū)土樣自由膨脹在43%-86%之間，具有弱-中等膨脹性，在地下水影響下，使圍巖膨脹，產(chǎn)生膨脹力，導致二襯荷載加大。

2.3 隧道襯砌混凝土溫度應力

（1）約束應力。由于襯砌混凝土結構溫度變化而產(chǎn)生溫度變形，當受到周圍結構（如隧道初期支護、圍巖等）約束時，溫度變形得不到釋放從而在混凝土結構內(nèi)部產(chǎn)生溫度應力。

（2）非線性應力。隧道襯砌混凝土澆筑完成后，其內(nèi)部溫度由于水泥水化放熱作用而迅速升高。當水泥水化放熱基本完成后，在環(huán)境溫度作用下混凝土表面和內(nèi)部溫度均開始下降。但由于混凝土導熱性能較差，襯砌混凝土表面溫度下降較快而內(nèi)部核心區(qū)混凝土溫度下降較慢，便在襯砌混凝土中出現(xiàn)溫度梯度。溫度不均勻分布直接導致大體積混凝土（隧道襯砌）內(nèi)部各位置處變形不均勻，從而出現(xiàn)自生應力。需要注意的是，大體積混凝土因溫度非線性分布產(chǎn)生的應力不受周圍約束條件的影響，即使大體積混凝土處于完全自由狀態(tài)，該溫度非線性應力仍然存在。在工程實踐中，隧道襯砌混凝土溫度應力為約束應力和非線性應力的疊加作用[3]。

3 隧道襯砌混凝土裂縫防治技術

按《公路隧道加固技術規(guī)范》（JTG/T5440）的規(guī)定，隧道模筑襯砌混凝土裂縫可分為靜止裂縫、活動裂縫和尚在發(fā)展裂縫，活動裂縫和尚在發(fā)展裂縫應在采取其他措施待裂縫停止發(fā)展后進行修補。

3.1 混凝土水化溫升調控技術

（1）使用低熱水泥。低熱水泥通過調整水泥熟料礦物組成，實現(xiàn)降低水泥水化放熱量、提高耐久性等目的。該水泥以硅酸二鈣為主要礦物，又稱為高貝利特水泥。采用低熱水泥代替普通硅酸鹽水泥配制隧道襯砌混凝土，將有效降低水泥水化過程的放熱量，從而顯著降低隧道襯砌混凝土溫升值，降低約束開裂風險。

（2）使用礦物摻和料。在高性能混凝土配制中使用的礦物摻和料主要包括粉煤灰、礦渣粉、硅灰等。這些礦物摻和料具有一定的水化活性，在水泥水化后期起到增加混凝土密實性、提高混凝土耐久性的作用。使用上述礦物摻和料替代一部分水泥將有效降低混凝土因水泥水化放熱導致的溫度升高，對于隧道襯砌混凝土等大體積混凝土結構意義重大。

（3）使用水泥水化溫升抑制材料。水泥水化溫升抑制材料是通過改變混凝土中水泥水化歷程來調控水化放熱，從而降低隧道襯砌等大體積混凝土水化溫升值。水泥水化溫升抑制材料主要包括復合型、蛋白質類、氨類水化抑制劑等。研究結果表明，水泥水化抑制劑的使用可顯著降低水泥水化72h的累積放熱量，減緩水泥水化放熱速率，推遲放熱峰出現(xiàn)。

3.2 隧道工程襯砌裂縫碳纖維加固法

襯砌裂縫病害是我們經(jīng)常見到的一種癥狀，現(xiàn)階段，實踐中最常使用的修補方法就是碳纖維加固法。這種方法的流程也是比較繁瑣的。首先，應當進行表層處理，清理公路隧道襯砌表面存在的凸起、灰塵等，確保公路隧道襯砌表面是干燥且潔凈的。對于碳纖維加固方法而言，這一步就是后續(xù)流程的地基，這一步的清潔程度直接決定后續(xù)的施工質量。其次，到了封閉裂縫處理這一階段，即采用粘膠等物質對裂縫進行填補，在這一過程中，應該注意控制底膠的厚度，過厚或過薄都不可能達到較好的修補質量。在這一步完成以后，仍然要對裂縫進行整平處理，進一步提升穩(wěn)固性。

3.3 混凝土溫度梯度調控技術

（1）控制混凝土入模溫度。混凝土入模溫度是其溫度變化歷程的起點，該參數(shù)對大體積混凝土溫度控制尤為重要。因為對于固定配合比的混凝土而言，其絕熱狀態(tài)下的溫度升高值可以認為是固定的?；炷寥肽囟仍礁?，其放熱量達到峰值時內(nèi)部最高溫度越高。當環(huán)境溫度一定時，混凝土內(nèi)部與隧道環(huán)境之間的溫度梯度越顯著，襯砌混凝土自身非線性溫度應力越大?；炷寥肽囟扰c水泥、粗細骨料、用于拌和的水等主要原材料的溫度密切相關，在工程實踐中可通過降低原材料溫度來實現(xiàn)對混凝土入模溫度的控制。尤其在夏季施工中，對該參數(shù)進行控制更為重要。TB/T3275-2018《混凝土》規(guī)定，混凝土的入模溫度不宜超過30℃，且與混凝土接觸的介質溫度不宜超過40℃。

（2）選擇適當?shù)酿B(yǎng)護方式。在隧道襯砌混凝土澆筑完成后進行適當?shù)酿B(yǎng)護是降低其溫度梯度的重要途徑之一。目前，國內(nèi)外隧道襯砌混凝土主要采用標準養(yǎng)護、氣霧養(yǎng)護、噴水和涂膜等養(yǎng)護方式。其中，對降低隧道襯砌混凝土溫度梯度最為有效的是氣霧養(yǎng)護。氣霧養(yǎng)護是采用蒸汽或噴霧的方式對隧道襯砌混凝土表面進行養(yǎng)護，使其表面保持在較高的溫度水平，從而徹底消除隧道襯砌混凝土早齡期溫度梯度，降低非線性溫度應力和開裂風險。在工程實踐中，可通過養(yǎng)護臺車實現(xiàn)對隧道襯砌混凝土的氣霧養(yǎng)護，養(yǎng)護臺車不僅可以對養(yǎng)護過程中的溫度、濕度進行實時監(jiān)控，還可以實現(xiàn)對養(yǎng)護關鍵數(shù)據(jù)的自動采集、記錄、存儲和傳輸。

4 結語

總之，作為城市發(fā)展的物質基礎，公路建設事業(yè)對我國的發(fā)展起著重要作用。良好的交通網(wǎng)絡不僅能夠給社會大眾提供良好的出行條件，更能夠促進一國經(jīng)濟的發(fā)展。因此，為了提高公路隧道建設技術和質量水平，需要利用下列措施確保裂縫的有效控制。

（1）公路隧道襯砌混凝土裂縫依據(jù)產(chǎn)生的原因可分為荷載裂縫和非荷載裂縫，其中非荷載因素導致的裂縫占總裂縫數(shù)的50%-70%。

（2）導致隧道襯砌混凝土非荷載裂縫產(chǎn)生的因素主要包括溫度應力和收縮應力。隧道襯砌為大體積混凝土，其非荷載裂縫主要是由溫度應力導致的。

（3）隧道襯砌混凝土在澆筑完成后由于水泥水化放熱，其內(nèi)部溫度逐漸升高。同時，在與環(huán)境熱量交換過程中也在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫度梯度。靠近隧道內(nèi)部溫度梯度較大，而靠近初期支護一側溫度梯度相對較小。

（4）通過降低襯砌混凝土整體水化溫升值和控制邊界溫度梯度，可降低隧道襯砌混凝土溫度開裂風險。降低水化溫升值可通過使用低熱水泥、礦物摻和料和水泥水化抑制材料來實現(xiàn)；控制邊界溫度梯度則可通過控制混凝土入模溫度、加強養(yǎng)護的方式實現(xiàn)。