既有公路隧道衬砌裂缝成因分析

李亚利　魏建华

（1.河北远洲工程咨询有限公司，河北石家庄　050000；2.河北交通职业技术学院，河北石家庄　050000）



既有公路隧道衬砌裂缝成因分析

李亚利1魏建华2

（1.河北远洲工程咨询有限公司，河北石家庄050000；2.河北交通职业技术学院，河北石家庄050000）

摘要：通过对省内既有公路隧道衬砌裂缝进行调查研究，总结了衬砌裂缝的分布形态，从设计、施工、温差、地下水等方面分析了衬砌裂缝产生的原因，并提出一些合理的处理建议，有利于保证公路隧道的安全运营。

关键词：隧道，衬砌裂缝，分布形态，裂缝成因

0　引言

衬砌裂缝是常见的衬砌病害类型。JTG H12—2015公路隧道养护技术规范中，衬砌所占的分项权重为40，是最重要的。规范还规定：隧道拱部衬砌出现大范围开裂、结构性裂缝深度贯穿衬砌混凝土时，隧道土建技术状况直接评定为5类。由此可见衬砌裂缝在隧道各类病害中的重要性。衬砌裂缝是导致既有隧道渗漏水的主要原因，严重裂缝甚至会引起结构的承载力急剧下降，导致衬砌结构突然失稳和垮塌。衬砌裂缝亦是既有公路隧道安全运营评价的重要指标之一。

笔者多年来对省内既有高速公路隧道和干线公路隧道进行定期检查时发现，正式通车运营2年以上的既有公路隧道，100%都存在衬砌裂缝。干线公路隧道衬砌裂缝明显比高速公路衬砌裂缝数量多、宽度大。因此，及时调查发现裂缝，合理分析裂缝产生原因并提出针对性的处理建议是至关重要的。笔者对省内既有公路隧道衬砌裂缝进行了汇总研究，总结了衬砌裂缝的分布形态，分析了衬砌裂缝产生的原因。

1　衬砌裂缝分布形态

1.1竖向（环向）裂缝

隧道衬砌竖向（环向）裂缝垂直隧道轴线，多发生在施工缝、沉降缝、不同地质地段相接处，最典型的位置是每一板模筑混凝土的中间部位。裂缝一般自边墙底部开始至拱腰处结束，左右边墙处基本对称，部分裂缝向上延至拱顶相接，呈环状贯穿衬砌横断面，见图1。裂缝数量多，分布规律基本一致。

图1　衬砌竖向（环向）裂缝分布示意图

1.2纵向裂缝

隧道衬砌纵向裂缝平行于隧道轴线，多发生在拱顶和拱腰部位，并且拱腰分布比拱顶数量多，如图2所示。该类裂缝数量所占比例较小，但其危害性最大，若裂缝发展则可引起隧道衬砌断裂或塌方。

1.3斜向裂缝

隧道衬砌斜向裂缝一般和隧道纵轴呈45°左右，多发生在拱腰和边墙部位，见图3。该类裂缝数量所占比例较小，但其危害性仅次于纵向裂缝。

图2　衬砌纵向裂缝分布示意图

图3　衬砌斜向裂缝分布示意图

1.4组合裂缝

图4　衬砌裂缝

由上述3种裂缝中的两种或多种组合而成，一般呈X形、Y形，裂缝数量多分布密时形成网裂。

以某高速隧道为例，该隧道为分离式，双车道。右洞净宽10. 75 +2×0. 75 =12. 25 m，净高5 m，长度为813 m。该隧道右洞存在裂缝共计161条，其中，环向裂缝78条，占48. 5%，环向裂缝长度多介于2 m～7 m，裂缝最长环向贯通隧道。裂缝宽度多介于0. 20 mm～0. 40 mm，最大缝宽3. 00 mm。斜向裂缝59条，占36. 6%。纵向裂缝24条，占14. 9%，斜向裂缝长度多介于1 m～3 m，最长达18. 5 m，最大缝宽1. 09 mm。纵向裂缝长度多介于5 m～12 m之间，拱顶部分纵向裂缝较长，最大长度为26. 5 m，裂缝宽度多介于0. 10 mm～0. 80 mm，最大缝宽2. 28 mm。

典型衬砌裂缝见图4。

2　衬砌裂缝发展趋势

笔者通过汇总近年来省内既有公路隧道的定期检查数据，分析比较近5年的定期检查报告和管养部门的养护资料，分析得出衬砌裂缝存在如下发展趋势：

1）大部分隧道衬砌裂缝长度和宽度基本无明显变化。

2）裂缝宽度与温度有一定关系，检测季节不同，裂缝会有所不同。冬季裂缝宽度和数量较夏季要大一些。此规律在北部寒冷地区尤为明显。

3）部分隧道衬砌在碱蚀、干缩等多种因素作用下产生少量新裂缝，隧道洞口附近的裂缝增加较为明显。

4）通过对已灌缝处理裂缝进行比较分析，发现大部分灌缝处理的裂缝灌缝效果较好，几乎无开裂发展。由此也可判断裂缝总体上基本趋于稳定。

5）部分隧道抹面封闭裂缝局部重新开裂，这与处理裂缝的工艺方法和多种因素作用导致裂缝重新开裂有关。

3　衬砌裂缝主要成因分析

3.1设计原因

由新奥法原理可知初期支护是承载主体，它能充分发挥围岩的自承作用，使二次衬砌所受的力减到最小，亦即二次衬砌作为安全储备。而当初期支护承载能力不足时，二次衬砌参与受力，当受力过大超过混凝土的拉应力时导致出现衬砌裂缝。因此初期支护的承载能力和二次衬砌的安全储备均不容忽视。JTJ 026—90和JTG D70—2004公路隧道设计规范中，对复合式衬砌各设计参数存在差别。

笔者对不同设计时间的2座断面基本相同的隧道复合式衬砌结构相关参数进行了对比（见表1），可以得出：依据JTG D70—2004设计的隧道在中空锚杆、钢筋网、钢格栅、喷射混凝土强度、预留变形量、二次衬砌混凝土强度等方面均有所提高。

表1　不同设计时间的2座隧道衬砌结构对比表

另外，设计时若对不良地质围岩考虑不恰当，则会造成初期支护设计相对较弱。地质不良地段围岩容易产生坍塌，使地层压力增大或造成偏压，轻者引起衬砌开裂，严重的导致衬砌破坏。

3.2施工原因

1）施工过程中未严格按新奥法要求施工。

施工过程中未严格按新奥法要求进行施工是导致二次衬砌产生裂缝的因素之一。主要体现在施工期间未有效开展监控量测工作，对新奥法的认识模糊，隧道施工过程中不能很好的理解与贯彻利用围岩、初期支护及二次衬砌三者之间的关系，初期支护的稳定时间和二次衬砌的施作时间不尽合理，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力，导致二衬开裂。

2）施工不当引起的裂缝。

a.模筑混凝土施工时施工工艺有缺陷，造成混凝土产生竖向裂缝。该裂缝在早期即发生且趋于稳定，无外力作用一般不会发展。

b.模筑施工时预留拱部下沉量设置不当，或边墙基础的虚碴未清理干净，混凝土浇筑后，拱脚或基底产生不均匀沉降容易产生变形裂缝。

c.施工过程中由于停电、机械故障等原因迫使混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间，继续浇筑混凝土时，原有的混凝土表面处理不当，致使新旧混凝土接槎间出现裂缝。

3.3温差影响

公路隧道衬砌为封闭环，气温骤降时，临空表面变形自由，与围岩密贴面变形受到约束，衬砌内外剧烈的温差使衬砌产生较大拉应力，造成混凝土衬砌开裂。该裂缝具有规律性，它们一般沿隧道的环形方向分布，间距相等。公路隧道衬砌模筑混凝土施工时每板长度约为8 m～10 m，由于温差引起的最大拉应力在中间，如其超过抗拉强度，则衬砌出现开裂，于是应力重分布，而应力分布后的部分最大拉应力仍然在开裂后的每段中部出现，当其仍超过抗拉强度时，又将第二次出现裂缝，如此下去，均从中间开裂，一直到中间最大拉应力小于混凝土的抗拉强度，裂缝便稳定，不再增加［5］。

3.4地下水影响

JTJ 026—90公路隧道设计规范版中隧道永久荷载未考虑水压力，JTG D70—2004版中考虑了水压力，水压力对隧道衬砌结构的作用是不容忽视的。若地下水不能有效的排出，则作为外力作用于支护衬砌结构，水压力作用会打破隧道原有的平衡状态，使衬砌受到侧向压力，引起隧道从拱部到边墙的水平裂缝及环状开裂。省内隧道所处地质均存在含水段，水文地质情况为渗水或滴水。通过实地调查可知，隧道均存在渗水痕迹，因此地下水对隧道衬砌的影响不容忽视。另外，地下水还会使衬砌混凝土的材质劣化，在围岩应力、温度应力、冻融影响等因素综合作用下，加速衬砌裂缝病害的发生和发展。

4　结语

隧道衬砌裂缝成因复杂，衬砌结构设计较为薄弱、施工不当、温差、地下水等多方面的因素导致了裂缝的出现。大部分隧道衬砌裂缝总体上基本趋于稳定，不影响隧道结构的安全运营。考虑到隧道结构的耐久性，建议对衬砌裂缝加强观测和及时封闭处理。

参考文献：

［1］JTG H12—2003，公路隧道养护技术规范［S］.

［2］JTG H12—2015，公路隧道养护技术规范［S］.

［3］JTG D70—2004，公路隧道设计规范［S］.

［4］JTJ 026—90，公路隧道设计规范［S］.

［5］蒲眷平，夏才初，李永盛，等.隧道的温度应力及由其引起的裂缝开展规律的研究［J］.中国公路学报，2000（2）：76-79.

［6］叶英.运营隧道管养指南［M］.北京：人民交通出版社，2013：470.

On reasons for lining cracks in tunnels of existing roads

Li Yali1Wei Jianhua2
（1. Hebei Yuanzhou Engineering Consultancy Co.，Ltd，Shijiazhuang 050000，China；2. Hebei Jiaotong Vocational and Technical College，Shijiazhuang 050000，China）

Abstract：According to the lining cracks in tunnels of existing roads，the paper undertakes the investigation and research，sums up the distribution of the lining cracks，analyzes some reasons for the lining cracks from the design，construction，temperature difference，and underground water，and points out some reasonable treatment suggestions，so as to ensure the safe operation of road tunnels.

Key words：tunnel，lining crack，distribution，crack reason

中图分类号：U457

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0183-03

收稿日期：2016-01-12

作者简介：李亚利（1980-），男，硕士，工程师；魏建华（1979-），女，讲师