浅析公路隧道衬砌裂缝检测和治理对策

覃慧

【摘 要】隧道工程属于生命线工程，公路隧道开凿的主要目的就是绕过岩石和水体障碍，实现公路交通的畅通，公路隧道在人们的日常生活中发挥着极为重要的作用。文章以某隧道工程为例，介绍了公路隧道施工过程，分析了衬砌裂缝产生的原因和公路隧道衬砌裂缝的常规检测方法，并提出了公路隧道衬砌裂缝的治理对策。

【关键词】公路隧道;衬砌裂缝;检测;治理对策

【中图分类号】U457.2 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）02-0110-03

1 工程概况

选取国内某省公路段作为本文的研究对象，首先对该省内的公路段进行分析，深挖路埑为该省内公路段的原设计方式，但是在削坡施工的过程中公路段上方山地出现滑坡、坍塌等事故，对于工程施工的安全造成严重的威胁。为此，该段公路暂停施工查明该段施工公路的工程地质条件，从而为公路隧道设计或路埑边坡设计提供可靠的地质资料。经过对该段公路施工区域地质条件进行全面的分析后，将原设计施工方案改为隧道方案，设置隧道里程为K345-745+K345-980。该公路段隧道开裂主要发生在阶段侧墙和顶板位置，裂缝的宽度≥0.3 mm，裂缝的结构形态为中间较宽，延伸逐渐变细。

1.1 隧道工程支护结构

地下隧道工程所处的环境条件和地面道路桥梁工程建设截然不同，虽然地下隧道的修筑用途和修筑目的各有不同，但是公路隧道修筑的主要用途就是为交通运输服务，公路隧道的修筑环境主要是各种类型的地质体结构，如岩石地质体、土体等，公路隧道的结构体系为“洞室”，如果从公路隧道的结构体系角度看，公路隧道结构体系的构成主要是地质体结构与支护结构。因此，公路隧道结构体系的形成需要通过一系列的施工并利用力学原理才能实现。

1.2 公路隧道施工设计的基本思路

公路隧道施工环节中原始的岩体或者地质结构通过开挖施工，会破坏原围岩结构的平衡应力，而要想有效地控制岩体的变形发展，最直接的途径就是利用岩体的承载能力及时地修筑支护结构。设计人员需要对支护结构的设计和支护结构效应进行评定和分析，结合本公路段隧道施工地质条件，在各种类型的支护结构中选择最合适的支护结构，例如模筑混凝土衬砌、钢支撑等;最后针对支护结构进行设计方案的确定，还要针对不同的支护结构和支护结构的年限选择合适的结构材料及合理的施工技术，对支护结构参与的时间、围岩压力的时间效应等施工影响因素进行综合分析[1]。公路隧道施工过程如图1所示。

1.3 坑道开挖后的二次应力状态

开挖坑道时，前后围岩结构会处于两种不同的应力状态，前者属于初应力状态，后者处于二次应力状态或者三次应力状态，一般情况下在二次应力状态和三次应力状态发生的过程中存在较多的影响因素，例如岩体本身的构造、坑道开挖的形状、开挖的尺寸等。目前，学术界针对于二次应力状态和三次应力状态的理论研究虽多，但大都以假定为前提，然后通过进一步分析去证实。综合二次应力状态的影响因素分析该状态主要存在两种情况：第一，坑道开挖后的围岩依旧保持以往的弹性状态，坑道的围岩会存在微微的松弛，但不影响整个结构的稳定性;第二，坑道开挖后的应力状态超过了围岩结构的单轴抗压强度，那么此时的坑道围岩结构的状态为塑性、松弛，极易发生塑性滑移或围岩结构松弛损坏。

1.4 坑道开挖后的三次应力状态

二次应力状态下的围岩结构若保持以往的弹性状态一般不需要进行支护，而当围岩结构呈塑性或松弛状態时就需要进行支护。一般情况下，支护结构对围岩结构的阻力效果取决于支护结构的大小和方向。实际上，支护阻力的存在能促使围岩周边的径向应力得到提升，从而降低切向应力。在三次应力状态中，围岩结构周边的应力状态多为单相向双向或双向向三向转变，所以围岩结构的承载能力会随着应力状态的转变而增强。

1.5 支护结构的类型

（1）防护型支护。防护型支护并没有支护的作用，在实际应用的过程中并不能够承受岩体的压力，同时也不能够组织岩体的压力，而且防护性支护仅用于封闭岩面，其基本的作用就是防止坑道周围岩体结构状态进一步发生恶化;防护型支护的施工一般为喷浆、单独锚杆。

（2）构造型支护。构造型支护主要是针对围岩中局部大块岩体掉落崩塌而采用的支护措施，构造性支护的相应参数并不能够按照相应的标准计算而得，还应该结合公路隧道的施工需求和构造需求进行确定，喷混凝土、金属网等为构造性支护的主要施工方式。

（3）承载型支护。在坑道支护中，承载型支护是主要的类型，承载型支护在实际的施工中主要是结合坑道围岩的力学状态进行材料的选择和支护轻重型的确定。轻型到重型的承载型支护分别为木支护、钢支护、锚杆金属网支护、混凝土支护和喷混凝土支护、组合支护。其中，组合支护是结合坑道围岩的结构需求和施工需求将上述不同承载功能的支护方式混合应用，以达到保证公路隧道顺利施工的目的。

2 公路隧道衬砌裂缝发生的原因分析

综合分析该段公路隧道裂缝发生的原因，首先隧道的阶段侧墙处多发裂缝且裂缝的形状不一，结合施工过程和实际的裂缝大小，考虑与混凝土的配合比例存在直接的关系。通过具体的结构检测发现，部分顶部的混凝土结构厚度未达到原设计的要求，当隧道结构承载受力时，隧道拱顶的空洞将会因非受力变形而诱发衬砌裂缝。同时，围岩的二次应力和三次应力所承受的围岩压力较大，支护施工和抗渗施工等工艺问题也会导致围岩局部应力、水压力集中且过大，继而引发公路隧道衬砌裂缝的发生[2]。围岩承载能力的变化图如图2所示。

3 公路隧道衬砌裂缝的常规检测方法

3.1 隧道衬砌裂缝常规检测方法

隧道衬砌裂缝常规检测方法（见表1）。

3.2 公路隧道衬砌裂缝无损检测方法

（1）频谱分析技术的应用。频谱技术的原理和传统的敲击法原理大致相同，都是通过对原隧道结构进行敲击判断建筑是否有裂纹。但与传统的敲击法不同的是，频谱分析技术的精确性和检测效率更理想，并且不会在检测的过程中二次伤害原隧道结构。频谱检测技术主要借助声波在不同介质中的传递速度，通过对传播速度的分析推断检测对象的实际情况。频谱分析技术的准确率能够作为一个可靠的依据，该技术需要在待测对象的表面施加一个垂直压力，在路桥工程中通过垂直压力的施加形成带有频率差异的瑞雷波面，工作人员需要在隧道结构上安装多个传感器，并分别对不同部位的检测对象施加压力，以达到对公路隧道结构裂痕的整体检测需求。该技术在应用的过程中最重要的一点就是施加压力的方向，一定要保证压力是垂直方向的，否则检测结果的准确性会受到一定程度的影响。该技术的优势是检测速度快、适用范围广，但是技术应用的前期需要施工人员做好传感器安装等准备。

（2）图像技术的应用。图像技术在隧道衬砌裂缝检测中最常用的为红外成像和激光全息成像。其中，红外成像的主要原理就是利用分子构成物质，分子在变化的过程中会释放出相应的热量，所以不同结构的物质所释放出的热量会存在一定的差异。在道路桥梁工程质量检测中，红外成像技术就是对不同结构进行扫描，通过分析物质所释放出的热量来判定工程施工结构，所以红外成像的应用主要是针对结构物质的形态进行辨别。工程施工人员可以利用相应的红外检测仪器分析隧道结构表面的温度，明确隧道结构内部是否存在裂纹和破损问题。而激光全息成像技术的应用基础就是对摄像结果的分析，工作人员利用相应的摄像设备仪器对特定区域范围的隧道结构进行摄影，并对摄像所得到的全息图像进行综合性的分析，再利用相应的计算公式判断公路隧道工程中存在的问题和缺陷。

（3）探地雷达检测技术的应用。雷达波主要由设备自身的激振产生，工作人员利用相应的设备向待检测区域发射电磁波，并通过电磁波的反射与接收获取路面路基的采样信号，同时将所获得的采样信号利用相应的软件、硬件和图文显示系统进行转换，并对检测结果进行分析。在该技术中，雷达脉冲能够在传播的过程中发现检测区域地下介质的差异，一部分的雷达脉冲会从检测区域反射回来用作信息的接收，另一部分雷达脉冲则用以检测区域介质信号的采集。探地雷达检测技术能够对检测区域的缺陷深度、缺陷大小及缺陷形状进行准确的判定，在工程检测环节中，该技术具备操作便捷、检测范围广的优势，经常用于浅层和超浅层工程质量的检测。

（4）超声波技术的应用。超声波技术在公路隧道工程中的应用主要是通过对特定区域结构发射超声波，然后工作人员利用超声波接收设备将所接收的参数与标准参数进行对比，从而达到对路桥建筑结构施工质量检测的目的。与频谱分析技术相同的是，超声波技术因声波接收环节的限制需要在相应距离装置传感器，工作人员可通过传感器对声波在隧道结构内的传播速度和传播时间进行确定。在超声波技术的应用中，传感器、声波的发射、标准的参考参数和准确的计算是最关键的4个要素，该技术以声波的方式实现对待测对象缺陷和问题的检测，满足无损检测技术的需求，但是该技术具备一定的专业难度。

4 公路隧道衬砌裂缝的治理对策

4.1 排水系统的科学施工与管理

（1）设计图纸的完善。设计图纸的完善，需要设计人员结合施工项目的需求和设计标准，进行认真仔细的实地勘察后，再开展项目图纸的绘制。在这一环节中，施工单位要加强实地勘察力度，主要勘察地质情况、重要管道线路情况等，此外应重视各部门人员的交流和协调配合。

（2）管道安装质量管理。首先要保證管材的质量，保证接口材料的性能与配比规范，合理地选择管道安装施工工艺，利用凿毛的处理方法进行接缝口的清理;其次要注意基础表面的清理施工，管道安装顺序应从下游至上游且精确测定高程样板的中心位置和具体的标高距离。下管的过程中，翼板应用大型吊装设备，如遇特殊情况大型设备无法运作时，则采用人工压绳的方式施工，并保证下管位置的准确性。

（3）回填工作。回填施工必须在管道测试合格填满水的基础上施工，不能将施工完成的排水管道长期暴露在空气和阳光下，回填环节中要保证回填土质量，管道附近不能出现积水、淤泥及有机物质等，回填后压力机碾压速度应保持每小时不超过2 000 m。

4.2 施工管理及其裂缝处理

首先在混凝土配比过程中加入引气型外加剂，以达到强化混凝土结构抗渗性能和提高混凝土结构密度的目标。其次对混凝土的水灰比例进行控制。一般情况下，水灰比在0.6以下为最佳。施工管理人员还应重视混凝土振捣质量和混凝土的接缝施工质量。最后要分析公路隧道衬砌裂缝的处理，针对衬砌空洞进行注浆处置，应用环氧树脂对衬砌裂缝进行处理。重点分析衬砌裂缝处理施工工艺，工作人员应对裂纹进行标记，清除混凝土表面的水渍、杂物，选用细针工具向裂缝内注入配置好的环氧树脂，待裂缝表面干燥后利用锉刀抹平凿深，并在原裂缝处布置间距为20～40 cm的注浆嘴，一般情况下，每一个裂缝应该至少布置2个注浆嘴。

5 结语

在研究公路隧道衬砌裂缝的检测方法与治理技术的环节中，重点在于检测技术和检测方法的应用、施工环节中混凝土施工技术的管理、裂缝的重新修复。衬砌裂缝是公路隧道施工中最为常见的施工问题，衬砌裂缝不仅影响了公路隧道的使用年限，而且会对交通的畅行和往来车辆的安全造成一定程度的威胁，所以做好公路隧道的检测与治理，是延长公路隧道使用寿命、提高公路隧道安全性和稳定性的必要手段。

参 考 文 献

[1]赖金星，吴启勇，李宁军.碳纤维布在公路隧道衬砌裂缝治理中的应用[J].建筑技术，2006（4）：35-37.

[2]潘洪科，杨林德，黄慷.公路隧道偏压效应与衬砌裂缝的研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24（18）：3311-

3315.

[3]卓益平.某隧道病害原因分析及整治加固技术[J].公路交通技术，2010（4）：114-116.