高速公路隧道衬砌开裂的原因与对策分析

中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530000

1 工程概况

某高速公路段主线起讫里程为YK16+940～YK20+160，总长度为3.22km，采取双向六车道建设标准，设计速度为100km/h。该段整体式路基宽33.5m，分离式路基宽16.75m，沿线建设有1座隧道，左洞1417m、右洞1429m。经现场检查后发现衬砌存在开裂现象，需要分析成因并正确处理。

2 衬砌开裂概述

二次衬砌开裂普遍集中在中隔墙、边墙及拱顶处，各自的缝宽具有差异性，且带来不同程度的影响，现就具体情况做如下分析。

（1）中隔墙。中隔墙的沉降缝和施工缝存在横向错位现象，错位量普遍集中在3～6cm，最严重区域可达到12.5cm。中隔墙较初始状态有所下沉，顶部和起拱线相连接的区域存在贯穿性裂缝，严重影响裂缝所在结构的稳定性。墙内钢筋未得到有效的防护，局部裸露于外界，严重的区域有折断现象，稳定性明显不足。

（2）边墙。边墙存在较多的纵向裂缝和斜向裂缝，各自宽度普遍达到0.3mm以上，严重区域约20mm。

（3）拱顶。上行线的拱顶处分布有大量的纵向裂缝，宽度为0.3～10mm，以YK18+900～YK18+940段最为明显。下行线裂缝主要见于YK18+920～YK18+930段，缝宽0.3～15mm。经现场勘察后可知，裂缝总长约2200m，多为缝宽0.3～3.0mm的裂缝，总长约1000m，缝宽超过0.3mm的裂缝达到900m左右，剩余部分普遍为缝宽在0.3mm以下的裂缝。

（4）根据上述描述，YK18+900～YK18+940段的衬砌裂缝病害较为严重，其中，出口段的衬砌已经受到较为明显的破坏，局部边墙和中隔墙存在断裂的情况，衬砌的承载能力明显下降，难以满足隧道的稳定性要求。

3 衬砌开裂的成因

隧址区山体的整体稳定性较好，但依然存在三个明显的非稳定区，以砂、黏土和块石居多，构成具有易失稳特性的松散层，加之雨水、隧道开挖扰动等因素的干扰，导致衬砌难以维持正常使用的状态。第一个非稳定区分布在隧道出口处，块石和沙黏土占比较大，强度偏低。现场地形较陡，遇强降雨天气后岩土体因吸水而导致重度明显提高，变形流动幅度加大，易对隧道带来显著的侧向推力。受此影响，出现隧道侧移和衬砌受损的情况。第二个非稳定区分布在隧道顶部，在开挖扰动性作用下，形成明显的节理裂隙带，内部以充填砂和黏土居多，强度和模量均偏低，存在塌方冒顶的可能。第三个非稳定性分布在山坡浅表松散层，以砂和风化残余块体为主，遇水后失稳，流动性明显增加，进而发生浅表滑坡现象。不良地质条件下将明显加大隧道施工难度，洞口围岩易由于受扰而失稳，存在诸多不可预见因素，若缺乏可行的施工技术，则将直接影响施工质量，甚至引发安全事故。

4 衬砌开裂的处治措施

4.1 增设架立钢筋，提高整体稳定性

（1）二衬钢筋安装前，按横向2m、环向1.2m的间距标准架立钢筋，材料的具体型号需与环向钢筋保持一致，以构成相协调的整体。（2）架立定位钢筋应满足位置精度要求，因此施工前组织测量工作，对环向定位筋测量放样，以此为依据将环向定位筋安装到位，无误后再于该处通过焊接的方式设置横向架立钢筋，以隧道中心线为基准呈两侧对称布置，具体情况如图1所示。（3）架立筋安装到位且经过焊接处理后，绑扎外层（即第一层）二衬拱墙钢筋，具体情况如图2所示。（4）外层二衬拱墙钢筋安装到位后，取环向和横向钢筋的交接区域，于该处焊接“L”形支撑筋，在发挥出支撑作用的同时确定第二层钢筋的具体安装位置。定位筋端头至第二层钢筋的长度应小于保护层厚度3mm，以免在浇筑后露筋。（5）“L”形支撑筋安装完成后，组织第二层钢筋的测量放样工作，并在预先设置的定位筋上做好标识。在定位筋的两端头上拉设水平线，经焊接后稳定设置横向架立钢筋，使其具有平、直的特点，然后将横向架立钢筋与定位钢筋连接，在此基础上绑扎第二层钢筋。（6）二衬台车模板为衬砌处治工作中的重要装置，若存在尺寸误差，将导致成型后的保护层厚度存在偏差，因此需严格控制其尺寸精度。在二衬台车定位前，需要复核二衬台车模板的尺寸，将实测结果与设计值进行对比分析，若无误则对台车进行定位，随后再次复核二衬台车模板，要求其轮廓线与衬砌的内轮廓线的偏差控制在许可范围，否则需及时调整二衬台车模板，直至其定位可满足要求为止[1]。

图1 外层钢筋架立筋安装

图2 外层钢筋安装

4.2 衬砌开裂的加固方法

鉴于衬砌开裂的情况，需通过化学灌浆等方式修补，具体应根据裂缝的宽度采取合适的方法以及材料。（1）缝宽在0.3mm以下的裂缝，允许直接进行表面封堵，材料可选择YZJ-1型结构胶，应保证各处涂抹厚度具有均匀性。（2）缝宽在0.3～3mm的裂缝，依然以灌缝处理的方式为宜，所用材料为YZJ-5型结构胶。（3）缝宽超3mm的裂缝，其处理难度较大且工序较多。首先需全面检查裂缝的情况，凿除裂缝的松动部分，全面清理凿除期间产生的杂物，再向其中灌入高强微膨胀无收缩化学灌浆材料，在该灌浆料的作用下使开裂的结构连接于一体。（4）衬砌部分区域存在混凝土破损的情况，可通过插筋的方式处理或是用纤维混凝土补强，但此时所用的纤维混凝土强度应高于既有结构材料的强度。（5）对于错台病害，需凿开该处的钢筋混凝土，选择全新的且质量达标的钢筋，重新焊接到位，再组织浇筑作业，使实际高度略高于原混凝土，同时合理修正，以保证钢板可稳定粘贴到位，使其与混凝土之间不形成间隙。（6）对于边墙和中隔墙两部分的病害处理，则需要完成基础灌浆作业，以提高基础的稳定性；加强处理两处的局部时，应先灌缝，解决结构松散的问题，再粘贴钢板，最后植筋以确保钢板具有稳定性。（7）拱顶和边拱两部分的处理可采取对拱外圈灌浆的方式，使原本处于松散状态的结构连接成稳定的拱圈，再粘贴钢板。（8）钢板安装到位后，于该处设置锚栓，保证钢板具有稳定性，正常情况下锚深以160mm为宜，遇特严重区域时适当加大锚深；若无误，则在钢板上焊接环向I20a工字钢，均匀涂抹结构胶，以便构成具有封闭特性的空间。

4.3 混凝土裂缝的防控措施

混凝土裂缝的防控需严把原材料质量关。（1）水泥：以普通硅酸盐水泥为宜，在不影响混凝土工程性能的前提下需适当减少单位水泥的用量。（2）碎石：以泵送管路的内径为依据合理选择碎石，粒径以5～31.5mm为宜，含泥量≤1%，针片状含量≤15%。（3）砂：以级配良好的中砂为宜，要求含泥量在3%以内。考虑到运输、泵送及浇筑各环节的施工需求，将砂率设为35%～45%。

4.4 加强对混凝土施工工艺的控制

（1）根据规范将钻孔作业落实到位，视实际情况优化钻爆参数；开挖期间加强检测，掌握实际开挖进尺情况，避免超欠挖现象，以便给后续的衬砌施工创设良好的条件。（2）待围岩和初期支护均维持稳定或变形量极小时，即可组织二次衬砌施工作业。遇围岩变形量偏大的情况时，应适当提前二次衬砌的施作时间，必要时对衬砌采取加强措施，确保稳定性[2]。（3）按现场施工需求生产混凝土，严格控制配合比，定期校正计量装置，精准称量水泥、碎石、砂等材料，避免用量误差。加强对砂石料含水率的检测，给予充分的搅拌，使原材料可混合均匀。夏季施工时气温相对较高，若实测气温值达到32℃以上，应搭建遮阳棚，以便有效防护砂石料，并利用冷水冲洗碎石，降低其温度[3]。

4.5 灌注

（1）按预先规划的路线及时运输混凝土，泵送期间不宜加水。（2）灌注速度不宜过快，两侧边墙对称分层依次灌注到位，到达墙、拱交界区域时需要暂停1h左右，观察边墙混凝土的实际状况，若下沉稳定，则灌注拱部混凝土。（3）灌注期间加强振捣，减小内部气孔数量，提高混凝土的密实性与平整性。

5 结束语

综上所述，在完成对衬砌的加固处理后，将隧道衬砌加固前后的收敛量和拱顶下沉量进行对比分析。根据所得结果可知，加固前单日收敛量可达到0.62mm，而在采取加固措施后，单日收敛量可减少至0.049mm；拱顶下沉方面，未加固前平均量为0.83mm，经加固后可缩减至0.054mm。总体来看，所采取的衬砌加固措施具有可行性，隧道衬砌开裂、变形等质量问题得到了有效解决，可满足预期要求，能够给高速公路隧道后续的建设工作奠定良好的基础。