高速公路隧道二衬超限裂缝成因及解决办法

（中交二公局第三工程有限公司，陕西 西安 256102）

1 工程概况

本工程隧道是双洞小净距六车道的短隧道，右洞长322m、左洞长318m，二衬混凝土等级为C25，厚度保持在40～55cm 范围。施工中多采用机械施工，针对不同级别的围岩施工方法不同：III 级、IV 级、V 级围岩分别用到了上下台阶法、中隔壁法以及双侧壁导坑法。

2 裂缝调查

二衬施工大约一年，有裂缝产生，之后施工人员对其长度、深度和宽度进行了勘测。在皮卷尺的作用下测定裂缝位置，利用钢卷尺测量长度，通过BJCS-1 型混凝土裂缝测深仪测量深度。调查裂缝病害的详细情况后需要进行后续的观测，以确定裂缝后续发展的情况，方便制定具有针对性的裂缝治理方案。

在调查隧道自身状态和裂缝形态之后，详实记录数据结果。2020年2月20日，在两处裂缝上放置RTF 表面裂缝计进行三维位移监测，为了达到更好的监测目的，还在有裂缝的断面二衬上设置了3 个拱顶下沉和收敛监测断面。直到2020年3月25日共获得了16 次数据。该阶段裂缝自身宽度稳定，并无明显变化。

3 裂缝产状成因及影响分析

一般来说，学界探究衬砌裂缝产生原因的方式有模型试验、理论分析、现场试验和数值计算等多种方法[1]，为了方便研究，张素磊整理了可能的影响因素，具体包括“先拱后墙法”施工、地下水作用、偏压、衬砌强度不足、未设仰拱、塑性地压、围岩处理不当、冻胀作用、地层扰动、衬砌背后空洞等。

（1）经过分析，施工缝处并没有产生隧道裂缝，其也不是由于混凝土施工缝导致。通过阅读监测资料，发现二衬周边拱顶下沉速率不超过O.O7mm/d，位移速率不超过O.lmm/d，此时裂缝自身宽度未产生变化，围岩较为稳定。对隧道二衬混凝土进行检测之后，发现其厚度、强度均达到规范要求，检查断面未发现内侵。沉陷裂缝往往会发生错位，特别是比较大的时候会和地面呈30～45°甚至发生垂直。对裂缝进行观察，一般呈现出纵向，由于其发展方向并不是如上所述的30～45°方向发展，所以其并不是沉陷裂缝。

（2）在围岩不稳定的情况下，纵向裂缝普遍发生在二衬拱顶上，而斜裂缝大多数存在于拱腰之上。通过检测，现场中的二处裂缝均是拱顶处的纵向裂缝，在拱腰位置裂缝有纵、斜向发育的趋势，由此可见隧道围岩在压力增大的情况下处于不稳定状态。

（3）通过计算衬砌收缩应力可以得出，如果不及时养护混凝土或者捣振不充分，混凝土自身的抗拉强度小于徐变应力，此时会发生二衬开裂现象。开裂处离洞口只有大约10m，而且由于隧道处于入海口，混凝土进行拆模后在风速比较大的地方水分快速蒸发，所以不及时养护便会发生裂缝。

（4）通过进一步专项检测发现，在展开二衬和初支层之间的注浆过程中，经常发生二衬施工缝中溢出浆液的情况，如图1所示。通过观测分析共总结出以下两方面原因：一方面，二衬混凝土完成浇筑之后会收缩，此时初支层和二衬会出现脱空，因此与浆液通道相连；另一方面，隧道拱底的厚度不符合要求，上部结构太重，超过基底承载力承受范围，因此上部结构出现竖向位移。之后基地围岩开始固结，上部衬砌的变形不再明显，但是此时未发生变形的初支结构出现了层间脱空。通过上述两方面的分析可知，塑性地压仅仅影响了初期支护，但是没有影响二次衬砌，因此塑性地压并不会导致二衬产生裂缝。

图1 衬砌层间脱空施工缝漏浆

因此，导致隧道产生裂缝的原因有两个：（1）二衬自身混凝土所占体积较大，所以后期会受到收缩应力的影响，当其本身的抗拉强度低于徐变应力时导致裂缝；（2）隧道围岩稳定性不强，裂缝会由于围岩压力的增大而产生。

4 裂缝病害处理方案

对两条拱顶纵向超限裂缝进行检测。比较各个方案并最终决定对裂缝进行开槽理管注浆封闭，再利用钢带对二衬进行加固处理。

4.1 裂缝开槽埋管注浆

（1）顺着裂缝发展方向，凿一个上部、下部宽和槽深分别为6cm、9cm、10cm 的梯形槽，之后将10cm 的注浆钢管埋入其中。

（2）为了形成注浆导向管，将骑缝钻孔进槽里裂缝的表面。具体来说，孔深为1cm、孔距为50cm。

（3）为了让裂缝不发生堵塞，利用不低于0.2MPa 的气压对裂缝、钻孔内部的杂物进行清除，且利用丙酮清理槽。

（4）将L=20cm、lOcm 注浆钢管固定在骑缝孔中，之后在槽上涂抹环氧树脂混凝土。需等到环氧树脂混凝土的强度符合设计要求后才可以利用注浆钢管进行注浆。保证该过程中注浆钢管和压浆头始终密闭。

4.2 粘贴钢带

待裂缝开槽理管注浆完成且强度符合规范要求之后，利用环向粘贴钢带对二衬表面进行加固。环钢带纵向间距维持在1m，宽、长分别为30cm、12m。

（1）正式施工前先打磨衬砌的表面2～3mm 之后漏出新面，为了让衬砌表面更加干净，还需要对粉尘进一步处理。

（2）为了在安装锚固螺栓过程中不影响到受力主筋，先探测混凝土内部的钢筋分布情况。钻孔前先标位，之后精准开孔，在考察现场情况之后再调整螺栓环向间距。二次衬砌上固定好锚栓前要避开之前已经治理好的裂缝。

（3）为了让后续柱压顺利进行，根据实际情况合理选择预理灌胶嘴（环向间隔O.5～lm 设置）、出气孔、粘合剂。固定钢带之后对其封边。控制注浆压力始终处于均匀、持续的状态，以确保注浆密实度达到要求。完成上述工序之后，再次利用环氧树脂胶浆进行封面，该过程中必须涂刷均匀，而且颜色和周边混凝土的颜色维持相同状态。其中所选钢带类型为进行除锈的Q235热轧钢带。

4.3 处置技术

4.3.1 细微裂缝处治

细微裂缝的扩展性较弱，后期可自愈，对隧道衬砌结构的影响较小[2]。具体处治方法为：首先清理裂缝表面、涂刷环氧树脂浆液，涂刷次数控制在2～3 遍为宜，接着涂刮抹料，处治裂缝，最后将色料涂刷在混凝土表面，保持修整后的混凝土表面与周围其他混凝土颜色相同即可。

4.3.2 严重裂缝处治

严重裂缝是指裂缝宽度超过0.2mm 的裂缝，这类裂缝对高速公路隧道二次衬砌结构的影响较大，若不采取相应的处治措施，将极大影响高速公路的稳定性与安全性，造成更为严重的裂缝病害[3]。而严重裂缝应用最为广泛的处治方式为高压注浆。具体施工步骤如下：

（1）检查裂缝情况，评估裂缝等级。

（2）清理裂缝两侧3cm 范围内混凝土表面的杂质，清除表面松散混凝土，凿除空鼓与蜂窝结构，为后续裂缝处治创造良好的基础[4]。

（3）检查裂缝方向，并沿着裂缝方向钻槽，凿出宽度为5cm、深为6cm的V 形槽。

（4）以20～40cm 为一个单位，在V 形槽开展钻孔作业并设置注浆嘴。

（5）沿着注浆嘴实施封闭作业，采用环氧胶泥作为封闭材料。

（6）加压试验，检查裂缝封闭效果。

（7）高压注浆，灌注混凝土，处治裂缝。

（8）注浆作业质量验收，验收合格后及时拆除注浆嘴和清理裂缝封口位置的环氧胶泥。

（9）刮抹防水涂料，日常养护。

（10）在混凝土表面涂刷色料，保持修整后的裂缝表面与周围其他混凝土颜色一致，保证高速公路的整体性与美观性[5]。

5 结构受力计算分析

对隧道缺陷修复前后数值模拟进行分析，且对衬砌处理完后自身的变形和受力进行对比分析，最终评估隧道结构修复之后的安全性。综合考量二衬厚度后，对YK23+028 断面也就是二衬最薄进行计算。

5.1 计算模型

采用岩土及地下工程专业有限元计算软件MIDAS GTS NX 建立二维地层一结构法计算模型。模型中围岩及二衬采用四边形实体单元模拟，初支采用梁单元模拟，初支锚杆则采用杆单元模拟。围岩采用弹塑性木构关系，Mohr-Columb 屈服准则，其余结构均定义为弹性材料。建立的二维有限元模型宽180m、高为120m，共划分了5889 个节点、5704 个单元。

5.2 计算结果

（1）位移结果。观察竖向位移云图发现，仰拱中部发生了0.5cm 的上抬，拱顶发生了0.44cm 的沉降。观察二衬X 向位移云图对比二衬变形的情况，详细来说，左侧拱腰X 发生了0.35mm 的位移，而右侧则发生了-0.36mm。

（2）围岩屈服区结果。左右侧拱脚部位是围岩屈服务区，且宽度为1.5m。

（3）二衬应力结果。从二衬最大主应力结果来看，右拱腰处出现的是拉应力，除此之外均为压应力。从最小主应力结果来看，二衬左、右拱脚处出现了二衬的最大主应力，为6MPa，混凝土抗压强度达到了C25 的强度。根据《公路隧道设计规范 第一册 土建工程》（JTG 3370.1—2018）可知，混凝土结构自身的抗拉、抗压极限强度的安全系数分别是3.6、2.4。针对木断面的混凝土来说均符合上述规范要求。

6 结束语

综上所述，对衬砌以及裂缝分别进行详细检测和详实监测之后，发现隧道两处裂缝的形成有两个原因：一是混凝土的抗拉强度小于其徐变应力；二是由于围岩压力不断增大，隧道围岩也变得处于不稳定状态。待检测统计好裂缝的长、宽、深后确定裂缝的健康等级。针对拱顶纵向出现的超限裂缝，需要进行开槽理管注浆。为了抑制衬砌的变形，利用粘贴钢带对二衬表面进行固定。之后分析隧道二衬受力情况，再进一步调整施工参数。本文工程最终取得了良好的处治效果，可为今后类似工程提供参考。