浅谈隧道衬砌裂损及防治

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　　[摘 要]本文主要介绍了衬砌裂损病害的类型、隧道衬砌结构等分析隧道衬砌裂损病害原因及形成机理，并对这些病害提出了稳固岩体、回填与换填等措施，保证了隧道衬砌的稳定性。
　　[关键词]隧道衬砌裂损；防治；加固
　　中图分类号：C912 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）04-0264-02
　　1.前言
　　面对隧道衬砌工程，在施工中会存在许多问题，隧道衬砌裂损作为常见的问题之一，在处理与防治上逐渐形成规范化管理。
　　2.衬砌裂损的类型
　　隧道衬砌裂损病害的类型主要有衬砌变形、衬砌移动、衬砌开裂3种：
　　2.1衬砌变形：衬砌变形有横向变形和纵向变形两种，其中横向变形是主要变形。横向变形是指由于内衬的力量而引起的拱轴形状的变化。
　　2.2衬砌移动：衬砌移动意味着衬砌整体或其中的一部分出现转动、平移和下沉等变化，也有横向和纵向之分。
　　2.3衬砌开裂：衬砌开裂是指衬砌表面出现裂纹、裂缝或贯通衬砌全部厚度的裂纹的总称，是衬砌变形的结果。隧道衬砌开裂包括①张裂。是由弯曲张力和偏心张力引起的裂纹。②压溃。压溃是由于弯曲或偏心压缩造成的衬砌开裂。③错台。错台是由剪切力引起的裂缝，裂缝宽度在表面至深处大致相同。
　　3.隧道衬砌结构
　　隧道衬砌结构通常沿开挖隧道的墙体施工，其主要功能是防止围岩变形，地层塌陷，地下水渗漏。结构组成通常包括拱和侧墙（直墙或曲壁，倒拱或底部（见图1），根据使用要求和围岩特性，隧道衬砌结构具有不同的衬砌内部轮廓，所以，以确定宽度、高度和衬砌的截面和厚度，隧道衬砌作为支撑的基本理论是使隧道围岩与衬砌成为一个整体，即隧道围岩不仅作为对衬砌有一定的压力，也可以作为衬砌和衬砌共同实现共同作用，隧道开挖扰动引起的重力问题可以保持隧道工程的稳定。
　　4.隧道衬砌结构常见病害实例分析
　　4.1衬砌开裂问题
　　4.1.1隧道选址问题。首先，隧道穿越了山体围岩较差的位置，围岩主要为风化岩层，其次，隧道周围有开山碎石厂是使得本身处于不稳定岩层上的隧道的自稳能力降低，加剧了围岩的失稳。
　　4.1.2偏压
　　从地形角度看，隧道其中一侧地面坡度陡峭，围岩较差，穿越隧道门和浅埋段时产生偏差。从地质角度来看，当围岩有膨胀的粘土层时，雨季会有大量的水，导致围岩膨胀，并且往往容易发生偏斜，导致衬砌开裂。
　　4.1.3混凝土浇筑质量差
　　衬砌混凝土浇注质量较低，混凝土不密实，衬砌表面出现局部劣化，甚至出现混凝土剥落掉块现象，局部衬砌强度偏低特别是衬砌厚度不足部位。
　　4.1.4衬砌后空洞回填不实
　　衬砌后面的空洞往往会导致围岩松动和土压力增加，导致衬砌变形和开裂，即，使腔体较大且内衬强度不足。开挖面节理紊乱，超挖严重；因超挖回填技术操作难度大，衬砌浇注后拱背充填不密实留下较大空洞，而围岩又没有得到及时支撑，导致围岩进一步松动，围岩极可能掉块，形成冲击荷载，使衬砌受力不匀，形成施工缝错位，同时产生受力裂缝。由于空洞的存在，围岩对衬砌的约束条件降低，弹性抗力减弱，使衬砌受力更为不利。
　　4.1.5衬砌厚度不足
　　造成衬砌厚度不足的原因如下：①开挖施工的光面爆破效果不符合要求，效果不理想，平整度不够。从新奥法的隧道开挖原理来看，围岩的突出部分改变了围岩的整体结构，导致应力集中和突出变形；②在施工期间底切，没有临时支撑的浇注，在开挖过程中有碎石塌落且没有及时清理，并且填充了模板。由最初的支撑不足转变为支撑变形并侵入衬砌，使得衬砌受力不匀产生裂缝。
　　4.2衬砌变形、移动
　　衬砌变形问题是指在衬砌力的作用下拱轴形状发生变化，导致隧道间隙不足或侵入预留的加固空间。衬砌变形一般可分为两种情况，即横向变形和纵向变形，而横向变形是主要变形。衬砌的运动是指整个衬砌或部分衬砌发生转动（倾斜），平移或下沉等。衬砌运动也有纵向和横向两种移动。
　　4.3隧道衬砌水害
　　隧道衬砌结构的水害主要是由隧道围岩中存在的地下水和地表水直接或间接泄漏涌出引起的，进入隧道内部会对隧道衬砌结构体及整体稳定性造成损害。一般来说，水害的类型包括以下类型：
　　4.3.1隧道漏水按期发生部位和流量可分为：拱部有渗水、滴水、漏水成线和成股射流四种，边墙有渗水和淌水两种少数隧道有隧道涌水现象。
　　4.3.2根据水源的补给状况，可分为地下水补给和地表水补给两种类型。同一漏水处所也可能存在两种补水源，通常由稳定的地下水源补给，其流量受季节变化的影响较小；而主要由地表水补给的处所，其流量会随地表水季节性变化而变化。
　　4.4隧道襯砌冻害
　　混凝土是一种复合材料，其主要成分包括骨料，水泥和水。混凝土颗粒内部有空隙，其中一些是开放的。在正常的温度和压力条件下，允许外部的水进入，而其他的则不允许，并且是封闭的空隙。当隧道衬砌暴露在寒冷潮湿的环境中时，围岩与衬砌混凝土之间的空隙将充满水。如果温度降低到一定程度，水会凝结成冰，由于其冻结作用，围岩将出现体积膨胀形成隧道衬砌的挤压。如果这种挤压力超过衬里可以承受的范围，则会引起衬砌开裂和损坏。同时，衬砌混凝土本身也会因潮湿而发生结露，起霜过程发生在表层和第一孔中，然后在孔中出现体积膨胀，在内部形成内压混凝土如果压力超过混凝土。混凝土的耐久极限会导致混凝土中的孔隙和裂隙发展，从小到大，从短到长，甚至相互渗透，最终破坏混凝土结构。
　　5衬砌存在病害防治措施
　　5.1稳固岩体的工程措施
　　5.1.1治水稳定岩体：地下水的浸泡和活动对各种围岩的稳定性削弱最大通过对围岩进行脱水、疏干并采取相应的措施是来稳定岩体的基本措施之一。 　　5.1.2锚杆加固岩体：对较好的岩体，从衬砌内侧向围岩钻入一定数量和深度（3m至5m）的金属锚杆，砂浆锚等，可以将不稳定的岩块固定在稳定的岩体上。提高受损围岩的粘结强度，形成一定厚度的支承拱。在水平层状岩体中把数层岩层串联形成组合梁，与衬砌共同承受外部荷载。对松散受损岩体采用锚杆加固，不仅能有效控制岩体变形，增加岩体稳定性，而且能使岩体对衬砌的压力分布规律有较好的转化。
　　5.1.3灌浆加固岩体：通过向破损、松动的岩体注入水泥浆和其他化学浆液（如铬木质素，聚氨酯等）加固围岩，疏散地下水对围岩的浸泡与渗入衬砌，使得1-4米厚的人造石在衬砌后面形成固体结构，从而增强围岩的强度；能有效地稳定岩体，防止地下水的渗透，甚至使作用在衬砌上的地层压力大小和分布图形产生有利的转化，有利于衬砌结构的受力与防水。
　　5.1.4支挡加固岩体：对于靠山，沿河偏压的隧道或山体滑坡地带，除治水稳固山体外，还可采取支挡措施，包括设，支挡墙、锚固沉井、锚固钻孔桩等，来预防山体失稳和滑坡。这种工程措施只能在山洞外使用。
　　5.1.5回填和換填：如果衬砌外围存在各种尺寸的空隙（如超挖未回填等），不但地层压力分布规律受到不利影响，而且使衬砌结构失去周围有利的支护条件，不能使衬砌的承载能力得到更大的发挥。此时，应采取回填措施，用砂浆或混凝土将围岩空隙回填密实。如果在隧道底部存在厚度不足、不稳定的岩体，或不稳定的填充物，可以采用换填的方式。
　　5.2衬砌更换与加固
　　已裂损的衬砌一般均有相当大的支撑潜力，可以充分利用。只在没有加固条件或经济上不合理的情况下，或者根据长远技术改造规划的要求，才采用替换衬砌的方式。加固工程的主要方法如下：
　　5.2.1压浆加固：①混凝土体内压浆，当衬砌裂缝发展缓慢或已呈稳定时，可以进行混凝土体内压降，一般以环氧树脂浆为基础且在无水季节进行。 ②衬砌背后压浆加固，主要用于外鼓和整体侧移的衬砌。在拱后注浆增加拱的约束，可以提高衬砌的刚度和稳定性。一般可以在局部运用。主要用于外鼓变形的部位。如果衬砌同时存在外鼓和内鼓现象，首先采取临时措施控制内鼓继续变形，然后在外鼓变形部位注浆加固后再对内鼓采取加固措施，然后，对全断面进行整体加固。
　　5.2.2嵌补加固：对已呈稳定，暂不发展的裂隙如不能采取压降加固的可采取嵌补加固，即，将裂缝修凿剔深，在缝口出用水泥砂浆、环氧树脂砂浆或环氧树脂混凝土进行嵌补。对发展较快的裂损，为了确保安全，可以采取钢拱架临时加固措施，只加固拱部时可采用上部拱架加固，拱架脚可以嵌入墙顶或支撑于预埋在墙顶内的牛腿上并加纵向连接。如果要全断面加固则可用长腿钢拱架。为了增加纵向抗弯能力，支撑纵向应加强连接，如果隧道内部净空条件不足，钢拱架可以部分或全部嵌入被加固的圬工体内，并在钢拱架之间再加纵向连接，然后灌注混凝土，做成薄套拱形。此种方法适合在衬砌厚度不足或衬砌破损严重的部位使用。
　　5.2.3喷锚加固：裂损衬砌所有内鼓变形和内向移动的裂损部位，采用（预应力）锚杆加固岩体是有效的方法，此时，锚杆既可以沿着内缘张裂纹的走向两边布置做局部加固，也可做全断面加固，将衬砌与岩体嵌固在一起，形成一个均匀压缩带，以增强威严的稳定性，提高支护结构的承载能力。使用这种方法要注意检查衬砌的厚度、背后超挖回填和围岩整体情况，避免将锚杆打在松动的岩体上且锚杆应在衬砌压降后两个星期后再进行，衬砌上的裂纹因及时嵌补。
　　6.结束语
　　综上所述，作者通过隧道衬砌病害的介绍与理解，提出相关解决方案，在加固、更换、回填等措施下，极大提高了彻底根除病害的几率，保障隧道施工的安全、稳定性。
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