高速公路隧道拱顶纵向裂缝检测及处治措施

高速公路隧道拱顶纵向裂缝检测及处治措施

许宇峰  

四川金通工程试验检测有限公司 四川成都610000

【摘要】隧道拱顶纵向裂缝会对公路隧道结构稳定性造成直接影响，基于此，本文结合某高速公路隧道工程实例，针对该工程拱顶的纵向裂缝进行专项检测，并应用MIDAS/GTS软件进行数值模拟计算，分析衬砌支护结构的安全性，结合检测数据和数值模拟结果评估纵向裂缝成因，并制定相应的处治措施，经处治后在近3年的持续跟踪观察工作中，未再出现纵向裂缝。以下就结合理论和实例，着重对隧道拱顶纵向裂缝检测方法及处理措施展开，具体如下。

【关键词】高速公路；隧道；拱顶；纵向裂缝；检测；处治

    高速公路隧道在投入运营一段时间，常会出现各类病害，拱顶纵向裂缝就是一个比较典型的病害类型，会对隧道结构稳定性造成显著影响，如果不及时处理，随着病害的发展，很可能会引起大型事故，造成严重人员伤亡、中断交通线路，造成难以弥补的损失[1]。以下就结合实例，着重论述了如何进行高速公路隧道拱顶纵向裂缝的检测工作，判断裂缝成因，并加以有效处理，从而保障公路隧道的安全运营。                

1. 工程案例概况

位于我国南方某地的双向四车道高速公路于2007年4月动工修建，于2010年年末正式投入运行，在本高速公路有一道平行双洞结构的隧道，两洞中间轴线间隔大约为46米，右侧长为301米，左侧长为214米。隧道断面为单心圆拱，隧道底部净空宽度为10.25米，隧道的横向坡度为2%，隧道的横向坡度为单心圆拱。该工程为一次喷锚支护、二次浇筑的组合型式。2015年，本隧道常规巡查时，在右侧通道YK0+288-280段拱顶上，出现了8m的纵向裂纹，2018年巡查时，该处的纵向裂纹扩展到YK0+295-274，全长21m。为此，于2018年5月，对衬砌段出洞入口拱顶上出现纵缝的部位进行了专项检查,具体方法如下。

2.纵向裂缝检测

2.1取芯检测强度

在YK0+278、YK0+287.3及YK0+292.2右侧墙高1.35m的衬砌结构中进行取芯抗压强度试验，3个芯样的抗压强度分别为34.9MPa、45.2MPa、43.8MPa，其强度的推定值为34.9 MPa，设混凝土为C30，符合设计要求。

2.2混凝土厚度检测

利用 GSSI型地质雷达和400 MHz的高频遮蔽天线，对YK0+295-274节段的衬砌混凝土厚度进行扫描，并对扫描测得的数据开展滤波处理，从而获得了YK0+295-274节段衬砌混凝土的厚度。测点布置见图1所示，测试结果见表2。

图1 检测测线布置示意图

表1  混凝土厚度检测结果

通过对YK0+291段的测量，发现在YK0+291段的拱顶段和右侧的拱腰段，二次衬砌的厚度较设计值较小，拱顶段和两边拱腰段的平均厚度只有52.4 cm。

2.3裂缝深度检测

通过裂缝综合测试仪在拱顶上的纵向纵裂区取多处测量裂隙的厚度，测出了平均裂隙厚度为14.6 cm。通过对隧道围护结构进行现场监测，发现隧道围岩顶部裂纹并没有完全贯通隧道围岩，裂缝的平均深度为隧道衬砌厚度大约1/4。

3.数值模拟仿真计算

结合上述结果，以及工程设计图纸等相关资料，利用 MIDAS/GTS的有限元分析系统，选择了衬砌厚度最为不利的部分YK0+291段，对其进行了衬砌支护结构的安全性进行模拟验算。

3.1计算模型的假定

①全部材料都是均匀的，连续的，性质相同。

②利用梁单元模型来仿真模拟衬砌结构，利用仅受压不受拉的蛋黄模型来仿真衬砌与围岩的相互影响。

③在未计及空间影响的情况下，利用平面变形模式进行数值模拟计算。

3.2.计算模型的选择

以荷载-结构模型的二次衬砌数值分析方法，对砌进行了数值分析。在此基础上，通过弹簧单元，用于分析地基和边墙岩体之间的相互作用。全衬梁高以实际测量的0.525米为基准，参照取芯试验的强度试验结果，以C30为基准进行分析。按 JTGD70—2004 《公路隧道设计规范》中规定的有关构造参数进行计算[2]。

3.3.计算负荷的测定

本隧道工程基坑的开挖宽 Bt为12.4米，高Ht为9.93米。因其埋深度 H< hq，根据参考规范，以浅埋隧道的第一类情况进行计算，衬砌结构承担的载荷占70%，具体见表2。

表2 模拟计算的荷载压力参数

3.4.结算结果

通过数值模拟计算，得出在断面上承受的最大轴力集中在仰拱至拱脚点的位置，其值为-619.7 kN；而在穹窿顶部则最小，为-289.0 KN。最大弯矩点在拱顶部，该部位受力最大值为128.7 kN. m，可见在拱肋与拱肋之间存在较大的拉应力，其最大应力为-81.2 kNm。最大应力出现在拱顶上，以拉伸为主，达到2.37 MPa。

由于隧道是一个整体，因此，传统的以单一的抗压或抗拉承载力为其稳定评估指标的传统的材料力学理论并不适用，需要将衬砌结构的受到的轴力及弯矩换算为安全系数，并与围岩变形等因素相结合，对其进行全面评估。根据《公路隧道设计规范》 JTGD70—2004的规定，对该断面安全系数进行计算，结果见表3。

表3 模拟仿真计算结果

结合计算结果可知，以张拉承载力为受控荷载时，隧道衬砌结构拱顶和拱腰的安全系数均低于《公路隧道设计规范》中所要求的最低强度安全系数，存在裂缝的风险。

3.5裂缝成因分析

结合上述实测结果以及模拟仿真计算结果，认为隧道拱顶的纵向裂缝的成因主要有以下几个方面：

①YK0+295-274处的纵裂为一种结构性裂纹，由于二次衬砌采用了没有配筋的普通混凝土，且于衬砌时没有严格掌握，造成了衬砌的厚度过低，因此，在拱顶处和拱腰处的抗裂安全系数达不到规范规定的最低安全系数，因此，拱顶处和拱腰处的抗裂能力差，容易出现裂缝；

②YK0+291,YK0+285,YK0+279等具有拱顶开裂的剖面，其横向上呈现了两侧洞周边的不均匀收缩及竖向不均匀性的拱顶变形，且由于地下水流的渗透，导致洞入口附近的强风化板岩层，以及衬砌后方围岩的孔隙水压增加，进一步增加了出现裂缝的几率。

4.处治措施

结合检测结果，本工程于2018年8月针对隧道拱顶纵向裂缝采用灌缝处理，具体方法如下。

4.1材料配置

拌制水泥砂浆的主要原料有水泥、砂以及拌和用水等。由于其工程对水泥砂浆的强度较高，所以在该项目中采用了 PO42.5水泥。另外，在该项目中，混合细砂的颗粒尺寸小于0.3 mm，含沙率小于1%，减水剂的用量=水泥的1.0%，膨胀剂的用量=水泥的15.8%。在高等级公路上，在进行纵缝灌注时，对水泥浆液的性质提出了更高的要求，不仅要确保水泥浆液的流动性，而且要注重水泥浆液的抗压强度。如果水泥砂浆的抗压性能较差，则水泥砂浆灌注后的沥青砂浆就会降低，达不到实际应用的要求；如果流动性太差，则会导致灰浆的施工品质下降；如果流动度太大，会使灰浆产生离析，出水等现象，所以必须严格控制材料质量，本工程材料配置要满足7天龄期灌缝灰浆的抗压强度达到10 MPa以上，流动度为20-30秒。

4.2接缝处补强

4.2.1施工准备

对裂缝进行预处理，在清理裂缝中的杂物，灰尘，积水之后，再用密封件将裂缝封闭起来。在对取芯处裂缝进行处理时，由于该部位受到的压强较大，为了保证密封效果，在涂好密封胶后，在取芯孔洞裂缝两侧20~30 mm处，将环氧树脂进行涂布。

4.2.2 钻芯布孔

鉴于110 mm钻头在施工过程中对路面结构造成的损伤比较大[3]，并且取芯困难，在进行封堵时，需要用到大量的环氧树脂砂浆，因此，本项目采用了60 mm的钻头直径。孔深是保证注浆质量的关键，而孔深则要根据纵向裂缝的方向及发育状况来决定。在该项目中，钻孔的位置设置在裂纹的中央。因为在深度灌缝维修施工中，孔的间距会对砂浆浇筑的充实程度有直接的影响，所以它们之间的间距不能太小，否则会对施工进度造成不利的影响。同时，间隔也不宜太大，否则会增加注浆的困难，进而影响到工程的质量。在完成钻孔工作后，应将裂缝中水、灰等清除干净。再利用高压液化气加热器对表面进行干燥。

4.2.3堵漏管的埋下与注浆

首先，将密封管道埋入孔洞中，并用密封罩封闭。其次，将环氧与聚酰胺树脂以1:1的比例进行调配，将混合后的溶液涂于堵塞管道的内壁与内壁上。在埋设封堵管的时候，要让它的表面的混合液自然风干，再根据设计的需要来连接封堵管和注浆管进行注浆的时候，注浆机的初始工作压力是0.55 MPa。最后，在灌浆的时候，要密切注意孔隙的变化，当砂浆流出的时候，要用盖子将其封住，直到砂浆不再外溢后，才能进行灌浆。如上所述的情况下，如果不能迅速得到控制，则要逐步降低灌浆压力。

4.3养护

灌浆完毕后，应立即拆下堵塞管道，并用灰浆将裂缝填满，并进行28d的养护。在养护施工完成28天后，应在其施工范围内取样检验。通过对整个岩心进行钻孔检验，结果表明，通过对岩心进行灌浆，使裂隙范围内的碎石基层已经结合为一体，从而实现了对纵缝进行灌缝养护的目的。

5.结束语

综上，对高速公路隧道拱顶纵向裂缝通过现场取芯试验，以及通过MIDAS/GTS软件进行数值模拟计算，分析衬砌支护结构的安全性，结合检测数据和数值模拟结果评估纵向裂缝成因，并制定相应的处治措施，在养护期完成后，将其投入运营。在2021年6月份，对已修复养护部分进行了检验，未发现新生成的纵向裂缝。这表明，通过以上裂缝检测及应对处理方法，有效解决了高速公路隧道纵向裂缝问题，从而保障了高速公路隧道的使用性能及安全性，值得同类工程参考借鉴。

【参考文献】

[1]李汶洋.公路隧道衬砌裂缝快速检测描述及运用探讨[J].工程质量,2020,38(12):16-20.

[2]覃慧.浅析公路隧道衬砌裂缝检测和治理对策[J].企业科技与发展,2020(02):110-112.

[3]聂记良.浅析公路隧道衬砌裂缝检测和治理对策[J].珠江水运,2019(11):40-41.