隧道衬砌裂损及其防治

前言：作为地下工程的重点项目隧道工程，由于其复杂性，难维修与难管理，质量问题一直困扰着广大工程技术人员和科研工作者。本文先对运营隧道衬砌裂损进行相关分析，主要对隧道衬砌裂损问题阐述了作者的对策。随着基础设施建设的逐步加强，中国已经成为世界上隧道工程数量最多、发展最快的国家。作为交通运输的咽喉，运营隧道结构的安全状况影响着客货运输的效益及安全。但是，由于水害、冻害、不良地质及衬砌材料侵蚀等原因，运营隧道的衬砌混凝土出现开裂、变形、疏松、剥落、掉块等现象，降低了衬砌结构的承载能力，缩短了使用寿命，甚至导致衬砌结构失稳、遭到破坏。如何对运营隧道进行健康诊断、病害与灾害的预防和控制就显得极为重要。本文主要针对运营隧道衬砌裂损病害及其防治措施进行分析。衬砌裂损的类型隧道衬砌裂损的类型主要有衬砌变形、衬砌移动、衬砌开裂3种。

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。横向变形是指衬砌由于受力原因而引起拱轴形状的改变。

衬砌移动衬砌移动是指衬砌的整体或其中一部分出现转动、平移和下沉等变化，也有纵向和横向之分。

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。衬砌开裂包括张裂、压溃和错台3种：

①张裂。张裂是弯曲受拉和偏心受拉引起的裂损。②压溃。压溃是弯曲或偏心受压引起的衬砌裂损。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。衬砌裂损的防治措施衬砌裂缝的防治原则防治衬砌裂损病害首先要消灭已有的衬砌裂损带来的对结构及运营的一切危害，并防止裂损再加大。其次是采用以稳固围岩为主，稳固围岩与加固衬砌相结合的综合治理措施。稳固岩体的工程措施

治水稳固岩体地下水的浸泡与活动对各种围岩的稳定性削弱最大。通过疏干围岩含水，并采取相应治水措施是稳固岩体的根本措施之一。

锚杆加固岩体对较好的岩体，自衬砌内侧向围岩内打入一定数量和深度(3m~5m)的金属锚杆、砂浆锚杆，可以把不稳定的岩块固定在稳定的岩体上，提高破损围岩的黏结力，形成一定厚度的承载拱；在水平层状的岩石中把数层岩层串联成一个组合梁，与衬砌共同承受外荷载。对松散破损的岩体采用锚杆加固不仅可以有效地控制岩体的变形和提高其稳定性，而且可以使岩体对衬砌的压力大小和分布图形产生有利的转化。

注浆加固岩体通过向破损松动的岩体压入水泥浆液和其他化学浆液(如铬木素、聚氨酯等)加固围岩，疏散地下水对围岩的浸泡与渗入衬砌，使衬砌背后形成一个1m~4m厚的人工固结圈，就能有效地稳固岩体，防止地下水的渗入，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和防水。

支挡加固岩体对靠山、沿河偏压隧道或滑坡地带，除治水稳固山体外，尚可采取支挡措施，包括设支挡墙、锚固沉井、锚固钻(挖)孔桩等来预防山体失稳与滑坡，这种工程措施只能用于洞外防治。

回填与换填如果衬砌外周围存在着各种大小的空隙(如超挖而没有回填等)，不仅使地层压力分布图形产生不利影响，而且使得衬砌结构失去周边的有利支撑条件，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。如果隧底存在厚度不大的软弱不稳定的岩体或有不稳定的充填物，可以采取换填办法处理衬砌更换与加固已裂损的衬砌一般均有相当大的支护潜力，可以充分利用，仅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更换衬砌的办法。加固工程的主要方法如下。

压浆与加固①圬工体内压浆。衬砌裂损发展非常缓慢或者已呈稳定时，可以进行圬工体内压浆，一般以压环氧树脂浆为主，并选择在无水季节施工。②衬砌背后压浆加固。主要是针对衬砌的外鼓和整体侧移。在拱后压浆增加拱的约束可以提高衬砌刚度和稳定性。一般可以局部应用，主要在发生外鼓变形的部位使用。如果衬砌同时存在外鼓与内鼓部位，首先采取临时措施控制内鼓继续变形，然后在外鼓变形的部位压浆加固之后再对内鼓采取加固措施，最好再对全断面进行整体加固。

嵌补加固对已呈稳定、暂不发展的裂隙，如果不能采取压浆加固者可以采取嵌补，即将裂缝修凿剔深，在缝口处用水泥浆、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，为确保安全，可以采取钢拱架临时加固，只加固拱部时用上部拱架加固，拱架脚可以嵌入墙顶或支撑于埋在墙顶的牛腿上，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。此法在衬砌厚度太薄或衬砌严重破损碎裂时不能采用。

喷锚加固裂损衬砌的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，此时锚杆既可沿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，以增强围岩的稳定性，提高支护结构的承载能力。采用此法时应检查衬砌厚度、背后超挖回填及围岩整体性情况。锚杆的设置应在衬砌的背后压浆后两个星期进行。锚杆的锚固段应设在稳定围岩中。对于衬砌上的裂纹及时嵌填。喷混凝土可以使所有已裂损的圬工块体紧密结合，阻止这些块体的松动，同时在喷射压力作用下嵌入裂缝内一定深度，使裂缝重新闭合，增强裂损衬砌的整体性，较大幅度的提供裂损衬砌的承载能力，达到加固的目的。必要时也可以在喷层中加入钢筋网，用于防止收缩裂纹，提高加固结构的整体性和抗震、抗冲切能力。喷锚加固是较为常用的加固衬砌裂损的措施。

套拱加固果混凝土质量差，厚度不够，或受机车煤烟侵蚀，掉块剥落严重，并且拱顶净空有富余时，可对衬砌拱部加筑套拱或全断面加筑套拱。如果隧道内净空条件不足，可以采用落道套拱的办法。套拱与原衬砌间用Ф16mm~18mm的钢筋钎钉锚接，钎钉埋入原拱20cm左右作为钢筋的生根处。套拱中的主筋也可用钢拱架、格栅来代替，其间距为50cm~80cm，纵向用拉杆焊接。套拱用强度等级不低于C20的混凝土灌注，其厚度为20cm~30cm。套拱拆模后要进行压浆，以填充其背后空隙，使新旧拱圈连成整体。当拱部灌注混凝土难度较大时，可以采用喷混凝土、网喷混凝土和喷钢纤维混凝土进行加固。事实上，套拱加固已日益被喷锚加固所代替。

更换衬砌拱部衬砌破坏严重，已丧失承载能力，用其他防治补强手段难以保证结构稳定，或者衬砌严重侵入限界，采用其他防治措施有困难时，可采用全拱更