浅谈隧道衬砌裂缝的发育和安全性能评估

浅谈隧道衬砌裂缝的发育和安全性能评估

金凯新

重庆交通大学 土木工程学院 重庆 400074

摘要：随着我国基础设施的完善，隧道建设由大规模的建逐渐转向大规模的养护阶段，对于隧道衬砌裂缝，一直是导致隧道产生病害的主要原因，因此，研究隧道衬砌裂缝的产生原因，隧道衬砌裂缝的开裂特点，形成机理，隧道衬砌开裂时的诊断指标尤为重要，以及当隧道在修建前，隧道衬砌裂缝的预防，修建时衬砌裂缝的预防，隧道投入运营后，衬砌裂缝的修补，养护进行了总结。

关键词：隧道；衬砌裂缝；安全评估；预防措施

引言

随着长隧道和特长隧道的持续建设与长期应用，隧道的养护工作也引起了各方的关注。隧道随着服役时间的增长，在各种环境因素的影响下经常会产生结构变形，衬砌裂损等现象[1]。本文旨在前期的研究过程中，基于实际工程和相关试验，研究隧道裂缝的走向，应用基础力学理论和数值分析等数学手段，对隧道衬砌的安全进行安全评价，并列举出规范中对于衬砌安全性的计算方法和计算原理和方法。总结隧道衬砌开裂的一些原因，判断的一些指标，对一些指标进行详细的介绍，并提出一些隧道衬砌裂缝处置措施。

1隧道衬砌开裂原因

在隧道服役期间，导致隧道衬砌开裂的原因主要有以下四种：

（1）在隧道的初期开挖时，无法做到精确的爆破，开挖，致使部分的围岩超欠挖严重，隧道衬砌背部出现空洞或者鼓包，导致隧道衬砌的承载能力下降。

（2）在施工过程中，初支和二衬厚度未达到标准厚度，在后期服役过程中产生裂损。

（3）在施工过程中，初期支护所产生的抗力较少，导致部分围岩出于应力集中状态，对于二次衬砌产生了过载，使得衬砌产生裂损。

（4）由于长时间的隧道建设和运营过程，使得衬砌混凝土长期处于疲劳状态，混凝土的强度显著降低。

在我国，隧道的建设始终是重修轻养，缺少监测。部分隧道在长期服役的阶段，未能得到及时的养护，致使隧道衬砌在服役期间产生开裂的现象，严重影响隧道使用寿命。

2隧道衬砌裂缝的特点

从前期的研究和总结中，可以观测到隧道衬砌裂缝有三种主要特点：

（1）病害区域的形态比较复杂，隧道衬砌表面的裂缝由纵向沉降变形和横向收敛变形，外部荷载作用下自发产生的，出现的衬砌裂缝并非规则的线，圆等简单的几何形状[2]。

（2）隧道衬砌的裂缝分布无规律性，分布较为随机，绝大多数的衬砌病害发生在衬砌顶部。

（3）隧道衬砌裂缝病害的连通性差:裂缝病害的尺寸较为细小，在细小裂缝的出现位置处往往会出现多条独立的裂缝，并且各个衬砌裂缝之间不连通。

3隧道衬砌裂缝的一些评估指标

目前存在的较完整的对隧道衬砌裂缝进行诊断的指标有裂缝长度、裂缝宽度、裂缝深度、裂缝分布、裂缝间距和裂缝走向，其中裂缝的深度和宽度可以通过双直线模型来进行转换。对于裂缝宽度，选取平均宽度虽易于计算，但是对于裂缝宽度的特点来说，会忽略局部裂缝较宽的区域。基于此，本文选取的量化参数主要有裂缝病害的长度，最大宽度，分形维数等三个参数进行详细的归纳和说明。长度、最大宽度是基于欧式几何，而分形维数是基于分形几何。在这几种参数的基础上，通过聚类、回归分析等手段依次客观地建立病害分级档数、病害诊断指标以及病害等级的分级标准，从而实现以隧道区段为诊断尺度的病害严重程度评定[3]。

在建立隧道裂缝的诊断指标方面，首先应该对隧道衬砌进行数据采集，获取隧道衬砌表面裂缝的图像数据。可通过非接触式隧道病害快速检测系统对数据进行采集，利用计算机分析，将隧道的裂缝信息，转化为二值图像，以将病害区和非病害区划分为不同的像素值。

3.1 长度和最大宽度

对于长度和最大宽度指标的计算，应建立一种动态的分块方法进行分块。在动态分块的方法中，h的取值是动态的，在不同h的取值下，所获得的的裂缝长度和最大宽度也是不同的，将所获得的值中的最大值求出，即为最终的裂缝长度L和最大宽度W。

3.2 分形维数

分形维数属于分形几何学（被称为非欧式几何学）的范畴，分形维数的计算方法有：盒维数法，标尺法，分岛法等[4]。由于盒维数的数学计算易于操作、便于程序化，因此在工程应用中有很多的使用。本文采用盒维数对隧道衬砌表面的二值图像中的裂缝病害的分形维数进行计算：

式中，r为量测尺度，N（r）为量测次数，FD为分形维数，C为常数。

4隧道衬砌裂缝的防治对策

4.1预防措施

对于隧道衬砌而言，由于其属于隐蔽工程，因此在隧道衬砌开裂的过程中，前期的预防有着举足轻重的作用。应该从工程地质勘察阶段，隧道施工及运营阶段都要做好隧道衬砌裂缝的预防工作，以降低隧道衬砌开裂的几率，保障隧道的安全运营[5]。具体要做好以下几点：

地质勘察阶段，精确测量，对待不良的地质段，要做好专项设计。

设计阶段，应按照工程地质条件，根据相应规范进行结构选型、部署施工流程。

施工过程中，按照设计要求以及相关规范，严格按照施工工艺精细化施工。采用光面爆破技术减少超欠挖的产生。面对突发、与设计不同的施工情况，及时应急处理，变更设计材料，及时做好初期支护及二次衬砌的浇筑，确保隧道施工安全与质量。

在养护阶段，按照养护的相关规定、养护方法和养护周期进行养护管理。

4.2治理对策

（1）针对非结构性损伤的衬砌裂缝，隧道衬砌已经趋于稳定，不会再有大的开裂。应该采用裂缝的封堵措施，如采用用水泥砂浆直接进行涂抹，对于出现的裂缝，进行注浆。

（2）针对结构性损伤衬砌裂缝，应进行必要的衬砌加强措施。如采用围岩注浆，衬砌背后注浆，锚喷网支护，套衬补强，增设仰拱，必要时拆除重建[6]。

5结语

本文对于隧道衬砌裂缝形成的原因、隧道衬砌病害诊断指标进行了总结，介绍了隧道衬砌参与服役前后衬砌裂缝的预防和处理措施。在未来的研究中，应加强对于隧道衬砌裂缝在受力状态下隧道衬砌三维裂损的研究与试验，利用多种手段研究总结隧道不同部位的开裂时裂缝的规律，预防和处置隧道衬砌裂损现象，保障隧道安全运营，延长隧道使用寿命。

参考文献

[1]苏子龙,孔强.隧道衬砌受力解析研究与工程应用[J].江西建材,2022,No.283(08):303-306+315.

[2]张素磊. 隧道衬砌结构健康诊断及技术状况评定研究[D].北京交通大学,2012.

[3]李庆桐,黄宏伟.基于数字图像的盾构隧道衬砌裂缝病害诊断[J].岩石力学与工程学报,2020,39(08):1658-1670.

[4]谭小刚,张洪伟.基于小尺度分形维数的裂缝图像分割方法[J].公路交通科技,2018,35(05):34-39.

[5]李治国,张玉军.衬砌开裂隧道的稳定性分析及治理技术[J].现代隧道技术,2004(01):26-31+40.

[6]张素磊,张顶立,刘昌.公路运营隧道衬砌裂缝长期监测及分析[J].现代隧道技术,2017,54(03):17-25