隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施

兰州交通大学继续教育学院
毕业设计（论文）
专业（班级）：12级土木工程
指导教师：刘永孝
学生姓名：王建龙
学号： 5
设计题目：隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施毕业设计成绩评议表
有无错误等。

毕业设计（论文）任务书
班级：土木工程12级学生姓名：王建龙指导老师：刘永孝
开题报告
班级：12级土木工程专升本学生姓名：王建龙指导老师：刘永孝
几
中期报告
班级：12级土木工程专升本学生姓名：王建龙指导老师：刘永孝
结题验收
班级：12级土木工程专升本学生姓名：王建龙
摘要
随着国民经济的迅速发展，我国交通运输事业得到了蓬勃发展。

隧道作为公路工程建设中的一个重要结构物，也迎来了规模空前的建设热潮。

因其在改善路线线形、缩短里程和行车时间、提高运营效益以及减少占地面积等方面发挥的重要作用，必将得到更为广泛的推广和发展。

但是，我国地域自然条件差异较大，隧道穿越的山体地质及水文等条件复杂多变。

由于对局部软弱围岩、膨胀性围岩以及对衬砌有侵蚀性的环境水等调查不足；未能采用加强衬砌结构或防治措施不当；部分地段隧道衬砌施工质量缺陷等，造成了许多运营隧道出现衬砌裂缝。

如衬砌裂缝处治不当就会出现渗漏水，不但不易修缮而且影响隧道正常运营，造成隧道衬砌和通风、照明及消防设备的腐蚀损坏，造成路面积水使行车环境恶化，从而降低行车速度和安全性能。

因此对隧道衬砌裂缝进行相关研究是十分必要的。

本文从隧道衬砌裂缝的类型入手，从施工角度分析了隧道衬砌裂缝产生的原因,再现衬砌裂缝特征及破坏形式，得出隧道衬砌裂缝产生及发展规律，从而对隧道设计、施工以及衬砌裂缝病害的防治提出一些粗浅见解。

关键词：隧道；衬砌；裂缝；产生原因；预防；治理
Abstract
With the rapid development of national economy, transport undertakings have developed vigorously in our country. Tunnel as a highway (railway) is a very important part in engineering construction structure,also ushered in the unprecedented building in the improvement of the route, shorten the distance and travel time, improve the operating efficiency and reduce the area played an important role,will get more extensive promotion and development.
However, the regional differences in natural conditions in our country, tunnel through the mountain complex geological and hydrological conditions, the local weak surrounding rock and swelling rock and transform Qi You corrosive environment such as water survey, failed to use improper measures, strengthening prevention and control of lining structure or sections of tunnel lining construction quality defects, such as tunnel in tunnel lining crack caused many operation. Such as lining crack treatment inappropriate lining will appear, not only is not easy to repair and affect the normal operation of tunnel, tunnel lining and all kinds of ventilation, lighting and fire fighting equipment corrosion damage,worsen water surface driving environment, thereby reducing driving speed and safety performance. So the relevant study on the tunnel lining crack is very necessary.
From the type of tunnel lining crack, this paper analyzed from the points of view of the construction of tunnel lining crack reason, represent the lining crack characteristics and damage forms, draw a tunnel lining crack and the law of development, thus the design and construction of the tunnel and tunnel lining crack disease prevention and control of some shallow opinions are put forward.
Key Words: Tunnel Lining Crack；The cause of prouduct；Prevent Administer
目录
第一章目前国内隧道衬砌裂缝研究方法及现状 (1)
一、现场原位试验 (1)
二、室内模型试验 (1)
三、理论与数值分析 (1)
第二章隧道衬彻裂损变形的现状和主要危害 (2)
一、现场原位试验 (2)
二、隧道衬砌裂缝的主要危害 (2)
第三章隧道衬砌开裂的类型 (3)
一、按裂缝与隧道轴向相互关系分类 (3)
二、按照衬砌受力变形形态和裂口特征分类 (4)
第四章隧道衬砌裂缝观测方法 (6)
一、纸条测标观测 (6)
二、钢钉测标观测 (6)
三、标记测标观测 (7)
第五章隧道施工对衬砌裂缝的预控 (8)
第六章衬砌开裂原因分析 (10)
一、设计方面的原因 (10)
二、施工方面的原因 (10)
第七章隧道衬砌裂缝的预防和治理措施 (12)
一、预防 (12)
二、治理 (13)
（一）围岩加固 (13)
（二）二次衬砌表面补强 (21)
（三）套衬补强 (22)
（四）换拱换衬 (23)
结论 (26)
致谢 (27)
参考文献 (31)
第一章目前国内隧道衬砌裂缝研究方法及现状
与发达国家相比，我国隧道建设起步较晚，针对运营中隧道呈现出越来越多的裂缝状况，国内学者对裂缝形成机理及处治方案进行了一系列的研究，其采用的研究方法主要有：
一、现场原位试验
现场原位试验是地下工程研究最直接的研究方法，现场试验的研究数据不仅可以为科研提供重要的数据，更重要的是通过现场量测数据分析可以直接指导实际工程的建设，同时与数值模拟分析的结果进行对比分析，以验证其计算的正确性。

隧道工程原位试验主要包括：地质和支护状态观察、周边位移和拱顶下沉量测、锚杆轴力量测、初期支护与二次衬砌的接触压力量测、二次衬砌内力量测等。

通过对典型断面的现场量测，可以记录隧道结构随开挖过程的实际受力状态，为结构的安全性评价提供可靠的数据；对隧道裂缝治理现场量测，可以为相似地质情况、受力模式、结构尺寸的隧道裂缝治理提供重要参考。

国内学者对隧道裂缝进行现场治理的研究较多，具体可分为结构开裂试验；注浆加固围岩、充填空洞和止水防水现场试验；浅埋偏压裂缝治理试验；软弱膨胀性围岩裂缝治理；高寒隧道裂缝治理；采空区和岩溶区裂缝治理以及隧道塌方的治理等。

二、室内模型试验
模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，如西南交通大学王明年、关宝树、何川对渝长高速公路铁山坪隧道在不同构造应力场中破坏模型试验研究；何川、林刚等关于金丽温高速公路20座连拱隧道在竖向压力作用下的破坏模型试验研究；兰州交通大学周立霞等关于昆仑山隧道施工缝、变形缝的模型试验研究等。

三、理论与数值分析
在隧道理论计算中针对不同的情况一般采用荷载-结构模式或共同作用模式。

数值计算方法也较多，在隧道工程应用较为普遍的是有限元法(FEM)和有限差分法（FLAC）。

对隧道裂缝进行模拟研究工作可分为：二次衬砌的安全性模拟计算、衬砌背后出现空洞时对结构安全性影响的计算、岩溶区近接施工的影响计算、不同位置溶洞对隧道施工过
程的影响计算、双连拱施工的影响分析等。

第二章隧道衬砌裂损变形的现状和主要危害
一、隧道衬砌裂损变形的现状
以我国公路铁路隧道衬砌目前裂损变形情况为例（如表1）。

隧道衬彻裂损变形现状表1
二、隧道衬砌裂缝的主要危害
1.降低衬砌结构对围岩的承载能力；
2.使隧道净空变小，侵入建筑限界，影响车辆行车安全；
3.拱部衬砌掉块，影响行车和人身安全；
4.裂缝漏水，造成洞内电力水利、通风设施锈蚀、道床翻浆、严寒和寒冷地区产生冻害；
5.铺底和仰拱破损、基床翻浆、线路变形、危及行车安全，被迫降低车辆运行速度，大量增加养护维修费用；
6.在运营条件下对裂损衬砌进行大修整治，施工与运营相互干扰，费用进一步增大。

如贵广线某隧道（铁路）运营后衬砌大面积裂缝渗漏水，仅维修工期就近5年，耗费了大量人力物力。

第三章隧道衬砌开裂的类型
隧道衬砌裂缝产生的原因是复杂的、多方面的，有设计、施工、地质条件等各方面的因素，从而使隧道衬砌裂缝形成各种各样的类型。

一、按裂缝与隧道轴向相互关系分类
隧道衬砌裂缝按其与隧道轴向相互关系可归纳为纵向裂缝、环向裂缝及斜向裂缝等三种：
1.纵向裂缝（如图）：衬砌裂缝平行或基本平行于隧道轴线，其危害性最大，继续发展可引起隧道掉拱、边墙断裂甚至整个隧道塌方，破坏衬砌断面的整体性。

产生裂缝的原因主要是隧道地质条件存在偏压、设计承载力不够、隧道周边欠挖部位未进行处理使衬砌的厚度不够或施工时边墙与拱顶回填不密实等。

图纵向裂缝
2.环向裂缝（如图）：衬砌裂缝垂直或近似垂直于隧道轴线，主要是由于围岩压力变化、地基不均匀沉降、变形缝、施工缝处理不当等因素引起，大多数发生在洞口、存在不良地质地段及软硬岩层接触地带，环向裂缝对隧道稳定性影响不大。

图环向裂缝
3.斜向裂缝（如图）：一般和隧道纵轴呈45°左右延伸较长，几条斜向裂缝互相交叉，很容易引起衬砌掉块。

斜向裂缝一般是由于混凝土斜截面上的拉应力或剪应力超过混凝土的抗拉或抗剪强度所致，其危害性仅次于纵向裂缝。

图斜向裂缝
二、按照衬砌受力变形形态和裂口特征分类
按照衬砌受力变形形态和裂口特征划分，主要分为衬砌挤压张口型裂缝、衬砌内缘受弯闭口型裂缝、衬砌受剪错台型裂缝及收缩性裂缝等四种：
1.张口裂缝（如图）：常见在拱腰，边墙部位。

多由衬砌承受较大的地层压力作用向内位移，内缘拉应力超过混凝土的极限抗拉强度发生张口裂缝；部分见于拱顶，由于拱顶空腔未完成注浆，衬砌和围岩联结不密实，拱顶松动围岩掉块，随着时间的推移拱顶上部围岩失去自稳能力，衬砌直接承受拱顶松动围岩压力向内位移，内缘拉应力超过钢筋混凝土的极限抗拉强度，产生“”形张口裂缝。

拱腰和边墙部位出现多条张裂错台，并与斜向、环向裂缝交汇衬砌被切割成小块时容易造成结构失去稳定发生塌落，对运营安全威胁最大。

图张口裂缝
2.闭口裂缝（如图）：常见于拱顶发生较严重内移地段的拱腰部位和拱腰发生严重内
移的拱顶部位，由于衬砌拱顶（拱腰）两侧受压，拱腰（拱顶）衬砌向外位移内侧受压产生劈裂，外侧受拉产生“V”形闭口纵裂缝。

当两者进一步发展时产生贯通裂缝，拱顶内缘在高挤压应力作用下发生剥落掉块，甚者产生大型塌方事故。

3.错台裂缝（如图）：主要为拱腰处衬砌混凝土受剪切应力作用而开裂出现错位，呈纵向、斜向或“X”型交叉分布。

剪切裂缝主要是由于偏压、围岩自身承载力不足、纵向沉降差和其它施工因素引起。

由于混凝土浇筑后,地基受力产生不均匀沉降，以及过早脱模后衬砌背后空腔内松动围岩产生滑动，混凝土衬砌遭受巨大外力冲击等都容易产生剪切裂缝。

4.收缩裂缝：多见于隧道洞口气温变化影响较大地段，由于施工过程中停电、机械故障等原因，迫使混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间，故障排除后继续浇筑混凝土时，原有的混凝土基础表面没有进行凿毛处理，或者凿毛后没有将松散混凝土层冲洗干净就在原混凝土表面进行浇筑，致使新旧混凝土接茬处出现裂缝。

图闭口裂缝
图错台裂缝
一般情况下在衬砌封闭成环后，张口裂缝和闭口裂缝相呼应而产生，张口裂缝附近必定会产生闭口裂缝，闭口裂缝周围一定会出现张口裂缝。

第四章隧道衬砌裂缝观测方法
裂缝观测时，可以用钢尺直接量测裂缝的长度、宽度及错台，或用钻孔和超声波法测定裂缝的深度。

对于持续发展的裂缝，一般用下列观测方法观测较简单易行。

一、纸条测标观测
这种方法简单易行且观测最为直接，纸条测标是将延展性较差、容易拉裂的纸张裁成宽3-5cm、长20cm左右的纸条贴在衬砌裂缝上。

在纸条上记录观测日期，并将裂缝编号、宽度、长度和深度等进行记录（如图）。

裂缝如果持续发展，则纸条被拉裂，直接量测纸条裂缝宽度可得到衬砌裂缝增长量。

图纸条测标观测
二、钢钉测标观测
这种方法是在裂缝两侧完好的污工中各埋入两个钢钉，其中一个直立，另一个制成“L”
图钢钉测标观测
型，两个钢钉的尖端相交于一点（如图）。

这种方法既能测量裂缝的扩张程度，还可以测量裂缝的错距。

三、标记测标观测
这种方法是在裂缝两侧完好的污工中各画出两个标记（如图），根据两个标记的相对位移，直接测量裂缝位移程度。

图标记测标观测
第五章隧道施工对衬砌裂缝的预控
从20世纪60年代开始，由于锚杆和喷射混凝土类“主动型”支护技术的使用和发展，使人们对隧道工程中围岩和支护的相互关系有了重新认识，不再传统地将围岩视为荷载的来源，将支护结构归结为“消极地”承受围岩压力。

而是立足于保护围岩、利用和调动围岩的自承能力。

这就是继传统矿山法后工程界提出的现在使用最广泛的设计施工理念“新奥法”的精髓所在。

其目的是在岩石或土层中开挖隧洞时，使围岩形成一个整体环状支承结构，成为支护结构的一部分。

其核心是：利用围岩支撑隧道，使围岩本身形成支撑环，并结合监控量测技术进行动态施工。

目前隧道开挖均按“新奥法”施工，其基本原则是：“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤测量”。

开挖后要求及时支护并加强监控测量，确定围岩变形基本稳定后再进行衬砌浇筑。

新奥法施工中，围岩是承载结构的主体，以维护围岩自身稳定性为基点，采用锚杆和喷射砼及时进行支护为主要手段，控制围岩的变形和松弛，充分利用围岩的自稳性。

锚喷支护仅承受部分松散荷载和围岩变形压力，在IV、V级类围岩中，衬砌除承受自身荷载外，还承受围岩变形压力（围岩自稳性较差）；在II、III类围岩中，衬砌为安全储备只承受部分流变荷载，不承受地层荷载和周围水压力（围岩自稳性较强）。

新奥法设计施工的基本理论为：围岩稳定是岩体自身具有承载和自稳能力，围岩丧失稳定是一个持续的过程，如果在这个过程中提供必要的制约和控制，则能够改变围岩发展现状使围岩进入稳定状态或趋于稳定。

“新奥法”在隧道及地下工程的应用推广中逐渐形成自己独特的思想体系，在施工理念上也逐步完善，概括为四大理念即：爱护围岩，内实外美，重视环境，动态施工。

爱护围岩是指保护围岩的固有支护能力，采用各种手段和方法来增强围岩的自支护能力。

内实外美重点是内实，而内实必须做到“四密实”，即浇筑混凝土密实、喷射混凝土密实、喷射混凝土与围岩接触密实、二次衬砌与初期支护密实。

重视环境既包括内部施工作业环境的重视又指施工场所周边环境的影响。

动态施工是指根据开挖暴露出来的围岩状态采取对策，隧道开挖过程中的地质条件是变化的，因此施工过程就不可能一成不变，在施工中采取的各种施工方法和技术手段都是为了适应这种“状态”的变化。

因此，“新奥法”施工对隧道衬砌裂缝和变形进行了有效的预控。

第六章衬砌开裂的原因分析
一、设计方面的原因
1.隧道设计时，因围岩级别划分不准、衬砌类型选择不当，造成衬砌结构与围岩实际荷载不相适应引发衬砌裂缝。

如甘肃某在建隧道总长度不足3KM,因围岩级别划分不准和衬砌类型不相适应，自开工至今就围岩级别和衬砌类型变更不下十余次。

2.偏压地段未采用偏压衬砌。

仍以甘肃某隧道为例，改隧道在建设过程中某段出现大型塌方1次中小型塌方数次。

塌方处理论证过程中，有专家提出该段为严重偏压地段，采取偏压衬砌必要时应对地表进行削山卸载，但论证结果只是加强衬砌类型。

待塌方处理完毕继续掘进过程中该地段再次发生大型坍塌，造成数榀已支护完成的拱架损毁，后不得已在该段采取偏压衬砌并对地表进行减载处理才顺利通过。

3.断层、破碎带、褶皱区等局部围岩松散、压力或构造应力较大地段衬砌结构未能相应采取加强措施；
4.对基底软弱地段，未增加防排水可靠性措施，也未对仰拱采取加强措施混凝土铺底厚度及强度不足。

二、施工方面的原因
1.施工中拱顶超挖太多，衬砌浇筑过程中混凝土与围岩不密贴，未能及时压浆回填或者干脆不回填，造成拱顶衬砌背后空洞较大，加之上部岩土坍落导致拱腰承受围岩较大荷载，而拱顶一定范围空载，这种“马鞍形”受力状态导致拱腰内移张裂、拱顶上移、内缘受挤压产生裂缝。

抑或拱腰、边墙衬砌背后空洞较大，衬砌与围岩不密贴，在围岩压力作用下，拱顶下沉内缘衬砌受拉形成张口裂缝，拱腰外移衬砌受弯形成闭口裂缝。

2.施工工艺、方法不当。

先拱后墙（上下导坑）法施工时，拱架支撑变形下沉，造成拱部衬砌产生不均匀下沉，拱腰和拱顶发生施工早期裂缝。

由于工序配合不当，衬砌成环不及时，拱架落脚虚空、间距超设计过大，锁脚锚杆不扎实，开挖后悬空跨度过大、时间太长等原因，都容易造成拱部衬砌产生不均匀沉降。

3.由于施工测量放线产生较大误差导致超欠挖、初支变形、坍方等在施工中未能妥善
处理。

初期支护侵入衬砌限界，造成二次衬砌混凝土厚度不足。

或未开展监控量测，仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间，安全可靠性差造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。

更有甚者为了获得更大经济利益，在浅埋、软弱地层中删减预留变形量忽略了围岩的自由沉降。

4.开挖爆破技术不成熟局部超、欠挖严重，导致衬砌厚度不均匀，以致衬砌断面局部应力过大。

5.过早拆除模板，混凝土强度达不到《公路隧道施工技术规范》要求的，混凝土自身抗拉强度不足，使得二次衬砌拱部和边墙砼受自重作用而产生水平弯拉裂缝。

同时，由于模板的拆除，使得衬砌内侧变成了临空面，衬砌边墙由原来的部分受压结构变成同时承受弯、压双重作用，最终边墙也产生水平裂缝。

6.施工质量管理不严，钢材、混凝土等原材料检验不力，混凝土配合比控制不当，水灰比过大或混凝土捣实不密实，拱部浇注间歇施工形成水平状工作缝等，造成衬砌质量不良承载力下降。

7.采用整体式钢模板台车施工，检查口设置不当造成人工振捣不便，混凝土浇筑时漏振现象严重，附着式振捣器难以实现全方位振捣，造成混凝土振捣不均匀。

8.其他非技术原因造成隧道衬砌裂缝的原因，常见的主要因素有：偷工减料、野蛮施工、不按设计施工、不按程序施工、对于超挖段和塌方段回填不及时、不完全等。

9.双线隧道两个洞室掌子面开挖距离较近，开挖过程中相互扰动较大，破坏了围岩的相对稳定性。

第七章隧道衬砌裂缝的预防和治理措施
一、预防
1.加强地质勘探工作，做好施工前期地质勘查工作，为隧道衬砌结构设计提供准确的工程地质与水文地质资料。

2.采用地质雷达探测做好地质超前预报，加强施工过程中的地质复查核实工作，以便及时修正设计正确选择施工方法和衬砌类型。

如甘肃某隧道原设计400多米长的Ⅲ级围岩地段，开挖后发现绝大部分只能算作VI级围岩，因此设计所选用的衬砌类型也就无法适应实际地层情况。

这是隧道施工现场经常遇到的问题，为了弥补设计上的缺陷现场工程技术人员（设计、监理、施工）要对开挖暴露后的围岩情况及时与设计图纸进行核对，发现不符之处不可盲目施工，应立即会同现场设计人员协商做出相应的变更。

3.采用先进的施工设备、工艺和方法，尽量减少施工对周围围岩的扰动，确保围岩自稳能力不下降。

4.严格控制超、欠挖。

超、欠挖必须控制在允许范围内，光面爆破技术不成熟的单位应加强机械开挖管理水平。

5.衬砌施工时应严格按设计要求设置沉降缝、伸缩缝。

确定分段浇筑长度和速度；混凝土拆模时，内外温差不得大于20℃；同时加强养护，混凝土温度的变化速度不宜大于5℃/h。

6.把好材料进场关，严格控制混凝土的质量和技术标准，包括水泥、碎石、砂、水、外加剂等原材料。

提高喷射混凝土的抗裂、抗渗性能。

7.加强观测量控，当围岩变形较大、流变特性明显需提前进行二次衬砌时,必须对初期支护或衬砌结构作出加强调整。

8.模筑混凝土浇筑完成之后进行衬砌与初支间空腔压浆，提高混凝土衬砌与喷射混凝土之间的密实性。

二、治理
在保证衬砌结构和运营安全的前提下，隧道衬砌裂缝的治理主要从围岩加固，二次衬砌表面补强，套衬补强、换拱换衬几方面着手：
（一）围岩加固
围岩失稳造成的衬砌裂缝较易出现在洞口及浅埋段，由于设计二次衬砌混凝土的结构是按照全断面进行受力检算的，而实际施工是一个相对间隔分步的过程，特别是地质不良地段，施工单位应提前作好施工期间可能出现的不利因素（如山体滑坡失稳等）的应对措施及结构的临时支护措施，必要时申请变更，否则一旦二次衬砌混凝土开裂、错位，处理起来相当困难。

另外衬砌裂缝较易出现在塌方空洞及衬砌空洞处。

在塌方空穴处理时一般采用填浆砌片石、预留注浆孔的办法，这些方法都要求洞穴内回填稳定支撑牢固，出水点引排水通畅，并确保注浆时水路不被堵塞。

初支完成或二次衬砌混凝土施工后要及时注浆回填密实是确保塌穴不再失稳造成破坏二次衬砌混凝土的关键。

超挖造成的二次衬砌背后的较大空洞，也应注浆回填不宜久拖。

近年来，运营隧道出现衬砌裂缝和坍塌事故，主要是该类空洞没有回填密实日久造成围岩失稳所致。

为防止以上原因造成衬砌裂缝，可采用衬砌背后空洞回填注浆、超前小导管注浆、大管棚超前支护、地表注浆、隧道径向注浆等措施加固围岩。

1.衬砌背后空洞回填注浆加固围岩
由于岩石破碎掉块严重，同时受钻孔精度、爆破技术、施工组织管理等因素的影响，超欠挖现象较为严重，导致初支距离岩面空间较大，存在形状不规则的空洞开仓处理难度较大，且大量开仓处理会破坏初期支护的完整性，针对此现象当衬砌背后存在较大空腔时，采用衬砌背后空洞回填注浆。

（1）施工工艺流程（如图）：
图衬砌背后空洞回填注浆加固围岩施工工艺流程
（2）施工步骤：
1）预埋泵送管或Ф100mm热轧钢管（与拱架间连接钢筋或钢筋网片焊接牢固），作为预埋注浆孔。

2）采用C25泵送混凝土（坍落度控制180～200mm）进行泵送回填处理直到密实（如图）。

图衬砌背后空洞回填注浆。