管道修复人的圈子

1.引 言

国家在“十三五”发展规划和交通强国战略目标中明确指出，中国已经处于交通基础设施加速成网和现代综合交通体系加快构建的黄金机遇期，要加快建设交通强国。隧道工程作为我国交通枢纽建设的重要组成部分，起着必不可少的作用。

从1999年至2020年，我国铁路隧道座数从6 877座增长至 16 798 座，隧道总长度从 3 667km 增长至19 630 km；公路隧道座数从 1 360 座增长至 21 316座，总里程从 500.5 km 增长至 21 999.1 km。我国已经成为世界上隧道数量最多、里程最长、规模最大、发展最快的国家。中国隧道建设相关发展趋势如图1所示。

图1 中国隧道数量及总里程统计数据

自20世纪以来，我国隧道建设发展迅速，由于复杂环境影响及隧道使用年限增加，导致隧道不可避免地产生各种各样的病害，我国逐渐从“隧道建设时代”转向了“隧道养护时代”。隧道中常见的病害包括水害、冻害、隧道火灾、衬砌裂损、衬砌侵蚀等，其中衬砌裂损是隧道中最常见且最易造成不利影响的病害之一。李佳翰等通过对国内外266座隧道衬砌病害进行整理统计，发现衬砌裂损在隧道病害中所占比例高达82%。衬砌裂损一定程度上会影响隧道结构的承载能力和稳定性，裂缝的产生使得混凝土强度降低，严重时甚至会导致隧道坍塌，影响行人和车辆的安全正常运行。为了能够及时发现隧道衬砌裂损并进行有效治理，就需要对衬砌进行裂缝超前检测并根据相关标准对裂缝形态进行分析判断。由于隧道中环境复杂黑暗，很难达到实时和自动化检测的理想状态，故目前我国常采用的隧道裂缝检测方法主要是人机结合，该法耗时长、效率低且对检测人员来说存在一定危险。随着计算机科学技术的发展，相关学者提出了使用数字图像结合计算机自动化检测隧道裂缝的方法，即利用摄像机拍照；计算机对反馈的图像进行自动化识别，对相关裂缝信息进行分类处理；进而可以有针对性地对裂缝进行治理修复。目前对隧道衬砌裂缝的治理措施可归结为两大类，一是拆除重新施作二次衬砌，二是加强衬砌自身强度以提高隧道稳定性。多数情况下，对衬砌承载力与安全性能无明显影响的衬砌病害只需进行日常维护；而对衬砌造成实质性损害致使结构功能衰减的病害则需进行加固补强；当隧道病害发展至不能保障衬砌结构安全时，就需对病害区段衬砌进行拆除重新施作。

本文通过总结国内外学者的研究成果及工程实例，分析归纳了隧道衬砌裂损原因和分类方式、裂缝的检测识别方法及判定标准、隧道衬砌裂损的综合治理技术，并且预测了未来裂缝治理的发展趋势，以期对隧道乃至整个地下空间工程的运营维护提供指导和借鉴。

2.隧道衬砌裂损原因及分类标准

2.1 衬砌裂损原因

混凝土结构开裂是难以避免的，从宏观来看，混凝土结构出现裂缝是一种可以接受的材料特征，只要采用科学有效的手段将裂缝控制在允许范围内，对隧道工程现场来讲就具有较大的现实意义及经济价值。不论是在施工阶段还是在运营阶段，隧道衬砌随时都有可能产生裂缝，其原因可归纳为多个方面：环境因素不稳定，设计方案不严谨，使用材料不合格，施工过程不规范及运营管养不到位等。

（1）环境因素

造成隧道衬砌裂损的环境因素有很多，例如温度、湿度、外力等。温度主要指混凝土水化热、寒区冻结、高地温、隧道火灾等。近年来，日本多座隧道均发生了大规模的衬砌开裂现象，经调查发现衬砌混凝土水化产生的峰值温度与周围环境的温差是导致隧道衬砌产生开裂的重要原因。覃荷瑛等通过对某座寒区隧道进行长期观测分析后指出，混凝土和钢筋的温度膨胀系数分别约为 1.0×10^-5～1.5×10^-5 ℃^-1和1.2×10^-5 ℃^-1，而混凝土的极限拉应变约为1.0×10^-4，即混凝土的内外温差达到 7 ℃及以上时，混凝土衬砌就有可能产生温度裂缝。在反复冻融循环作用下，位于寒区的隧道围岩的物理特性会发生较大变化，低温形成的冻胀圈，会对衬砌产生冻胀压力，围岩冻胀会形成较大的冻胀附加应力，这会进一步加剧衬砌的收缩、膨胀和破裂。高地温隧道产生的附加温度应力也会引起隧道初期支护及二次衬砌开裂，影响隧道结构的安全性和耐久性。

湿度引起的干缩应力对隧道衬砌的影响同样不容忽视。长期处于高水压状态下的隧道，在突水与渗透变形的正反馈机制下，由于层间充填介质透水性差，致使混凝土性能劣化，最终导致衬砌产生开裂、突水等病害。另外，地下水的存在会加剧衬砌的裂损，致使衬砌产生渗漏水。在有侵蚀性地下水的隧道中，地下水的侵蚀将造成衬砌疏松、剥落、开裂等现象加剧。季节性降水造成的围岩淹水也会影响衬砌的受力状态，导致衬砌开裂。

外力作用对隧道衬砌的影响也是不容忽视的。例如，邻近隧道的爆破开挖产生的震动响应、地震作用等，地震对隧道产生的影响几乎是致命的。Nis⁃hant等对隧道的地震破环行为进行了综述，发现地震会导致隧道衬砌开裂、洞门开裂、滑坡破坏、底面抬升、边墙破坏、隧道衬砌剪切破坏和混凝土剥落等。图 2 所示为 2008 年汶川地震后龙溪隧道现场图，可以观察到由于隧道受到地震应力的作用，内部衬砌裂损严重，拱顶脱落，这对隧道造成的伤害是不可逆的。同样，火灾也会导致隧道衬砌产生严重的裂损，如图3所示。隧道形态狭长且空间相对封闭，隧道发生火灾时，温度分布、热释放速率与一般火灾现场有所不同。当隧道内发生火灾时，混凝土内部孔隙压力会瞬时增加，不同的热膨胀和变形限制会引起较大的应力，导致混凝土衬砌发生严重的剥落，对隧道安全造成巨大的危害。总之，衬砌的裂损并不是一种因素单独作用，而是几种因素共同作用的结果。多种因素叠加，会加速衬砌开裂、变形，甚至剥落、掉块，进而影响衬砌的承载力和稳定性。

图2 震后衬砌裂损照片

图3 火灾后隧道衬砌裂损照片

（2）设计因素

隧道在设计前，由于某些原因无法进行深入勘察，导致隧道围岩等级确定不准，隧道的支护结构和整体线位布置设计依据不充分。此外，限于个别设计单位缺乏相关经验及自身专业水平欠佳，导致设计过程极不规范，常任意改变或推翻原有设计。这些现象都是隧道产生病害的关键因素。对此，建设单位应加强前期地质勘查工作，为设计方提供详尽的工程地质和水文地质材料，提高设计质量。

（3）施工因素

隧道施工要求较高，科学合理的施工技术是隧道质量的基本保障。混凝土水灰比不当、钢筋配筋率不当、骨料品种选择不合理、外加剂种类选用及用量不当都会导致隧道衬砌产生开裂。因此，选用适当的水泥及水灰比、加强混凝土振捣、取用合适的添加剂对于有效减小混凝土的温度应力，减少裂缝的产生具有非常大的现实意义。混凝土在运输过程中可能产生离析分层、水泥浆流失、坍落度值变化、初凝等现象，影响混凝土的质量，所以必须采取相应的技术措施来保证混凝土拌合物的质量。例如，控制混凝土生产操作工艺，严格控制水灰比，对于运送或浇筑时间过长的混凝土产品可适当添加外加剂，以提高混凝土的强度性能。

若施工工艺不完善、支护不及时或不支护、拱部衬砌背后不密贴围岩或回填不密实，均有可能导致初期支护脱空、施工缝开裂等局部缺陷，这种影响将时刻伴随在隧道的施工与运营期。衬砌厚度不足或施工过程不规范也会影响隧道结构的稳定性，致使应力分布异常，衬砌顶板的位移与拉应变明显大于隧道其他部分，最终导致混凝土衬砌产生剥落。

据统计，在排除环境因素对隧道衬砌的影响外，设计方案不合理引起的裂缝约占 5％；材料不符合标准或配合比不规范造成的裂缝约占15％；施工原因造成的混凝土裂缝占80％左右。

2.2 衬砌裂缝的分类

2.2.1 根据衬砌裂损机理和裂口特征分类

在受压、受拉等不同受力机理作用下裂损的隧道衬砌，重分布的内力及变形都会进一步影响裂缝的扩展和衬砌结构的稳定，进而影响隧道的正常使用。其中常见的裂损形式主要有张拉裂纹、剪切裂纹、扭弯裂纹、压剪裂纹、收缩裂纹和冻融裂纹等，如表1所示。其中，以隧道拱腰处受弯张口型裂纹最为常见，受拉区发生脆性破坏从而导致衬砌开裂的几率最大。

表1 衬砌裂损机理

纵向弯矩对衬砌开裂性能起到决定性作用，这是由于纵向拉应力增大可以改变衬砌开裂机理，导致衬砌结构发生变形，最终加速衬砌整体开裂。此外，裂缝的类型还包括温度裂缝和施工裂缝。温度裂缝一般是混凝土在养护和冷却过程中混凝土内外产生的温差所引起；施工裂缝是由于施工过程中的一系列不规范操作所导致。

2.2.2 根据裂缝走向及开裂位置分类

隧道衬砌开裂现象一般多发生于拱顶、拱腰、拱脚和边墙位置，裂缝走向可分为环向、纵向及斜向。有关裂缝可能产生的部位及走向，现有的研究大多从应力和变形的角度出发，对裂纹扩展的过程及规律缺乏系统研究。

环向裂缝一般位于边墙和隧道的拱腰位置，始于拱脚止于拱腰，呈现下宽上窄并消失的情况，部分严重情况下裂缝会一直延伸至拱顶，影响隧道衬砌结构安全。混凝土在时间作用下所产生的干缩应力、温度应力及由于施工不规范所导致的未完全闭合的施工缝是环向裂缝产生的主要原因；该类裂缝的扩展具有明显的“共性”，即裂缝在长度、密度和剥落面积上形成原因相似，演变规律也相似。

纵向裂缝一般多发于隧道顶部和侧墙位置，沿隧道的走向向前延伸；当衬砌出现较大的应力变化且最大应力集中在裂缝的尖端处时，应力超过临界值或施工工艺与现场处理措施不当时，混凝土衬砌就有可能发生纵向裂缝扩展；由于其一般位于隧道重要部位的衔接处，因此纵向裂缝可能产生的危害远大于环向裂缝，若不能及时发现和处治，隧道可能发生塌方等重大事故。

随着环向裂缝和纵向裂缝的发展，极易出现斜向裂缝。斜向裂缝无规律的聚集，难以评估其发展趋势，属于隧道的潜在威胁。裂缝的3种具体发展走向形态如图4所示。

图4 裂缝走向

黄宏伟等通过对 48 条存在病害的隧道进行统计分析，发现裂缝走向一般以环向和纵向为主，所占比例分别为 46.44% 和 42.34%；按照裂缝分布位置划分，位于拱顶、拱腰和边墙上裂缝的比例分别为42.27%、27.08%和30.65%。刘学增等通过试验分析裂缝发生的位置、深度及走向对衬砌结构安全的影响，发现纵向裂缝产生的数量越多，安全系数越小；相同裂缝深度下，位于拱顶的裂缝对衬砌结构安全影响最大，且裂缝越深，拱顶的安全系数越低。

3.衬砌裂缝检测方法与评价标准

3.1 隧道衬砌裂缝检测方法

隧道裂损现象频发，故及时有效地识别检测衬砌裂缝已经变成隧道日常养护工作中的一项重要任务。针对隧道衬砌裂缝，早前的检测主要依赖人工，随着信息科学技术的发展，各国专家都在积极探索新的检测手段，很多新技术得到了运用。隧道衬砌裂缝检测技术按照其时间前后、操作的复杂性及自动化程度可分为以下几类：

（1）传统检测法

当前我国隧道衬砌裂缝检测大部分仍依赖于传统检测手段，即人工肉眼检测和人工仪器检测。该检测方法一般是利用升降平台将人送到指定位置进行目视检测，在隧道运营状态下，易造成交通堵塞。并且这种靠肉眼观测和借助工具测量的方法效率低、精度差，不能准确表达和记录病害的形态与性质，无法保证检测结果的客观性，已远不能满足现代化隧道质量检测的需求。

（2）无损检测法

近年来，无损检测技术已广泛应用于隧道检测行业，包括：地质雷达探测、超声波检测、激光扫描检测、微波无损检测以及摄像测量检测。每种方法都在一定程度及范围内取得了较好的成果，但是截止目前，没有任何一项检测技术可以做到在所有情况下精确检测裂缝信息。几类隧道无损检测技术总结如下：

① 地质雷达探测

地质雷达（GPR）能比较直观地表现检测目标，实现快速无损连续检测。该方法利用高频电磁波向检测的物体发射信号（图 5），基于雷达脉冲在传播过程中对不同介质的反射特性不同，以达到探测墙体内的裂缝宽度的目的。该方法效率高、操作便捷、抗干扰性强且可连续检测。但由于地质雷达探测精度较低，无法达到精确检测裂缝宽度的要求。

图5 地质雷达检测隧道衬砌

② 超声波检测

该方法主要是利用超声波具有良好的指向性，会在结构中产生较强的反射、散射等现象，通过观察反射的波形形态和畸变来判断裂缝的位置及深度。该方法在固体中传输损失小、精度高、速度快、检测成本低、对人体无害，但是该方法技术难度大，需专业人员操作，且监测粗糙和不规则的材料时，会存在较大误差。图6为超声波探伤仪及探头工作状态示例图。

图6 超声波探伤仪及探头

③ 激光扫描检测

该方法是将线状的结构光投射到隧道衬砌表面，对被检物体表面进行无损伤、无残留检测。通过观测光强变化或光强损耗来检测结构的裂缝宽度及深度，该方法采样率高、速度快且抗干扰能力强，但成本较高，且无法达到0.2 mm 的裂缝测量精度要求。

④ 微波无损检测

微波无损检测(MNDT)，即利用微波良好的穿透特性，来检测隧道衬砌中的空隙、裂纹。微波检测设备操作方便、效率高、成本低，还具有环境友好性和可持续性的优点，但在使用中需时刻注意操作人员安全，避免造成微波辐射污染。

⑤ 摄像测量检测

摄像测量检测技术主要是利用捕获的图像来计算三维空间中被测物体的几何参数，分为图像采集和图像处理两个方面，研究重点偏向于后者。通过相机采集复杂背景下的衬砌裂损表面图像，然后利用图像处理技术识别归类相关数据。图像处理一般是基于计算机特有的技术和智能算法处理裂缝信息，且计算机具有人的视觉感知系统，可对输入的图像信息进行理解、分析、判断、识别和检测特定目标，进而实现对衬砌裂缝病害的评价，是目前实现裂缝自动化检测的研究热点。该方法操作简单，不受环境限制，但比较依赖图像的清晰度，且数据处理较为繁琐。图7为配备自动识别拍照相机的隧道自动化检测车。

图7 隧道自动化检测车

由于受隧道环境及现场拍摄条件的限制，捕获的衬砌裂损图像包含大量的干扰信息，故图像采集之后，需通过多步流程对采集的裂缝图像进行预处理。裂缝图像识别算法流程见图8。

图8 衬砌裂缝识别算法流程

3.2 裂缝评价标准

对获取的裂缝图像经过处理后定义裂缝上下边缘，依次选中裂缝上边缘的各点，采用“最短距离法”计算裂缝宽度，见图9。

图9 最短距离法示意

采用垂直方向上下边缘点坐标，计算坐标值的差值和绝对值，得到的最小值为该点到下边缘的距离，表示为：

式中，wi为裂缝宽度，表示取上边缘第i个点到下边缘所有点距离的最小值，顺次计算，将这些值求平均或取最大，即为裂缝宽度的平均值与最大值，表示为：

2011年，摄影与数字图像处理相结合的技术首次运用于隧道衬砌裂缝宽度的测量之中，结合实验所得数据，针对衬砌裂缝，相关学者提出了对应的判定标准。其中的定量指标包括裂缝长度、裂缝宽度及裂缝深度。衬砌裂缝的定性判定如表2所示。

表2 衬砌裂缝的定性判定标准

当隧道衬砌裂缝宽度和长度达到一定程度时，就需要对裂缝进行治理。但是针对裂缝是否需要进行修复，尚未形成较为权威的技术指标。西南交通大学关宝树教授在多年教学与实践的基础上于《隧道工程维修管理要点集》一书中提出了需要维修的裂缝宽度限值（表3）。除此之外，基于裂缝分形维数评价衬砌裂损状态被相关学者提出，分形维数能够表征裂纹的密度、宽度和分布，故裂纹的分形维数也是一个很有前景的隧道衬砌健康评估指标之一。

表3 是否需要维修的裂缝宽度限值（单位：mm）

4.裂损衬砌拆除与修复技术

由于裂缝出现位置及裂缝宽度扩展没有统一规律，故在进行裂缝整治施工时，必须遵照“因地制宜，节约投资，尽量避免扰动隧道原有结构”的原则进行，确保裂缝在进行治理之后的结构质量满足隧道的基本安全及使用功能。裂缝在进行治理时，可分为有水裂缝和无水裂缝的治理，对存在渗漏水的裂缝通常采取“排堵结合，因地制宜”的方法，而对于无水裂缝一般以充填封闭为主。按照裂缝扩展状态及是否影响隧道衬砌结构安全进行分类，主要有拆除治理修复法、注浆补强法、直接涂抹法等。

4.1 拆除治理修复

当隧道衬砌裂损严重，裂缝宽度较大，数量较多，结构破坏严重，隧道基本丧失承载能力，不能正常使用时，应采取局部凿除、拆换等处治方式。在进行上述施工时采取的控制原则为“临时支护充分、拆除范围可控、拆除方式微扰动”，管控既有隧道衬砌结构拆除作业风险。

（1）人工与机械相结合

当隧道衬砌局部裂损严重，但拆除位置不适于使用大型拆除机械时，一般采取人工配合机械风镐对隧道衬砌进行局部拆除。该方法适用于工作量较小、精度要求比较高的情况，但同时存在很大的弊端，费时耗力且无法保证作业人员的安全。

（2）液压隧道切割拆除

该方法适用于对受损严重区段隧道衬砌进行拆除。液压隧道切割拆除一般用于较大拆除工程，具有静力切割、无粉尘污染、效率高等优点；但是也存在一定的弊端，即前期准备工作比较繁琐，施工条件要求较高。隧道切割拆除工作现场见图10。

图10 隧道切割拆除工作现场

（3）爆破拆除重建

该方法适用于裂缝宽度大、数量多、结构破坏严重、隧道基本丧失承载力、衬砌结构不能正常使用的情况。在施工时，采取“一次根治，不留后患”的原则，在大型的破碎工程中使用时，具有明显优势。该法效率高，初期投资低，但在进行爆破时，产生的巨大震动、噪音及粉尘会对周围建筑物产生巨大影响，在城市中会受到很大限制。在不中断运营的情况下，采取爆破法拆除混凝土衬砌较困难，不仅要控制爆破飞石和废渣的下落位置，还要保障过往车辆及人员安全，保证运营光缆、电缆正常使用，在最大程度上保证该拆除手段不会影响原有衬砌的强度。但总体来说在地下工程中采用爆破法拆除混凝土衬砌是一种安全、快速、经济效益显著的方法。爆破拆除隧道衬砌流程图见图11。

图11 爆破拆除流程图

（4）微波辅助拆除

近年来，一些新技术被引入到机械破碎领域中，其中“微波 机械”破碎法由于其具有高效性、低污染性、低能耗性而被广泛关注。微波辅助机械破碎法，即先利用微波直接对所需破碎的混凝土进行照射，加速裂纹扩展、降低混凝土强度，然后再利用机械等工具对混凝土结构物进行进一步破碎，提高破碎效率。目前已有学者研发出了一种新型（开放式）微波诱导硬岩压裂装置（OMWFA），由于解除了微波腔体的束缚，该方法可以应用于破碎大规模混凝土结构物。相关学者进行试验后发现，水介质的加入加快了混凝土结构物的破碎速度，通过调整含水率和加热参数还可从标准的混凝土废料中回收骨料，实现骨料的二次利用。该方法适用于部分衬砌裂损严重，需要拆除重新施作的情况。微波辅助处理混凝土的工程应用在理论上是可行的，并且几乎可以涉及整个混凝土生命周期。

4.2 注浆及加固修复法

隧道衬砌产生裂缝，但当考虑到隧道结构稳定及环境地质和其他原因，不必使用拆除修复法时，最为常用的隧道裂损治理方式主要包括：锚固注浆、挂网喷浆、钢带加固、套拱加固、骑缝注浆及凿槽嵌补法等，具体如表4所示。

表4 裂缝治理方法

当由于施工不当或者渗漏水导致隧道衬砌背后产生较大空洞，受损较为严重时，常采用套拱加固的手段对衬砌结构进行治理修复。这是由于套拱加固能够有效地提高围岩的承载力与耐久性，在对隧道进行套拱加固时，要求加固厚度超过200 mm。图12所示为增设套拱的方案示意图。

图12 增设套拱示意

4.3 直接涂抹修复法

对于微裂缝（裂缝宽度小于0.2 mm），由于这些裂缝几乎没有扩展性，且相对来说比较稳定，对衬砌结构安全和隧道正常运营不会造成严重影响，故一般采用表面修补法。碳纤维布法和环氧树脂法对微裂缝的修补同样具有良好效果，该法能够有效增强衬砌结构强度且表现出一定的抗冻融性能。王志伟等研发了一种单组分聚氨酯涂料，并发现该涂料可以用于修补隧道衬砌表面微裂缝，且该材料吸附力较好，延展性较高，具有非常大的使用空间。具体的隧道表面修复涂料如图13所示。Sun等研究开发了一种新的葡萄糖添加方法，即将葡萄糖加入已经产生开裂的混凝土中，根据强碱环境下有利于裂缝修复的原理，用来对开裂混凝土进行自修复。其他的表面处理法还包括预埋注胶嘴、封缝和注胶法。

图13 隧道表面修复涂料

与传统的着重“治”有所不同，目前相当多的学者将眼光转向了如何“止”，即从源头有效减少或抑制裂缝的产生。Alejandro等发现钢纤维混凝土的力学性能较普通混凝土有明显提升，在混凝土中添加钢纤维不仅节省原材料，最主要的是可有效减少裂缝的宽度和数量，节省后期维修成本。Hamid等发现在混凝土中加入碳酸钙沉淀细菌能够有效修复混凝土裂缝。Jose等发现采用微囊化硝酸钙自修复混凝土能够有效自我愈合混凝土裂缝。以上这些方法都为隧道混凝土衬砌裂缝自我愈合技术提供了思路。

5.结 语

本文对隧道衬砌裂损成因、隧道衬砌裂损检测手段和衬砌裂缝的治理措施进行了梳理和总结，结论如下：

（1）衬砌裂损的成因是多方面的，既有复杂地质环境方面的客观因素，也包括施工设计方面的主观因素。衬砌的裂损往往并不是一种因素单独作用，而是几种因素共同作用的结果。根据不同的受力机理以及裂口特征，可将裂缝分为环向、纵向、斜向裂缝，应根据不同的开裂特征对衬砌进行针对性治理。

（2）衬砌产生开裂现象后，及时发现才能有效抑制或减缓裂缝的发展，无损检测技术应用于隧道衬砌裂缝检测具有较好的效用，本文对各检测手段优缺点进行总结，便于针对不同的情况选择合适的检测手段。

（3）在对隧道进行整治时，应充分调查衬砌裂损成因，合理选择治理措施，减少对周围地质环境和既有结构的破坏干扰，避免产生二次损坏。

近年来，尽管学术界对隧道衬砌裂损的成因及治理措施进行了大量的研究与工程实践，但相关体系仍不甚完善。修建于不同年代的隧道常由于相似原因产生裂损，缺乏科学的、有针对性的隧道修建标准；地震、火灾等灾害对隧道产生的影响过大，缺乏等级较高、应用效果较好的抗震与防高温材料；且相较于治理隧道，提高材料性能、发展适用于极端环境和条件的新型高性能材料，对于预防或减少衬砌裂损的产生显然更具科学与经济意义。

摘自《现代隧道技术》