公路隧道衬砌开裂是行业中最常见的工程病害之一，二次衬砌作为结构承载的安全储备，开裂状态下的结构工作性能会有一定程度的降低。另一方面，二次衬砌也是防水系统屏障的重要组成部分，衬砌开裂并贯通后形成渗漏通道，会加速公路隧道内其他设施老化，降低隧道的交通服务水平。承载特性降低、衬砌渗水劣化等病害问题叠加，是公路隧道服役性能减弱的重要影响因素，也是公路隧道行业中的一个难题^[1-2]。

除了从设计、施工阶段就加强控制，降低裂缝发生的概率外，对于已产生的结构裂缝进行修补，降低其危害性并延长公路隧道的服役寿命是养护行业的另一个解决方向^[3]。随着研究工作的大量展开，国内外专家学者对衬砌裂缝修补机理的认知不断深刻，修补设备、工艺和材料也在不断进步和完善。现阶段裂缝修补技术主要包括涂抹覆盖、凿槽修补、喷锚注浆、骑缝注浆、衬砌补强以及小段落内直接拆除重建^[4]。相关文献^[5-9]指出，修补材料也有很多种类，包括常规水泥砂浆、超细水泥、环氧树脂砂浆、碳纤维布、地聚合物材料等。不同工艺和材料各自具有其优势和适用性，随着材料科学的发展，新材料的研发不断推动修补工艺的更新，地聚合物就是一类特殊的新材料^[10-12]。叶丹玫等^[13]总结归纳了国内常用的混凝土结构衬砌裂缝修补材料，分为有机材料、无机材料和有机改性材料3种，讨论了各类材料的性能和应用情况，着重强调了地聚合物材料应用于裂缝修补中的可行性。彭小芹等^[14]研究表明将水泥+地聚合物应用于混凝土路面的修补，能较好地解决传统水泥基材料凝结速率慢、耐久性不足的问题。鞠向伟等^[15]研发了一种水性环氧树脂改性材料，该材料强度高、黏结性好，并指出在盾构隧道管片破损及裂缝中能发挥快速修补效果。黄宏伟等^[16]总结了浙江地区多条公路隧道的衬砌裂缝病害分布特征及发展规律，归纳分析裂缝类型及产生开裂的因素，通过模型试验研究了相关的裂缝修补效果，并与数值模拟情况进行对比。常利等^[17]针对水泥路面病害修补中面临的凝结时间慢等问题，通过添加粉煤灰、复合碱激发剂和其他外加剂，研发出一种可快速凝结的地聚合物类修补材料。赵阳光^[18]针对改性水泥基材料的性能影响和水化特性开展了研究，给出了不同种类、不同掺量下改性水泥基胶砂的工作性能、力学性能和体积稳定性。

文献[1, 19]统计表明，大多数衬砌裂缝并未发展到需要拆除重建或者大范围加固的程度，通过注浆黏结裂缝面并封堵渗流通道就能起到较好的处治效果。但是基于公路隧道衬砌的服役环境，结构开裂贯通后会形成渗流通道，裂缝常年处于潮湿或者渗漏状态，对修补材料在凝结过程和凝结后的抗渗防水性能均提出了一定要求，常规水泥砂浆很难满足修补条件。一些化学高分子材料在干燥状态能与混凝土很好结合，但富水环境下，裂缝表面吸附了大量水分子，会影响修补材料与衬砌的黏结性，进而影响修补效果。与常规水泥类砂浆和环氧树脂材料相比，地聚合物材料的颗粒较细(最大粒径约0.2 mm)，且无毒，基本能满足大多数裂缝宽度的修补需求，同时该材料浆液凝固后表现出抗渗防水、高强度、黏结性和耐久性等性能优点，是一种较为理想的裂缝修补材料^[20]。然而，带水状态及裂缝活动发展状态工况下，采用地聚合物材料进行裂缝修补的文献还相对较少，未给出相对定量的分析结果。本研究拟通过修补试验模拟隧道渗漏水和裂缝发展情况，研究地聚合物材料在不同工况下的修补效果和适用性，并给出相关的工程建议。

本次试验主要基于隧道衬砌裂缝诊断与处治模拟平台开展，该平台专门针对隧道结构裂缝修补材料的效果评价而研发^[1]。根据公路隧道马蹄形断面衬砌受力特点，采用两个拱形钢架模拟衬砌轮廓形状。两个钢架可绕同一固定铰支座转动，中间接触端头安装混凝土试块作为结构裂缝的两个接触面，并采用试验材料进行修补。通过钢架绕铰支座转动来实现衬砌裂缝修补截面非均布张拉的受力形态。

试验台长2.1 m，宽0.8 m，高0.8 m，拱形钢架内径1.11 m，厚0.193 m，宽度0.15 m，拱架两侧拉力计距铰接点水平距离为1.0 m。此外，在裂缝修补过程中，通过调节分液漏斗的滴漏量模拟不同渗漏强度对修补效果的影响。拱形钢架转动由涡轮杆驱动，通过拉力计进行测量，最终换算出裂缝修补后二次张开的黏结抗拉强度，评价修补效果。试验平台的模型示意图和实际现场照片见图 1，其中1为不锈钢弹簧，2为弧形支撑钢架，3为拉力计，4为涡轮驱动杆，5为安装固定混凝土试块的螺栓，6为模拟裂缝接触面的混凝土试块，7为钢架转动的固定铰链，8为平台基座，9为试块拆卸装置。

图 1 隧道衬砌裂缝诊断与处治模拟平台 Fig. 1 Simulation platform for tunnel lining crack diagnosis and treatment

图选项

平台可以开展稳定状态、发展状态、不同渗漏水状态下的隧道衬砌裂缝修补试验，通过张开应力和张开后截面浆液分布形态来评价不同修补材料的实际效果。

由于裂缝修补材料的主要受力特性为受拉，根据理论力学中惯性矩、平移轴计算相关公式，将图 1中拉力计实测值换算为裂缝修补截面上的拉应力分布，见图 2。

图 2 修补截面拉应力计算示意图 Fig. 2 Schematic diagrams of tensile stress on repair section

图选项

以图 1中固定铰链为原点建立坐标系，y轴为穿过原点竖直向下的坐标轴，z轴与y轴垂直。若模拟裂缝的混凝土试块截面积为A，截面上任意微元dA的坐标为(z，y)，则试块截面A对于z坐标轴的惯性矩为:

(1)

若z₁轴穿过截面A的形心，可直接套用公式:

(2)

式中，b为试块截面宽度; h为试块高度。

由于实际坐标轴不穿过截面形心，需要通过平移轴公式来进行换算，即：

(3)

式中，I_z1为坐标轴过截面A形心时的惯性矩; n为穿截面A形心的z₁轴和z轴间的距离。

截面A上任意点的正应力表达式为：

(4)

式中M为截面两侧所受弯矩。

若图 1中拉力计读数F，由于拉力计距铰接点水平距离为1.0 m，则式(4)中M=F。结合图 2可知，实际试块宽度b和高度h均为15 cm，试块底部距离固定铰链10 cm，即n=17.5 cm。可得试块上沿c点、下沿d点的拉应力分别为0.342F和0.137F。

基于图 1中的隧道衬砌裂缝诊治平台进行黏结抗拉强度测试，并根据隧道衬砌结构工作环境研究无张拉应力状态(结构裂缝稳定)、受张拉(裂缝发展)及带水状态(裂缝渗漏水)3种工况下的修补效果。作为对比，同时分别研究纯水泥砂浆和纯地聚合物材料的修补效果，3种裂缝修补材料的配合比见表 1。

试验平台及各工况下的操作流程如下：

(1) 试件制作。根据依托工程二次衬砌C25等级标号，制作150 mm×150 mm×150 mm标准立方体试件，多次试配后确定配合比为水∶水泥∶粗砂∶碎石=0.47∶1∶1.59∶3.39，相对湿度≥95%，温度(20±2) ℃标准环境下养护28 d。同时，为方便试件在试验平台上安装，浇注时预留直径30 mm孔洞。

(2) 试验准备。通过两块试件拼接来模拟衬砌裂缝，为确保胶凝材料的修补效果，取试件相对平整的两个接触面，用砂纸打磨掉表面浮浆和灰尘，冲洗后充分晾干。

(3) 裂缝修补。按照表 1中的配比调制修补材料浆液，并均匀涂抹在两块处理好的试件表面。通过调整试件在平台上位置使两个黏结面充分接触。

(4) 拉力计读数清零。

(5) 无张拉应力状态下衬砌裂缝修补试验流程。该工况下，裂缝修补后分别静置7，14 d和28 d进行拉裂加载，加载速率20 N/min，研究3种修补材料在不同龄期下的黏结抗拉强度。观察裂缝变化情况并实时记录加载读数，两个试件接触面被完全拉开视为裂缝修补材料破坏，试验结束。按照记录的拉力计最大读数来计算修补材料黏结抗拉强度。

(6) 张拉应力下衬砌裂缝修补试验流程。该工况下，裂缝修补材料初凝后即进行加载。因修补材料尚未达到设计强度，需适当降低加载速率，分别记录10，20 N/h和30 N/h速率下的修补效果，记录拉力计读数随时间的关系直至修补材料完全破坏，试验结束。

(7) 带水状态下衬砌裂缝修补。该工况下在浆液凝固的全过程中持续对裂缝位置进行滴水，分别在7，14 d和28 d进行加载，加载速率20 N/min，研究水环境下修补效果。滴水设备采用分液漏斗，通过调节漏斗流量的方式分别模拟衬砌渗漏水(1 mL/min)、涌水(20 mL/min)情况，记录拉力计读数随时间的关系直至修补材料完全破坏。

无张拉应力状态即修补时衬砌裂缝相对稳定，不继续发展。通过接触面上的黏结抗拉强度评价3种材料的裂缝修补效果，见图 3。总体而言，水泥+地聚合物混合物的黏结强度最高，是另外两种材料的6~9倍。7，14 d和28 d时，拉力计最大读数分别为3.89，5.32 kN和5.58 kN，换算的黏结抗拉强度分别为1.33，1.82 MPa和1.91 MPa，黏结强度随时间增长速率放缓并在28 d时逐步趋于稳定。纯水泥砂浆和纯地聚合物的黏结强度相对较低，增长速率也较缓，28 d基本完全凝结后的强度仅0.33 MPa左右，其中纯水泥砂浆材料的黏结强度最低，修补效果最差。

图 3 地聚合物材料和水泥砂浆黏结抗拉强度对比 Fig. 3 Comparison of adhesive tensile strength between geopolymer and cement mortar

图选项

图 4为7 d龄期时3种胶凝材料在张拉破坏后接触面的试验照片。纯水泥砂浆修补工况下，裂缝被拉开后浆液基本残留在一侧的试件上，破裂面为试件与浆液的接触面，表明纯水泥浆液与混凝土结合性能较差，而非浆体本身强度不足，见图 4(a)。纯地聚合物浆液修补工况刚好相反，裂缝的两个接触面都被凝固后的浆体均匀包裹，浆液渗入到混凝土内部，与其有很好的黏结性能，裂缝被拉开是由于地聚合物凝固浆体达到强度极限后破坏，见图 4(b)。由此充分反映出水泥和地聚合物的材料特性，即水泥浆体强度高、与混凝土结合性不足，地聚合物材料渗透性和黏结性强，但浆体强度相对偏低。

图 4 无抗拉状态下裂缝修补面7 d时现场照片 Fig. 4 Field photos of crack repair surface in 7 d at no tension state

图选项

图 4(c)中水泥+地聚合物修补工况结合了两种材料的性能优势，被拉开的破裂面两侧均有浆液分布，浆液表面凹凸不平，有清晰可见的灰色砂浆点。这些砂浆点与混凝土试件的颜色一致，是从混凝土上黏结剥离下来的，而修补材料浆体未见明显破坏，表明水泥+地聚合物材料无论是在自身强度还是在与混凝土结合性方面均达到了衬砌裂缝修补的要求。

关于水泥+地聚合物修补效果明显提升的深层次机理，文献[1]表明胶凝材料A与碱激发剂会发生反应，提升修补浆体强度。水泥是一种典型的碱激发剂，在地聚合物材料加入一定掺量能提升裂缝修补效果。因此，文章后续主要分析水泥+地聚合物组合材料在张拉、带水工况下的修补效果。

张拉应力状态一般对应衬砌裂缝还未稳定，尚处在张开发展趋势中的工况。不同张开速率对应的黏结强度和对应的开裂时间对比见图 5。由图可知，裂缝张开速度越快，对应的黏结张拉力越小，修补后二次开裂所需的时间也越短，修补效果越差。张开加载速率从10 N/h增大到30 N/h，拉力计最大读数分别为4.85，3.83 kN和2.22 kN，换算的黏结抗拉强度分别为1.66，1.31 MPa和0.76 MPa，修补后裂缝被二次拉开的时间也从20 d逐步降至8，3 d。这是由于组合修补材料的黏结强度随时间逐步增长，当试验平台加载拉力的增量值不超过修补材料的强度增长时，修补材料在其工作性能范围内还能维持良性发展状态。

图 5 张拉应力下开拉速度与黏结抗拉强度、时间关系 Fig. 5 Relationship of pulling speed with bond tensile strength and time under tension stress

图选项

加载速率10 N/h(对应裂缝缓慢发展)，组合修补材料在20 d龄期破坏时对应的黏结抗拉强度基本达到修补性能的85%以上，表明对于缓慢发展中的裂缝，可直接进行注浆修补，只是修补效果会有一定程度的降低。加载速率30 N/h(对应裂缝快速发展)，仅3 d便发生破坏，此时修补浆液尚未发挥其应有的黏结效果，修补效果较差，为无张拉应力工况(裂缝稳定状态)的40%，为加载速率10 N/h(对应裂缝缓慢发展)工况的46%。因此，对工程应用而言，衬砌裂缝处于快速增长阶段时，不宜直接进行修补，可先评估结构的安全边际范围，条件允许情况下，待裂缝基本稳定后再注浆修补；否则，应采取临时支撑措施限制裂缝发展速率，再进行注浆加固，或者联合其他工程措施共同进行衬砌裂缝修补及增强。本试验通过不同加载速率下的效果对比也一定程度上表明了采用地聚合物材料进行衬砌裂缝修补的适用条件。

带水状态下的裂缝注浆修补最接近实际隧道的营运环境情况。由图 6可知，裂缝位置的渗漏量会影响修补材料自身强度和与混凝土的黏结特性，渗水状态下7 d的黏结强度较无水状态减小约22%，涌水状态下减小约42%；待浆液龄期达到28 d后，渗水状态下强度减小约19%，涌水状态下减小约38%。裂缝位置渗漏量越大，修补后强度较设计强度衰减越多，修补效果越差。这种黏结抗拉强度衰减是不可逆的，即便龄期增长也难以恢复到无水状态下的修补效果。

图 6 带水状态下组合材料黏结抗拉强度 Fig. 6 Bond tensile strength of composite material in water condition

图选项

如图 7(a)所示，少量渗水工况下，破坏面与图 4(c)的情况类似，存在修补材料从混凝土试块上剥离的灰色砂浆点，区别在于砂浆点范围有所缩小，约为无水工况下的4/5，表明少量渗水时可直接采用地聚合物组合材料进行修补，对修补效果影响较小。当渗漏量增大20倍达到涌水状态时，图 7(b)，被粘贴剥离的灰色砂浆点较少，存有大范围明显的水渍痕迹，表明涌水情况下不宜采用地聚合物组合材料直接进行裂缝修补。文献[1]指出流动水对浆液的影响体现在两个方面，一是部分胶凝材料还未凝固就被水流冲走，这也是部分注浆堵水工艺在水泥浆液中加入水玻璃加速凝结的主要原因；二是水流动过程中相当于在混凝土表面形成一层水膜，阻碍修补材料与裂缝的黏结。

图 7 不同带水状态下组合材料的裂缝修补照片 Fig. 7 Photos of crack repair by gelled composite material in different water conditions

图选项

本研究基于隧道衬砌裂缝修补诊治平台，开展3种修补材料在无张拉、张拉和带水工况下的衬砌裂缝修补试验，主要结论如下：

(1) 地聚合物材料对隧道衬砌裂缝能起到较好的修补效果，水泥作为一种碱激发剂能与地聚合物材料发生反应，水泥+地聚合物的修补效果优于纯水泥砂浆或纯地聚合物。

(2) 采用水泥+地聚合物组合材料进行裂缝修补时，修补效果随张开加载速率增大而减弱，加载速率30 N/h工况(对应裂缝快速发展)的黏结张拉应力仅为加载速率10 N/h工况(对应衬砌裂缝缓慢发展)的46%，仅为无张拉工况(对应衬砌裂缝稳定)的40%，实际工程中建议衬砌裂缝基本稳定后再进行修补。

(3) 采用水泥+地聚合物组合材料进行裂缝修补时，修补效果随渗漏量增大而减弱，渗水状态下(1 mL/min)早期7 d黏结强度较无水状态降低22%，28 d时降低约19%，涌水状态下(20 mL/min)进行裂缝修补则最终28 d的效果降低约38%，实际工程中可直接在渗水状态下进行裂缝修补。