公路隧道二次襯砌厚度不足成因分析和治理研究

蔣華龍，范厚彬

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海市 200092；2.浙江省交通集團(tuán)甬臺溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040）

公路隧道二次襯砌厚度不足成因分析和治理研究

蔣華龍1，范厚彬2

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海市 200092；2.浙江省交通集團(tuán)甬臺溫高速公路有限公司，浙江 寧波 315040）

二次襯砌厚度不足會導(dǎo)致隧道各種病害,首先從隧道二次襯砌設(shè)計和施工兩個方面分析導(dǎo)致厚度不足的原因；然后結(jié)合隧道二次襯砌應(yīng)力分布和受載情況分析襯砌厚度不足對結(jié)構(gòu)的影響；最后通過研究總結(jié)二次襯砌施工質(zhì)量控制預(yù)防和補強加固兩方面治理措施，達(dá)到治理襯砌厚度不足引起的各種病害的目的。該項研究對隧道二次襯砌施工和運營養(yǎng)護(hù)具有重要借鑒作用。

隧道；二次襯砌；厚度不足；成因分析；治理

0　引言

隨著高速公路建設(shè)迅速發(fā)展，在建和建成公路隧道里程越來越長。截至目前，浙江省內(nèi)現(xiàn)有隧道1 200余座，其中長和特長隧道有240多座，公路隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，多樣復(fù)雜的地質(zhì)地貌使隧道在建設(shè)和運營過程中都極易出現(xiàn)不同成因所引起的襯砌裂縫、滲漏水、變形等病害，給已建運營隧道病害的治理造成重要的影響。而隧道二次襯砌厚度不足是引起隧道襯砌裂縫和滲漏水兩種常見病害的重要原因。因此行業(yè)主管部門對此提高重視程度，2013年浙江省交通運輸廳工程質(zhì)量監(jiān)督局對隧道二次襯砌交（竣）工驗收做出如下規(guī)定[1]：隧道工程襯砌厚度合格率低于90%或有小于設(shè)計厚度二分之一的部位，空洞累計長度超過隧道長度的3%或單個空洞面積大于3 m2為不合格工程，需進(jìn)行整改合格后方能驗收。

隧道二次襯砌厚度不足主要由施工等原因造成，隧道二次襯砌是提供安全儲備或承受后期圍巖壓力的結(jié)構(gòu)物，二次襯砌厚度不足對隧道安全營運有較大影響，因此對隧道二次襯砌厚度不足成因分析和治理研究具有較大的意義和價值。

1　襯砌厚度不足的成因分析

充分了解和認(rèn)識隧道二次襯砌厚度不足的嚴(yán)重性和危害性及其處治的特殊性、困難性，通過廣泛和細(xì)致深入的調(diào)查研究，從設(shè)計和施工兩方面分析隧道襯砌厚度不足的成因。

1.1設(shè)計方面

（1）部分工程項目，為降低工程造價，在斷面設(shè)計時Ⅲ～Ⅴ類圍巖未設(shè)置預(yù)留變形量，施工又要滿足設(shè)計建筑界限要求，由于圍巖變形嵌入二次襯砌界限，二次襯砌厚度只能小于設(shè)計值施工。

（2）為降低工程造價，設(shè)計對防水卷材材料要求不高，防水材料的柔韌性直接影響其與圍巖的貼附程度，防水卷材不能緊貼支護(hù)圍巖，造成局部二次襯砌厚度小于設(shè)計值。

1.2施工方面

施工質(zhì)量不理想是造成隧道二次襯砌厚度不足的主要原因，而引起施工質(zhì)量不理想的原因主要有圍巖開挖光面爆破效果不好、施工過程人為因素、技術(shù)因素三個方面。

1.2.1圍巖開挖光面爆破效果不好

光面爆破不夠完善，造成隧道開挖輪廓凹凸不平，圍巖超挖部分襯砌變厚，而局部欠挖又侵入襯砌；初期支護(hù)，噴射混凝土沒有把凹凸面補平，平整度達(dá)不到規(guī)范要求。

1.2.2施工過程人為因素

（1）發(fā)現(xiàn)圍巖欠挖，而事后未能妥善處理，造成局部襯砌厚度偏薄。

（2）由于初期支護(hù)沒有及時跟進(jìn)，圍巖變形量過大，超出設(shè)計預(yù)留變形量，嵌入二次襯砌界限內(nèi)。另外，在及時支護(hù)的情況下，由于支護(hù)效果不理想，沒有及時變更設(shè)計加強支護(hù)，圍巖變形量過大。

（3）在拱頂混凝土施工出現(xiàn)堵管，現(xiàn)場人員在未仔細(xì)分析的情況下即認(rèn)為已經(jīng)泵滿，停止混凝土泵送造成二次襯砌厚度不足。

（4）用輸送泵送混凝土?xí)r，拱頂面的混凝土在輸送過程中把部分空氣密閉在狹小的空間內(nèi)，混凝土振搗不到位，不能把大量的空氣氣囊消除，造成拱背留有空隙，引起厚度不足。

（5）初期支護(hù)錨桿外露過長，沒有進(jìn)行切割處理，致使防水板不能緊貼圍巖導(dǎo)致二次襯砌厚度不足。

（6）防水板安裝時未預(yù)留足夠的松散系數(shù)，致使局部緊繃，混凝土泵送壓力不能促使防水板與初期支護(hù)緊貼導(dǎo)致襯砌不足。

（7）現(xiàn)場技術(shù)管理人員對現(xiàn)場襯砌實際需要的混凝土數(shù)量不清，提供混凝土用量的不真實數(shù)據(jù)，造成攪拌站停止攪拌，實際襯砌在未注滿的情況下停止。

（8）施工班組為降低工程成本，主觀上存在偷工減料行為，通過調(diào)整襯砌臺車標(biāo)高，減小襯砌厚度。

1.2.3技術(shù)因素

（1）由于施工測量放線發(fā)生差錯，放樣軸線偏位或開挖斷面局部點位不準(zhǔn)確，造成圍巖超欠挖，引起襯砌厚度不足；襯砌臺車就位測量放樣不準(zhǔn)，造成臺車偏位或標(biāo)高錯誤引起襯砌厚度不足。

（2）混凝土施工配合比水灰比偏大、混合料坍落度大、混凝土振搗不密實，混凝土自重下沉；混凝土收縮徐變，造成留有空隙，導(dǎo)致厚度不足。

2　二次襯砌厚度不足的影響

有學(xué)者研究表明[2]，圍巖對二次襯砌結(jié)構(gòu)施加主動荷載，而襯砌底部基地對結(jié)構(gòu)存在約束。通過有限元程序ANSYS分析得出：同一斷面由于部位不同，二次襯砌結(jié)構(gòu)厚度不同，通常拱部的應(yīng)力和位移變化要大一些，而且發(fā)現(xiàn)二次襯砌厚度變化對位移的變化影響較大，位移的變化從拱部向邊墻逐漸減小，隨著二次襯砌厚度的增加，隧道的豎向位移減少，在局部不平整的地方有較大的位移。因此厚度不足的地方，在襯砌內(nèi)形成了多處薄弱面，這些薄弱面受混凝土收縮、溫度變化等綜合作用而開裂，形成不規(guī)則的斜向和豎向裂縫。此外，襯砌厚度不足往往伴隨拱背脫空現(xiàn)象，脫空部位容易形成水囊，隨著時間推移，容易形成隧道滲漏水病害。

當(dāng)隧道二次襯砌厚度不足時，襯砌不足部位剛度減弱，彎矩減小，但相鄰部位彎矩增大。二次襯砌拱頂和拱腰位置由于彎矩較大，如果這兩個部位襯砌厚度不足，最容易產(chǎn)生病害。拱頂內(nèi)側(cè)最大拉應(yīng)力增加較快，尤其當(dāng)拱頂襯砌厚度不足時，拱頂混凝土拉應(yīng)力成倍增長，當(dāng)拉應(yīng)力增加超出相應(yīng)標(biāo)號混凝土極限抗拉強度后，相應(yīng)部位出現(xiàn)裂縫；拱腰部位襯砌厚度不足時，拱腰內(nèi)側(cè)的壓應(yīng)力明顯增加，厚度不足處形成壓應(yīng)力集中容易造成襯砌結(jié)構(gòu)破壞。此外，二次襯砌厚度局部不足容易造成拱頂下沉的病害[3]。

3　治理措施

通過對隧道二次襯砌厚度不足的成因分析，治理隧道二次襯砌厚度不足的問題主要通過隧道全過程施工質(zhì)量控制預(yù)防和建成后襯砌結(jié)構(gòu)補強加固兩個方面進(jìn)行。

施工質(zhì)量控制不理想是造成隧道二次襯砌厚度不足的主要原因，所以施工質(zhì)量控制預(yù)防就顯得尤為重要。只有通過施工現(xiàn)場嚴(yán)格質(zhì)量控制、精細(xì)化施工管理，分別從人、機(jī)、料、環(huán)、法、測六個方面對隧道施工進(jìn)行全過程質(zhì)量控制，才能從源頭較好地解決隧道襯砌厚度不足的問題[4]。具體見表1。

表1　隧道二次襯砌厚度施工控制方法

3.2襯砌結(jié)構(gòu)補強加固

公路隧道建設(shè)較長一段時間對二次襯砌厚度控制不夠重視，許多已建成隧道存在二次襯砌厚度不足的情況，其中部分隧道因此產(chǎn)生較嚴(yán)重的病害，嚴(yán)重影響高速公路的運營并造成安全隱患，所以對已建成隧道襯砌厚度不足的治理工作十分必要和迫切[5]。目前針對已建成隧道二次襯砌厚度不足的治理方法主要有拆除重建法、注漿回填法掛網(wǎng)噴漿法、套襯砌補強法、局部嵌補法等。

3.2.1拆除重建法

拆除重建法適用于二次襯砌厚度嚴(yán)重不足，少于設(shè)計值1/2厚度的范圍過大，襯砌已經(jīng)失去基本功能的情況。施工步驟：架設(shè)臨時支撐→逐步拆除原結(jié)構(gòu)→施做臨時支護(hù)→施做新的襯砌結(jié)構(gòu)。注意事項：事先做好臨時支撐和臨時支護(hù)方案，防止隧道塌方或掉塊；拆除不合格襯砌結(jié)構(gòu)時減少對合格襯砌結(jié)構(gòu)的影響；在施工新襯砌結(jié)構(gòu)時，除保證襯砌厚度外，需采取新舊襯砌處增加連接鋼筋的措施，確保新舊混凝土銜接良好。

3.2.2注漿回填法［6］

采用SPSS 21.0統(tǒng)計學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計數(shù)資料以百分?jǐn)?shù)（%）表示，采用x2檢驗，以P＜0.05為差異有統(tǒng)計學(xué)意義。

注漿回填法適用于拱背空洞或脫空引起的襯砌厚度不足的情況，這種情況較常見。施工步驟：探明需注漿加固的范圍和數(shù)量→鉆孔預(yù)留注漿管→注漿→注漿管封口。注意事項：空洞面積和脫空高度小的部位一般采用孔徑小的注漿管（42 mm）注水泥砂漿，水泥砂漿要具有良好的流動性；空洞面積大和脫空高度大的部位一般采用大孔徑注漿管（150 mm），鋼管接混凝土輸送泵直接泵送混凝土，混凝土要具有良好的和易性和流動性；鉆孔預(yù)留注漿管時，管口距圍巖應(yīng)預(yù)留5～10 cm空隙，以便漿液能順利流出；注漿管要用鋼板和膨脹螺栓與既有襯砌固結(jié)，最后通過法蘭盤連接注漿管或注漿泵進(jìn)行注漿或泵送混凝土。注漿過程速度不能過快，當(dāng)出現(xiàn)較大壓力時可暫停10 min左右，使?jié){液順利擴(kuò)散。注漿完成不要急于拆除法蘭盤，待漿液有一定的自穩(wěn)能力后再拆除并及時封堵注漿口。為確保注漿效果，在埋注漿管的同時還要預(yù)埋檢測管，檢測管頂端與圍巖要有1～2 cm的空隙。當(dāng)檢測管有漿液流出，應(yīng)封閉檢測管并保持緩慢注漿，當(dāng)壓力持續(xù)升高時停止注漿。

3.2.3掛網(wǎng)噴漿法

掛網(wǎng)噴漿法（見圖1）是內(nèi)輪廓補強的一種方法，噴漿材料一般有高分子材料砂漿、普通砂漿、GFRC、混凝土、STRC五種（見表2）。本方法適用于二次襯砌厚度較設(shè)計值減少不多，襯砌緊貼圍巖，但混凝土裂縫較多，對隧道的承載能力和穩(wěn)定影響較小的情況。施工步驟：鑿除局部破壞部位→裂縫封閉→打釬釘、掛鋼筋網(wǎng)→噴混凝土或鋼纖維混凝土→用防水砂找平。注意事項：注意噴漿的均勻性，并注意外觀效果，盡可能與原襯砌結(jié)構(gòu)外觀相近。

圖1　諸永高速公路包岙隧道掛網(wǎng)噴漿法效果

表2　內(nèi)輪廓補強法施工厚度［7］

3.2.4套襯砌補強法

套襯砌補強法（現(xiàn)澆混凝土法）也是內(nèi)輪廓補強的一種方法，適用于襯砌結(jié)構(gòu)厚度嚴(yán)重不足，范圍較大時，建筑界限有富裕的情況。施工步驟：原襯砌混凝土鑿毛→施做連接錨栓→鋪設(shè)補強鋼筋網(wǎng)→澆筑混凝土。注意事項：舊襯砌鑿面需保證均勻清鑿0.6～1 cm深；設(shè)置連接新舊混凝土的錨栓（榫釘）和處置好施工縫特別重要，錨栓長度大于15(錨栓直徑)，錨固長度10(錨栓直徑)，并與補強鋼筋網(wǎng)焊接。

3.2.5局部嵌補法

局部嵌補法適用于因圍巖欠挖致使襯砌局部厚度不足，范圍較小的情況。施工步驟：對襯砌局部鑿除或切割（見圖2）→鑿除欠挖圍巖→處理圍巖錨噴→施做補強鋼筋網(wǎng)→澆筑混凝土。注意事項：該方法在破壞原有襯砌結(jié)構(gòu)的整體性前提下進(jìn)行，治理后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性并不一定比原結(jié)構(gòu)好，建議非特殊情況不采用。

4　結(jié)論和建議

造成公路隧道二次襯砌厚度不足的因素復(fù)雜，因此對隧道結(jié)構(gòu)造成不利影響也很多，本文著重從施工質(zhì)量控制方面進(jìn)行了分析總結(jié)。襯砌厚度不足的治理研究從施工質(zhì)量控制和補強加固兩個方面進(jìn)行全面歸納總結(jié)，治理方法具有較強的實用性和可操作性，為今后隧道二次襯砌施工和運營養(yǎng)護(hù)提供借鑒。

圖2　襯砌結(jié)構(gòu)局部切割后

通過對二次襯砌厚度不足成因和治理措施的總結(jié)分析，對提高襯砌厚度質(zhì)量還有以下幾點建議：

（1）洞室襯砌厚度不足是一個容易被忽視的問題，往往只注重主體的厚度，局部的變形容易造成襯砌結(jié)構(gòu)的變形。另外，針對不同的地質(zhì)條件，采用適宜的洞室斷面結(jié)構(gòu)。

（2）二次襯砌厚度設(shè)計保守，安全系數(shù)往往較高，工程造價較高，在保證安全的前提下，通過精準(zhǔn)的計算，對二次襯砌厚度進(jìn)行優(yōu)化，減少工程投資。隨著設(shè)計施工總承包模式推廣，可以采用邊施工邊設(shè)計的情況，施工過程中發(fā)現(xiàn)圍巖地質(zhì)情況有變化，與原設(shè)計不符時，應(yīng)及時變更設(shè)計，使襯砌符合實際需求。

（3）在條件允許的情況下，地質(zhì)情況不好的地段，建議隧道二次襯砌混凝土采用具有良好的整體抗拉及抗壓性能的鋼纖維混凝土。

（4）提高機(jī)械化作業(yè)程度，保證工程質(zhì)量。采用多臂鑿巖臺車施工以控制隧道超欠挖，從而保證襯砌結(jié)構(gòu)混凝土厚度。

[1]浙交〔2013〕22號.浙江省公路工程竣（交）工驗收實施細(xì)則（試行）.

[2]楊建宏.隧道二次襯砌厚度概率分布特征與可靠度分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2002.

[3]汪永剛.隧道二次襯砌局部厚度不足對襯砌結(jié)構(gòu)的影響[J].華東科技（學(xué)術(shù)版），2014（3）:132.

[4]JTG F60—2009公路隧道施工規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2009.

[5]張志軍.青沙山隧道襯砌開裂補強處理[J].鐵路建筑，2006（4）: 31-33.

[6]仇義中，胡學(xué)兵.隧道施工中的安全隱患及防治措施探討[J].地下空間與工程學(xué)報，2009，5:1781-1785.

[7]關(guān)寶樹，譯.隧道維修加固手冊[R].成都：西南交通大學(xué)，1994.

圖5　方案2復(fù)核結(jié)果

綜上所述，平原水網(wǎng)區(qū)雨水管渠采用推理公式法3 a一遇設(shè)計重現(xiàn)期可有效應(yīng)對50 a一遇的降雨。當(dāng)然，這需要典型地區(qū)前置條件的穩(wěn)定，如切實做好源頭控制（綜合徑流系數(shù)控制）、地面高程達(dá)到豎向規(guī)劃要求、控制好內(nèi)河水系水位等。

4　結(jié)語

（1）平原水網(wǎng)區(qū)的排水防澇體系顯著特點之一是單個雨水匯水區(qū)面積遠(yuǎn)小于2 km2。

（2）平原水網(wǎng)區(qū)雨水管渠設(shè)計建議采用恒定均勻流推理公式法進(jìn)行，對于已建雨水管渠在基礎(chǔ)資料充分的條件下可以采用數(shù)學(xué)模型法進(jìn)行復(fù)核。

（3）雨水管渠設(shè)計重現(xiàn)期應(yīng)與內(nèi)澇防治設(shè)計重現(xiàn)期相匹配。平原水網(wǎng)區(qū)典型匯水區(qū)，采用推理公式法3 a一遇設(shè)計重現(xiàn)期的雨水管渠可有效應(yīng)對50 a一遇的降雨。

參考文獻(xiàn)：

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U455.91

B

1009-7716（2016）04-0113-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.035

2015-12-22

蔣華龍（1982-），男，湖南邵陽人，本科，工程師，從事公路工程檢測工作。