某公路隧道襯砌病害成因分析及臨時加固措施研究

劉衛(wèi)平

（山西誠達(dá)公路勘察設(shè)計公司，山西 太原 030006）

通過對大量運營隧道健康評估可知，大多數(shù)隧道在建成并服役一定年限后，由于地質(zhì)、設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)等多方面的原因，總會出現(xiàn)或多或少不同程度的病害問題，嚴(yán)重時將影響隧道的正常運行，危及行車安全。其中，隧道襯砌開裂和錯臺是最常見的隧道病害。

在隧道病害研究方面，國內(nèi)學(xué)者已結(jié)合國內(nèi)實際情況開展一系列研究。劉海京等[1]通過大量實地調(diào)研，對現(xiàn)有隧道病害的研究方法進(jìn)行了總結(jié)歸納，同時指出了現(xiàn)有研究方法中的不足以及展望。馮冀蒙等[2]研究了隧道病害分布規(guī)律，并對周邊圍巖環(huán)境進(jìn)行了等級劃分。李永永[3]對官道嶺隧道的病害進(jìn)行檢測，分析了病害產(chǎn)生的主要原因，并提出了針對性的處置措施。

本文通過采用多種監(jiān)測和物探手段，探明某公路隧道襯砌裂縫病害產(chǎn)生原因，并提出相應(yīng)的臨時加固措施，將5類隧道提升為更高級別的隧道，在最短的時間確保了隧道正常通行，經(jīng)濟(jì)社會效應(yīng)顯著。

1 工程病害情況

1.1 工程地質(zhì)水文概況

依托隧道工程地質(zhì)情況如圖1所示，隧道為淺埋偏壓短隧道，單向兩車道，圍巖級別主要為Ⅳ級和V級為主，地質(zhì)破碎。隧道平均埋深18.6 m，上面覆蓋有深厚黃土層。隧址區(qū)黃土梁呈北西向延伸，隧道進(jìn)出口山谷走向近東西向，與隧道軸線近垂直相交，隧道進(jìn)出口溝谷發(fā)育，地形切割強(qiáng)烈，多見陡坎。通過地質(zhì)勘查報告可知，地層從上至下分別為黃土層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化砂巖以及中風(fēng)化泥巖層，其中泥巖層對隧道影響較大。通過現(xiàn)場物探揭露出區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造有褶皺和斷裂構(gòu)造，其中斷層為正斷層，并與隧道軸線近似垂直相交。

隧址區(qū)屬于干旱-半干旱地區(qū)，全年降雨量主要集中在6—9月份，隧道上方地表水為季節(jié)性流水，平時干枯，雨季可形成短暫的地表徑流。地下水主要賦存于下部的基巖裂隙中，含水性相對較弱，主要為大氣降雨補(bǔ)給。隧道中地下水以排水涵洞或邊坡排水管形式排泄。

圖1 依托隧道工程地質(zhì)情況

1.2 隧道病害特征

該隧道自建成運營以來，洞內(nèi)二次襯砌在拱頂、邊墻以及排水溝處就出現(xiàn)若干細(xì)小裂縫，裂縫形態(tài)呈環(huán)向、縱向以及斜向分布，并呈逐年增多和擴(kuò)大趨勢。其中在2017年3月，襯砌裂縫出現(xiàn)了突然擴(kuò)展，裂縫病害最嚴(yán)重處環(huán)向裂縫貫通，最大寬度達(dá)到21 mm，襯砌破損嚴(yán)重，隧道頂部隨時有掉塊的可能，存在較大安全隱患?，F(xiàn)場隧道裂縫及其監(jiān)測情況如圖2所示，經(jīng)過近一年的監(jiān)測，目前裂縫的發(fā)展趨于穩(wěn)定。該隧道經(jīng)專門檢測機(jī)構(gòu)檢測后評定為技術(shù)狀況最差的5類隧道，即隧道處于危險狀態(tài)，已經(jīng)危及到隧道運營安全，應(yīng)及時關(guān)閉交通，并采取相應(yīng)措施進(jìn)行維修改造[4]。

圖2 隧道裂縫及監(jiān)測手段

2 病害原因分析

2.1 邊坡穩(wěn)定性影響分析

根據(jù)現(xiàn)場鉆探結(jié)果顯示，隧址區(qū)坡體中存在兩個可能導(dǎo)致坡體產(chǎn)生滑移的軟弱帶。其中，上層軟弱帶位于土石界面附近，軟弱帶主要為黃土和泥巖，含水量較高。巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，遇水易分解，部分軟弱帶中土石混雜，擾動明顯。下層軟弱帶主要位于泥巖中，主要成分為黏土礦物，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖質(zhì)較軟，有擾動痕跡?？沙醪脚袛嗨淼郎戏狡麦w曾發(fā)生過滑移或正在蠕變中。

通過進(jìn)一步的地質(zhì)調(diào)繪及鉆探揭示，隧道上覆邊坡體為一古滑坡。該滑坡分為上、下兩部分，上部為土質(zhì)滑體，下部為巖質(zhì)滑體?；碌那安孔冃瘟啃?、后部變形量大，上部滑體整體滑動，下部滑體整體蠕動，中前部也沒有出現(xiàn)明顯的張拉裂縫，因此可判斷該滑坡為推移式滑坡。經(jīng)過專家多方論證，最終認(rèn)為隧道上方坡體為潛在不穩(wěn)定滑坡體，對隧道變形產(chǎn)生一定的影響。但認(rèn)為該坡體較為平緩，且坡腳前緣存在規(guī)模較大的穩(wěn)定土體作為支撐，隧道設(shè)計服役期限內(nèi)基本不會再產(chǎn)生顯著滑移，可認(rèn)為一定時間內(nèi)邊坡是處于穩(wěn)定狀態(tài)的，對隧道影響較小，因此可暫時不考慮坡體滑移的影響。

2.2 隧道周邊圍巖影響分析

通過在隧道內(nèi)鉆芯取樣發(fā)現(xiàn)，隧道襯砌病害最嚴(yán)重地段隧道底板下部存在較厚的中風(fēng)化泥巖，含水率較大，巖質(zhì)較軟，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育。結(jié)合隧道排水邊溝的不均勻沉降變形裂縫，可推斷隧道下部軟弱泥巖對隧道襯砌裂縫產(chǎn)生具有較大的影響。隧道周邊的水通過排水通道滲入下方泥巖層中，泥巖遇水軟化，不同部位基礎(chǔ)剛度的差異導(dǎo)致隧道產(chǎn)生不均勻沉降，從而產(chǎn)生較大的環(huán)向裂縫。因此，隧道圍巖中的軟弱泥巖層是導(dǎo)致隧道襯砌病害產(chǎn)生的重要因素之一。

2.3 隧道施工質(zhì)量影響分析

為探明襯砌施工質(zhì)量對隧道病害產(chǎn)生的影響，現(xiàn)場采用美國勞雷公司生產(chǎn)的GSSI SIR30地質(zhì)雷達(dá)對襯砌拱頂、左右拱腰以及左右邊墻5個位置進(jìn)行掃描。探測結(jié)果顯示，隧道襯砌背后存在較多的空洞或脫空段，每條測線上均存在不同程度的缺陷，其中拱頂處襯砌背后空洞或脫空缺陷最多，達(dá)23處，最大脫空長度達(dá)到8 m。說明隧道混凝土施工時，多處混凝土澆筑質(zhì)量不合格，襯砌背后空洞導(dǎo)致襯砌受力不均勻，局部地區(qū)會出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中，在高應(yīng)力作用下，混凝土產(chǎn)生不同程度的開裂。

3 臨時加固方案

由于該高速公路為南北向主干高速，車流量大，尤其是載重大貨車往來頻繁，若長時間封閉隧道必然帶來較大的經(jīng)濟(jì)損失，同時引起嚴(yán)重的社會不良影響，而為了確保該隧道的正常安全運營，防止隧道可能產(chǎn)生的掉塊對行車安全的影響，必須對隧道進(jìn)行一定的臨時加固措施，將5類隧道提高至較高級別的安全等級，首先盡快保證安全通車。經(jīng)過多種方案的比選，最終確定如下臨時加固措施。首先對襯砌背后空洞進(jìn)行注漿填充密實，保證隧道均勻受力。同時對病害嚴(yán)重部位通過粘貼W鋼帶進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。采用W鋼帶可以最大限度減小對隧道行車影響，經(jīng)濟(jì)高效、施工速度快，在不對襯砌進(jìn)行大拆大換的前提下，保證隧道整體質(zhì)量。

具體方案為：a）沿隧道襯砌縱向鑿除8 mm厚混凝土；b）在隧道拱頂、拱腰以及邊墻處粘貼5道厚8 mm、寬250 mm的鋼板；c）通過在襯砌和鋼帶表面涂刷膠黏劑，將鋼帶黏結(jié)在襯砌表面，并采用錨栓固定鋼板；d）沿襯砌全斷面粘貼厚5 mm，寬250 mm的W鋼帶，鋼帶縱向間距0.3 m，并采用錨栓固定鋼帶。

通過上述臨時加固方法，將5類隧道提升至4類隧道，在最短的時間內(nèi)保證了隧道的正常運行，加固效果良好。

圖3 隧道臨時加固方案

4 結(jié)論

運營隧道病害的產(chǎn)生原因往往是多方面的，有自然因素的，也有人為因素的?？辈煸O(shè)計缺陷以及施工過程中的偷工減料，監(jiān)理不到位等都會導(dǎo)致隧道在設(shè)計使用年限內(nèi)出現(xiàn)各種各樣的病害問題，嚴(yán)重時將強(qiáng)制封閉道路，進(jìn)行大修，這就給國家和人民帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，社會影響惡劣。本文針對該公路隧道病害實際情況，探明可能導(dǎo)致病害產(chǎn)生的多方面原因，提出了盡可能減小對隧道正常運營產(chǎn)生影響的臨時加固措施，相關(guān)研究可為同類隧道病害處治提供借鑒和參考。