隧道路面拱起病害成因分析及治理措施研究

文章依托靖西至那坡高速公路金龍巖隧道工程實例，分析了公路隧道路面拱起變形的原因和設(shè)計及施工中存在的問題，并提出“加固襯砌拱腳+仰拱基礎(chǔ)開挖+注漿加固仰拱基礎(chǔ)+增加鋼筋混凝土仰拱+仰拱與原二襯連接+恢復(fù)路面和排水設(shè)施”的解決方案，為以后公路隧道路面拱起病害的預(yù)防與處治提供參考。

運營隧道；仰拱；路面拱起；原因分析；技術(shù)方法

U457+.2A270882

作者簡介：

廖江林（1978—），碩士，高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)及養(yǎng)護(hù)管理工作。

0" 引言

隧道路面拱起病害是隧道常見的病害之一，國內(nèi)很多學(xué)者對隧道仰拱隆起病害的成因及處治方式進(jìn)行了一定的研究。代仲宇等［1］針對高地應(yīng)力軟弱泥巖地層的仰拱隆起病害進(jìn)行了研究，分析了仰拱隆起的原因，并提出了拱腳加固+拆除重置的處治方案；周旭東［2］依據(jù)工程實際案例分析了北方地區(qū)隧道路面拱起的原因及處治措施；黃忠財［3］利用有限元軟件模擬了隧道圍巖軟化時，路面拱起的變化情況；崔穎［4］采用FLAC 3D軟件，分析了寒區(qū)隧道路面隆起與斷層破碎帶、凍融作用、附加行車荷載的關(guān)系，并通過數(shù)值模擬對比權(quán)重分析出了病害產(chǎn)生的主控因素。

目前，針對無仰拱隧道路面拱起的研究還比較少，本文針對這種情況，結(jié)合靖西至那坡高速公路金龍巖隧道病害處治工程，分析無仰拱隧道路面拱起病害產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的處治方案，可以為今后類似工程提供參考。

1" 金龍巖隧道概況

金龍巖隧道位于靖西至那坡高速公路那坡縣城廂鎮(zhèn)境內(nèi)東南側(cè)，隧道右洞長946 m，左洞長890 m，隧道位于廣西那坡縣城廂鎮(zhèn)境內(nèi)，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性高原氣候，雨熱同季、干濕分明，氣溫垂直變化比較明顯，春夏秋長，冬寒甚短。年平均氣溫18.4 ℃，極端最低氣溫-4.4 ℃，極端最高氣溫35.5 ℃，年降雨量為1 533.4 mm，降雨量季節(jié)分配不均，總體為夏秋多、春冬少，全年降雨量的80%集中在5～10月。隧道區(qū)穿越山脊或斜坡地帶，無地表水體分布。

根據(jù)地質(zhì)測繪及鉆探揭示，隧道區(qū)穿越地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）和石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h），各地層巖性特征自上而下分述如下：

（1）第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）：巖性為雜色碎石土，稍密狀，碎石成分為灰?guī)r、頁巖，粒徑一般為2～10 cm，最大15 cm，次棱角狀，含量約占70％，少量黏土充填，表層0.40 m為耕植土。該地層主要分布于隧道淺表層，厚7.5～19.0 m。

（2）石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）：巖性為淺灰色石灰?guī)r，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)，溶蝕裂隙較發(fā)育，局部裂隙面附泥膜，巖石微風(fēng)化，巖芯為短柱-柱狀，RQD=62％。該地層廣泛分布于整個隧道區(qū)域。

2" 金龍巖隧道病害狀況

為探明隧道路面拱起的內(nèi)在原因，對金龍巖隧道進(jìn)行了專項檢查。通過現(xiàn)場情況與靖西至那坡高速公路金龍巖隧道檢驗檢測報告相關(guān)結(jié)果進(jìn)行對比驗證，進(jìn)一步判斷病害成因。

2.1" 路面拱起段表觀情況和地質(zhì)雷達(dá)檢測情況

金龍巖隧道YK488+361～K488+412段路面出現(xiàn)明顯起拱，該段的地質(zhì)雷達(dá)圖顯示該段確實存在基巖松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，深度約為1～14 m。

2.2" 隧道邊墻瓷磚破裂情況和地質(zhì)雷達(dá)檢測情況

金龍巖隧道YK488+394～K488+420段邊墻瓷磚破裂，該段的地質(zhì)雷達(dá)圖顯示該段及附近局部二襯脫空或圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育。

2.3" 金龍巖隧道病害位置情況

金龍巖隧道右線路面起拱段，襯砌結(jié)構(gòu)右側(cè)病害明顯比左側(cè)多，且右側(cè)變形、開裂更嚴(yán)重，推測襯砌結(jié)構(gòu)受力存在偏壓現(xiàn)象（按小樁號到大樁號前進(jìn)方向，右側(cè)圍巖壓力大于左側(cè)圍巖壓力）。YK488+390～YK488+440段襯砌結(jié)構(gòu)右側(cè)存在襯砌裂縫，右側(cè)邊墻墻角瓷磚存在擠壓破損，而左側(cè)襯砌病害較少，可見下行線也在一定程度上受到偏壓作用。

3" 金龍巖隧道路面起拱產(chǎn)生的原因分析

根據(jù)金龍巖隧道地質(zhì)報告、設(shè)計圖紙、施工日志、專項檢測報告、結(jié)合病害的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢分析，金龍巖隧道病害受多方面因素影響。

3.1" 地形原因

金龍巖隧道出現(xiàn)病害段位于隧道出口端，隧道左洞埋深淺，右線埋深大，隧道處地勢是右高左低，病害位置正上方地表相對高差最大約45 m，隧道3倍洞徑范圍內(nèi)地表相對高差最大約120 m，隧道洞身存在較大偏壓。偏壓位于隧道洞口的附近，山坡本身具有不穩(wěn)定性，而且壓力過大，加上地質(zhì)本身的不均勻性，斷裂的狀況相繼出現(xiàn)。在后期的運營中受雨水、振動的影響，隧道的偏壓逐漸增大，導(dǎo)致隧道襯砌開裂變形［5］。

隧道路面拱起病害成因分析及治理措施研究/廖江林，王頒法

3.2" 地質(zhì)原因

隧址區(qū)穿越地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4el+dl）碎石土和石炭系上統(tǒng)黃龍組（C2h）灰?guī)r，溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀250°∠75°，節(jié)理裂隙發(fā)育，金龍巖隧道開挖暴露出來的圍巖屬于弱風(fēng)化或者強(qiáng)風(fēng)化炭質(zhì)巖，比較破碎，屬于軟巖層，強(qiáng)度和硬度值都較低，在次級結(jié)構(gòu)面的影響下易破碎。圍巖的強(qiáng)度和硬度較低，其力學(xué)的特征表現(xiàn)為流變性及可塑性等。在有豐富的地下水時，巖層結(jié)構(gòu)下沉，以致超出二襯基礎(chǔ)承載的范圍，結(jié)構(gòu)開始下沉，出現(xiàn)路面向上翹起的起拱現(xiàn)象。

3.3" 地下水的原因

金龍巖隧道附近降雨豐富，地下水活躍，下部基巖在長期的溶蝕作用下生成溶蝕裂隙，形成地下水通道，同時引起淺部基巖松散，軟化、節(jié)理裂隙發(fā)育，在偏壓圍巖的作用下引起路面起拱。

3.4" 結(jié)構(gòu)原因

金龍巖隧道設(shè)計過程中針對結(jié)構(gòu)受力、地基的總體承載力等問題的考慮，設(shè)計跟實際情況相差較大，在施工的過程中沒有針對性變更。隧道路面起拱段襯砌結(jié)構(gòu)未設(shè)置仰拱，主體結(jié)構(gòu)沒有成環(huán)，襯砌結(jié)構(gòu)拱腳部位應(yīng)力集中，隧道內(nèi)側(cè)擠壓變形，結(jié)構(gòu)下沉導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生松動，隨即圍巖壓力增大，引起路面起拱。同時隧道出現(xiàn)不均勻沉降，導(dǎo)致襯砌開裂。

金龍巖隧道開挖之后，應(yīng)力重新分布，整個過程十分復(fù)雜，短期內(nèi)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)暫時穩(wěn)定的假象，長時間后應(yīng)力慢慢釋放，路面開始拱起，進(jìn)而引起一系列病害。

3.5" 養(yǎng)護(hù)原因

2016年底，金龍巖隧道路面有輕微隆起現(xiàn)象，但未作處理，致使病害繼續(xù)發(fā)展。2018年初發(fā)現(xiàn)隧道隆起病害加劇且局部出現(xiàn)裂縫時，將其作為重要工作進(jìn)行跟蹤觀測。直至2019年發(fā)現(xiàn)隧道隆起變形加快，存在重大安全隱患，嚴(yán)重影響行車安全，才進(jìn)行交通管制，減輕車輛動載對隧道的影響，減緩病害發(fā)展。

3.6" 監(jiān)理原因

建設(shè)施工期，金龍巖隧道開挖后，實際圍巖與隧道設(shè)計圍巖不符，監(jiān)理未嚴(yán)格執(zhí)行隧道動態(tài)設(shè)計及動態(tài)施工的要求，沒有做好監(jiān)控量測，為金龍巖隧道后期運營埋下了隱患。

4" 金龍巖隧道路面起拱病害治理方案

依據(jù)病害原因分析，結(jié)合巖溶地區(qū)巖溶裂隙、溶洞發(fā)育及降雨豐富等因素的影響，該項目按照根治病害的理念進(jìn)行處治。即對金龍巖隧道左線ZK488+318～ZK488+440段和右線K488+310～ZK488+427段采用“加固襯砌拱腳+仰拱基礎(chǔ)開挖+注漿加固仰拱基礎(chǔ)+增加鋼筋混凝土仰拱+仰拱與原二襯連接+恢復(fù)路面和排水設(shè)施”的方案，從根本上解決隧道病害問題。見圖1～2。

4.1" 鎖腳導(dǎo)管注漿加固襯砌拱腳

仰拱開挖后，會導(dǎo)致二襯拱腳地基承載力降低，出現(xiàn)二襯變形收斂［6］。為此，仰拱開挖前需要對二襯拱腳進(jìn)行鎖腳導(dǎo)管注漿加固。加固方式為：在隧道拱腳處兩側(cè)，按縱向間距100 cm，布置單根長600 cm的89 mm×8 mm注漿鋼管，然后進(jìn)行注漿加固。

4.2" 仰拱開挖

先鑿除現(xiàn)有路面及電纜溝，然后采用馬口跳槽方式開挖仰拱，仰拱單次開挖長度應(yīng)控制在2 m以內(nèi)。仰拱開挖宜采用人工或機(jī)械開挖，施工過程中應(yīng)查看原施工日志，充分了解隧道原來的施工情況，嚴(yán)控施工質(zhì)量，避免引起隧道襯砌開裂。

4.3" 注漿加固仰拱基礎(chǔ)

由于病害段基巖松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，深度約為1～14 m，為此需要對仰拱基礎(chǔ)進(jìn)行注漿加固。本工程的加固方案為采用單根長450 cm的50 mm×4 mm注漿鋼管，按100 cm×200 cm間距布置（環(huán)×縱），然后采用水泥漿注漿加固，以確保仰拱基礎(chǔ)的承載力滿足要求。

4.4" 增加鋼筋混凝土仰拱

（1）鋼筋混凝土仰拱環(huán)向采用22 mm主筋，間距25 cm布設(shè)；縱向采用10 mm鋼筋，間距30 cm布設(shè)；采用8 mm鉤筋滿掛，用鐵絲將主筋、分布筋、及鉤筋綁扎形成鋼筋骨架，鋼筋的搭接方式、搭接長度及保護(hù)層厚度應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

（2）仰拱混凝土采用50 cm厚C30混凝土，仰拱填充采用C20混凝土。仰拱施工前應(yīng)查清原二襯混凝土沉降縫的位置，確保新建仰拱與原二襯混凝土在同一豎直面斷開，并且按規(guī)范要求做好沉降縫施工，保證工程質(zhì)量。

4.5" 仰拱與原二襯的連接

在澆筑仰拱混凝土前，在仰拱與原二襯的連接處鉆孔植入22 mm鋼筋，鋼筋長80 cm，間距25 cm×25 cm，并與仰拱主筋焊接。

4.6" 防排水

采用中央排水溝與開口式路基邊溝組合方式，中央排水溝為寬40 cm、高50 cm的矩形溝，現(xiàn)澆隧道中心排水溝溝身時預(yù)留直徑100 mm泄水孔；兩側(cè)采用預(yù)制開口式路基邊溝，邊溝內(nèi)徑為15 cm；橫向排水管采用100 mm的PVC管，每隔10 m設(shè)置一道。

4.7" 路面混凝土

路面采用瀝青混凝土路面，路面結(jié)構(gòu)從下至上為：20 cm厚C20混凝土基層，28 cm厚C40混凝土面層，6 cmAC-20C改性瀝青混凝土下面層，4 cmAC-13C阻燃改性瀝青混凝土表面層。在混凝土基層與面層之間施做防水隔離層，在混凝土面層與瀝青混凝土面層之間鋪設(shè)改性瀝青粘結(jié)防水層，在瀝青混凝土面層之間鋪設(shè)A級70#熱瀝青黏層。

4.8" 監(jiān)控量測

施工過程中做好監(jiān)控量測，重點監(jiān)控施工期間拱頂是否下沉，拱腳是否收斂，每天至少檢測一次。

5" 處治效果

金龍巖隧道路面拱起病害處治工程于2020年12月完工，經(jīng)過三年的通車運營，路面平整度為95.10，未出現(xiàn)跳車、路面拱起、檢修道開裂、二襯裂縫等問題，通過該方案很好地解決了未設(shè)仰拱隧道路面拱起的問題。

6" 結(jié)語

（1）由于金龍隧道的病害段處于偏壓洞口附近，地質(zhì)復(fù)雜，后期雨水較多，排水不暢，致使隧道底部基巖松散、軟化節(jié)理裂隙發(fā)育，隧道底部承載力不足，二襯結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變化，并且病害段未設(shè)置仰拱，隧道上部受力不能很好地分散到隧道地下層，最后出現(xiàn)路面拱起變形。

（2）增做仰拱+拱底注漿加固可以很好地解決未設(shè)仰拱隧道運營期因洞身偏壓或基巖松散、軟化節(jié)理裂隙發(fā)育引起的路面拱起病害。

（3）建設(shè)期設(shè)計單位應(yīng)充分考慮桂西地區(qū)巖溶地質(zhì)的特殊性，考慮到后期圍巖等級變化的因素，適當(dāng)提高設(shè)計要求。

［1］代仲宇，寇" 昊，扶親強(qiáng)，等.高地應(yīng)力軟巖隧道仰拱隆起處治措施研究［J］.施工技術(shù)（中英文），2023（1）：69-73.

［2］周旭東.某隧道路面隆起病害成因分析及整治措施［J］.北方交通，2020（12）：77-81.

［3］黃忠財，熊雅文.公路運營隧道路面起拱病害檢測及成因分析［J］.西部交通科技，2021（3）：179-183.

［4］崔" 穎.寒區(qū)長大隧道路面變形病害形成機(jī)制與防治措施研究［D］．石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2022.

［5］張" 濤，夏述光，譚顯坤，等.斷裂構(gòu)造對山區(qū)公路隧道選線與施工的影響研究［J］.巖土力學(xué)，2005，2（增2）：275-278.

［6］朱合華，劉學(xué)增.仰拱施工工序?qū)λ淼雷冃渭敖Y(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析［C］.第六次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集，2000.

20240420