公路隧道病害檢測(cè)及安全評(píng)估

崔策 任慶東 張波

由于隧道多處在山區(qū),加之在設(shè)計(jì)和施工中的局限性,隧道結(jié)構(gòu)往往都存在不同程度的病害,因此隧道的安全健康問(wèn)題日益突出,僅對(duì)隧道的病害進(jìn)行檢測(cè)還不足以解決根本問(wèn)題,只有把握各種病害的成因機(jī)理及其相互關(guān)聯(lián)性,才能更好地提出相關(guān)的治理措施,保證隧道正常運(yùn)營(yíng)[1-3]。筆者以北京某隧道病害為例,闡述病害的無(wú)損檢測(cè)方法、研究各種病害分布及相互關(guān)聯(lián)性、分析病害產(chǎn)生的機(jī)理,為類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

北京某道路工程,全長(zhǎng)23.906km,公路等級(jí)為三級(jí),設(shè)計(jì)速度為30km/h。所要檢測(cè)的隧道全長(zhǎng)713m。隧道建筑限界:凈寬9.0m(0.75m+0.25m+2×3.50m+0.25 m+0.75m),限高5.0m。場(chǎng)地地形起伏比較大,周?chē)鸁o(wú)明顯河流、無(wú)地下水,檢測(cè)前已完成上臺(tái)階開(kāi)挖支護(hù)至K 6+800(累計(jì) 160m);完成下臺(tái)階仰拱累計(jì)142m。由于北京奧運(yùn)的要求,工程從 2008年 7月開(kāi)始停工,2008年 10月重新開(kāi)工。

1.2 隧道工程地質(zhì)條件情況

隧道圍巖分級(jí)中,Ⅳ級(jí)圍巖總長(zhǎng)498 m,占隧道總長(zhǎng)的69.8%;Ⅴ級(jí)圍巖總長(zhǎng) 215m,占隧道總長(zhǎng)的 30.2%。

隧道進(jìn)口段(K 6+640～K6+705)與地形近于直交,無(wú)偏壓荷載,圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí),洞身及洞身以上 2倍洞徑范圍內(nèi)的巖性主要為可塑～硬塑亞粘土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r和中等風(fēng)化灰?guī)r,巖體風(fēng)化破碎,裂隙發(fā)育,開(kāi)挖后易坍塌,穩(wěn)定性差。隧道洞身(K 6+705～K 7+203)圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí),洞身及洞身以上 2倍洞徑范圍內(nèi)的巖性主要為微風(fēng)化灰?guī)r,節(jié)理裂隙發(fā)育,開(kāi)挖后支護(hù)不當(dāng)易坍塌、冒頂,穩(wěn)定性較差。隧道出口段(K7+203～K 7+353)與地形近于直交,無(wú)偏壓荷載,圍巖級(jí)別為Ⅴ級(jí),洞身及洞身以上 2倍洞徑范圍內(nèi)的巖性主要為可塑～硬塑亞粘土、強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r或砂巖、強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖。巖體風(fēng)化破碎,裂隙發(fā)育,開(kāi)挖后易坍塌,穩(wěn)定性差。

2 隧道現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析

2.1 檢測(cè)項(xiàng)目和方法

1)襯砌缺陷和滲漏水檢查。檢查采用步行方式,配備必要的檢查工具或設(shè)備,進(jìn)行目測(cè)或量測(cè)檢查。主要采用目測(cè)配合鋼卷尺、皮尺和寬度觀測(cè)儀等量測(cè)設(shè)備,對(duì)洞口、襯砌等進(jìn)行外觀檢查,包含襯砌裂縫形態(tài)和分布、混凝土外觀缺陷、滲漏水分布及程度等。2)隧道斷面內(nèi)輪廓檢查。使用瑞士徠卡 TPS1200隧道斷面儀,斷面檢測(cè)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況,每 20m測(cè)量一個(gè)斷面,對(duì)于病害嚴(yán)重部位酌情加密。3)襯砌厚度、空洞及不密實(shí)帶檢查。采用瑞典 MALA公司生產(chǎn)的RAMAC型地質(zhì)雷達(dá),根據(jù)場(chǎng)地的具體情況以及隧道各部分在結(jié)構(gòu)受力方面的重要性,原則上每個(gè)隧道應(yīng)分別在拱頂及左右拱腰各布置一條測(cè)線(xiàn),但由于檢測(cè)施工條件的限制,在隧道樁號(hào) K6+790～K 6+798布置了拱頂及左右拱腰測(cè)線(xiàn),并在已建成部分全長(zhǎng)范圍左右邊墻布置長(zhǎng)測(cè)線(xiàn)。同時(shí)在測(cè)線(xiàn)上選取典型位置鉆孔取樣,并對(duì)鉆孔取芯襯砌厚度與設(shè)計(jì)襯砌厚度以及用雷達(dá)分析的厚度進(jìn)行對(duì)比,分析實(shí)際襯砌厚度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,同時(shí)檢測(cè)初襯壁后空洞與密實(shí)狀態(tài)。

2.2 檢測(cè)結(jié)果及分析

1)襯砌外觀檢查結(jié)果及分析。通過(guò)檢查,在已做好的初期支護(hù)中,存在 2處滲水,分別位于K6+640整個(gè)拱圈內(nèi)和K6+658左拱腰至左墻腳范圍內(nèi),且滲水面積均大 5m2,并且整個(gè)洞身存在噴漿不均勻現(xiàn)象。由于隧道開(kāi)挖中產(chǎn)生松弛地壓,圍巖不能承受自重,而作為荷載作用在襯砌上,當(dāng)承載力不足時(shí)在局部有張開(kāi)性開(kāi)裂趨勢(shì),并且由于施工的不合理超挖,襯砌背后產(chǎn)生空洞,空洞不僅使圍巖松弛程度和地壓增加,也阻礙了被動(dòng)土壓力的產(chǎn)生,由此導(dǎo)致了局部漏水現(xiàn)象。由于本隧道的排水系統(tǒng)還不完整,地下水位會(huì)上升產(chǎn)生水壓使圍巖和襯砌劣化。2)斷面內(nèi)輪廓檢查結(jié)果分析。根據(jù)本次檢測(cè)的斷面情況,發(fā)現(xiàn)隧道斷面拱頂部位普遍超挖,其中最小為 44.9cm,最大可達(dá) 68.2cm。判斷為施工安裝鋼拱架的需要及噴漿不足所致。邊墻斷面基本上沒(méi)有較大的侵陷和變形,其他各點(diǎn)基本都能與設(shè)計(jì)斷面吻合。3)襯砌背后檢測(cè)結(jié)果分析。經(jīng)過(guò)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,隧道的檢測(cè)結(jié)果如下:初襯厚度相對(duì)比較均勻,厚度一般在 22cm～23cm之間,且右測(cè)線(xiàn)的初襯厚度比左測(cè)線(xiàn)的厚度大,左腰線(xiàn)上K 6+778～撐子面,初襯厚度相對(duì)較小,一般在 19cm～21cm之間。在樁號(hào)K6+795～K 6+798范圍,拱頂深度范圍0.7m～1.0m內(nèi)出現(xiàn)30cm寬的松動(dòng)帶。結(jié)果顯示,襯砌背后松動(dòng)帶與漏水處位置基本吻合,松動(dòng)或空洞上部的巖體可能與圍巖分離而掉落,因此會(huì)對(duì)襯砌產(chǎn)生沖擊,在襯砌強(qiáng)度不足時(shí),尤其是在二襯尚未施作時(shí),會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂甚至突然崩塌。

3 隧道受力變形數(shù)值模擬分析

本文計(jì)算采用FLAC2D軟件對(duì)已建成隧道部分進(jìn)行模擬,然后根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行復(fù)核。在不同圍巖條件和支護(hù)結(jié)構(gòu)條件下,分別對(duì)隧道結(jié)構(gòu)未完全建成時(shí)進(jìn)行位移分析和穩(wěn)定性評(píng)價(jià)[4,5]。

3.1 模型建立

模型的上方取至山頂,左右方各取 38m,下方 12m,模型尺寸為寬×高=76m×70m。模型邊界采用齊次邊界條件,上部邊界取為自由面,下部邊界取為固定邊界,左右邊界巖體沿著 X方向的位移被約束。巖體和鋼支架下方的混凝土基礎(chǔ)墩采用實(shí)體單元,工型鋼支架采用梁?jiǎn)卧M,混凝土噴層采用 Liner單元模擬,巖體參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 巖體參數(shù)取值

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

在圍巖應(yīng)力分析中采用全斷面一次性開(kāi)挖,通過(guò)對(duì)已支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作用分析,從圍巖應(yīng)力云圖可以看出,在隧道目前施工完成的結(jié)構(gòu)中,兩腰應(yīng)力集中,最大為 3.0e6 Pa;從位移云圖中看出,頂板為 7.5mm,底板為 7.5mm。底板位移之所以比頂板大是因?yàn)楸舅淼乐ёo(hù)為鋼架全封閉支護(hù),上部應(yīng)力通過(guò)鋼架傳到底部,大部分由鋼架底部承擔(dān),如不加以控制很容易造成底板低鼓,這恰與設(shè)計(jì)中底板填 145mm混凝土控制底板變形片石相符。頂板沒(méi)有出現(xiàn)塑性區(qū),兩腰處塑性區(qū)為 8.00m,底板不存在塑性區(qū)。

由工型鋼支架和混凝土噴層彎矩和軸力云圖看出,最大值出現(xiàn)在曲墻墻腳處,分別為 34.83kN?m和 1004kN,得出安全系數(shù)分別為 1.4和 1.7。

綜上所述:隧道雖未完成全部支護(hù),但目前已建成的初期支護(hù)可以滿(mǎn)足隧道的穩(wěn)定性要求。

本文對(duì)Ⅴ級(jí)圍巖和隧道洞口部分也進(jìn)行了模擬,其支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)均大于1.4,滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

4 隧道停工期間維護(hù)建議

1)對(duì)在Ⅴ級(jí)圍巖區(qū)檢測(cè)到的兩處滲水,要及時(shí)進(jìn)行排堵整治,對(duì)于線(xiàn)滲漏采用導(dǎo)管法,即在襯砌表面裝上平行管或在漏水處補(bǔ) V形或U形槽,而后用管材或合成橡膠等整形材料進(jìn)行導(dǎo)水;2)由于隧道Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)普遍存在的初次支護(hù)噴漿不均情況,應(yīng)噴射補(bǔ)充均勻,以防止二襯做后拱背留有空洞,對(duì)較大的超挖區(qū)和襯砌背后不密實(shí)區(qū)應(yīng)進(jìn)行注漿加固處理;3)根據(jù)模擬分析,最大彎矩值和軸力值出現(xiàn)在曲墻墻腳處,最大位移出現(xiàn)在底板處,因此建議在停工前補(bǔ)設(shè)仰拱,并完成底板片石混凝土的充填;4)由于停工期間的確定因素,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道的收斂、變形的監(jiān)測(cè),出現(xiàn)異常情況,及時(shí)進(jìn)行處理。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果,隧道的滲漏水位置、襯砌背后空洞或不密實(shí)帶以及襯砌厚度不足位置基本相對(duì)應(yīng),因此要求在隧道施工中,應(yīng)合理控制超挖,以防背后產(chǎn)生空洞,從而導(dǎo)致一系列安全隱患。

用 FLAC2D能有效地分析圍巖的應(yīng)力分布和預(yù)測(cè)擬建隧道對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形影響,本文以未建成隧道為背景進(jìn)行數(shù)值模擬,證實(shí)這種安全評(píng)估方法的可行性,并為此工程提出關(guān)注重點(diǎn)。即應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注應(yīng)力集中帶及受力不平衡區(qū)域。對(duì)其在停工前應(yīng)做好充分的強(qiáng)度保障,如增設(shè)仰拱,充填混凝土底板等。

[1] 關(guān)寶樹(shù).隧道工程維修管理要點(diǎn)集[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 陶連金,唐四海,金 亮.隧道上穿既有車(chē)站結(jié)構(gòu)的變形預(yù)測(cè)和安全評(píng)估[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2008,4(3):442-447.

[3] 陳建勛,羅彥斌,姜久純.運(yùn)營(yíng)公路隧道安全評(píng)估[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(4):68-70.

[4] 解寶新.既有公路隧道檢測(cè)技術(shù)與安全性評(píng)估方法研究[D].廣州:華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[5] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[6] 孫廣忠.巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].北京:科學(xué)出版社,1988.