梁家灣隧道病害分析及治理

劉蓉 張林

1 工程概況

1.1 地形地貌

隧道區(qū)屬紅層深丘地貌區(qū)，地形切割較大，斜坡呈階狀，隧道走向800左右。進洞口段斜坡坡向245°，坡角20°～45°;出洞口段斜坡坡向近東，坡角15°～40°。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)位于豐都向斜南西翼近軸部，巖層產(chǎn)狀65°∠5°。主要發(fā)育有3組高傾角裂隙:延伸長3 m～8 m，間距2 m～5 m，具有隨深度增加而減少的特征。

1.3 水文地質(zhì)條件

隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡單，地下水受地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性控制。隧道區(qū)為紅層深丘地貌，切割較深，泥巖是場地主要基巖，為相對隔水層，地下水貧乏。

1.4 隧道支護結(jié)構(gòu)

采用三心圓等截面拱，洞身圍巖級別有Ⅳ，Ⅴ兩類。

2 病害現(xiàn)狀及原因分析

2.1 隧道病害狀況

2.1.1 襯砌開裂變形

從對梁家灣隧道病害的雷達檢測報告和現(xiàn)場踏勘情況看，隧道襯砌存在不同程度的開裂、掉塊現(xiàn)象，其開裂變形可分為以下幾種情況:

1)K1+181 m，K1+191 m拱頂?shù)魤K;2)隧道K1+100～K1+250段二襯拱頂混凝土出現(xiàn)環(huán)形、縱橫交叉等不規(guī)則裂縫;3)襯砌混凝土質(zhì)量較差，混凝土標號和抗?jié)B標號未完全達到要求。

從勘察報告對隧道開裂情況統(tǒng)計看，梁家灣隧道累計裂縫長度為673.7 m，其中縫寬大于3 mm的裂縫達56%，梁家灣隧道累計裂縫長度為127 m，其中縫寬大于3 mm的裂縫為18%;而隧道進口端開裂比隧道出口端更嚴重。

2.1.2 拱部背后存在較多不密實區(qū)

其中拱頂不密實區(qū)34個，延伸長度169 m;左拱肩不密實區(qū)25個，延伸長度349 m;右拱肩不密實區(qū)22個，延伸長度119 m。

2.1.3 拱部背后存在空洞

其中拱頂存空洞8個，延伸長度37 m;左拱肩發(fā)現(xiàn)脫空區(qū)1個，延伸長度2 m;右拱肩發(fā)現(xiàn)脫空區(qū)2個，延伸長度6 m?？斩搭愋椭饕嵌r與初襯之間脫空。

2.2 滲漏水狀況

隧道多個段落均有滲漏水，現(xiàn)場調(diào)查情況可將滲漏水分為以下幾種情況:

1)隧道裂縫滲漏水:主要在拱部裂縫、邊墻亦有;雨后滲漏更嚴重;局部裂縫處有小股水涌出，水壓很小。2)襯砌施工縫和變形縫滲水:雨后滲漏量明顯增大，水壓很小。3)拱、墻局部成片滲水，雨季伴有滴水;滲漏水較嚴重的地段主要分布在隧道南端以及隧道進出口明洞與暗洞結(jié)合地段。

總體上看，隧道病害具有以下4個特點:1)隧道裂縫大多出現(xiàn)在隧道拱部;2)隧道襯砌厚度不足多發(fā)生在拱頂部位，左拱肩襯砌平均厚度比右拱更薄;3)隧道空洞和不密實區(qū)大都在隧道拱部;4)同一座隧道來說，隧道進口端開裂比隧道出口端更嚴重。

2.3 隧道病害原因分析

1)由于隧道只運營不到兩年就發(fā)生開裂病害，說明該隧道初期支護施工未完全做到位。雷達檢測也表明，在襯砌背后有相當數(shù)量的空隙或空洞;施工又未作回填灌漿。

2)混凝土的配合比不盡合理、施工時振搗不充分、隨時間推移，結(jié)構(gòu)承載力逐漸下降，襯砌材質(zhì)的劣化，隧道病害愈來愈多。

3)隧道洞身中多個段落發(fā)生滲漏，裂縫和施工縫都有不同程度的漏水;表明隧道防水板施工質(zhì)量和焊縫施工質(zhì)量未達到設(shè)計要求。施工縫的處理也不滿足設(shè)計要求施作質(zhì)量，這其中有部分原因是由于施工工藝變化造成的，原設(shè)計要求采用全斷面模板臺車進行襯砌，故只設(shè)有環(huán)向止水帶;而實際施工時是采用小模板施工，而采用小模板施工除了必須設(shè)置環(huán)向止水帶外，還必須設(shè)置縱向止水帶。

3 病害整治方法

3.1 隧道襯砌開裂的治理

圖1 W鋼帶＋錨桿復合加固拱示意圖

從雷達監(jiān)測報告和隧道現(xiàn)場調(diào)查的結(jié)果看，隧道的開裂和材料劣化的病害主要出現(xiàn)在隧道拱部;襯砌開裂治理以隧道拱部為重點，對邊墻上對結(jié)構(gòu)安全有影響的縱向和斜向裂縫也應一并治理;具體采用以下措施:

1)采用鋼拱架或高強W鋼帶+注漿錨桿加固舊襯砌結(jié)構(gòu)，其作用有二:a.高強W鋼帶+組合注漿錨桿與舊襯砌形成鋼—混凝土“組合空間支撐拱”以恢復和加強現(xiàn)有劣化混凝土襯砌結(jié)構(gòu)的承載能力;W鋼帶+錨桿復合加固拱如圖1所示。b.保證工程整治期間的行車、行人安全以及施工工作人員的安全。

2)通過注漿錨桿對襯砌背后空洞和松動區(qū)域注漿，提高圍巖自身穩(wěn)定性，減小圍巖松弛壓力對襯砌結(jié)構(gòu)的影響;同時填塞地下水滲透通道，大大消除地下水滲透對隧道帶來的各種病害。

3)襯砌裂縫的嵌補，恢復舊襯砌的整體性和承載力;根據(jù)襯砌開裂的不同情況，結(jié)合隧道裂縫的嵌補一同進行。

3.2 隧道滲漏水裂縫的治理

隧道的滲漏治理，以隧道拱部滲漏為重點，根據(jù)滲漏不同情況，采用排堵結(jié)合綜合整治的措施:

1)拱部大面積滲水段的處理。對隧道襯砌拱部及邊墻雨季產(chǎn)生大面積滲水地段，將結(jié)合襯砌背后充填注漿一起進行;主要采用鉆孔注漿堵水的辦法處理;為保證注漿堵水的質(zhì)量，在注漿堵水前先在襯砌邊墻腳兩側(cè)打泄水孔，以降低襯砌背后水位和水壓，泄水孔完成后即可進行鉆孔注漿;注漿順序先從滲水段兩端以外10 m的無水部位開始，由兩邊逐漸向中間推進。采用組合注漿錨桿，錨桿采用梅花形布置。拱部襯砌背后注漿，以充填襯砌背后空洞和堵塞地下水的通道。

洞內(nèi)注漿堵水施工完畢后，應對襯砌邊墻腳兩側(cè)的泄水孔清掃一遍，以便將側(cè)墻背后少量的裂隙水引排至側(cè)溝。

2)對于雨季滲水、漏水和滴水嚴重的裂縫和施工縫采取鑿槽埋管法引排水流。

鑿槽埋管法引排采用下述方法:沿滲漏水縫隙鑿出楔形溝槽，深10 cm～12 cm，口寬約10 cm，溝槽與隧道內(nèi)側(cè)溝連通，以利排水，將鑿好的溝槽沖洗干凈，用φ50 cm～φ100 cm的半圓硬塑管緊貼槽底并用水泥釘固定作暗槽排水用。然后用防水油膏將半圓管壓緊固定，防水油膏超出半圓管1 cm，并抹平，再用塑膠泥2 cm，最后用2 cm快凝水泥砂漿封堵;或采用在半圓管背填塞雙快水泥3 cm，干后刷一層凈砂漿，抹第二層氯化鐵防水砂漿，抹平，24 h后，涂一層聚氨酯防水涂膜材料。

3)鑿槽埋管注漿堵水。對于少量裂隙或施工縫處的漏水點，可直接對準出水點鑿槽埋管注漿堵水。用直觀法、毛刷法、干灰法找準漏水點，在襯砌混凝土內(nèi)鑿U形槽。埋深10 cm，槽寬5 cm，鑿槽后用高壓水沖洗槽壁，除去浮塵或污物。然后對準漏水點埋設(shè)φ8 mm～φ12 mm注漿管，為防止跑漿，注漿管周圍用塑膠泥牢固封嚴，但不能堵住注漿孔眼。待膠泥凝固后方可注漿，注漿材料為水溶性聚氨酯漿液，注漿泵采用手壓泵或壓漿泵，注漿壓力為0.5 MPa～0.6 MPa，漿液凝結(jié)時間 3 min ～5 min，注漿壓力達到設(shè)計終壓后穩(wěn)定10 min，注漿孔不進漿或少進漿即可結(jié)束注漿，停泵后立即封堵孔口閥門，拆卸和清洗管路，待漿液凝固后對不易拆卸的注漿管用氣焊割掉，然后用塑膠泥封堵，如果注漿時漿液串流太遠，應間歇注漿。

4)在舊襯砌拱部表面均勻涂刷水泥基滲透結(jié)晶防水材料。

5)套拱加固處理。根據(jù)隧道襯砌各段開裂、襯砌混凝土劣化的不同情況，分別采用鋼筋混凝土套拱、組合鋼網(wǎng)套拱、素混凝土套拱使之與“組合空間支撐拱”組成復合襯砌，以全面隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載力并完全達到結(jié)構(gòu)使用安全要求。套拱混凝土抗?jié)B標號應不低于S10。

4 施工步驟數(shù)值模擬分析

為了檢驗方案的安全性和可行性，采用了ADINA建立二維數(shù)值模型(見圖2)，在計算中假設(shè)注漿的作用通過提高拱部注漿范圍內(nèi)巖土的物理力學參數(shù)予以體現(xiàn)。

圖2 隧道二維計算模型

4.1 模擬參數(shù)的選取

圍巖體材料選用Mohr-Coulomb塑性材料模型。依據(jù)巖體力學試驗成果及結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查結(jié)果，對工程地下通道區(qū)巖土力學參數(shù)進行了綜合取值(見表1)。

表1 模擬計算基本參數(shù)表

4.2 計算成果分析

4.2.1 整治隧道前計算成果分析

計算表明，梁家灣隧道在使用了若干年后出現(xiàn)了不同程度的破壞，此時的最大主應力為2.08 MPa，出現(xiàn)在隧道的邊墻底部，最大剪應力為2.05 MPa，出現(xiàn)在隧道邊墻底部。

4.2.2 整治隧道中計算成果分析

拱腳鑿槽形成套拱支座，使得隧道拱腳和邊墻上部承載力局部下降。由計算結(jié)果可知，梁家灣隧道拱腳鑿槽后的最大主應力為2.11 MPa，與鑿槽前沒什么變化，只是槽的局部略變大了點。最大剪應力為2.06 MPa，出現(xiàn)在鑿槽前同樣的位置。

4.2.3 整治隧道后計算成果分析

隨后用錨桿和W鋼帶對隧道拱部錨固，并對襯砌背后空隙進行低壓壓漿充填。隧道整體承載力明顯上升。由計算結(jié)果可知，梁家灣隧道經(jīng)過整治后最大主應力降為0.87 MPa，最大剪應力降為 0.89 MPa。

5 結(jié)語

梁家灣隧道按本文所述方案實施后，進展順利;工程于2007年順利完工，實踐證明該隧道的整治方案是成功的，達到了安全、合理、經(jīng)濟的預期目標。通過對該項目的整治得到以下認識:

1)影響已建成的隧道產(chǎn)生病害的因素是多方面的，其主要原因是當時的施工過于粗糙，以及地質(zhì)及環(huán)境因素的影響。2)整治這種類型的隧道主要用的方法有高強W鋼帶+注漿錨桿、裂縫嵌補以及錨桿加固巖體。3)由于整治隧道麻煩，容易使隧道越整治越差以及在整治過程中出現(xiàn)應力和位移過大，最終引起安全問題，建議在整治隧道前盡量做到工程類比和有限元計算模擬相結(jié)合。4)從有限元計算模擬分析可以看出在隧道整治中特別是戳槽的時候?qū)鹚淼赖淖畲笾鲬σ约白畲蠹魬⑦M一步增加，但增加不大。5)從有限元計算模擬看出該整治方案是成功的，梁家灣隧道的最大主應力經(jīng)整治后降低了58%，最大剪應力經(jīng)整治后降低了57%，這使得該隧道整治后的安全系數(shù)得到了大大的提高。并且梁家灣隧道按本文所述方案實施后，進展順利;工程于2007年順利完工，實踐證明從現(xiàn)實結(jié)果可以看出該隧道的整治方案是成功的。

[1]朱漢華，尚岳全.公路隧道設(shè)計與施工新法[M].北京:人民交通出版社，2002:11-18.

[2]楊新安，黃宏偉.隧道病害與防治[M].上海:同濟大學出版社，2003.

[3]JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計規(guī)范[S].

[4]藺書鈿.巖溶隧洞常見災害及處理措施[J].山西建筑，2010，36(25):300-301.