公路隧道檢測(cè)方法與綜合安全評(píng)價(jià)

任慶東 張波

1，北京中交橋宇科技有限公司，北京 100176；2，北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022

公路隧道檢測(cè)方法與綜合安全評(píng)價(jià)

任慶東1張波2

1，北京中交橋宇科技有限公司，北京 100176；2，北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100022

通過對(duì)隧道在停工期間襯砌缺陷、斷面內(nèi)輪廓、襯砌厚度及壁后不密實(shí)帶的檢測(cè)，并結(jié)合FLAC數(shù)值模擬，對(duì)該隧道進(jìn)行了安全性評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，隧道已完成的初期支護(hù)基本滿足穩(wěn)定性要求，但仍然存在一些缺陷，如滲漏水、襯砌背后不密實(shí)以及存在應(yīng)力集中帶和受力不均勻區(qū)域，這些對(duì)停工期間的隧道安全都一定程度的影響。在上述檢測(cè)和分析的基礎(chǔ)上，對(duì)隧道停工期間的維護(hù)管理提出了建議。

安全評(píng)估；數(shù)值模擬；檢測(cè)

1 工程概況

1.1 隧道技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

北京某檢測(cè)的隧道全長(zhǎng)713m。隧道建筑限界：凈寬9.0m（0.75m+0.25m+3.50 ×2m+0.25m+0.75m），限高5.0 m。場(chǎng)地地形起伏比較大，周圍無明顯河流、無地下水，隧道內(nèi)可能有溶洞及瓦斯，該隧道為公路中隧道。檢測(cè)前已完成上臺(tái)階開挖支護(hù)至K6+800（累計(jì)160m）；完成下臺(tái)階仰拱累計(jì)142m。

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)498m,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（K6+640～K6+705）與地形近于直交，無偏壓荷載，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～硬塑亞黏土、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，開挖后易坍塌，穩(wěn)定性差。

隧道洞身（K6+705～K7+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～K7+353）與地形近于直交，無偏壓荷載，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～硬塑亞黏土、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，開挖后易坍塌，穩(wěn)定性差。

2 隧道檢測(cè)

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，通過對(duì)已完成二襯和初襯部分隧道斷面進(jìn)行量測(cè)，判定其是否滿足設(shè)計(jì)斷面輪廓要求。

（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，原則上在每個(gè)隧道應(yīng)分別在拱頂及左右拱腰各布置一條測(cè)線，但由于檢測(cè)施工條件的限制，在隧道樁號(hào)K6+790～K6+798布置了拱頂及左右拱腰測(cè)線，并在已建成部分全長(zhǎng)范圍左右邊墻布置長(zhǎng)測(cè)線。同時(shí)在測(cè)線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)際襯砌厚度是否滿足設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性要求，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)，且滲水面積均大于5m2,并且整個(gè)洞身存在噴漿不均勻現(xiàn)象。原因在于隧道開挖中產(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)在局部有張開性開裂趨勢(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)黎園嶺隧道斷面拱頂部位普遍超挖，其具體情況如表1，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。邊墻斷面基本上沒有較大的侵限和變形，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22～23cm之間，且右測(cè)線的初襯厚度比左測(cè)線的厚度大，左腰線上K6+778～掌子面，初襯厚度相對(duì)較小，一般在19～21cm之間。在樁號(hào)K6+795～K6+798范圍拱頂深度范圍0.7～1.0m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做時(shí)，會(huì)導(dǎo)致開裂甚至突然崩塌。

綜上所述，該隧道所檢測(cè)的缺陷主要由于圍巖級(jí)別較低、施工超挖和結(jié)構(gòu)不完全所致。從隧道的滲漏水、輪廓檢測(cè)和襯砌背后空洞不密實(shí)帶情況上看，該已建隧道情況基本良好，短期內(nèi)不會(huì)影響隧道的整體穩(wěn)定性，但是對(duì)其存在的局部漏水、噴漿不均和背后不密實(shí)現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理，防止外因和內(nèi)因組合，造成綜合型破壞，以保證停工期間的安全和完成工后隧道運(yùn)營(yíng)期間的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

3 隧道受力變形數(shù)值模擬分析

表1 斷面內(nèi)輪廓檢測(cè)結(jié)果

本文計(jì)算采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》進(jìn)行結(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)。

3.1 模型建立

模型建立時(shí)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了部分簡(jiǎn)化，根據(jù)巷道開挖的影響范圍一般是5D（D是巷道跨度或巷道直徑）。這里巷道跨度大約為76m，巷道開挖的影響范圍是38m。因此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。工型鋼支架采用梁?jiǎn)卧M，混凝土噴層采用liner單元模擬。

3.2 基本假定和相關(guān)參數(shù)選取

采用地層-結(jié)構(gòu)模型，按照平面應(yīng)變問題處理，以下假定：

(1) 對(duì)巖層材料采用理想彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，大應(yīng)變變形模式，結(jié)構(gòu)材料均采用線彈性本構(gòu)模型；

(2) 根據(jù)地質(zhì)資料，假定地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布；

(3) 不考慮巖體的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)，只考慮自重應(yīng)力場(chǎng)；

(4) 鋼架各節(jié)點(diǎn)均為剛性節(jié)點(diǎn)，不考慮支架的節(jié)間搭接部分；

(5) 圍巖應(yīng)力采用兩次進(jìn)行釋放，根據(jù)工程類比與理論估算，第一次釋放率設(shè)為20%。

圍巖和單元結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2、表3所示：

表2 巖體參數(shù)取值

表3 支護(hù)材料參數(shù)取值

3.3 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挖，通過對(duì)已支護(hù)結(jié)構(gòu)和圍巖的相互作用分析，得出Ⅳ級(jí)圍巖中的應(yīng)力云圖、位移云圖和塑性區(qū)圖如圖1～6所示。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3.0 e6Pa；從位移云圖中看出，頂板為7.5m m，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)在曲墻墻腳處最大值分別為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＞1.4，滿足穩(wěn)定性要求。

4 隧道停工期間維護(hù)建議

根據(jù)工程的特殊性和現(xiàn)場(chǎng)情況，結(jié)合隧道本身已經(jīng)表現(xiàn)出來問題，在停工期內(nèi)為保證安全，建議采取以下措施：

(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型槽，而后用管材或合成橡膠等整形材料進(jìn)行導(dǎo)水；對(duì)大面積的滲漏進(jìn)行噴射砂漿，及適當(dāng)考慮兩種方法綜合治理，為停工期間及隧道完全建成后消除安全隱患；

(2) 由于隧道Ⅳ級(jí)圍巖區(qū)存在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進(jìn)出現(xiàn)在曲墻墻腳處，最大位移出現(xiàn)在地板處，因此建議在停工前補(bǔ)設(shè)仰供，并完成底板片石混凝土的充填；

(4) 由于掌子面處受力不均，且雷達(dá)結(jié)果顯示厚度不足，建議對(duì)其補(bǔ)漿增厚，或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件采用其他方式補(bǔ)強(qiáng)；

(5) 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)束語

無論對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道還是建設(shè)中隧道，都要堅(jiān)持預(yù)防為主，早發(fā)現(xiàn)、及時(shí)維護(hù)的維修管理理念。特別是對(duì)未建成隧道：初襯是否均勻，本身結(jié)構(gòu)是否存在缺陷，以及是否存在滲漏水現(xiàn)象，對(duì)二次支護(hù)后是否能安全運(yùn)營(yíng)有著重要的意義。

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)仰供，充填混凝土底板等。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.185