公路隧道淺埋段地表交通荷載作用下襯砌滲水病害結(jié)構(gòu)安全性探討

■吳桂銓

（福建陸海工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，福州 350008）

當(dāng)隧道與上部道路立體交叉時(shí)，車輛所帶來的地表震動(dòng)荷載可能導(dǎo)致局部巖石隧道裂隙貫通，地表水沿著巖石的貫通裂隙滲入隧道周邊圍巖，裂隙在地表水滲入作用下進(jìn)一步發(fā)育和貫通，進(jìn)而加速圍巖內(nèi)的滲流。 襯砌周邊塑性區(qū)隨著時(shí)間和滲水的不斷增多而加大，原設(shè)計(jì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)不能夠滿足現(xiàn)狀的荷載需求而導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形開裂，襯砌滲水后混凝土進(jìn)一步劣化。

目前國內(nèi)對(duì)于車輛荷載及地表水滲入對(duì)隧道產(chǎn)生的影響的研究有：曹志剛[1]通過建立三維彈性振動(dòng)模型結(jié)果表明地表車輛荷載下鄰近隧道的振動(dòng)響應(yīng)可由正對(duì)稱和反對(duì)稱荷載工況下的結(jié)果疊加得到；周志華[2]分析了動(dòng)靜荷載與滲透水壓共同作用下壓剪巖石裂紋的起裂規(guī)律，表明動(dòng)荷載、滲水壓力會(huì)加劇圍巖的裂紋；陳壽堂[3]通過對(duì)地下水與隧道圍巖的相互作用分析，得到了不同圍巖級(jí)別條件下地下水對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性的影響，提出了隧道圍巖在地下水影響下的修正分級(jí)方法。

本文以福建某高速隧道安全評(píng)估項(xiàng)目為依托，利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合計(jì)算軟件對(duì)地表交通荷載及地表水滲入對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)安全的影響進(jìn)行計(jì)算分析，提出經(jīng)濟(jì)合理的處治方案，為后期隧道運(yùn)營養(yǎng)護(hù)加固提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

文章所述的隧道位于福建省某高速上， 在日常巡查過程中發(fā)現(xiàn)該隧道左洞隧道出口位置出現(xiàn)嚴(yán)重的襯砌剝落、開裂和滲水缺陷。 據(jù)了解，某在建項(xiàng)目利用該隧道上方的機(jī)耕通道作為施工便道運(yùn)輸施工材料， 隧道病害及施工便道位置如圖1所示：

圖1 隧道病害及施工便道位置示意圖

1.2 專項(xiàng)檢測(cè)情況

據(jù)專項(xiàng)檢測(cè)顯示（圖2），隧道洞口附近周邊圍巖未見明顯的空腔，但是巖體節(jié)理發(fā)育，水量充裕，呈富水狀態(tài)；襯砌表面呈線流狀滲水（圖3），襯砌裂縫主要以縱向和環(huán)向?yàn)橹鳎?裂縫深度基本貫穿襯砌；左拱腰位置存在襯砌欠厚缺陷，實(shí)測(cè)襯砌厚度為設(shè)計(jì)厚度一半。

圖2 隧道周邊圍巖水文檢測(cè)三維圖

圖3 隧道襯砌線流狀滲水實(shí)況

2 隧道襯砌計(jì)算

2.1 計(jì)算工況

利用隧道襯砌計(jì)算程序按照荷載結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算， 計(jì)算工況的選取考慮襯砌實(shí)測(cè)截面厚度，施工車輛靜力荷載、振動(dòng)效應(yīng)、地表水滲入等影響，如表1 所示。

表1 計(jì)算工況一覽

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

通過專項(xiàng)檢測(cè)及查閱隧道竣工文件，缺陷襯砌處于IV 級(jí)圍巖淺埋段落， 上方覆蓋層厚13.6 m；工況一與工況二按照竣工圍巖等級(jí)IV 級(jí)選取計(jì)算參數(shù)。

地表交通荷載對(duì)襯砌的結(jié)構(gòu)影響分為車輛靜力荷載（即車輛自重和載重）和振動(dòng)效應(yīng)。 靜力荷載可參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]中車輛荷載的最大單軸荷載140 kN 選取， 本文簡化荷載通過圍巖的擴(kuò)散作用，按最不利的模式以外加集中荷載至隧道襯砌拱頂位置進(jìn)行計(jì)算。 目前國內(nèi)對(duì)于車輛振動(dòng)效應(yīng)對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響的理論研究仍不完善，汽車行駛產(chǎn)生的振動(dòng)效應(yīng)以應(yīng)力波的形式傳播，以襯砌周邊圍巖為媒介將作用傳遞至襯砌上，應(yīng)力波在傳遞的過程中對(duì)周邊圍巖產(chǎn)生振動(dòng)和擠壓導(dǎo)致了圍巖裂隙的發(fā)育，從而對(duì)圍巖性能產(chǎn)生影響。

地表水滲入主要影響隧道周邊的圍巖性能，當(dāng)圍巖周邊有滲流發(fā)生時(shí)，滲透的地表水在圍巖中的滲流作用力將改變圍巖中原始的應(yīng)力狀態(tài)，影響圍巖裂隙面的有效應(yīng)力， 從而降低圍巖的穩(wěn)定性，甚至產(chǎn)生剪切破壞。 《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中提出巖質(zhì)圍巖基本質(zhì)量BQ 值修正時(shí)應(yīng)考慮地下水、 主要軟弱結(jié)構(gòu)面、初始應(yīng)力狀態(tài)的影響程度，但無明確修正的規(guī)定，《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]關(guān)于地下水影響下隧道圍巖分級(jí)修正如表2 所示：

表2 地下水對(duì)隧道圍巖分級(jí)修正

車輛的振動(dòng)導(dǎo)致圍巖裂隙的發(fā)育， 地表水通過裂隙滲入圍巖， 滲入的地表水加劇巖體裂隙的發(fā)育，從而導(dǎo)致圍巖進(jìn)一步的劣化。 地表水滲入和車輛的振動(dòng)效應(yīng)是相輔相成的， 是造成隧道襯砌開裂及滲水的主要外因。 故本文通過出水狀態(tài)進(jìn)行修正圍巖性能， 分析汽車的振動(dòng)效應(yīng)和地表水滲入對(duì)隧道襯砌的影響。 專項(xiàng)檢測(cè)表明現(xiàn)場(chǎng)襯砌表面滲水呈線流狀， 根據(jù)表2 將缺陷段落圍巖等級(jí)修正為V 級(jí)， 并考慮圍巖在富水狀態(tài)下自重增大（由現(xiàn)場(chǎng)取芯試驗(yàn)所得）。 各工況計(jì)算圍巖參數(shù)見表3。

表3 圍巖計(jì)算參數(shù)

2.3 計(jì)算結(jié)果

本次計(jì)算采用結(jié)構(gòu)荷載法隧道襯砌程序計(jì)算，根據(jù)平面彈性有限元原理把隧道的二次襯砌離散為若干的梁單元，各單元之間通過節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)成承載結(jié)構(gòu)。 圍巖既是二襯的荷載又是二襯的約束，圍巖對(duì)二襯的作用通過單元間的彈簧壓桿來模擬。 計(jì)算單元模型如圖4 所示。

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)分析模型示意圖

通過模型提取相應(yīng)不利位置軸力和彎矩并計(jì)算相應(yīng)安全系數(shù)如表4 所示。

表4 襯砌計(jì)算對(duì)比

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，得出結(jié)論如下：

（1）通過工況一與工況二的對(duì)比顯示襯砌局部厚度不足會(huì)降低襯砌結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備；

（2）通過工況二與工況三的對(duì)比顯示施工便道上的車輛靜力荷載對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全存在一定影響；

（3）通過工況三與工況四的對(duì)比顯示施工便道上的車輛振動(dòng)效應(yīng)和地表水滲入導(dǎo)致圍巖劣化，對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全有很大的影響；

（4）根據(jù)工況四計(jì)算結(jié)果顯示襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不滿足規(guī)范2.4 的要求，需對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。

3 隧道加固方案

3.1 加固方案

根據(jù)隧道加固規(guī)范規(guī)定，對(duì)于襯砌劣化較為嚴(yán)重的隧道一般采用套拱或拆換的處理措施，筆者考慮隧道處于高速公路上，采用拆換的處理措施雖然能夠一次性解決隧道存在的安全隱患，但是由于該方案所需的時(shí)間長并且社會(huì)影響大，故本次擬采用嵌入鋼支撐+增大襯砌截面的加固方式進(jìn)行處治。方案具體措施如下：

（1）施工前對(duì)擬加固段落隧道輪廓進(jìn)行量測(cè)，核查隧道限界是否滿足加固設(shè)計(jì)要求；

（2）按1 m 間距刻槽嵌入工16 鋼支撐，刻槽長度及深度可以根據(jù)實(shí)測(cè)輪廓進(jìn)行調(diào)整；

（3）待型鋼安裝完成后拆除檢測(cè)報(bào)告描述的欠厚襯砌，并按原設(shè)計(jì)恢復(fù)襯砌；（4）在鋼支撐之間布置鋼筋網(wǎng)，通過鋼筋連接；（5）以型鋼的弧度進(jìn)行模板安裝，再澆筑自密實(shí)混凝土。

3.2 加固效果

對(duì)隧道襯砌加固前后分別進(jìn)行計(jì)算，加固前選取上述工況四， 加固后襯砌厚度按既有襯砌厚度+新增套拱襯砌厚度計(jì)入，即為60 cm，其余加固后計(jì)算參數(shù)同表3 工況四。 計(jì)算結(jié)果如表5 所示。

表5 加固前后襯砌計(jì)算對(duì)比

根據(jù)上述計(jì)算顯示隧道在加固后襯砌安全儲(chǔ)備有了較大的提升， 安全系數(shù)滿足隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

4 結(jié)語

有隧道洞口附近排水設(shè)施的疏浚和維護(hù)，確保排水通暢，減少地表水滲入。

本文通過襯砌滲水形態(tài)對(duì)隧道周邊圍巖進(jìn)行修正，提出了地表交通荷載和地表水滲入共同作用下襯砌結(jié)構(gòu)安全的分析方法，但是地下水滲流場(chǎng)與車輛動(dòng)力耦合是一個(gè)復(fù)雜的問題，本文僅依據(jù)規(guī)范采用圍巖折減法簡單地反映地下水滲流場(chǎng)與車輛動(dòng)力對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響，沒有具體的工程試驗(yàn)做依托，故提出以下建議：

（1）既有隧道上方需要通行車輛時(shí)應(yīng)進(jìn)行必要的結(jié)構(gòu)簡算及評(píng)估， 確保安全后方可允許上方車輛通行；

（2）地表水滲入及車輛荷載對(duì)既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)存在影響，特別是淺埋隧道影響更大，應(yīng)加強(qiáng)既