高地應力隧道病害檢測及力學特性分析

童波

（呂梁祁縣至離石高速公路建設有限公司，山西呂梁033000）

高地應力隧道病害檢測及力學特性分析

童波

（呂梁祁縣至離石高速公路建設有限公司，山西呂梁033000）

在高地應力隧道施工運營過程中，極易產(chǎn)生一系列病害，例如襯砌裂損及腐蝕、滲漏水等，這些病害嚴重影響了隧道的使用安全，它們的出現(xiàn)不僅大大提高了經(jīng)濟費用，甚至還可能造成生命財產(chǎn)的損失。為此，依托某高地應力隧道工程實例，采用地質(zhì)雷達技術檢測病害，并利用數(shù)值模擬手段全面評價力學特性。研究結(jié)果表明，隧道基底處的主要病害是巖體破碎比較嚴重且富含裂隙水、回填片石不密實、局部存在脫空等；隧道襯砌病害主要表現(xiàn)為裂縫。此外，隧道路面隆起開裂的主要原因是水平地應力過大，所以，在制訂后續(xù)處治措施時，需要考慮降低底板處的應力水平。

隧道；雷達檢測；有限差分軟件；力學特性

隨著我國高速公路建設事業(yè)的發(fā)展，公路隧道的數(shù)目也在不斷增加。但是，由于我國公路隧道建設起步比較晚，與發(fā)達國家相比，施工設計技術存在一定的差距，再加上巖土工程本身具有隱蔽性，不可避免地會出現(xiàn)或大或小的病害。公路隧道中遇到的病害主要有襯砌裂損及腐蝕、漏水、凍害、震害和空氣污染等，這些病害對隧道施工運營的安全性和舒適性有重要的影響，嚴重時還會危及人們的生命財產(chǎn)安全。近年來，針對公路隧道病害的研究不斷涌現(xiàn)，例如，代高飛等對某高速公路隧道進行現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合應力分布和受載情況給出病害的位置、成因和治理措施[1]；趙永國等從襯砌裂縫、變形、表面病害和隧道滲漏水4個方面對公路隧道病害進行分類，并詳細描述了各類病害的特征[2]；吳夢軍等總結(jié)、分析了現(xiàn)有公路隧道病害的類型、成因和對應的處置技術[3]；來弘鵬等針對新莊嶺黃土公路隧道出現(xiàn)的地表裂縫和襯砌開裂等病害，分別采取十堰和數(shù)值仿真手段解釋說明了病害生成的原因[4]。

隧道病害的處理原則是及早發(fā)現(xiàn)，及時維護。本文的研究依托某高地應力隧道，深入分析其工程特性，有針對性地應用雷達探測技術監(jiān)測、分析該隧道13處可能隱患位置，并應用有限差分軟件對該隧道進行數(shù)值模擬分析。檢測分析結(jié)果和數(shù)值研究成果不僅可以為該工程后期的治理和施工提供技術支持，還會對類似工程的處理有一定的指導意義。

1 工程概況

某高速公路隧道為一座上、下行分離的四車道公路短隧道，隧道起訖樁號左線ZK199+394～ZK199+883.54，長473.75 m；右線K199+368～K199+835.15，長451.48 m。該隧道區(qū)屬低中山地貌，地形起伏較大。隧址區(qū)上覆第四系馬蘭組（Q3）黃土和（Q3）碎石，下伏基巖為白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育。圍巖級別主要為Ⅳ級和Ⅴ級。襯砌內(nèi)輪廓采用半徑為R＝543/793 cm的三心圓，內(nèi)輪廓最寬處為10.86 m。

該隧道襯砌結(jié)構(gòu)均按照新奧法原理設計，隧道采用復合式襯砌，即初期支護采用錨網(wǎng)噴混凝土和鋼拱架，在地質(zhì)條件比較差段輔以不同型式的超前支護，二次襯砌為模筑混凝土或鋼筋混凝土。對于Ⅴ級洞口段圍巖軟弱、壓力比較大的段落，則根據(jù)實際情況設置臨時仰拱，以控制圍巖變形。

2 病害檢測結(jié)果

地質(zhì)雷達技術是巖土工程探測隱患的一種常用技術手段[5-6]，工程師通過掃描得到的雷達圖像可以直觀地推斷出不同類型的隱患，從而對后期的施工建設進行指導。本文應用地質(zhì)雷達探測技術掃描高家河隧道13處位置，其中，位置1至位置5號位于左洞基底處，位置6和位置7號位于右洞基底處，位置8至位置13號位于襯砌拱5處。

2.1 左洞基底病害

左洞基底5個位置雷達掃描具體檢測結(jié)果如下：

位置1位于隧道左洞ZK199+590～ZK199+608行車方向右幅路面，圖1給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出該處巖體破碎比較嚴重，富含裂隙水。

位置2位于隧道左洞ZK199+606～ZK199+612行車方向右幅路面，圖2給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出回填片石不密實，局部存在脫空。

位置3位于隧道左洞ZK199+617～ZK199+621行車方向右幅路面，圖3給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出回填片石不密實，局部存在脫空。

圖1 位置1雷達檢測缺陷頻譜圖

圖2 位置2雷達檢測缺陷頻譜圖

圖3 位置3雷達檢測缺陷頻譜圖

位置4位于隧道左洞ZK199+638～ZK199+650行車方向右幅路面，圖4給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出巖體破碎比較嚴重，富含裂隙水。

圖4 位置4雷達檢測缺陷頻譜圖

位置5位于隧道左洞ZK199+642～ZK199+650行車方向右幅路面，圖5給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出回填片石不密實。

2.2 右洞基底病害

位置6和位置7分別位于隧道右洞YK199+575～ YK199+583和YK199+592～YK199+605行車方向右幅路面，圖6和圖7分別給出了兩處檢測缺陷頻譜圖，從兩幅圖中均可以看出巖體破碎比較嚴重，富含裂隙水。

圖5 位置5雷達檢測缺陷頻譜圖

圖6 位置6雷達檢測缺陷頻譜圖

圖7 位置7雷達檢測缺陷頻譜圖

2.3 襯砌病害

隧道襯砌裂縫采用現(xiàn)場觀察記錄法，并用裂縫寬度測量儀對其寬度進行判讀。檢測到的裂縫共計6條，其典型情況如圖8、圖9所示。

圖8 隧道襯砌環(huán)向裂縫

圖9 隧道襯砌斜向裂縫

圖8處的裂縫位于高家河隧道ZK199+588處，其為右邊墻至右拱腰一條環(huán)向裂縫，長約4.0 m，寬約1.0 mm。圖9處的裂縫位于ZK199+628處，其為左拱腰至右邊墻一條環(huán)向裂縫，長11.0 m，寬2.0 mm。以上檢測到的6條裂縫均為環(huán)向裂縫或斜向裂縫，最長達11 m，最短為3 m。對于以上裂縫的長度和寬度應實時檢測，判斷是否有擴張的趨勢，以便采取下一步措施。

3 數(shù)值分析結(jié)果

為了進一步觀測隧道應力的應變情況，利用有限差分軟件FLAC 3D進行數(shù)值模擬分析。

圖10為采用有限差分軟件計算出的該隧道水平應力分布云圖，圖11為隧道周邊塑性區(qū)分布云圖，塑性區(qū)表示此處圍巖是否發(fā)生過塑性剪切流動破壞。

圖10 水平應力分布云圖

圖11 塑性區(qū)分布云圖

由圖10可知，水平應力在拱頂和底板位置產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，此處地應力顯著高于周圍巖土層地應力。其中，在底板位置處的水平應力為拉應力，最大拉應力達到0.88 MPa。這說明，底板在兩側(cè)圍巖的擠壓作用下發(fā)生隆起。由于底板中的拉應力比較大，最終導致地面開裂，產(chǎn)生裂縫。

從圖11中可以看出，圍巖塑性區(qū)集中在隧道底板處。這說明，隧道底板處圍巖在較大地應力作用下產(chǎn)生塑性剪切破壞，巖體承載特性大幅降低。圖10和圖11均表明，高家河隧道路面隆起開裂的主要原因是水平地應力過大，后續(xù)處治措施中需考慮降低底板處的應力水平。

4 結(jié)論

本文依托某高地應力隧道工程實例，運用雷達技術對13處位置進行病害檢測分析，并利用數(shù)值模擬分析結(jié)果全面評價該隧道，得出2點結(jié)論：①雷達檢測結(jié)果表明，隧道基底處的主要病害有巖體破碎較嚴重且富含裂隙水、回填片石不密實、局部存在脫空等病害；隧道襯砌病害主要表現(xiàn)為裂縫。下一步建議對已發(fā)現(xiàn)病害進行針對性處理。②導致該高地應力隧道路面隆起開裂的主要原因是水平地應力過大，在制訂后續(xù)處治措施時，需考慮降低底板處的應力水平。

［1］代高飛，朱合華，夏才初.某公路隧道病害成因分析與治理研究［J］.中國安全科學學報，2005，15（12）：89-92.

［2］趙永國，王華牢，韓常領，等.公路隧道病害的分類特征與成因分析［J］.公路，2008（7）：227-232.

［3］吳夢軍，張永興，劉新榮.公路隧道病害處治技術研究［J］.地下空間與工程學報，2007，3（5）：967-971.

［4］來弘鵬，楊曉華，林永貴.黃土公路隧道病害分析與處治措施建議［J］.公路，2006（6）：197-202.

［5］李二兵，譚躍虎，段建立.地質(zhì)雷達在隧道工程檢測中的應用［J］.地下空間與工程學報，2006，2（2）：267-270.

［6］吳俊，毛海和，應松，等.地質(zhì)雷達在公路隧道短期地質(zhì)超前預報中的應用［J］.巖土力學，2003（s1）：154-157.——

〔編輯：白潔〕

U452

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.088

2095－6835（2017）16－0088－03

童波（1982—），男，河北邢臺人，工程師，2015年畢業(yè)于河北科技師范學院區(qū)域經(jīng)濟開發(fā)與管理專業(yè)（本科）。