福州市金雞山隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害檢測與分析

呂荔炫

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院　福建福州　350108)

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福州市金雞山隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害檢測與分析

呂荔炫

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院福建福州350108)

公路隧道作為一種常見的地下結(jié)構(gòu)形式，受地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)施工和運(yùn)營環(huán)境的影響，在其服役壽命中后期常出現(xiàn)不同程度的病害，從而影響隧道內(nèi)行車舒適性和安全性。為金雞山隧道原位擴(kuò)建的設(shè)計(jì)與施工提供詳實(shí)可靠的基礎(chǔ)依據(jù)和其他類似隧道襯砌結(jié)構(gòu)的病害整治提供借鑒，文章以福州市二環(huán)路金雞山隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害檢測為背景，利用超聲回彈綜合法和鉆孔取芯法檢測了襯砌混凝土的強(qiáng)度與彈性模量，利用地質(zhì)雷達(dá)法檢測了襯砌厚度及其壁后空洞分布，同時分析了襯砌結(jié)構(gòu)劣化以及壁后空洞產(chǎn)生的原因。

山嶺隧道；原位擴(kuò)建；襯砌結(jié)構(gòu)；病害檢測

0　引言

我國氣候多樣、地質(zhì)復(fù)雜，再加上設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等環(huán)節(jié)中諸多不利因素的影響，使得我國山嶺隧道在其運(yùn)營期間常常出現(xiàn)襯砌裂損、基底下沉或底鼓、滲漏水等大量病害問題，嚴(yán)重威脅著隧道內(nèi)的行車安全，大大縮短了隧道的使用壽命[1-2]。金雞山隧道是福州市二環(huán)路的重點(diǎn)工程，于1995年建成通車，為上下行分列式雙洞四車道城市道路隧道。隧道按城市主干道Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)主斷面，其內(nèi)輪廓為單心圓曲墻斷面，洞內(nèi)行車凈寬8m，凈高7.05m。隧道依據(jù)新奧法原理設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌；其穿越巖體主要為中-粗?；◢弾r，其次為后期侵入的花崗石英斑巖，時有灰綠巖穿插；Ⅱ級、Ⅲ級圍巖占40%，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖占60%；地下水較為豐富，主要由大氣降雨補(bǔ)給。由于地質(zhì)條件、氣候條件以及設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營過程中多種不利因素的影響，金雞山隧道在其長期運(yùn)營過程中出現(xiàn)了諸如襯砌裂損、滲漏水、基底下沉等多種不同程度的病害。

同時為滿足不斷增長的交通需求，市政建設(shè)單位在保持既有隧道北洞車輛通行的條件下，于2014年1月～2014年10月間，將其南洞原位擴(kuò)建成四車道大斷面公路隧道；恢復(fù)南洞車輛通行后，于2014年10月～2015年10月間，將其北洞原位擴(kuò)建成四車道大斷面隧道。在該擴(kuò)建工程正式實(shí)施前，于2012年9月，通過超聲回彈綜合法、鉆孔取芯法、高頻地質(zhì)雷達(dá)法等多種檢測方法，對既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的現(xiàn)場檢測，以期為原位擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)與施工提供詳實(shí)可靠的基礎(chǔ)依據(jù)。本文以既有金雞山隧道北洞為例，對其襯砌混凝土的強(qiáng)度與彈模、襯砌厚度與壁后空洞的調(diào)查結(jié)果，進(jìn)行了詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)與分析。

1　襯砌強(qiáng)度與彈性模量的檢測

1.1檢測方案

根據(jù)金雞山隧道的圍巖級別和襯砌病害特點(diǎn)，采用超聲回彈綜合法和鉆孔取芯法對襯砌混凝土的強(qiáng)度和彈性模量進(jìn)行檢測，并將兩種方法檢測結(jié)果進(jìn)行校核。沿隧道全長1 006m范圍內(nèi)，選取77個代表性的檢測點(diǎn)，其中56個為超聲回彈測點(diǎn)(詳見圖1)，21個為鉆孔取芯測點(diǎn)(詳見圖2)。超聲回彈綜合法參照相關(guān)規(guī)程[3]規(guī)定，測區(qū)尺寸取為200mm*200mm，且避開鋼筋密集區(qū)和預(yù)埋件，采用平面測試法對相應(yīng)各測區(qū)的波速進(jìn)行測試。鉆芯檢測法參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4]進(jìn)行，取芯件為公稱直徑100mm的標(biāo)準(zhǔn)混凝土圓柱體試件，其高徑比為1∶1，且試驗(yàn)前將試樣浸飽24h。

1.2檢測結(jié)果與分析

基于上述方案進(jìn)行相關(guān)檢測，推定襯砌混凝土強(qiáng)度與彈性模量如表1所示。進(jìn)一步將檢測結(jié)果按圍巖級別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表2所示。

表1　襯砌混凝土強(qiáng)度與彈性模量的檢測結(jié)果(選取部分?jǐn)?shù)據(jù))

表2　襯砌混凝土強(qiáng)度與彈性模量的統(tǒng)計(jì)(按圍巖級別)

通過上述檢測與分析認(rèn)為：(1)既有隧道沿線多數(shù)區(qū)段的襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和彈性模量能滿足設(shè)計(jì)要求，但其進(jìn)口端到洞身段部分襯砌混凝土的強(qiáng)度與彈性模量，明顯低于其他區(qū)段；(2)既有隧道沿線部分區(qū)段(尤其是III級圍巖段)，其襯砌混凝土的強(qiáng)度與彈性模量不能滿足設(shè)計(jì)要求，其芯樣最小強(qiáng)度僅有12.5MPa，彈性模量最小僅為14.3GPa。由于既有隧道南洞擴(kuò)建施工時，其北洞仍須保持車輛通行；考慮到既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)局部區(qū)段混凝土材質(zhì)劣化嚴(yán)重，且爆破施工不可避免地對鄰洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動作用，為保證車輛通行安全，應(yīng)在北洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)采用臨時鋼套拱+護(hù)網(wǎng)防護(hù)。

2　襯砌厚度與壁后空洞的檢測

2.1檢測方案

采用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR CUⅡ型地質(zhì)雷達(dá)，對金雞山隧道襯砌厚度及其壁后空洞進(jìn)行檢測。該地質(zhì)雷達(dá)配有里程輪、高速采集盒和800MHz天線；其參數(shù)設(shè)置為點(diǎn)距0.05m，記錄時間35ns，疊加次數(shù)128次。分別在拱頂、左右拱腰、左右邊墻位置，沿隧道縱向布置5條測線，如圖3所示。檢測過程中使用路燈維修車作為工作平臺，操作人員站在維修車升降臺上，使地質(zhì)雷達(dá)天線與襯砌內(nèi)表面貼近；維修車以5km/h的速度緩慢行駛，由地質(zhì)雷達(dá)主機(jī)記錄測試信息存入計(jì)算機(jī)，而后由人工識別其襯砌厚度和壁后空洞[5-7]。現(xiàn)場檢測情況如圖4所示。

2.2檢測結(jié)果及分析

基于上述方案進(jìn)行相關(guān)檢測，推定襯砌厚度及壁后空洞如表3所示。進(jìn)一步地將5條測線檢測結(jié)果按圍巖級別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表3　襯砌厚度及壁后空洞情況(拱頂測線)

表4　隧道襯砌厚度及壁后空洞的統(tǒng)計(jì)(按圍巖級別)

注：角度以左邊墻為0°，拱頂為90°，右邊墻為180°進(jìn)行計(jì)算。

由于金雞山隧道建造年代久遠(yuǎn)，早年施工控制爆破技術(shù)條件有限，造成了襯砌厚度偏薄和局部襯砌背后脫空等隧道病害。通過上述檢測和分析認(rèn)為：(1)隧道沿線拱頂處襯砌的平均厚度均不滿足設(shè)計(jì)要求，且I級圍巖段隧道拱頂襯砌大面積脫空，最大孔洞深度達(dá)1.5m，II級和III級圍巖段也有一定程度的脫空情況存在；(2)隧道沿線拱腰處襯砌的平均厚度基本滿足設(shè)計(jì)要求，但仍普遍存在一定程度的脫空情況；(3)隧道沿線邊墻處襯砌的平均厚度以及圍巖接觸情況均優(yōu)于拱頂和拱腰。既有隧道進(jìn)行原位擴(kuò)挖重建后，上述襯砌厚度偏薄和背后脫空問題將不復(fù)存在；但在拆除既有襯砌過程中為防止局部圍巖掉塊，應(yīng)對既有隧道拱頂脫空面積較大的局部區(qū)域進(jìn)行注漿處理。

3　結(jié)論及建議

以福州市二環(huán)路金雞山隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害檢測為背景，利用超聲回彈綜合法和鉆孔取芯法檢測了襯砌混凝土的強(qiáng)度與彈性模量，利用地質(zhì)雷達(dá)法檢測了襯砌厚度及其壁后空洞分布。同時參照《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定[8]，可將其土建結(jié)構(gòu)(襯砌部分)的健康狀況值標(biāo)定為3。具體評價及原位擴(kuò)建施工建議如下。

(1)隧道沿線多數(shù)區(qū)段的襯砌結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和彈性模量能滿足設(shè)計(jì)要求，但隧道進(jìn)口端到洞身段部分襯砌混凝土的強(qiáng)度與彈性模量，明顯低于其他區(qū)段；部分區(qū)段(尤其是III級圍巖段)襯砌混凝土的強(qiáng)度與彈性模量不能滿足設(shè)計(jì)要求，其芯樣最小強(qiáng)度僅有12.5MPa，彈性模量最小僅為14.3GPa。隧道沿線拱頂處襯砌的平均厚度均不滿足設(shè)計(jì)要求，其中I級圍巖段襯砌平均厚度相對值最小，僅為29.1%?？紤]到既有隧道襯砌結(jié)構(gòu)局部區(qū)段混凝土材質(zhì)劣化嚴(yán)重，且爆破施工不可避免地對鄰洞襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動作用，為保證車輛通行安全，應(yīng)在北洞襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)采用臨時鋼套拱+護(hù)網(wǎng)防護(hù)。

(2)隧道襯砌脫空主要發(fā)生在I級圍巖段，II級和III級圍巖區(qū)段也有一定程度脫空情況存在，IV級圍巖區(qū)段襯砌與圍巖接觸較緊密；邊墻處襯砌與圍巖接觸情況，明顯優(yōu)于拱頂和拱腰部位。既有隧道進(jìn)行原位擴(kuò)挖重建后，上述襯砌厚度偏薄和背后脫空問題將不復(fù)存在；但在拆除既有襯砌過程中為防止局部圍巖掉塊，應(yīng)對既有隧道拱頂脫空面積較大的局部區(qū)域進(jìn)行注漿處理。

[1]魏龍海.山西某既有高速公路隧道病害綜合治理技術(shù)研究[J].公路，2015: 283-286.

[2]徐俊杰,龔倫.運(yùn)營高速公路隧道技術(shù)狀況檢測[J].西部探礦工程，2009(07): 175-177.

[3]中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會.超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國計(jì)劃出版社，2005.

[4]中華人民共和國建設(shè)部.普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

[5]劉新榮,石建勛,劉元鋒，等.隧道空洞災(zāi)害的復(fù)合式檢測方法研究[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2011(04): 633-637.

[6]楊艷青,賀少輝,齊法琳，等.鐵路隧道襯砌地質(zhì)雷達(dá)非接觸檢測模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(09): 1761-1771.

[7]張頂立,張素磊,房倩，等.鐵路運(yùn)營隧道襯砌背后接觸狀態(tài)及其分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013(02):217-224.

[8]中華人民共和國交通運(yùn)輸部.公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2015.

Disease inspection of lining structure for Jinjishan Tunnel

Lv Lixuan

(Fuzhou Planning Design & Research Institute,Fuzhou 350108)

Highway tunnels,as the common form of underground structure,are often attacked by many geological,construction and operating factors.Some diseases often occur in the lining structure during the middle-term or later-term of tunnels’ service life,which takes a serious effect on the operation comfort and safety of highway tunnels.Based on the disease inspection of lining structure for Jinjishan Tunnel in Fuzhou 2nd ring road,the strength and the elastic modulus of lining structure are inspected by ultrasonic-rebound combined method and core drilling method.The thickness of lining structure and the cavity behind lining structure are inspected by ground penetration radar method.These data provide the reliable foundation for the design and construction of in-situ expansion project of Jinjishan Tunnel.Meanwhile,the reasons for the lining deterioration and lining backward cavity are also analyzed,which can provide some reference to the disease treatment for other similar tunnels.

Mountain tunnel; In-situ expansion; Lining structure; Disease inspection

呂荔炫(1981.06-)，男，高級工程師。

E-mail:12847837@qq.com

2016-03-04

U45

A

1004-6135(2016)04-0094-03