寒區(qū)隧道病害成因分析與處治措施研究

路 平

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國寒區(qū)面積占國土面積的43.5%[1]，隨著交通事業(yè)的不斷發(fā)展，寒區(qū)隧道修建規(guī)模越來越大。在寒熱交替和地下水的作用下寒區(qū)隧道極易產(chǎn)生不同程度的病害，主要表現(xiàn)為襯砌裂縫及滲漏水。

襯砌裂縫及其引起的滲漏水造成多方面的危害：

a）襯砌裂縫影響隧道結(jié)構(gòu)安全性和耐久性，易使駕駛員產(chǎn)生不適感，影響安全駕駛。

b）襯砌裂縫為滲漏水提供通道，使巖層中氯鹽、硫酸鹽進入襯砌裂縫，造成局部襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕破壞。

c）滲漏水會降低隧道內(nèi)機電、通風(fēng)、照明等設(shè)備的安全性及使用性能。

d）滲漏水會使路面積水甚至結(jié)冰，降低了輪胎與路面的摩擦力，惡化行車環(huán)境，威脅行車安全[2]。

e）拱墻上懸掛冰柱、冰溜，侵入隧道凈空，威脅行車安全。

鑒于此本文針對寒區(qū)隧道病害成因與處治措施開展深入研究，旨在保證行車安全和延長道路使用壽命。

1 工程概況

山西省某隧道建成于1997 年，為分離式隧道的上行線，全長1 850 m，最大埋深203 m，穿越Ⅲ、Ⅳ、V 級圍巖，單向兩車道隧道，設(shè)計速度60 km/h。

隧址處為溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季鮮明。年平均氣溫6.4℃，1 月平均氣溫-8.7℃，歷史最低氣溫-27.3℃。年降水量410 mm，無霜期130 d。最大凍深1.1 m。

隧道通過地層主要為奧陶系中統(tǒng)馬溝組，以石灰?guī)r為主的碳酸鹽系，中厚地層；其次為白云質(zhì)頁巖，中薄層。巖層平緩局部水平，節(jié)理的主導(dǎo)方向為南北向，間距為0.2～1.5 m。隧道傍山跨溝，山上有潛水層，地下水較發(fā)育。受圍巖裂隙影響，地下水易聚集于隧道周邊。

2 隧道病害情況

經(jīng)專項檢查發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫138 條，其中環(huán)向88條，占裂縫總數(shù)63.8%；水平向30 條，占裂縫總數(shù)21.7%；傾斜17 條，占裂縫總數(shù)12.4%；網(wǎng)狀有3 處，占裂縫總數(shù)2.1%。裂縫寬度介于0.15～2 mm 間，部分裂縫已經(jīng)貫通。典型裂縫部位、方向、長度、寬度及深度參數(shù)見表1，K10+410 處襯砌網(wǎng)狀裂縫見圖1。

表1 典型裂縫的部位、方向、長度、寬度及深度

襯砌表面有11 處施工縫滲水，2 處面狀滲水，4 處點狀滲水。滲水量隨雨季到來而增加，冬天滲水處產(chǎn)生結(jié)冰，可能在地面形成冰柱、冰溜。典型滲漏水的部位、種類及狀態(tài)見表2，K9+970 處施工縫滲水見圖2。

表2 典型滲漏水的部位、種類及狀態(tài)描述

圖2 K9+970處施工縫滲水

3 病害原因分析

3.1 襯砌裂縫

隧道襯砌裂縫的主要原因有：

a）反復(fù)的凍融循環(huán)，地下水貯存于襯砌內(nèi)部時凍脹力使襯砌混凝土承受拉力而開裂；地下水貯存于襯砌和圍巖之間時凍脹力使襯砌承受彎矩而開裂。

b）隧道防排水設(shè)施不完善，導(dǎo)致襯砌背后積水，使襯砌承受較大水壓；同時積水軟化圍巖使襯砌結(jié)構(gòu)承受較大圍巖壓力。

c）局部段落存在脫空、不密實等缺陷，導(dǎo)致圍巖松動區(qū)變大，使圍巖壓力變大；同時脫空、不密實易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

d）鎖腳錨桿施工不規(guī)范導(dǎo)致拱腳穩(wěn)定性差，隧底施工不規(guī)范或沒施作仰拱，使襯砌承受較大彎矩產(chǎn)生縱向、斜向裂縫。

e）伸縮縫、變形縫的施工質(zhì)量差，是多數(shù)環(huán)向裂縫產(chǎn)生的主要原因[3]。

3.2 襯砌滲漏水

襯砌滲漏水的主要原因有：

a）隧道開挖后，地層的原始地應(yīng)力重分部，隧道周圍一定范圍形成了圍巖松動區(qū)，圍巖變形裂隙增大，地下水沿裂隙流到隧道周邊。

b）隧道防排水系統(tǒng)施作存在缺陷，襯砌背后存在不密實區(qū)及空洞，使地下水匯集難以排出。

c）隧道伸縮縫、變形縫施工不規(guī)范，隧道因各種原因產(chǎn)生裂縫，為滲漏水提供通道。

4 病害處置方案

4.1 裂縫補強設(shè)計

對于寬度小于等于0.2 mm 的裂縫，裂縫表面涂抹裂縫封閉膠進行封閉。首先沿裂縫剔除疏松混凝土，擦凈表面浮塵并保持干燥，再用膩子刮刀等工具將封閉膠均勻涂刮于裂縫處，封閉膠須無氣泡且表面平整。涂抹寬度大于等于5 cm，厚度大于等于3 mm，中心部位厚兩邊漸薄。裂縫封閉膠性能指標(biāo)應(yīng)符合《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5440—2018）的要求。

對于寬度大于0.2 mm 的裂縫，進行裂縫鑿槽注漿補強。在裂縫表面騎縫鉆15 cm 深、8 mm 直徑的孔，間距30～40 cm，縫寬可疏縫窄宜密。裂縫最上方孔作排氣孔，其他孔為注漿孔。沿裂縫鑿出寬15 mm深15 mm 的V 形槽。粘貼注漿底座并用改性環(huán)氧砂漿封閉V 形槽。注入環(huán)氧樹脂類裂縫修補膠進行裂縫補強，注漿順序由下向上。排氣孔在排出裂縫內(nèi)的氣體后噴出的漿液與注入的漿液濃度相同時，可停止注漿，在保持壓力下封堵灌漿嘴。裂縫鑿槽注漿補強示意圖如圖3。

圖3 裂縫鑿槽注漿補強示意圖

襯砌開裂嚴重或存在嚴重缺陷時，襯砌承載力不能滿足要求，須對襯砌進行加固。采用全斷面粘貼幅寬 250 mm、厚 5 mm、高 25.5 mm 的 W 鋼帶進行加固。W 鋼帶各項指標(biāo)須滿足MT/T861—2000《礦用W 型鋼帶》的要求。W 鋼帶截面示意圖如圖4。兩環(huán)鋼帶縱向中心間距100 cm。在襯砌及鋼板表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼板黏結(jié)為一體，再采用間距40 cm 錨栓固定鋼板。錨栓采用M16 化學(xué)錨固螺栓，植入深度不小于16 cm。

圖4 W鋼帶截面示意圖（單位：mm）

4.2 滲水處治設(shè)計

襯砌滲漏水處治按“宜疏不宜堵”原則進行，通過治理達到“不滲不漏”的效果[4]。

在襯砌上沿滲漏水位置鑿12 cm×12 cm 的矩形槽，鑿槽埋管長度向未漏水裂縫延伸長度不小于10 cm。槽內(nèi)從外到內(nèi)依次設(shè)置Φ100Yas 排水半管、遇水膨脹嵌縫膠、巖棉保溫板和鐵皮。Yas 排水半管向下延伸至排水邊溝。為了對圍巖深處的地下水進行引流，在槽中間施作Φ40 引水孔，深入圍巖50 cm，向上傾角不小于10°。U 形導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)圖和裂縫滲漏水處治圖如圖5、圖6。

圖5 U形導(dǎo)流槽結(jié)構(gòu)圖

圖6 裂縫滲漏水處治圖

Yas 排水半管可任意彎曲，能適應(yīng)各種形狀裂縫的需要。遇水膨脹嵌縫膠在現(xiàn)場施工，且遇水膨脹，能阻斷滲水路徑保證防水效果。采用巖棉保溫板作為填充材料，具有防火與保溫效果，避免冬季水體凍脹和發(fā)生火災(zāi)對處治結(jié)構(gòu)的破壞。

對于施工縫、變形縫處的環(huán)向滲漏水，沿施工縫、變形縫設(shè)置環(huán)向U 形導(dǎo)流槽；對集中的點狀、面狀滲漏水和斜向裂縫滲漏水，可沿滲漏水主要位置設(shè)置U 形導(dǎo)流槽并接入附近環(huán)向U 形導(dǎo)流槽，亦可直接將滲漏水引到拱腳處的排水邊溝，U 形導(dǎo)流槽布置示意圖如圖7 所示。當(dāng)滲漏水面積較大時，可間距5 m 設(shè)置多道U 形導(dǎo)流槽。

圖7 U形導(dǎo)流槽布置示意圖

滲漏水襯砌表面涂刷2 mm 厚高效防水材料，涂刷范圍應(yīng)向滲水邊緣線外延伸10 cm。

5 結(jié)語

本文依托山西省某寒區(qū)隧道的病害情況，針對寒區(qū)隧道病害成因和處治措施進行了研究：

a）明確了寒區(qū)隧道襯砌裂縫和滲漏水的主要原因。

b）提出了裂縫鑿槽注漿補強、W 鋼帶加固和U形槽導(dǎo)流等處治措施。實踐表明該工法能很好地解決寒區(qū)隧道裂縫和滲漏水問題。該工法具有施工方便、占地小、工期短、成本低、凈空損失小等優(yōu)點。在寒區(qū)隧道病害處治中具有很好的應(yīng)用前景，經(jīng)濟效益顯著。