某在役公路隧道病害檢測(cè)及原因分析

王立志

（山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

我國(guó)公路數(shù)量和里程在進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)得到跨越式的發(fā)展。根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2017年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》，2017年末我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)里程達(dá)到467.46 萬(wàn)km，占公路總里程的97.9%，全國(guó)公路隧道16 229 處、1 528.51 萬(wàn)m，目前大部分公路隧道進(jìn)入運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)階段。然而由于勘察結(jié)果不準(zhǔn)確、施工質(zhì)量不合格、監(jiān)管養(yǎng)護(hù)不到位等原因，大量運(yùn)營(yíng)公路隧道出現(xiàn)不同程度的病害問(wèn)題[1-2]，輕則襯砌出現(xiàn)微裂縫、側(cè)壁浸水，重則襯砌開裂掉塊、大面積滲漏水，影響隧道正常使用，給行車帶來(lái)安全隱患，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)不良影響。

目前在公路隧道病害原因分析方面，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行相關(guān)研究和探索。Akira 等[3]通過(guò)對(duì)大量日本公路隧道的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致襯砌病害主要是圍巖壓力變異、材料劣化、凍害等因素引起的。蘇生[4]對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌裂縫的成因進(jìn)行廣泛的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)對(duì)于新建隧道，襯砌裂縫主要分布在拱頂位置，寬度基本在0.1～0.25 mm 之間。宋瑞剛等[5]通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫主要為沿隧道走向的縱向裂縫，其主要分布在拱腰位置，并提出評(píng)估襯砌安全狀態(tài)的方法。王欣[6]以南呂梁山隧道為依托工程，分析隧道襯砌病害的產(chǎn)生機(jī)理，并對(duì)處治后的隧道進(jìn)行安全評(píng)估。張旭等[7]通過(guò)模型試驗(yàn)分析襯砌背后空洞對(duì)隧道結(jié)構(gòu)受力變形的影響及襯砌裂損演化機(jī)理。

在隧道病害檢測(cè)方面，李明[8]研究彈性波技術(shù)在隧道病害檢測(cè)中的應(yīng)用。牛超[9]將樁基工程常用的錘擊法應(yīng)用于隧道襯砌背后空洞檢測(cè)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)空洞的定性和定量分析。海洋[10]提出提高地質(zhì)雷達(dá)在隧道襯砌質(zhì)量檢測(cè)效果的幾點(diǎn)措施。康富中等[11]采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)昆侖山隧道病害進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果認(rèn)為高寒隧道容易在凍脹條件下發(fā)生病害。

本文依托某雙向四車道一級(jí)公路隧道，利用多種現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與室內(nèi)測(cè)試手段，對(duì)該隧道圍巖識(shí)別、襯砌質(zhì)量、結(jié)構(gòu)變形等進(jìn)行全面檢測(cè)，旨在揭示其病害形成原因，為類似工程提供參考意義。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)勘察資料及區(qū)域地質(zhì)資料，隧址區(qū)為構(gòu)造剝蝕堆積、構(gòu)造溶蝕地貌類型，隧道橫切山丘，進(jìn)口處坡度較陡，約70°，出口處坡度較平緩，約20°，其中隧道進(jìn)口如圖1所示。隧址區(qū)地層簡(jiǎn)單，無(wú)明顯的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)痕跡，地層上部為第四紀(jì)風(fēng)積層、沖洪積層覆蓋，下伏基巖為奧陶系灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖。隧址區(qū)水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，無(wú)大氣降雨時(shí)，山坡表面無(wú)地表水流，降雨后有短暫的地表徑流。地下水主要為巖基裂隙潛水，含水量較小，巖體較為干燥。

圖1 隧道進(jìn)口

1.2 設(shè)計(jì)概況

該隧道所處公路等級(jí)為國(guó)家一級(jí)公路，采用分離式小凈距雙洞隧道，左洞全長(zhǎng)1 355 m（ZK14+795—ZK16+150）， 右 洞 全 長(zhǎng) 1 395 m（K14+791—K16+186）。隧道內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)速為60 km/h，隧道采用雙向四車道，雙洞單向行車，隧道襯砌內(nèi)輪廓采用半徑為 5.3 m 的單心圓。病害區(qū)（ZK15+23—ZK15+69）隧道埋深約200 m。原勘察資料表明病害區(qū)圍巖主要為中風(fēng)化灰?guī)r，圍巖完整性較好，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)。該區(qū)段隧道支護(hù)設(shè)計(jì)為復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，采用錨噴掛網(wǎng)并施作素混凝土作為二次襯砌，具體襯砌支護(hù)參數(shù)列于表1。

表1 病害段襯砌支護(hù)參數(shù)

1.3 病害情況

隧道于2015年7月正式通車，2017年初隧道左線ZK15+23—ZK15+69 洞身段出現(xiàn)明顯的邊墻襯砌開裂、邊墻腳內(nèi)侵、電纜溝傾斜變形、瀝青路面開裂等病害，現(xiàn)場(chǎng)具體情況如圖2所示。

圖2 隧道病害

2 隧道病害檢測(cè)

2.1 圍巖級(jí)別

采用美國(guó)勞雷工業(yè)有限公司的SIR-30E 型地質(zhì)雷達(dá)對(duì)隧道背后的圍巖狀況進(jìn)行掃描，探明圍巖中是否存在空洞、溶洞、斷層或裂隙破碎帶等不良地質(zhì)。本次檢測(cè)采用100 M地質(zhì)雷達(dá)，分別對(duì)拱頂、拱腰、邊墻以及路面進(jìn)行掃描，其中邊墻處接收到的雷達(dá)波形圖如圖3所示。通過(guò)對(duì)雷達(dá)圖像的判讀和解釋，可看出圍巖基本呈層狀分布，同向軸不連續(xù)說(shuō)明圍巖破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，未見明顯空洞或斷層分布帶。

圖3 雷達(dá)波形圖

為確定圍巖級(jí)別，采用中巖科技的RSM-RCT(B)型聲波測(cè)井儀，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體的縱波波速進(jìn)行測(cè)試，如圖4所示。結(jié)果顯示同一斷面不同部位巖體波速波動(dòng)較大，說(shuō)明隧道不同部位巖體質(zhì)量差別明顯，呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象，其中邊墻下部波速較小，約為1.4 km/s，推斷為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r；拱腰處波速較大，約為3.3 km/s，推斷為中風(fēng)化灰?guī)r層。隧道襯砌破壞最嚴(yán)重位置邊墻處的聲波反射信號(hào)十分微弱且不穩(wěn)定，說(shuō)明此處圍巖質(zhì)量很差，推斷為泥巖夾層。結(jié)合室內(nèi)巖塊縱波波速測(cè)試以及單軸飽和抗壓強(qiáng)度，綜合評(píng)定現(xiàn)場(chǎng)圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，說(shuō)明原勘察結(jié)果與工程實(shí)際情況存在一定偏差。

圖4 圍巖波速測(cè)定

圖5為后續(xù)處治過(guò)程中破除揭露出來(lái)的圍巖，從圖中可看出不同部位處圍巖差別較大，與波速測(cè)試得到的結(jié)果相同。拱頂處圍巖呈層狀或塊狀分布，較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，結(jié)構(gòu)面平直，為黃色泥質(zhì)膠結(jié)，結(jié)合較差。邊墻部位分布有兩層夾泥層，其中上部為厚度較薄的黃色夾泥層，下部為巨厚的褐色泥巖層，沿隧道縱向分布長(zhǎng)度在5 m 左右，中間厚兩側(cè)薄，為透鏡體夾層；最下層為粉狀的褐黃色強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r層，強(qiáng)度較低。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)圍巖分布情況

2.2 襯砌質(zhì)量

2.2.1 襯砌厚度

采用鉆芯取樣對(duì)現(xiàn)場(chǎng)襯砌厚度進(jìn)行檢測(cè)，如圖6所示，現(xiàn)場(chǎng)共進(jìn)行15 處取樣，經(jīng)統(tǒng)計(jì)其中有13 處襯砌厚度不滿足設(shè)計(jì)要求，部分區(qū)段襯砌厚度嚴(yán)重不足，最薄處二襯厚度僅為10 cm。通過(guò)襯砌外觀檢查，發(fā)現(xiàn)部分區(qū)段防水板將二襯切割成兩段，嚴(yán)重破壞襯砌的完整性，同時(shí)切割部位襯砌背后存在脫空和不密實(shí)。其主要原因在于混凝土施工過(guò)程中質(zhì)量控制不嚴(yán)格，防水板接縫鋪設(shè)質(zhì)量差或防水板出現(xiàn)破損，導(dǎo)致在模筑二襯時(shí)，混凝土由裂縫或破損部位進(jìn)入防水板背后，二襯被切割成兩段。

圖6 鉆芯取樣

2.2.2 襯砌強(qiáng)度

采用現(xiàn)場(chǎng)回彈儀法以及鉆芯法對(duì)襯砌混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)。其中現(xiàn)場(chǎng)回彈時(shí)，沿隧道縱向每隔2 m布設(shè)一個(gè)測(cè)區(qū)，每個(gè)測(cè)區(qū)讀取16 個(gè)回彈值，根據(jù)回彈法測(cè)試結(jié)果48 個(gè)測(cè)區(qū)中有5 個(gè)測(cè)區(qū)的混凝土強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求，部分測(cè)區(qū)混凝土強(qiáng)度低至17.5 MPa。通過(guò)對(duì)18 個(gè)芯樣進(jìn)行室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得混凝土強(qiáng)度最小值為18.2 MPa，不滿足《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2017）[12]中對(duì)混凝土襯砌施工質(zhì)量的要求，因此現(xiàn)場(chǎng)襯砌混凝土強(qiáng)度不滿足要求。

圖7 室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3 結(jié)論

本文通過(guò)采用地質(zhì)雷達(dá)、聲波探測(cè)、混凝土回彈等無(wú)/微損檢測(cè)技術(shù)，結(jié)合鉆芯法及室內(nèi)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)隧道病害產(chǎn)生原因進(jìn)行全面檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明：

a）病害段圍巖中存在巨厚的軟弱泥巖夾層以及強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r層，實(shí)測(cè)圍巖級(jí)別為Ⅳ級(jí)，原勘察存在一定偏差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)的安全系數(shù)偏低。

b）襯砌厚度及強(qiáng)度均不滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求，大部分區(qū)段襯砌厚度遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求，最薄處二襯厚度僅為10 cm。

c）防水板施作質(zhì)量差，且未按設(shè)計(jì)要求打設(shè)系統(tǒng)錨桿，綜上可看出施工質(zhì)量不合格是導(dǎo)致本次病害發(fā)生的主要原因。