南陽山隧道路面底鼓病害原因及整治措施

馮 勇，朱小明，蒲建軍

(1.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030；2.甘肅暢隴公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引 言

截至2017年底，甘肅省公路隧道共計(jì)435座(單洞)，運(yùn)營里程總計(jì)566 790 m。受地質(zhì)條件、建設(shè)質(zhì)量、運(yùn)營管養(yǎng)等因素的影響，部分隧道在投入運(yùn)營后都存在不同程度的病害[1]。路面底鼓為最常見的隧底結(jié)構(gòu)病害，對(duì)行車安全、舒適度造成嚴(yán)重影響。如何對(duì)隧道既有病害進(jìn)行分析、預(yù)測(cè)，并提出可靠有效的整治措施，是隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)發(fā)展的重要方向[2]。

針對(duì)路面底鼓病害，國內(nèi)多采用注漿(鎖腳)鋼管樁[3]、樹根樁進(jìn)行局部控制[4]，抑制病害的進(jìn)一步發(fā)展；或采用仰拱拆換方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)重建[5]，但是對(duì)既有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)較大[6]。本文針對(duì)南陽山隧道既有路面底鼓病害，通過檢測(cè)、監(jiān)測(cè)分析，查明病害主因，為最大限度降低交通影響，提出了微型鋼管樁與型鋼混凝土底板的仰拱加固整治措施，可靠、有效地解決隧道病害。

1 工程概況

南陽山隧道位于G1816烏瑪高速甘肅省和政縣境內(nèi)，隧道按照山嶺區(qū)高速公路分離式斷面設(shè)計(jì)，雙向四車道，設(shè)計(jì)行車速度為80 km·h-1，建筑限界凈寬10.25 m，凈高5 m。隧道上行線全長3 290 m，下行線全長3 328 m，于2010年建成通車。

南陽山隧道海拔約2 150～2 438 m，為侵蝕構(gòu)造中低山地貌。地層巖性主要為出露第四系全新統(tǒng)和更新統(tǒng)地層，下伏上第三系棕紅色泥巖，近水平沉積，泥巖縱波速度為1 800～2 400 m·s-1，單軸飽和抗壓強(qiáng)度為2.18～4.81 MPa，軟化系數(shù)0.37～0.48，屬極軟巖，地質(zhì)條件較差，除進(jìn)出口為Ⅵ級(jí)圍巖外，其余段落均為V級(jí)圍巖。地下水主要為第四系松散巖類孔隙潛水及第三系碎屑巖類層間水，呈弱堿性，對(duì)鋼筋混凝土無腐蝕性。

隧道Ⅴ、Ⅵ級(jí)圍巖采用礦山法原理設(shè)計(jì)，一次拱圈襯砌、仰拱采用45～50 cm厚模筑C25型鋼混凝土，二次拱圈襯砌、仰拱采用35 cm厚模筑C25素混凝土或鋼筋混凝土，共同組成永久性承載結(jié)構(gòu)，見圖1。兩次襯砌之間設(shè)復(fù)合式防水板、環(huán)向透水軟管，二次模筑外拱腳設(shè)縱向排水盲溝，通過橫向排水盲溝將水經(jīng)中心水溝排出隧道。

圖1 隧道V級(jí)圍巖段襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 路面底鼓病害狀況

經(jīng)過數(shù)年運(yùn)營，南陽山隧道上、下行線部分段落路面出現(xiàn)底鼓、開裂，檢修道錯(cuò)臺(tái)，結(jié)構(gòu)存在隱患，影響行車安全。根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12—2015)，南陽山隧道上、下行線土建技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為4類，需要對(duì)交通進(jìn)行管制，盡快維修整治。

2.1 外觀病害

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)詳查，隧道上、下行線共6處(560 m)路面出現(xiàn)底鼓(其中4處嚴(yán)重，2處中等)，主要表現(xiàn)為：路面多條縱向裂縫，中線隆起拉裂，最大隆起高度達(dá)32 cm，電纜槽傾斜變形，見圖2、3。

圖2 隧道路面底鼓典型現(xiàn)場(chǎng)照1

圖3 隧道路面底鼓典型現(xiàn)場(chǎng)照2

2.2 專項(xiàng)檢測(cè)

(1)地質(zhì)雷達(dá)隧底檢測(cè)。采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)全線隧底進(jìn)行了掃描，沿行車道、超車道各布設(shè)一條測(cè)線，檢測(cè)結(jié)果表明，南陽山隧道仰拱埋置深度普遍偏淺，平均比設(shè)計(jì)埋深淺23.5 cm。

(2)隧底取芯。本次南陽山隧道取芯共計(jì)14處，取芯位置均在路面病害處。芯樣觀測(cè)表明：病害區(qū)個(gè)別芯樣總厚度滿足設(shè)計(jì)要求，但是大部分芯樣未見仰拱結(jié)構(gòu)層或仰拱結(jié)構(gòu)層厚度不足，部分有仰拱芯樣埋置深度偏淺，與地質(zhì)雷達(dá)揭示深度基本一致；大部分芯樣多呈短柱狀，破碎較嚴(yán)重，混凝土膠結(jié)質(zhì)量較差，不密實(shí)，底部多為大塊石，普遍含有虛渣；隧底均為第三系泥巖，潮濕狀。

(3)凈空斷面。采用激光斷面儀對(duì)隧道病害段23個(gè)斷面進(jìn)行了檢測(cè)，結(jié)果表明，部分?jǐn)嗝嬉亚秩胨淼纼?nèi)輪廓，未侵入建筑限界，結(jié)構(gòu)存在變形，但是滿足使用要求，應(yīng)按照規(guī)范加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

2.3 變形監(jiān)測(cè)

在隧道6處路面底鼓位置各布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為方便對(duì)比分析，在檢測(cè)結(jié)果揭示有隧底缺陷無病害段(參照點(diǎn)1)、無隧底缺陷無病害段(參照點(diǎn)2)也各布設(shè)1個(gè)相同的參照點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)布設(shè)在行車道中線路面以下1.5 m處，測(cè)試傳感器采用光纖光柵單點(diǎn)式位移計(jì)(自帶溫補(bǔ))，最大量程300 mm，精度小于0.3%FS，見圖4。

圖4 隧底單點(diǎn)式位移計(jì)安裝

通過3個(gè)月(2018年3月～6月)的數(shù)據(jù)采集和分析，得到以下結(jié)論：底鼓嚴(yán)重段SK50+500、SK51+360兩個(gè)斷面的病害繼續(xù)發(fā)展，累計(jì)變形量分別為20.5、14.9 mm；底鼓嚴(yán)重段XK50+145、XK50+050斷面的病害發(fā)展緩慢，累計(jì)變形量分別為6.3、5.6 mm；底鼓中等段SK49+655、SK50+540病害發(fā)展迅速，累計(jì)變形量達(dá)27.6、30.8 mm；參照點(diǎn)1處斷面病害發(fā)展緩慢，累計(jì)變形量僅4.6 mm；參照點(diǎn)2處斷面變形量存在波動(dòng)，累計(jì)變形量為-1.19 mm；推測(cè)隧底變形呈階梯增長。

底鼓嚴(yán)重段由于前期(傳感器布設(shè)前)變形量大，已經(jīng)釋放了該段時(shí)間內(nèi)的大部分聚集應(yīng)力，目前(傳感器布設(shè)期間)處于放緩變形階段；而底鼓中等段由于既有結(jié)構(gòu)缺陷，隧底大部分的聚集應(yīng)力正在釋放，路面變形量相對(duì)較大，推測(cè)累積一定變形量以后又會(huì)進(jìn)入相對(duì)放緩的階段；部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)、異?？赡芘c過往重車擾動(dòng)有關(guān)，需要進(jìn)一步監(jiān)測(cè)分析。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)折線分析見圖5。

圖5 變形監(jiān)測(cè)折線分析

3 主要病因分析及預(yù)測(cè)

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、專項(xiàng)檢測(cè)、變形監(jiān)測(cè)，分析南陽山隧道路面底鼓病害的主因?yàn)榛讎鷰r遇水劣化、隧底結(jié)構(gòu)缺陷2個(gè)因素共同作用、影響。

南陽山隧道洞身段主要為第三系泥巖，局部段穿越砂巖、礫巖層。該段地表水容易下滲，若隧底排水不暢存在滯水，則基底泥巖遇水容易軟化、膨脹，成為路面底鼓的外力條件。

地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)、取芯揭示隧道既有仰拱存在埋置偏淺、厚度不足、無明顯結(jié)構(gòu)層等缺陷，既有仰拱結(jié)構(gòu)與拱圈襯砌成環(huán)受力較差，局部位置容易應(yīng)力集中，在上述膨脹外力的作用下，隧底結(jié)構(gòu)最終拉裂、錯(cuò)臺(tái)，表現(xiàn)為路面底鼓、開裂。

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：既有隧底結(jié)構(gòu)存在缺陷的段落，路面底鼓病害隨著時(shí)間的推移將會(huì)逐漸顯現(xiàn)為表觀病害；已經(jīng)凸顯的表觀病害，將會(huì)呈階梯形階段發(fā)展的趨勢(shì)，收斂的可能性極小，故需要采取措施進(jìn)行整治，確保隧道運(yùn)營安全。

4 整治措施

根據(jù)路面底鼓病害主因分析及預(yù)測(cè)，本著“對(duì)癥下藥、徹底根治”的原則，采用微型鋼管樁與型鋼混凝土底板加固隧底圍巖、既有仰拱的方案進(jìn)行整治，見圖6。

圖6 微型鋼管樁與型鋼混凝土底板整治設(shè)計(jì)

4.1 整治方案

(1)先拆除兩側(cè)電纜槽蓋板及電纜槽，采用臨時(shí)托架將電纜槽內(nèi)通信、電纜線等掛于兩側(cè)邊墻，拆除該段消防管道。

(2)在兩側(cè)墻腳打設(shè)Φ108中空注漿鎖腳鋼管，鋼管長6 m，縱向間距75～100 cm，每側(cè)1根，角度以30°～45°為宜；注漿孔徑20 mm，漿液采用水泥砂漿，注漿壓力建議值為0.5～1.0 MPa，鋼管端頭設(shè)150 mm×150 mm×10 mm Q235錨墊板。

(3)分段跳槽破除路面板及部分填充層，根據(jù)實(shí)際開挖基底虛渣情況，下挖至中心水溝底標(biāo)高，開挖成弧形，要求全面清除隧底虛渣，新建型鋼混凝土底板以下采用C20混凝土換填澆筑并找平。

(4)拱腳打設(shè)Φ108鎖腳鋼管，長6 m，每側(cè)1根；隧底打設(shè)Φ108×6注漿鋼管豎樁，縱橫向間距100、120 cm，注漿參數(shù)同兩側(cè)墻角，鋼管端口開口焊接縱向鋼帶，隧道中線不布設(shè)，防止注漿堵塞原排水系統(tǒng)。

(5)架設(shè)[32槽鋼縱梁與I22b型鋼橫向支撐，槽鋼與型鋼采用鋼板與高強(qiáng)螺栓連接，形成整體受力的鋼結(jié)構(gòu)框架；拱腳鎖腳鋼管端頭采用鋼墊板鉆孔與槽鋼焊接牢靠；要求槽鋼密貼開挖斷面，提前鉆孔，縱梁在原隧道施工縫處斷開，確保隧道協(xié)調(diào)變形。

(6)布設(shè)橫撐縱向連接筋，環(huán)向間距50 cm，上敷設(shè)單層抗裂鋼筋網(wǎng)片，兩側(cè)通過植筋與既有襯砌可靠連接。

(7)現(xiàn)澆C30混凝土底板，頂部確保橫坡，恢復(fù)混凝土路面、電纜槽及排水邊溝等其他附屬設(shè)施。

(8)疏通全隧縱向排水，確保排水通暢；對(duì)于無法疏通的段落，應(yīng)進(jìn)行排水恢復(fù)。

(9)在砂、礫巖地質(zhì)段上設(shè)防滲引排措施，防止地表水下滲；并對(duì)隧址區(qū)地表排水設(shè)施進(jìn)行完善恢復(fù)。

4.2 施工注意事項(xiàng)

(1)為保證施工安全及質(zhì)量，維修隧道必須封閉施工。

(2)隧底加固前應(yīng)該輔以必要的臨時(shí)支撐，確保隧道施工安全。臨時(shí)支撐可采用型鋼與鎖腳錨桿組合體系，型鋼采用I20b，縱向間距1 m，榀間設(shè)Φ22縱向連接筋，環(huán)向間距1 m，型鋼拱腳采用鋼墊板、螺栓坐落在可靠的基礎(chǔ)上；鎖腳錨桿采用Φ22螺紋鋼，長3 m，豎直角度30°～45°，每榀臨時(shí)支撐拱架左右拱腳各設(shè)2根，共4根。臨時(shí)支撐型鋼拱架可根據(jù)施工需要拆除安裝，重復(fù)使用。

(3)鎖腳錨管施工前先標(biāo)識(shí)出鉆孔的位置，以孔角30°/45°進(jìn)行鉆孔，鉆孔深度大于錨管錨固長度的95%，但超長值不大于10 cm。

(4)必須清理干凈現(xiàn)場(chǎng)鉆孔排渣與注漿的散流漿液，不得遺留在型鋼混凝土支撐板的下方及板體范圍，以免破壞混凝土的完整性，并影響基底受力傳遞。

(5)跳槽開挖每次不得大于1板(5 m左右)，并根據(jù)二襯施工縫進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；底板施工縫與二襯施工縫一致。施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控、量測(cè)、觀察，確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及施工安全。

5 結(jié) 語

G1816烏瑪高速南陽山隧道是一個(gè)由圍巖劣化、結(jié)構(gòu)缺陷引起路面底鼓病害的典型案例。本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、專項(xiàng)檢測(cè)、變形監(jiān)測(cè)等方法，對(duì)病害原因進(jìn)行了分析，對(duì)病害發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了判斷，最后提出了針對(duì)性的整治方案，為同類病害隧道維修整治提供了重要的參考。