高家河隧道結(jié)構(gòu)病害機(jī)理分析

侯豪斌

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

近10年來(lái)，中國(guó)公路隧道每年新增里程1 100 km以上，是目前世界上公路隧道規(guī)模最大、數(shù)量最多、地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式最復(fù)雜、發(fā)展速度最快的國(guó)家[1]。在如此大的體量下，隧道病害在近年也呈現(xiàn)出較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，位于臨汾至吉縣（壺口）高速公路的高家河隧道就產(chǎn)生過(guò)多次病害。臨汾至吉縣（壺口）高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)青島至蘭州公路的重要組成部分，全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車速度80 km/h。高家河隧道位于臨汾至吉縣（壺口）高速公路 K994+187.26—K994+638.74，光華鎮(zhèn)高家河村南側(cè)，隧道左線長(zhǎng)473.75 m，右線長(zhǎng)451.48 m，建筑限界寬度10.25 m，高度5.0 m。

1 隧道工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)屬低中山地貌，地形起伏較大。隧道范圍中線高程1 033.4～1 121.4 m，最大高差約88 m。山體自然坡度5°～40°，植被發(fā)育，進(jìn)、出口均處于陡斜坡地帶。地表覆蓋第四系馬蘭組黃土（Q3m），下伏中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、泥云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀50°～80°∠22°～31°，呈單斜構(gòu)造。

2 隧道病害概況

2.1 病害發(fā)展及處治過(guò)程

臨汾至吉縣（壺口）高速公路于2009年8月開工建設(shè)，2012年8月通車。2013年7月巡查發(fā)現(xiàn)高家河隧道右線K994+411—K994+416路面發(fā)育一條橫向裂縫，最大縫寬達(dá)1.0 cm，隧道二襯發(fā)育斜交于行車道的環(huán)向細(xì)小裂縫。

2014年 7月管養(yǎng)部門組織對(duì) K994+385—K994+430.5段45.5 m范圍采用更換路面結(jié)構(gòu)層方式進(jìn)行處治，即：平均下挖160 cm，施作130 cm厚C20混凝土基層+30 cm厚C35鋼筋混凝土面層。2015年5月，發(fā)現(xiàn)該處治段混凝土路面隆起、開裂嚴(yán)重。2015年7月經(jīng)論證形成增設(shè)平拱方案，即：拱腳采用φ108鋼管進(jìn)行鎖腳處治并注漿；基底采用I20a工字鋼、I28a槽鋼進(jìn)行支撐補(bǔ)強(qiáng)（槽鋼緊貼二襯根部縱向布設(shè)，與φ108鋼管焊接；工字鋼縱橫布設(shè)，縱、橫向間距分別為2 m、2.56 m），工字鋼交叉處布設(shè)6 m長(zhǎng)小導(dǎo)管并注漿；在工字鋼上下兩處及路面頂部以下5 cm處各鋪設(shè)一層φ12的15×15 cm的鋼筋網(wǎng)片；澆筑C35混凝土路面，恢復(fù)電纜槽等設(shè)施。

2016年12月，高家河隧道處治段再次出現(xiàn)路面開裂和隆起現(xiàn)象，左洞ZK994+402—ZK994+462也出現(xiàn)了襯砌開裂、路面隆起現(xiàn)象。

2.2 病害現(xiàn)狀

2016年12月—2017年12月對(duì)高家河隧道進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，結(jié)果顯示隧道右線、左線病害段整體仍在不均勻下沉，最大值達(dá)36.16 mm，右洞左拱腳大于右拱腳約9 mm，6月、7月沉降值明顯大于其他月份。

高家河隧道自2013年發(fā)現(xiàn)路面裂縫至今，已先后處治兩次，目前該隧道仍處于較大變形階段且未明顯收斂。原處治段路面隆起、開裂、路面板裂縫寬30 mm，錯(cuò)臺(tái)達(dá) 25 mm，隧道右線 K994+268—K994+549、左線ZK994+330—ZK994+472段襯砌分布縱向、斜向及環(huán)向裂縫；路面隆起并分布縱向、斜向及橫向裂縫，裂縫呈張開狀；隧道電纜槽因?yàn)楣澳_下沉被擠出，蓋板反翹且部分長(zhǎng)度已不足，表明電纜槽變形嚴(yán)重。

圖1 電纜槽破壞

圖2 路面板錯(cuò)臺(tái)

3 病害專項(xiàng)地質(zhì)勘察

3.1 地層結(jié)構(gòu)

綜合隧址區(qū)地表6處及洞內(nèi)8處鉆探成果，上部坡積物覆蓋于強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r斜坡體上，整體呈北西向并與路線沿吉縣方向呈20°角相交，坡積物厚度0-15.4 m，其下為強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r破碎體，隧道路面高程附近為強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化巖體，路面結(jié)構(gòu)以下巖體較破碎，鉆進(jìn)過(guò)程中均有漏水現(xiàn)象。隧道圍巖為O2m強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、泥云巖，巖層產(chǎn)狀50°∠30°，呈單斜構(gòu)造。鉆進(jìn)過(guò)程中局部見完整巖芯，一般呈碎塊狀，取芯長(zhǎng)度小于10 cm；隧址區(qū)巖體產(chǎn)狀變化較大、山體較陡，受吉縣方向2.18 km處F1-1區(qū)域斷層的響巖體較為破碎。隧址區(qū)未見常年地表水體及成層地下水，詳見圖3。

圖3 病害處地質(zhì)剖面圖

隧道洞內(nèi)鉆探揭露：路面下0～0.9 m為水泥混凝土，0.8～1.6 m存在回填的混凝土、較破碎，路面下0.8～3.3 m為強(qiáng)風(fēng)化、較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的白云質(zhì)石灰?guī)r，再以下為中風(fēng)化白云質(zhì)石灰?guī)r。

3.2 地質(zhì)條件下的病害機(jī)理

a）隧道位于上部黃土覆蓋的強(qiáng)風(fēng)化破碎白云質(zhì)灰?guī)r、泥云巖構(gòu)成的斜坡體上，斜坡體斜向路面，土石分界面及風(fēng)化層分界面整體傾向西北、總體與右線方向呈20°角的斜坡體，巖層產(chǎn)狀為50°∠30°，巖層傾角大，在巖層結(jié)構(gòu)遭到破壞、出現(xiàn)臨空面時(shí)，局部易產(chǎn)生滑動(dòng)力。

b）分析路面、襯砌、墻體張拉裂縫發(fā)育情況，張拉方向近北西向，與巖層傾向基本接近，洞體開挖后，因巖層傾角大、圍巖較破碎，圍巖體對(duì)兩側(cè)洞壁產(chǎn)生不均勻壓力，隧道結(jié)構(gòu)存在圍巖壓力大和偏壓狀態(tài)。

c）匯聚入病害段上方?jīng)_溝的雨水補(bǔ)給會(huì)加劇圍巖侵蝕、降低圍巖強(qiáng)度致使圍巖松動(dòng)隧道穩(wěn)定性降低，隧道變形檢測(cè)發(fā)現(xiàn)6月、7月份變形加大也印證了這一點(diǎn)。

d）受F1-1斷裂構(gòu)造影響，隧址區(qū)巖石總體較破碎。鉆探揭露山體巖石總體為強(qiáng)風(fēng)化狀，層狀、條帶結(jié)構(gòu)發(fā)育，路面結(jié)構(gòu)以下巖石亦以強(qiáng)風(fēng)化狀破碎灰?guī)r為主，在隧道無(wú)仰拱的情況下，拱腳處易產(chǎn)生較大沉降。

4 病害專項(xiàng)檢查

4.1 襯砌裂縫調(diào)查

高家河隧道右線共發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫125條，主要分布于K994+300—K994+480段；左線共發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫110條，主要分布于ZK994+380—ZK994+530、ZK994+580—ZK994+680段，詳見表1。

表1 隧道裂縫統(tǒng)計(jì)表

4.2 隧道襯砌檢測(cè)

4.2.1 襯砌內(nèi)部缺陷及背后空洞

高家河隧道在本次檢測(cè)范圍內(nèi)局部初支與二襯之間存在脫空及不密實(shí)現(xiàn)象，缺陷段長(zhǎng)度占本次檢測(cè)段總長(zhǎng)的2.1%。

4.2.2 二次襯砌厚度

本次高家河隧道檢測(cè)段內(nèi)共設(shè)2 157個(gè)二次襯砌厚度抽樣點(diǎn)，合格的抽樣點(diǎn)數(shù)為2 023個(gè)，合格率為93.8%，抽樣點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)襯砌實(shí)測(cè)厚度小于1/2設(shè)計(jì)厚度。

4.2.3 二次襯砌鋼筋分布情況

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，高家河隧道右線K994+367—K994+410、左線 ZK994+398—ZK994+468段襯砌連續(xù)無(wú)配筋，在部分施工縫處也存在小范圍缺失鋼筋的情況。

4.2.4 襯砌混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

高家河隧道抽檢部位襯砌混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3 隧道仰拱及基底情況檢測(cè)

4.3.1 仰拱內(nèi)部及基底異常

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，高家河隧道在本次檢測(cè)范圍內(nèi)基底結(jié)構(gòu)層內(nèi)部及基底圍巖局部存在脫空、不密實(shí)等異?，F(xiàn)象，主要集中在K944+420—K994+467和 ZK994+413—ZK994+453。

4.3.2 隧道基底結(jié)構(gòu)層厚度

根據(jù)地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，高家河隧道在本次檢測(cè)范圍內(nèi)除原設(shè)計(jì)無(wú)仰拱段外，基底結(jié)構(gòu)層實(shí)測(cè)厚度均小于設(shè)計(jì)厚度，高家河隧道右線基底結(jié)構(gòu)層厚度在73～129 cm之間，左線基底結(jié)構(gòu)層厚度在75～121 cm之間，與原設(shè)計(jì)存在70～100 cm的差距。

4.4 隧道凈空檢測(cè)

高家河隧道右線K994+372—K994+412段實(shí)測(cè)斷面與設(shè)計(jì)斷面比較，隧道內(nèi)輪廓左側(cè)45°拱肩至拱部120°范圍呈較大內(nèi)傾趨勢(shì)，斷面最大內(nèi)侵值右線為131～209 mm，左線為64～94 mm，詳見圖4。

圖4 隧道凈空檢測(cè)（單位：m）

4.5 隧道高程檢查

通過(guò)對(duì)高家河隧道拱頂?shù)臏y(cè)量，計(jì)算隧道結(jié)構(gòu)的絕對(duì)下沉值。右線最大沉降位于K994+452.4—K994+473.1段，左線最大沉降位于ZK994+490—ZK994+507.6段。

表2 隧道右線拱頂沉降表

4.6 襯砌（路面）變形監(jiān)測(cè)

本監(jiān)測(cè)周期（2019年11月8日—2020年1月10日）內(nèi)，高家河隧道各路面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)均存在一定程度隆起，高家河隧道右線最大位移值2.01 mm，位于K994+460斷面；高家河隧道左線最大位移值2.16 mm，位于ZK994+420斷面。

4.7 主要病害統(tǒng)計(jì)圖

將隧道病害專項(xiàng)檢查主要數(shù)據(jù)繪制成圖發(fā)現(xiàn)，高家河隧道發(fā)生結(jié)構(gòu)內(nèi)侵、拱腳外張，電纜槽與二襯剝離、槽體斷裂、檢修道扭曲，路面開裂、隆起、錯(cuò)臺(tái)，路面下存在空腔、二襯裂縫密集、路面下結(jié)構(gòu)厚度不足等主要病害的段落集中在右線K994+308—K994+467，左線 ZK994+408—ZK994+454，詳見圖 5、圖 6。

圖5 隧道裂縫分布圖

圖6 結(jié)構(gòu)缺陷分布圖(單位：m)

5 隧道病害機(jī)理分析

5.1 圍巖巖層層間力

隧道在不同產(chǎn)狀的巖層中開挖，其穩(wěn)定性取決于隧道的截面尺寸和巖層產(chǎn)狀兩方面的因素[2]。本隧道區(qū)巖層產(chǎn)狀為50°∠31°，隧道走向與巖層走向基本一致，從橫斷面來(lái)看，圍巖巖層與隧道呈50°的較大夾角。根據(jù)地勘資料揭示隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化石灰?guī)r，并存在破碎夾層，隧道山體右側(cè)低且陡，同時(shí)隧道病害嚴(yán)重段右側(cè)山體存在較大山溝，山體圍巖有向右側(cè)滑動(dòng)的可能。隧道施工開挖導(dǎo)致山體內(nèi)部平衡破壞，圍巖在自重作用下順層向右下方變形，同時(shí)右側(cè)存在山溝薄弱點(diǎn)，故推斷隧道圍巖存在較大的層間力。

5.2 破碎巖層滑動(dòng)力

隧道位于上部黃土覆蓋的強(qiáng)風(fēng)化破碎白云質(zhì)灰?guī)r、泥云巖構(gòu)成的斜坡體上，巖層產(chǎn)狀為50°∠30°，巖層傾角大、圍巖較破碎，在隧道開挖后巖層結(jié)構(gòu)遭到破壞，出現(xiàn)臨空面時(shí)，局部易產(chǎn)生滑動(dòng)?；瑒?dòng)力作用在隧道結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞。

5.3 隧道結(jié)構(gòu)受力狀況

根據(jù)隧道內(nèi)輪廓變形測(cè)量并與設(shè)計(jì)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隧道二襯結(jié)構(gòu)左側(cè)45°拱肩至拱部120°范圍呈較大內(nèi)傾趨勢(shì)，最大值達(dá)209 mm，隧道拱腳呈向兩側(cè)外張的趨勢(shì)，最大值達(dá)109 mm，綜合拱腳圍巖破碎、電纜槽與二襯之間脫節(jié)錯(cuò)落、隧道拱部下沉、路面隆起等現(xiàn)象，表明隧洞開挖造成左側(cè)層狀圍巖臨空，隧道結(jié)構(gòu)靠山側(cè)洞璧壓力過(guò)高，發(fā)生偏壓現(xiàn)象，產(chǎn)生自山體側(cè)向溝谷側(cè)的剪切變形，剪切變形、破碎巖體荷載及隧道底板破碎巖體承載力不足導(dǎo)致洞體山體側(cè)隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)侵、拱腳下沉外張、路基受擠壓隆起產(chǎn)生張拉裂縫、結(jié)構(gòu)破壞等病害。隧道結(jié)構(gòu)左上方承受較大斜向下壓力的表現(xiàn)與巖層產(chǎn)狀相適配。

5.4 隧道結(jié)構(gòu)缺陷

原隧道竣工圖在病害段K994+275—K994+370，ZK994+340—ZK994+400段設(shè)有仰拱，經(jīng)鉆孔揭露，混凝土巖芯長(zhǎng)度為80～160 cm，上部0～90 cm為灰白色水泥混凝土，下層為雜色回填混凝土，巖芯較破碎，同時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示路面以下結(jié)構(gòu)厚度與設(shè)計(jì)值存在70～100 cm的差距。由此可見，病害段隧道仰拱存在混凝土強(qiáng)度不足、半徑過(guò)大、拱腳應(yīng)力集中明顯、襯砌結(jié)構(gòu)未成環(huán)等結(jié)構(gòu)性缺陷，在較大圍巖壓力的作用下，仰拱部位不能將隧道上部的地層壓力有效地傳遞到地下，導(dǎo)致承受過(guò)大應(yīng)力的拱腳在較為破碎的巖層中過(guò)大下沉，同時(shí)導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)、路面、電纜槽等部位的破壞。

5.5 原病害處治深度不足

高家河隧道自2014年7月經(jīng)過(guò)了兩次較大規(guī)模的處治，但處治后一年左右就再次發(fā)生較大變形、處治結(jié)構(gòu)段破壞；專項(xiàng)檢查顯示隧道變形仍未收斂，尤其是右線K994+371.3—K994+413.3及其對(duì)應(yīng)的左線ZK994+403.2—ZK994+458.2段，兩段均按Ⅳ級(jí)深埋硬巖進(jìn)行設(shè)計(jì)，無(wú)仰拱，二襯為素混凝土。該段出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)內(nèi)侵嚴(yán)重、拱腳外張、路面隆起開裂、電纜槽側(cè)墻斷裂、路面下回填混凝土較破碎、仰拱下巖芯較破碎等表明：隧道仰拱結(jié)構(gòu)缺失、二襯為素混凝土、拱腳圍巖破碎為隧道結(jié)構(gòu)主要薄弱點(diǎn)。因處治深度不足、隧道結(jié)構(gòu)仍未能有效成環(huán)，當(dāng)較大應(yīng)力由隧道拱部結(jié)構(gòu)傳遞下來(lái)后，拱腳產(chǎn)生沉降，隧道路面隨之產(chǎn)生隆起、開裂、錯(cuò)臺(tái)病害，電纜槽產(chǎn)生大變形錯(cuò)位和斷裂。

6 病害處治建議

高家河隧道病害的產(chǎn)生是因?yàn)樗淼绹鷰r存在較大的水平應(yīng)力，隧道結(jié)構(gòu)無(wú)仰拱或仰拱結(jié)構(gòu)薄弱、應(yīng)對(duì)較大圍巖應(yīng)力的能力弱，經(jīng)過(guò)近8年的變形、圍巖壓力雖得到了一定的釋放，但仍未收斂。在制定處治方案的過(guò)程中，既要對(duì)現(xiàn)有病害情況進(jìn)行修復(fù)，又要對(duì)出現(xiàn)此類病害的根源進(jìn)行根除，真正做到標(biāo)本兼治[3]。高家河隧道病害處治須從加固圍巖破碎層和加強(qiáng)自身結(jié)構(gòu)著手。因此，對(duì)于高家河隧道病害較嚴(yán)重段落的處治，應(yīng)先打設(shè)注漿管對(duì)拱腳和仰拱下部進(jìn)行注漿加固，再開挖仰拱重筑隧道仰拱的初支和二襯，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后，將原素混凝土二襯段落拆除施做鋼筋混凝土二襯。施工時(shí)須控制好仰拱與邊墻之間的初支、二襯的銜接、施工進(jìn)尺和拱腳的落空處理，防止對(duì)拱墻結(jié)構(gòu)造成較大的干擾并使之成為整體抵抗圍巖壓力。施工期和運(yùn)營(yíng)期還應(yīng)做好隧道變形的監(jiān)控量測(cè)，為施工安全和運(yùn)營(yíng)評(píng)價(jià)提供有效數(shù)據(jù)。

7 結(jié)語(yǔ)

隧道病害是在山體地形、圍巖結(jié)構(gòu)、地層巖性、地下水、空洞、斷層、軟弱夾層、隧道結(jié)構(gòu)等不利條件綜合作用下產(chǎn)生的，隨著隧道病害的發(fā)展，圍巖可能存在過(guò)大的松動(dòng)圈，病害處治甚至涉及深層圍巖加固。因此，病害分析是一個(gè)系統(tǒng)的工程，技術(shù)人員須結(jié)合工程實(shí)際，在進(jìn)行必要的勘察、檢測(cè)的基礎(chǔ)上，全面地分析隧道病害產(chǎn)生的原因，采取針對(duì)性的、有效的處治措施是治理隧道病害的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)和施工中還須嚴(yán)格保護(hù)隧道原結(jié)構(gòu)、減少對(duì)結(jié)構(gòu)和圍巖的擾動(dòng)、保護(hù)防排水體系，建立長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)體系，并對(duì)處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)、總結(jié)。