基于既有隧道健康檢測的小凈距立體交叉新建隧道安全性分析

孟慶一

摘要：新建隧道施工前對既有隧道做病害檢測既能評估既有隧道的使用性能，還可對新隧道施工的合理性和安全性提出建設(shè)性的建議。因此應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)、微觀觀測、混凝土回彈、激光檢測等技術(shù)，結(jié)合鉆芯法及室內(nèi)抗壓強度試驗，對既有隧道病害產(chǎn)生原因進(jìn)行全面檢測旨在為下穿隧道開挖提供理論指導(dǎo)，既有隧道檢測結(jié)果表明：①隧道發(fā)育有縱向裂縫、豎向裂縫及環(huán)向裂縫，其中縱向裂縫占比達(dá)到50%以上，最大寬度達(dá)0.35mm，最大深度達(dá)到98.82mm，對隧道結(jié)構(gòu)的危害也最嚴(yán)重;②實測隧道內(nèi)輪廓線形與設(shè)計內(nèi)輪廓線形基本符合，拱頂和拱腰位置多表現(xiàn)為侵入設(shè)計斷面的偏差，偏差最大的部位可達(dá)39mm，拱腳附近多表現(xiàn)為遠(yuǎn)離設(shè)計斷面的偏差，偏差最大部位可達(dá)46mm，說明拱頂和拱腳是破壞最嚴(yán)重的區(qū)域，應(yīng)作為修復(fù)的重點;③二襯均存在空洞、不密實、或脫空現(xiàn)象，二襯厚度82%的測點位置能達(dá)到設(shè)計要求，局部存在欠厚，最大欠厚值為19.7cm，應(yīng)對二襯欠厚嚴(yán)重的地區(qū)進(jìn)行整治。

Abstract： The disease detection of the existing tunnel before the construction of the new tunnel can not only evaluate the service performance of the existing tunnel， but also put forward constructive suggestions for the rationality and safety of the new tunnel construction. Therefore， by using geological radar， micro observation， concrete rebound， laser detection and other technologies， combined with the core drilling method and indoor compressive strength test， the comprehensive detection of the causes of the existing tunnel diseases aims to provide theoretical guidance for the excavation of the underpass tunnel. The detection results of the existing tunnel show that： ①there are longitudinal cracks， vertical cracks and circumferential cracks in the tunnel， among which the longitudinal cracks account for The ratio is more than 50%， the maximum width is 0.35mm， and the maximum depth is 98.82mm， which is also the most serious damage to the tunnel structure; ②the measured inner contour of the tunnel is basically consistent with the design inner contour. The position of the arch crown and the arch waist mostly shows the deviation of the invasion into the design section， the position with the largest deviation can reach 39mm， and the deviation near the arch foot is mostly the deviation away from the design section， and the largest deviation can reach 46mm， which indicates that the vault and arch foot are the areas with the most serious damage， which should be taken as the key point of repair; ③there are cavities， uncompacted or hollowed phenomena in the secondary lining. The measuring points with 82% of the thickness of the secondary lining can meet the design requirements， and there is partial under thickness， with the maximum under thickness of 19.7cm. The areas with serious under thickness of the secondary lining should be treated.

關(guān)鍵詞：立體交叉;地質(zhì)雷達(dá);微觀檢測;小凈距;加固;仰拱注漿;下穿技術(shù)

Key words： grade separation;geological radar;micro detection;small clear distance;reinforcement;invert grouting;underpass technology

中圖分類號：U45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）19-0165-07

0 ?引言

目前，我國的高速鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，新建鐵路四通八達(dá)、縱橫交錯。各種隧道工程的間距也因特殊地質(zhì)條件或是諸多其他因素而變得越來越接近[1-2]。新建隧道的施工必定會對既有隧道造成一應(yīng)的影響，因此為使新建隧道正常施工，對既有隧道做一個全方位的病害檢測即可評估老隧道的使用性能，還可對新隧道施工的合理性和安全性提出建設(shè)性的建議[3-5]。

鐵路隧道下穿既有公路隧道必定會產(chǎn)生擾動，而擾動變形主要包括公路隧道路面的沉降與隆起、差異沉降等，因此在草莓溝2#隧道下穿盤道嶺公路隧道開挖施工時，應(yīng)時刻掌握立體交叉隧道中新建隧道的圍巖應(yīng)力分布、隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)力和圍巖穩(wěn)定性等的規(guī)律[6-8]。對既有盤道嶺公路隧道病害產(chǎn)生原因綜合分析來評價下部草莓溝2#隧道施工開挖對既有隧道的擾動情況。對立體交叉隧道的凈距、結(jié)構(gòu)設(shè)計等提供參考依據(jù)，對交叉近接隧道的施工也具有指導(dǎo)意義[8]。

隧道的病害大致有襯砌開裂、錯臺、掉塊等[9-11]。Inokuma A[12]等通過研究詳細(xì)解釋了隧道病害的原因為隧道漏水凍害、擠壓、路面變形等因素;鄒育麟[13]等搜集統(tǒng)計重慶地區(qū)現(xiàn)役187座高速公路營運隧道，觀測并測量隧道裂縫的發(fā)育規(guī)律和閉合度，滲漏水形式和滲漏部位，并就地下水、襯砌裂縫以及滲漏水之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行了探討，為公路隧道滲漏水病害的防治與營運期間的維護(hù)提供參考;何川[14]等采用室內(nèi)模型試驗，研究隧道收到同種病害條件下，采用不同的內(nèi)表面補強材料剛度并考慮補強范圍對結(jié)構(gòu)最終承載力的影響，為隧道的維護(hù)管理提供寶貴的意見;李又云[15]等在探地雷達(dá)檢測隧道整體道床質(zhì)量的基礎(chǔ)上，運用數(shù)學(xué)模擬，對地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道整體道床厚度及密實度的可靠性進(jìn)行了理論的分析與總結(jié);劉會迎[16]以宏、微觀相結(jié)合的方法分析了滲漏水、凍害、襯砌裂損及襯砌腐蝕4種常見隧道病害的表現(xiàn)形式，并對隧道病害產(chǎn)生原因進(jìn)行全面檢測進(jìn)行檢測。

鑒于此，本文應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)法、微裂縫監(jiān)測技術(shù)、回彈法、鉆芯法、斷面檢測等方法詳細(xì)檢測并分析公路隧道的分析其產(chǎn)生機理和發(fā)展趨勢，考慮公路隧道本身的質(zhì)量問題更增加了下穿施工難度，根據(jù)檢測結(jié)果提出支護(hù)方案。在下穿技術(shù)上，下穿隧道應(yīng)采用先開挖上部及中部兩側(cè)形成環(huán)形受力承載拱，其次開挖核心土及仰拱部分，同時輔以圍巖注漿加強、弱爆破、超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測等技術(shù)手段，從而保證了近接交叉區(qū)段的安全跨越。

1 ?工程概況

草莓溝2#隧道與既有盤道嶺公路隧道于JDLDK158+181～JDLDK158+161里程交叉。交叉影響段為Ⅳ和Ⅴ級圍巖，巖石主要為混合花崗巖，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育或不發(fā)育，存在基巖裂隙水，極易掉塊塌方，未發(fā)現(xiàn)大型不良地質(zhì)構(gòu)造。施工中防止由于掌子面前方圍巖存在斷裂帶、破碎帶造成的巖爆、突泥、涌水等地質(zhì)災(zāi)害[17-18]。

本次檢測時以里程樁號從小到大的方向為前進(jìn)正方向，并以此為基礎(chǔ)確定左、右方向。

下穿鐵路隧道情況簡介：

盤道嶺鐵路隧道位于丹東市振興區(qū)，進(jìn)口位于錦江山東側(cè)，出口位于山城一組南側(cè)，總體呈SE 向展布[18]。隧道進(jìn)口里程JDLDK0+355，出口里程JDLDK5+225，全長4870m，隧道為單線隧道[17]。

盤道嶺鐵路隧道于JDLDK4+015.5 里程處下穿既有丹湯公路盤道嶺右線隧道，交叉里程處隧道軌面高程為21.21m，軌面至隧道結(jié)構(gòu)頂高度為7.13m[17]。

草莓溝2號鐵路隧道位于丹東市草莓溝村，進(jìn)口位于草莓溝村東，出口位于山城1隊，總體呈SN 向展布[17]。隧道進(jìn)口里程TJLDK154+965，出口里程TJLDK159+227，全長4262m[17]。

本次監(jiān)測的重點內(nèi)容是對既有盤道嶺公路隧道的斷面尺寸，結(jié)構(gòu)全面檢測，通過對既有盤道嶺公路隧道檢測來指導(dǎo)下部草莓溝2#隧道施工開挖及支護(hù)方案。

2 ?既有隧道內(nèi)輪廓檢測

2.1 結(jié)構(gòu)外觀檢查

對襯砌混凝土外觀質(zhì)量、滲漏水情況進(jìn)行檢測，并對其分布情況進(jìn)行記錄和統(tǒng)計。對于表層裂縫，可通過裂縫比對卡片觀測或裂縫觀測儀檢查裂縫寬度，深度可用裂縫深度檢測儀檢測。

檢測選取右幅K5+148～K5+268及K5+475～K5+567范圍內(nèi)6處裂縫進(jìn)行了寬度和深度的檢測，其中拱頂選取4處，邊墻選取2處，裂縫深度為61.74～98.82mm。

襯砌共檢測到裂縫 7 條，其中拱頂縱向裂縫3 條，最大縫寬為0.35mm，拱頂環(huán)向裂縫1 條，最大縫寬0.2mm，邊墻豎向裂縫2 條，最大縫寬為0.15mm，邊墻斜向裂縫1 條，最大縫寬為0.2mm;共有8 處襯砌滲水，其中拱頂3 處，拱腰5 處。

從表1統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看縱向裂縫占比達(dá)到50%以上，最大寬度達(dá)0.35mm，最大深度達(dá)到98.82mm，寬度和深度均超過環(huán)向和豎向的裂縫?？v向裂縫與隧道走向一致，隧道施工完成后，受圍巖變形的影響，應(yīng)力重分布，襯砌不密實且有脫空的區(qū)域最易形成縱向裂縫，與其他幾種裂縫相比，縱向裂縫較長，深度較深，出現(xiàn)次數(shù)最多，對隧道結(jié)構(gòu)的危害也最嚴(yán)重。

豎向裂縫占比大約40%，最大寬度為0.228mm，最大深度為68.64mm，相比于縱向裂縫橫向裂縫的危害要小很多，即使隧道出現(xiàn)開裂橫向開裂區(qū)域依然有很強的支護(hù)能力，而縱向裂縫區(qū)域隨著裂縫大量發(fā)育位移過大侵入凈空，造成拱部脫空，更容易形成坍塌區(qū)?？v向裂縫如果出現(xiàn)多條相連接的情況也易形成坍塌區(qū)，因此兩種裂縫對隧道的受力都會有嚴(yán)重影響，需謹(jǐn)慎處理并修補。

環(huán)向裂縫占比最少，其走向與隧道軸線基本保持垂直，大部分環(huán)向裂縫是由于不均勻受力產(chǎn)生的。襯砌混凝土的厚度不一，導(dǎo)致隧道受力不均，尤其是應(yīng)力重分布以后，在橫向荷載作用下，在混凝土厚度差異嚴(yán)重的區(qū)域更易形成環(huán)形裂縫，相較于縱向裂縫和橫向裂縫，環(huán)向裂縫的危害最小。

2.2 斷面尺寸測量

測量儀器采用激光隧道斷面檢測儀。隧道襯砌內(nèi)輪廓測量采用激光斷面儀，每10m測量一斷面，將測量數(shù)據(jù)與設(shè)計斷面對比，以確定其偏差。（圖5～圖8）

現(xiàn)場對隧道斷面控制尺寸進(jìn)行了測量，依據(jù)設(shè)計圖紙構(gòu)建了斷面的理論輪廓，輸入到激光斷面儀進(jìn)行測試。測量數(shù)據(jù)如圖5顯示，隧道的每個位置都出現(xiàn)了微小的偏差，偏差在10～46mm，實測隧道內(nèi)輪廓線形與設(shè)計內(nèi)輪廓線形基本符合。

拱頂和拱腰位置多表現(xiàn)為侵入設(shè)計斷面的偏差，偏差最大的部位可達(dá)39mm。由多個檢測斷面來看拱頂部位侵入值較小約1～5mm左右，侵入值最大的為拱腰位置。隧道開挖后應(yīng)力重分布，拱腰受圍巖擠壓作用，應(yīng)力集中，拱頂除了受到圍巖擠壓還有來自上方巖土體重力作用。當(dāng)隧道的賦存環(huán)境發(fā)生變化的時候（如水壓力增加等），拱頂襯砌壓應(yīng)力將進(jìn)一步增大，而拱腰內(nèi)壁受拉應(yīng)力會增加，這種變化的結(jié)果導(dǎo)致拱頂襯砌混凝土受壓，彎矩增大，變形相對于其他斷面更嚴(yán)重。

拱腳附近多表現(xiàn)為遠(yuǎn)離設(shè)計斷面的偏差，偏差最大部位可達(dá)46mm。

2.3 整治措施

分析每個位置裂縫成因及發(fā)育規(guī)律。砼裂縫成因是多面復(fù)雜的，根據(jù)裂縫成因選擇最合理的材料以及最優(yōu)的加固方式。裂縫的修補方法有充填法和注入法。充填法采用固體材料，注入法采用液體材料。

對于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件由于其不承受主荷載（如水溝電纜槽） ，所以即使有裂縫也無需加強，應(yīng)以防水性、安全性和美觀性為主來判斷是否需要修補。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件除要考慮以上幾點外，主要考慮的是它的受力性能。對于結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的死縫可以同非結(jié)構(gòu)構(gòu)件同樣對待。但對結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的活縫就要慎重對待，應(yīng)根據(jù)具體情況采用相應(yīng)的加固或其它措施。

3 ?既有隧道結(jié)構(gòu)安全性分析

3.1 二襯結(jié)構(gòu)分析

使用地質(zhì)雷達(dá)法檢測襯砌變化情況，通過對雷達(dá)數(shù)據(jù)分析可以分辨出襯砌缺陷及襯砌厚度。

3.1.1 襯砌缺陷檢測

襯砌缺陷主要包括了襯砌空洞、襯砌不密實及襯砌間脫空等。

從盤道嶺隧道（右幅）檢測結(jié)果來看，隧道邊墻、拱腰和拱頂處的二襯均存在空洞、不密實、或脫空現(xiàn)象。右幅隧道出現(xiàn)13出脫空區(qū)以及4出不密實的區(qū)域，無空洞地區(qū)。如圖9，圖10所示，K5+163～K5+166出現(xiàn)了近3m*1m的大面積脫空區(qū)，K5+171～K5+173出現(xiàn)了近2m*1.1m的脫空區(qū)。

隧道交付使用后，在交通荷載和地質(zhì)因素的作用下，會逐漸在襯砌和基巖之間出現(xiàn)空隙產(chǎn)生局部脫空。隧道內(nèi)部的局部脫空現(xiàn)象較為常見且范圍較廣。脫空對隧道的受力極為不利，它改變了隧道的受力模式，使隧道內(nèi)壁均勻支撐的受力形式不復(fù)存在，取而代之是一種簡支梁受力模式，因此對二襯脫空區(qū)的整治迫在眉睫。

3.1.2 厚度檢測

襯砌厚度主要包括一襯厚度及二襯厚度，因一襯厚度較小且受干擾較大，所以準(zhǔn)確度較差，以下僅列出了二襯的厚度。（圖11～圖13）

盤道嶺隧道二襯厚度檢測共布置5條測線，路面厚度檢測共布置3條測線。檢測結(jié)果如下：拱頂二襯厚度78%的測點位置能達(dá)到設(shè)計要求，局部存在欠厚，最大欠厚值為9.2cm。K+157～K5+267設(shè)計厚度為400mm，90%以上二襯厚度達(dá)到設(shè)計要求。K+267～K5+580段設(shè)計厚度為800mm，本段滿足設(shè)計厚度僅為51%。造成拱頂厚度不均的因素有很多，包括施工因素、地質(zhì)因素等，設(shè)計厚度大的地方越不容易施工掌控。也有可能是當(dāng)拱頂脫空后，隧道的整體性發(fā)生改變，嚴(yán)重的地方應(yīng)力集中，造成隧道開裂，滲水使得隧道極易坍塌。

左腰線二襯厚度78%的測點位置能達(dá)到設(shè)計要求，局部存在欠厚，最大欠厚值為13.0cm。右腰線二襯厚度75%的測點位置能達(dá)到設(shè)計要求，局部存在欠厚，最大欠厚值為19.7cm。

左邊線二襯厚度86%的測點位置能達(dá)到設(shè)計要求，局部存在欠厚，最大欠厚值為13.0cm。右邊線二襯厚度94%的測點位置能達(dá)到設(shè)計要求，局部存在欠厚，最大欠厚值為10.6cm。

3.2 二襯混凝土強度分析

3.2.1 回彈法檢測混凝土強度

利用回彈法對K5+148～K5+268、K5+475～K5+567 范圍隧道襯砌混凝土強度進(jìn)行檢測，檢測區(qū)域內(nèi)每間隔40m 設(shè)置5 個測區(qū)。（圖14）

本次檢測共布置6個測區(qū)，測區(qū)強度推定值范圍在40.3～58.0MPa 之間，平均值為50.9MPa。從檢測結(jié)果看，混凝土強度符合設(shè)計要求，但混凝土的強度不均勻，差異起伏較大。

3.2.2 鉆芯法檢測混凝土強度

對K5+208、K5+505、K5+535 處襯砌混凝土鉆取芯樣，進(jìn)行抗壓強度檢測。（表2）

本次檢測取芯，測得混凝土強度范圍在25.7～68.0MPa 之間，平均值為38.2MPa。從檢測結(jié)果看，混凝土強度基本符合設(shè)計要求。

3.4 路面混凝土厚度分析

本次檢測應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)技術(shù)，具有無損、高分辨率、快速等特點，對路面厚度的檢測誤差可以控制在3mm以內(nèi)，高精度的檢測結(jié)果使路面厚度不達(dá)標(biāo)時可以及時發(fā)現(xiàn)并處理[19～20]。（圖15～圖18）

③該隧道路面總計僅有68%的路面厚度尺寸達(dá)到使用的要求，最小厚度僅有113mm，路面裂縫的發(fā)育與混凝土厚度起伏變化有很大關(guān)系。

④下穿隧道施工前對既有盤道嶺公路隧道拱肩位置采用仰拱注漿的方式根據(jù)襯砌實際厚度以及脫空大小和位置，確定鉆孔數(shù)量，注漿孔的布置形式進(jìn)行加固回填壓漿。

⑤開挖交叉段時制定合理的開挖方案，選用合理的支護(hù)方案，對兩隧道之間巖層進(jìn)行壓漿改良，從而保證了近接交叉區(qū)段的安全跨越。

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