貴州某高速運營隧道病害原因分析與處治措施

潘雪峰 陳俊宇 嚴江勇

（貴州宏信創(chuàng)達工程檢測咨詢有限公司，貴州 貴陽550000）

1 概述

近年來，貴州省高速公路建設(shè)得到了迅猛發(fā)展，截至2019年底，貴州省高速公路總里程突破7000 公里，其中隧道總計1600 余座。數(shù)量眾多隧道的建成也意味著營運隧道的安全也成為了未來高速公路養(yǎng)護工程的重中之重，由于隧道的種類、長度和運營條件的不同，特別貴州地區(qū)巖溶地貌發(fā)育非常典型，分布廣泛，地域分異明顯，導致隧道會在營運期出現(xiàn)了不同種類的病害，主要包括隧道襯砌病害、路面病害、洞門病害、隧底病害等。對于不同隧道病害的處治研究也逐漸深入完善。劉浩[1]針對京港澳高速公路粵境某隧道襯砌開裂和厚度不足的病害，提出病害處治的優(yōu)選方法。曾憲偉[2]根據(jù)實際工程案例對西南高速公路巖溶地貌隧道滲水進行了分析，總結(jié)出了隧道滲水的原因及處理方法。胡勝強[3]針對某高速公路隧道仰拱底鼓破壞等病害，從地質(zhì)及設(shè)計等因素綜合分析病害的產(chǎn)生的原因，提出了有效的解決方法，并通過有限元軟件對處治方案加以驗證。綜上所述，由于營運隧道的健康運行影響著行車安全及正常的交通流量，所以在不影響隧道正常運行的前提下，如何快速高效的處治隧道病害成為隧道處治的重點[4]。

本文結(jié)合具有工程實例，針對隧道出現(xiàn)的不同病害，通過專門的檢測手段，分析研究其病害形成機理，提出有效的治理方案。為以后類似高速營運隧道病害治理提供了一定的參考。

2 工程概況

2.1 地形地貌

該隧道地貌屬于構(gòu)造剝蝕作用形成的中一低山地貌，為山嶺重丘地形。隧道段內(nèi)地形起伏大，山高坡陡，沖溝發(fā)育，沖溝走向呈南北向，沖溝及溝谷斷面呈“V”字型。隧道軸線通過路段地面標高956.00～1210. 00m，相對高差約254.00m，隧道頂板上覆巖體最大厚度約230. 00m 植被發(fā)育，表層多被薄層粉質(zhì)黏土覆蓋，基巖零星出露。兩端洞口段地處沖溝山坡，地形坡度約40°。隧道進、出口端洞軸線均與地形等高線近似正交。隧道洞身段中部埋深45～230m 左右。巖性以微風化頁巖為主，洞身段圍巖級別為Ⅳ～Ⅴ級。

2.2 地層巖性

隧道區(qū)地層分布簡單，上部有第四系覆蓋層分布，下伏基巖為寒武系下清虛洞組（ε1q）及寒武系下統(tǒng)杷榔組（ε1p）地層。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

隧道區(qū)位于北北東走向的洞口斷層西北、東西走向的甕哨樞紐u 斷層南部及東西走向的鎮(zhèn)遠樞紐斷層北側(cè)。構(gòu)造形跡主要為燕山期北北東向及東西向構(gòu)造。

F1 斷層與隧道軸線大角度從隧道區(qū)中部穿過，為正斷層，產(chǎn)狀350°∠70°，破碎帶寬約50～55m，主要由構(gòu)造角礫巖組成。

F2 斷層近于垂直隧道軸線從隧道區(qū)出口端山坡穿過，為逆斷層，產(chǎn)狀320°∠60°，破碎帶寬約40～45m，主要由壓碎巖、碎裂巖等組成。

2.4 水文地質(zhì)條件

隧道區(qū)地下水類型主要為裂隙水，賦存于下伏頁巖、白云質(zhì)灰?guī)r的風化裂隙、構(gòu)造裂隙及斷層構(gòu)造帶裂隙中，其分布及水量大小受巖層節(jié)理裂隙發(fā)育情況、賦水條件及填充物的影響較大。巖石中裂隙較為發(fā)育，多呈張開狀，連通性較好，但賦水條件差，裂隙水貧乏。大氣降水為主要補給源。F1、F2 斷層帶，該斷層帶中充填的構(gòu)造角礫巖由于母巖成分泥質(zhì)含量較高，因其透水性較差，屬弱透水層。

3 隧道病害概況

2019 年11 月下旬隧道出現(xiàn)較多明顯病害，根據(jù)初步的踏勘發(fā)現(xiàn)，該隧道主要存在路面隆起，路面開裂，襯砌環(huán)向裂縫等病害現(xiàn)象。為了詳細了解路面病害區(qū)域的仰拱、基巖及隧道襯砌情況，對隧道病害段進行了地質(zhì)勘探和雷達物探。隧道檢測結(jié)果及隧道最終病害主要如下:

3.1 隧道隧底病害

該隧道路面出現(xiàn)長約18m 的縱向裂縫，并有擴展的現(xiàn)象；在路中心線路面開裂，輕微錯臺；在行車道中心線附近出現(xiàn)路面隆起現(xiàn)象，行車該路段會出現(xiàn)跳車現(xiàn)象。

圖1 隧道開裂隆起

通過對隧道基底的鉆孔驗芯可知，隧道底板以下，巖性均為武系下統(tǒng)杷榔組（ε1p）灰黑色碳質(zhì)頁巖。鉆孔位置處路面以下60～75cm 為混凝土，其下為破碎狀及塊狀的碳質(zhì)頁巖。隧底未設(shè)置仰拱，地下水位在1m 以下。

圖2 隧道部分鉆芯芯樣

3.2 隧道襯砌病害

通過對隧道的外觀檢測及實體檢測，發(fā)現(xiàn)該隧道襯砌病害主要存在有：襯砌裂縫、襯砌欠厚、襯砌空洞。3.2.1 襯砌裂縫:通過對隧道的外觀檢測，在測區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)有多條環(huán)向襯砌裂縫及縱向襯砌裂縫，其中隧道右洞有2 條環(huán)線裂縫，1 條縱縫，2 條斜縫；隧道左洞有13 條環(huán)線裂縫，5 條縱縫，2 條斜縫。3.2.2 襯砌欠厚：通過地質(zhì)雷達對隧道左右洞檢測發(fā)現(xiàn)，在測區(qū)內(nèi)部分襯砌厚度小于設(shè)計值；在隧道右洞測線范圍內(nèi)共計508 個測點，其中453 個測點滿足要求，襯砌厚度合格率89.2%；在隧道左洞測線范圍內(nèi)共計568 個測點，其中384 個測點滿足要求，襯砌厚度合格率67.6%，最小襯砌厚度不足12cm，通過檢測發(fā)現(xiàn)隧道襯砌欠厚區(qū)域主要集中與隧道左右邊墻位置，為證明檢測的真實性，隨之對隧道襯砌厚度進行了鉆孔驗證，鉆孔驗證結(jié)果與檢測結(jié)果相符。3.2.3 襯砌背后空洞：在隧道右洞有2 處襯砌拱頂脫空。

圖3 隧道襯砌脫空

4 病害形成機理分析

4.1 隧底病害原因分析

4.1.1 F1 斷層破碎帶影響：隧道隧底病害區(qū)域位于斷層帶附近，斷層破碎帶極易將地下水導入隧道圍巖中，形成地下水導水通道，導致地下水富集，軟化圍巖。4.1.2 病害區(qū)域圍巖水化效應(yīng)：拱底圍巖為微風化層的頁巖及灰?guī)r，屬軟巖，有軟化性，雨水易膨脹，巖體破碎，受斷層帶及地下水的影響，當?shù)接昙窘涤炅枯^大時，拱底的頁巖經(jīng)水浸軟化膨脹后，拱底圍巖強度降低，隧道承受的水平壓力不斷增加，此時拱底圍巖剛度小于拱頂圍巖剛度，當荷載強度超過隧道拱底結(jié)構(gòu)的承載力時，隧道拱底就發(fā)生隆起變形病害。

4.2 隧道襯砌病害原因分析

4.2.1 襯砌裂縫形成原因。4.2.1.1 環(huán)向裂縫。環(huán)向裂縫在隧道施工縫兩側(cè)出現(xiàn)的頻率較高，多數(shù)為貫通或者延展一定長度后截止。其病害主要成因為：a. 混凝土養(yǎng)護不到位或振搗不充分，使得收縮徐變應(yīng)力大于混凝土的抗拉強度，導致二襯開裂。b.出現(xiàn)裂縫部位的二襯在澆筑收縮過程中由于受到鋼拱架的約束，極易在厚度薄弱部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，導致裂縫產(chǎn)生。c.襯砌厚度偏薄部位由于受混凝土收縮、溫度變化等綜合作用也會形成不規(guī)則的環(huán)向裂縫。4.2.1.2 縱向裂縫?？v向裂縫一般在拱頂和邊墻位置出現(xiàn)的頻率較高，這類裂縫對隧道的穩(wěn)定性影響較大。其病害主要成因為：a.隧道的不均勻沉降是縱向裂縫產(chǎn)生的主要原因。b. 溫度應(yīng)力和水平側(cè)壓力過大也會導致縱向裂縫的產(chǎn)生。

4.2.2 襯砌欠厚。病害主要原因是由于在施工過程中受施工條件、施工工藝影響以及后期隧道在使用過程中物理、化學等作用，導致隧洞襯砌厚度達不到設(shè)計值。

5 病害處治方案

5.1 隧底病害處治措施

綜合考慮到運營隧道的結(jié)構(gòu)性安全和交通壓力，采用隧底注漿加固技術(shù)[5、6、8]對隧道路面病害進行快速修復(fù)。5.1.1 隧道兩側(cè)邊墻腳設(shè)置φ108×6mm 鎖腳鋼花管，鋼花管長6m，縱向間距1m，傾角70°、45°，間隔交錯布設(shè)。5.1.2 邊墻角采用φ108注漿鋼花管鎖腳加固，鋼花管長6m，縱向間距1m，傾角為75°和45°交錯布設(shè)，鎖腳鋼花管內(nèi)設(shè)鋼筋籠，主筋采用4 根HRB400 直徑為18mm 的鋼筋，固定環(huán)采用φ42×4 短管節(jié)（4cm 長），將其與主筋焊接，按1m 間距布置。5.1.3 鎖腳加固后鑿除路面板，鑿除厚度36cm，清除廢渣后于路面設(shè)豎向鋼花管注漿，鋼花管采用φ42×4 鋼管加工而成，鋼化管長4.5m，頂端1m 為止?jié){段。注漿孔間距1m，梅花形布置。5.1.4 鎖腳及基底鋼花管漿液水灰比0.4～0.5，采用超細水泥，注漿壓力1.5～2.0MPa，注漿前應(yīng)進行試驗，水泥漿配合比及注漿壓力根據(jù)試驗進行調(diào)整確定，注漿后鋼管內(nèi)用M30 水泥砂漿填充，提高鋼管強度。（注：根據(jù)現(xiàn)場情況，當注漿壓力不夠時，水泥漿可加細沙，并添加加速凝劑。)5.1.5 鋼花管注漿完畢后，與路面增設(shè)橫向排水盲溝，間距5m 布設(shè)一道，將路基滲水引入中心排水溝。5.1.6每根φ42×4mm 鋼花管外露開挖地面10cm，鋼花管外側(cè)焊接兩根HRB400 直徑為22mm 的錨固鋼筋，單根長40cm，并與路面板鋼筋網(wǎng)綁扎連接，路面鋼筋網(wǎng)布設(shè)間距為30cm×20cm，鋪設(shè)路面鋼筋網(wǎng)完畢后澆筑路面板。5.1.7 施工應(yīng)按鎖腳加固→開挖路面板→路面鋼花管注漿→鋪設(shè)路面板及瀝青層→恢復(fù)標識。5.1.8 施工中應(yīng)加強監(jiān)控測量，要求測點布設(shè)間距不大于5m，局部變形嚴重底端根據(jù)實際情況進行加密，每天監(jiān)測頻率不小于3 次，以便掌握施工期隧道襯砌變形動態(tài)。

5.2 襯砌病害處治措施

5.2.1 襯砌裂縫。裂縫寬度＜0.1mm 的裂縫及環(huán)向施工縫不予處理；裂縫寬度≥0.1mm 的縱向、斜向裂縫進行裂縫灌縫封閉處理，灌注膠采用無溶劑型改性環(huán)氧樹脂[8]。裂縫灌膠的施工要點：a.裂縫混凝土表面處理：用鋼絲刷反復(fù)刷裂縫表面左右2cm的混凝土直至表面浮漿脫落，用無油壓縮空氣除塵,用丙酮試劑擦洗表面。b.粘貼壓漿嘴：首尾各一個，中間縫寬則疏，縫窄則密，壓漿嘴最大間距30～50cm 布置，在一條逢上必須有進漿嘴，排氣嘴，出漿嘴。c.裂縫表面封閉：用密封膠封閉裂縫表面，膠泥厚不小于1mm，寬度2～3cm。d.密封檢查：從最下或左的壓漿嘴輸入0.4MPa 無油壓縮空氣，相鄰或右嘴排氣時逐個關(guān)閉所有閥門，再沿縫附近涂刷肥皂水檢漏；若有氣泡冒出說明該處漏氣，作好標記。用裂縫表面封閉膠對漏氣的區(qū)域進行封閉，待達到強度后再氣檢，如此反復(fù)直至不漏氣為止。e.配制裂縫灌注膠（修補膠），按照供應(yīng)商提供的產(chǎn)品說明書要求的比例配制。f.縫灌膠：用0.2MPa 無油壓縮空氣為動力緩慢起灌，當相鄰嘴不夾氣冒膠時關(guān)閉該閥，逐一排氣冒膠關(guān)閥，直至最后一個閥。連通縫的裂縫灌漿在內(nèi)側(cè)灌膠外側(cè)觀測出膠情況，在灌膠時外側(cè)壓漿嘴出膠后由低到高逐個關(guān)閉閥門。g.封口結(jié)束：待縫內(nèi)漿液達到初凝而不外流時可拆下灌漿嘴，再用封閉膠抹平封口。5.2.2 襯砌欠厚。對于隧道襯砌欠厚段缺陷采用W250 型鋼帶進行加固[7、8]。將粘貼W 鋼帶位置進行基面處理，粘貼面應(yīng)堅實平整無浮塵，然后在襯砌表面及鋼帶涂刷膠粘劑，用錨栓固定W 鋼帶后，對鋼帶進行封邊及表面防腐處理。5.2.3襯砌脫空。襯砌存在空洞采用鉆孔注漿進行回填。在襯砌拱頂空洞處采用鉆機鉆孔，孔徑Φ50，鉆孔間距不超過1m，鉆孔深度為該處混凝土厚度；采用Φ42×4mm 鋼管進行注漿，鋼管長度為孔深，水泥砂漿水灰比1：1，注漿壓力0.1～0.3MPa。鉆孔時應(yīng)避免破壞防水板。

6 結(jié)論

由上文可知，隧道受各種因素的影響，營運隧道的病害嚴重影響了隧道的運營安全，如何在保證隧道結(jié)構(gòu)安全的前提下，又能最大程度的減少病害處治對隧道行車的影響，隧道病害如何快速處治已經(jīng)成為重中之重。本文以各種檢測手段為依據(jù)，探明了隧道的具體病害，分析其隧道病害的作用機理，最后提出隧道病害處治方案。本文的隧道病害研究對類似隧道的病害處治具有重要的指導作用和參考價值。