軟硬不均地層運(yùn)營(yíng)隧道病害成因分析及處治對(duì)策

藺虎平，緱 婷，劉燕鵬，李 祥

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2.陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司藍(lán)商分公司，陜西 西安 710050)

0 引 言

得益于公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，截至2018年，中國(guó)已建成17 738條公路隧道，累計(jì)長(zhǎng)度17 236.1 km，隧道數(shù)量和里程都位居世界第一。但受制于設(shè)計(jì)、施工、材料、地質(zhì)等因素的影響，目前大多數(shù)隧道投入運(yùn)營(yíng)后都發(fā)生不同程度的病害[1]。而在上述影響因素中，地質(zhì)因素可以說(shuō)是隧道工程的先決條件。如果不探明圍巖條件、不良地質(zhì)，隧道修建就無(wú)從談起。

軟硬不均地層是隧道建設(shè)過(guò)程中遇到的特殊情況，受?chē)鷰r風(fēng)化作用的影響，隧址區(qū)存在不同的風(fēng)化殼，它們?cè)诠こ痰刭|(zhì)特征方面存在很大區(qū)別。此外，一些軟硬不均地層還伴有夾層狀風(fēng)化、風(fēng)化囊、風(fēng)化槽等特殊風(fēng)化類型[2]。圍巖軟硬不均，在隧道施工時(shí)往往出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力不均等情況，若施工不慎，極易造成圍巖塌方和支護(hù)開(kāi)裂等病害。目前，大量學(xué)者對(duì)軟硬不均地層隧道病害展開(kāi)了研究，但主要集中在圍巖及結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[3-6]、隧道施工技術(shù)研究[7-16]和隧道塌方處治研究[17-19]等方面，對(duì)運(yùn)營(yíng)期該地層的病害卻鮮有研究。事實(shí)上，相較于施工期隧道事故處治，運(yùn)營(yíng)期隧道受交通保暢、社會(huì)影響和經(jīng)濟(jì)投入等方面的制約更多，導(dǎo)致有些處治方案雖然處治效果較好，但是不適用。

鑒于此，本文針對(duì)西南地區(qū)某運(yùn)營(yíng)隧道在軟硬不均地層出現(xiàn)的路面開(kāi)裂、檢修道變形和襯砌裂縫等病害，在對(duì)隧道病害段地層條件、病害現(xiàn)狀進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，對(duì)病害原因及相應(yīng)的處治對(duì)策進(jìn)行闡述，為今后類似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程概況

1.1 隧道概況

依托隧道的設(shè)計(jì)行車(chē)速度為80 km·h-1，于2008年4月建成通車(chē)，為分離式雙向四車(chē)道隧道。左洞長(zhǎng)540 m，右洞長(zhǎng)585 m。2015年12月，隧道右洞YK953+830～YK953+852段右側(cè)車(chē)道路面隆起、邊墻開(kāi)裂；2017年下半年，該段落變形速率較大，管養(yǎng)單位對(duì)路面進(jìn)行銑刨、重鋪，但變形仍不斷發(fā)展；2019年6月，設(shè)計(jì)單位對(duì)病害段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和處治。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧道右洞YK953+827～YK953+855.5段為Ⅲ級(jí)圍巖，隧道地層為微風(fēng)化石灰?guī)r，灰白色，微晶-隱晶致密結(jié)構(gòu)，厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙不甚發(fā)育，巖體較完整，呈大塊狀砌體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較好。隧道及其周邊未發(fā)現(xiàn)滑坡、崩塌、泥石流、溶洞等不良地質(zhì)作用。隧址區(qū)處于區(qū)域地殼不均勻間歇上升地區(qū)，屬區(qū)域穩(wěn)定性較好的地區(qū)。

1.3 工程變更

隧道YK953+832～YK953+842段原設(shè)計(jì)為Ⅲ級(jí)圍巖，實(shí)際開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)該段圍巖掌子面左部為灰色弱風(fēng)化硬質(zhì)灰?guī)r，塊狀結(jié)構(gòu)，含少量白色方解石巖脈，節(jié)理裂隙較發(fā)育；掌子面右部風(fēng)化程度較高，圍巖完整性和穩(wěn)定性較差。下部開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn)該段圍巖為泥質(zhì)巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，基底較軟弱。變更結(jié)果：確定隧道右線YK953+832～YK953+842段增加仰拱，同時(shí)每榀拱架增加2根鎖腳錨桿。

但隧道路面結(jié)構(gòu)檢測(cè)結(jié)果表明，YK953+832～YK953+842段未按變更設(shè)計(jì)增設(shè)仰拱。

1.4 隧道路面結(jié)構(gòu)檢測(cè)

為探明隧道路面隆起、檢修道傾斜等病害的形成原因，業(yè)主組織檢測(cè)單位在YK953+833.5(ZK1)、YK953+843.5(ZK2)、YK953+851(ZK3)進(jìn)行路面鉆孔，鉆孔剖面如圖1所示，揭露地層從上往下依次如下。

圖1 隧道路面鉆孔剖面

(1)瀝青混凝土路面。厚度0.70 m，上部為0.10 m瀝青路面，其下為0.24 m水泥混凝土，底部為C15混凝土整平層。

(2)黏性素填土。褐灰、褐黃色，主要成分為黏性土，包含5%～10%灰?guī)r碎石及角礫，呈可塑狀，濕，厚度為1.20 m。

(3)黏性素填土。褐灰、褐黃色，主要成分為黏性土，包含25%～35%灰?guī)r碎石及角礫，呈硬塑～堅(jiān)硬狀，稍濕，厚度為0.50～1.20 m。

(4)灰?guī)r?；?、青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，強(qiáng)～中等風(fēng)化，節(jié)理裂隙較發(fā)育，鉆探巖芯呈碎塊及少量短柱狀，巖溶發(fā)育程度較弱，巖芯未見(jiàn)溶孔溶隙，巖塊用小錘難擊碎，巖芯采取率為69%～88%，巖石質(zhì)量指標(biāo)為18%～35%。巖面埋深為1.20～3.10 m，揭示厚度為12.00～13.90 m，所有鉆孔均揭示該層。

2 隧道的主要病害

2.1 路面開(kāi)裂

從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，僅右側(cè)行車(chē)道路面出現(xiàn)2條縱向裂縫，左側(cè)車(chē)道無(wú)開(kāi)裂、變形現(xiàn)象，如圖2所示。

圖2 隧道路面病害展布

(1)在距右側(cè)檢修道側(cè)壁約1.6 m處，YK953+834～YK953+845段路面存在1條縱向裂縫。

(2)在距右側(cè)檢修道側(cè)壁約4.0 m處，YK953+839～YK953+849段路面存在1條縱向裂縫。

2.2 檢修道變形

從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，YK953+830～YK953+852段右側(cè)檢修道存在隆起、變形現(xiàn)象(圖3、4)，主要表現(xiàn)如下。

圖3 檢修道側(cè)壁開(kāi)裂

圖4 檢修道變形及路面隆起

(1)YK953+843～YK953+849段檢修道側(cè)壁開(kāi)裂，裂紋右傾；YK953+839～YK953+843段檢修道側(cè)壁開(kāi)裂，裂紋左傾。

(2)YK953+830～YK953+852右側(cè)檢修道側(cè)壁隆起，向右側(cè)行車(chē)道最大傾斜約4 cm，靠右側(cè)路面檢修道蓋板最大翹起高度約6 cm。

2.3 襯砌裂縫

從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，YK953+830～YK953+856段右邊墻有4條裂縫。

(1)YK953+850～YK953+856段右邊墻襯砌縱向裂縫長(zhǎng)約6 m，寬約1.0～1.5 mm，距檢修道1.5 m。

(2)YK953+846～YK953+851段右邊墻襯砌斜向開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)約4 m，寬約1.0～1.5 mm，距檢修道1.0～2.2 m。

(3)YK953+844處右邊墻襯砌自檢修道環(huán)向開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)約2 m，寬約1.0～1.5 mm。

(4)YK953+837處右邊墻襯砌自檢修道環(huán)向開(kāi)裂，裂縫長(zhǎng)約4 m，寬約1.0～1.5 mm。

3 隧道病害形成原因探析

3.1 地層條件判定

根據(jù)工程變更資料，變更區(qū)段YK953+832～YK953+842按上下臺(tái)階法開(kāi)挖，YK953+832處上臺(tái)階掌子面左部為弱風(fēng)化硬質(zhì)灰?guī)r，右部為泥巖，下臺(tái)階為泥質(zhì)巖，初步判斷為軟硬不均地層。

此外，為進(jìn)一步驗(yàn)證判斷的準(zhǔn)確性，在隧道右側(cè)YK953+837(ZK4)和YK953+849(ZK5)邊墻裂縫處鉆孔取芯，位置如圖5所示。

圖5 襯砌邊墻鉆孔取芯位置

(1)ZK4芯樣長(zhǎng)55 cm，其中二次襯砌27 cm，初期支護(hù)厚度為8 cm，強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r厚度為20 cm，呈塊狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙中未充填黏性土。

(2)ZK5芯樣長(zhǎng)119 cm，其中二次襯砌84 cm，初期支護(hù)厚度為7 cm，強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r厚度為28 cm，呈碎塊狀，節(jié)理裂隙極為發(fā)育，含黏性土。

綜合上述，判斷隧道病害段位于典型的軟硬不均地層，圍巖分界橫斷面如圖6所示。

圖6 軟硬不均地層圍巖分界橫斷面示意

3.2 隧底變形機(jī)制探討

本項(xiàng)目隧道病害從下往上依次為路面、檢修道、襯砌邊墻，路面、檢修道病害與隧底有關(guān)，襯砌病害的原因如下[20]。

(1)施工期澆筑、養(yǎng)護(hù)不到位。

(2)襯砌背后存在空洞。

(3)襯砌厚度變化，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

(4)仰拱薄弱或破壞嚴(yán)重。

(5)襯砌劣化，導(dǎo)致強(qiáng)度不足。

(6)基底圍巖承載力的變化不一致，導(dǎo)致沉降不均勻。

(7)地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖軟弱、構(gòu)造發(fā)育等。

但是結(jié)合前文鉆孔勘探結(jié)果以及隧道施工期資料分析可知，本項(xiàng)目隧道襯砌病害來(lái)源于隧底。因此，隧底變形機(jī)制是隧道病害原因分析的重點(diǎn)。

從地層角度來(lái)說(shuō)，灰?guī)r屬于沉積巖地層，一般產(chǎn)出形態(tài)為層狀，而泥質(zhì)巖的變形破壞主要受巖層產(chǎn)狀及巖層組合等因素影響，破壞模式多見(jiàn)彎曲內(nèi)鼓和順層滑移等。

本項(xiàng)目隧道病害段位于軟硬不均地層，隧道建成至今已超過(guò)11年。在上部“車(chē)輛+自重”荷載的反復(fù)作用下，軟硬不均分界線處巖層層面剪切應(yīng)力逐漸集中。當(dāng)剪切應(yīng)力超過(guò)層面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，隧底泥質(zhì)巖將沿軟硬不均分界線發(fā)生順層滑移(圖7)。

圖7 隧底順層滑移破壞模型示意

當(dāng)隧底發(fā)生順層滑移，而病害段右側(cè)圍巖強(qiáng)度較低、穩(wěn)定性較差時(shí)，勢(shì)必造成距離最近的右側(cè)巖體應(yīng)力重新分布。在此情況下，伴隨隧底沉陷，襯砌墻腳可能產(chǎn)生輕微下沉變形，同時(shí)受到沉陷的隧底結(jié)構(gòu)層擠壓，隧道附屬結(jié)構(gòu)(諸如檢修道、排水邊溝)發(fā)生隆起變形。此外，襯砌墻腳下沉變形也會(huì)導(dǎo)致邊墻部位發(fā)生縱向結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，這種襯砌裂縫常與路面縱向開(kāi)裂、檢修道傾斜等一起出現(xiàn)。

4 隧道病害處治措施

該隧道從2015年首次出現(xiàn)路面隆起變形、邊墻開(kāi)裂的病害以來(lái)，變形速率、嚴(yán)重程度逐年增大，已嚴(yán)重影響洞內(nèi)行車(chē)安全。如任其繼續(xù)發(fā)展，隧底順層滑移將會(huì)導(dǎo)致襯砌墻腳產(chǎn)生更大沉陷，影響結(jié)構(gòu)安全，屆時(shí)運(yùn)營(yíng)安全、社會(huì)影響、施工風(fēng)險(xiǎn)、處治費(fèi)用等成本都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)在。

4.1 改善隧底條件

鑒于本項(xiàng)目隧道發(fā)生病害的根本原因是隧底存在軟硬不均地層，為防止隧底繼續(xù)出現(xiàn)沿巖層分界面應(yīng)力集中的現(xiàn)象，進(jìn)行跳槽開(kāi)挖和基底換填。

(1)采用4.5 m長(zhǎng)Φ89 mm×6 mm無(wú)縫鋼管對(duì)墻腳進(jìn)行注漿鎖腳，在完成既有襯砌鎖腳后，再進(jìn)行路面開(kāi)挖。鋼管鎖腳設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 鋼管鎖腳設(shè)計(jì)

(2)隧底開(kāi)挖至設(shè)計(jì)深度，拆除橫向范圍內(nèi)原有檢修道、路面等。

(3)根據(jù)《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 5440—2018)的要求，本次采用跳槽方式開(kāi)挖隧底，每次拆除段落不超過(guò)5 m，跳槽間距不小于10 m。

(4)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定隧底開(kāi)挖換填深度，宜按1∶0.2的比例進(jìn)行放坡開(kāi)挖，并將隧底黏性土全部換填。

(5)根據(jù)路面鉆孔勘察情況，ZK2對(duì)應(yīng)路面結(jié)構(gòu)層下方的黏性素填土最厚，為路面下3.1 m。

(6)考慮到隧道路面下方軟弱結(jié)構(gòu)層厚度不一致，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖至灰?guī)r基面，且設(shè)計(jì)中心線開(kāi)挖深度為1.79～3.10 m。

(7)開(kāi)挖至隧底基巖表面后，清除表面虛土，然后用C15素混凝土進(jìn)行基底換填。

4.2 加強(qiáng)洞身結(jié)構(gòu)

結(jié)合施工期文件(變更資料等)和隧底鉆孔情況來(lái)看，本項(xiàng)目隧道病害段不但位于軟硬不均地層，而且圍巖節(jié)理裂隙都較發(fā)育，圍巖穩(wěn)定性較差，達(dá)不到Ⅲ級(jí)圍巖定性標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，在隧底回填完成后施作仰拱，增強(qiáng)洞身結(jié)構(gòu)整體性(圖9)。

圖9 隧底增設(shè)仰拱設(shè)計(jì)

(1)隧底換填完成后，設(shè)置格柵鋼架，并澆筑40 cm厚C25混凝土仰拱，最后在仰拱上方回填C15素混凝土。

(2)恢復(fù)上部路面結(jié)構(gòu)層、檢修道、排水邊溝等。

5 結(jié) 語(yǔ)

軟硬不均地層是隧道建設(shè)中遇到的特殊情況，目前多數(shù)學(xué)者主要對(duì)這種地層條件下隧道施工階段出現(xiàn)的塌方事故處治進(jìn)行研究，對(duì)運(yùn)營(yíng)階段的病害處治研究較少。而運(yùn)營(yíng)隧道相對(duì)于其他工程而言，受限條件較多，處理起來(lái)相當(dāng)困難。本文以西南地區(qū)某運(yùn)營(yíng)隧道為例，重點(diǎn)對(duì)路面開(kāi)裂、檢修道變形和襯砌裂縫等病害的現(xiàn)狀和成因進(jìn)行分析，建立了隧底順層滑移模型，并提出了軟硬不均地層運(yùn)營(yíng)隧道病害處治措施。

(1)運(yùn)營(yíng)隧道病害處治必須找準(zhǔn)病因，只進(jìn)行簡(jiǎn)單的常規(guī)處治是不能根治病害的，如本隧道在2017年針對(duì)路面變形開(kāi)裂病害采用銑刨重鋪措施，處治效果不佳。

(2)軟硬不均分界線處剪切應(yīng)力超過(guò)層面抗剪強(qiáng)度導(dǎo)致的順層滑移破壞，是造成本項(xiàng)目隧道病害的主要原因。

(3)隧底順層滑移破壞導(dǎo)致襯砌墻腳輕微下沉，同時(shí)受到沉陷的隧底結(jié)構(gòu)層擠壓，檢修道和排水邊溝發(fā)生隆起變形。

(4)在分析隧道病害形成原因和滑移破壞模式的基礎(chǔ)上，提出了改善隧底條件及加強(qiáng)洞身結(jié)構(gòu)的處治方案，以期從根本上防治軟硬巖不均勻地層運(yùn)營(yíng)隧道病害，為今后此類隧道病害處治設(shè)計(jì)和施工提供借鑒依據(jù)。