高速公路隧道工程病害處治探討

趙普軒 劉春霞

摘 要：隨著交通量的逐漸增長，在高速公路運(yùn)營管理過程中，隧道上部出現(xiàn)拱頂?shù)魤K、下部路面隆起、結(jié)構(gòu)變化等急需解決的問題。本文對隧道工程出現(xiàn)的病害進(jìn)行了臨時加固及后續(xù)隧道病害的發(fā)展、處治、運(yùn)營進(jìn)行分析、對比、總結(jié)經(jīng)驗，為后續(xù)隧道加固提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：拱頂?shù)魤K;起拱變形;結(jié)構(gòu)變化;永久修復(fù)

0 引言

公路隧道存在襯砌裂縫和滲漏水，強(qiáng)度不夠等病害現(xiàn)象嚴(yán)重威脅隧道內(nèi)行車的安全、影響交通運(yùn)營。隧道病害處治不及時會對襯砌結(jié)構(gòu)造成進(jìn)一步損壞，甚至使隧道破壞加速，縮短公路隧道的維護(hù)周期和使用壽命，導(dǎo)致未達(dá)到隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)期而急需大修，既浪費(fèi)了大量資金，又影響隧道的正常使用，并造成不良的社會影響。因此，對公路隧道病害開展調(diào)查、分析與處治對策研究，研究成果將有助于提高隧道壽命與服務(wù)水平，提高隧道病害處治技術(shù)。遵循科學(xué)、合理的隧道病害研究方法與原則，找到隧道病害的原因，評估病害嚴(yán)重程度，進(jìn)行不同病害與病害程度進(jìn)行處治措施的研究。

1 工程實例

某隧道全長700 m，隧道進(jìn)口約65 m，出口約75 m為V級圍巖，以粉質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及細(xì)砂巖為主。粉質(zhì)粘土：軟～硬塑，局部含塊、碎石，呈松軟結(jié)構(gòu)，含少量孔隙水;粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖：強(qiáng)及弱分化，屬極軟～軟質(zhì)巖類，薄～中層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，巖體以層狀及碎裂結(jié)構(gòu)為主，含少量裂隙水;細(xì)砂巖：強(qiáng)及弱分化，屬極軟～軟質(zhì)巖類，中～厚層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙發(fā)育，層間結(jié)合差，巖體以層狀及碎石狀鑲嵌結(jié)構(gòu)為主，含少量裂隙水。隧道洞身段約560 m為IV級圍巖，以細(xì)砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。細(xì)砂巖：弱風(fēng)化，屬較軟巖，中～厚層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙不發(fā)育，層間結(jié)合較好，巖體以中厚層狀結(jié)構(gòu)為主，含少量孔隙水，呈滴水或淋雨狀滲出;粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖：弱分化，屬軟質(zhì)巖類，薄～中層狀構(gòu)造，風(fēng)化裂隙較發(fā)育，層間結(jié)合差，巖體以中薄層狀結(jié)構(gòu)為主，地下水以滴水或淋雨狀為主，局部呈小股流狀;由于巖層傾角小，砂、泥巖層間結(jié)合差。

設(shè)計底層描述：瀝青混凝土面層10 cm，混凝土基層24 cm，C20混凝土底基層13 cm，C15片石仰拱回填56 cm，C25抗腐蝕混凝土仰拱45 cm，粉砂質(zhì)泥巖32 cm。隧道主洞建筑限界見表1所示。

隧道在后期運(yùn)行過程中，出現(xiàn)拱部混凝土剝離、襯砌開裂、路面開裂隆起等病害。隧道實測斷面和設(shè)計斷面比較圖見圖1所示。

2 隧道病害原因分析

某隧道工程在運(yùn)營過程中出現(xiàn)二襯掉塊后，及時啟動臨時處治方案，對掉塊部位進(jìn)行了臨時處治，同時對某隧道進(jìn)行了深入檢測、分析，發(fā)現(xiàn)襯砌厚度不足、襯砌背后空洞、襯砌強(qiáng)度不足、仰拱結(jié)構(gòu)層厚度不足、仰拱填充不密實等情況。隧道檢測及數(shù)據(jù)見圖3表2所示。

分析表2可知，對于取的5個檢測點，有三處的初砌強(qiáng)度不合格，最小值為20 MPa，遠(yuǎn)低于設(shè)計強(qiáng)度25.0 MPa，強(qiáng)度存在嚴(yán)重缺陷，且初砌強(qiáng)度合格率僅為40%。

3 隧道病害二襯臨時加固

3.1 錨桿孔的施工

3.2 鋼架施工

鋼拱架主架采用I18的工字鋼，工字鋼需按照隧道橫斷面的拱形幅度進(jìn)行加工。在安裝工字鋼時先固定好拱腳位置工字鋼，固定工字鋼采用在洞壁上植入膨脹螺絲在與工字鋼

焊接作為臨時固定措施，以此類推再逐節(jié)進(jìn)行拱腰及拱頂位

置工字鋼的拼裝及固定。

鋼拱架支撐平面應(yīng)垂直于隧道中線，其傾斜度不大于2°。鋼拱架的任何部位偏離沿垂線不應(yīng)大于5 cm。鋼拱架按設(shè)計位置安設(shè)，鋼拱架與隧道洞壁之間緊密貼合。工字鋼之間采用Q235AF厚16 mm的鋼板連接，鋼板尺寸為長260 mm×寬200 mm，螺栓采用M20×65 mm-10.9s高強(qiáng)度扭剪型螺栓，要求符

合（GB/T 1228）的相關(guān)強(qiáng)度要求。在焊接連接鋼板時要求焊接牢固，焊接等級必須達(dá)到二級。鋼架間設(shè)縱向連接鋼筋，鋼筋型號為φ22，長度為500 mm，其環(huán)向間距為1 m，內(nèi)外交錯布置。鋼架與縱向連接鋼筋間的連接采用焊接。

針對以上施工方案，目前已對襯砌掉塊的位置進(jìn)行了應(yīng)急加固處治，降低風(fēng)險，確保隧道運(yùn)行安全。下步還需進(jìn)一步加強(qiáng)巡查觀測，確保隧道行車安全。

4 隧道工程永久性修復(fù)實施方案、經(jīng)濟(jì)比選

針對隧道在后期運(yùn)行過程中，出現(xiàn)拱部混凝土剝離、襯砌開裂、路面開裂隆起等病害，對隧道工程永久性修復(fù)實施方案進(jìn)行了比選，見表3、表4、表5所示。

某隧道右線病害段經(jīng)檢測仰拱施作不滿足設(shè)計要求，經(jīng)計算，二次襯砌混凝土最小安全系數(shù)為0.52。

在混凝土襯砌表面環(huán)向架設(shè)18 kg/m輕軌（縱向80 cm），并噴射25 cm厚C30混凝土，計算襯砌最小安全系數(shù)為1.44，提高近2.8倍;在襯砌邊墻施作樹根樁鎖腳后，計算安全系數(shù)32.0，可有效改善襯砌受力環(huán)境。

本次某隧道右線病害處治，襯砌套拱與邊墻樹根樁結(jié)合使用，可有效提高襯砌結(jié)構(gòu)安全性。計算結(jié)果如圖6所示。

4.1 輕軌噴射混凝土套襯加固

輕軌套襯加固適用于襯砌狀況值為4的區(qū)段，具體處治區(qū)段為K0+350～K0+615（265 m），共計265 m。

（1）首先對二次襯砌表面的內(nèi)裝飾及防火涂料進(jìn)行鑿除，再對二次襯砌表面進(jìn)行清潔和鑿毛，露出混凝土新鮮面，遷移原結(jié)構(gòu)上影響施工的管道和線路以及其他障礙。

（2）對襯砌裂縫及滲漏水進(jìn)行裂縫嵌補(bǔ)處治。

（3）在鑿毛、清潔的砼表面刷界面劑。

（4）在套襯段輕軌架設(shè)位置鉆中16孔，縱向80 cm、環(huán)向間距為1 m，孔深15 cm，然后植筋，植筋長20 cm，灌注強(qiáng)力植筋膠（植筋膠的性能指標(biāo)見表6），待植筋達(dá)到一定強(qiáng)度后，架立輕軌（輕軌焊接在C12植筋上）。

（5）在原二襯表面環(huán)向架設(shè)18 kg/m輕軌（縱向80 cm間距）和縱向連接鋼筋，在每榀鋼架左右拱腳各設(shè)置2根3 m長A32砂漿錨桿。其中18 kg/m輕軌應(yīng)落腳到電纜溝溝底。

（6）在18號輕軌表面鋪設(shè)C12鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20*20 cm，鋼筋網(wǎng)直接焊在輕軌上。

（7）然后噴15 cm厚C30混凝土形成加固套襯。噴砼中應(yīng)加入適量的增密型微硅粉（微硅粉的性能指標(biāo)見表7），以減少回彈量并增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的防水性能，微硅粉摻量為膠凝材料總重的8%。噴砼必須嚴(yán)格按相關(guān)施工規(guī)范操作，同時應(yīng)加強(qiáng)噴砼的灑水養(yǎng)護(hù)。

（8）輕軌套襯施作時宜采用專用支架或簡易臺車的搭設(shè)措施。

4.2 增設(shè)仰拱

（1）隧底處治施工工序：①施工兩側(cè)樹根樁;②多段、跳槽、分層拆除隧道路面、填充、仰拱砼（每層拆除砼0.8 m

～1.0 m）;③安裝橫向鋼支撐;④恢復(fù)重建40 cm厚的C30防腐蝕鋼筋砼仰拱;⑤恢復(fù)仰拱回填、中央水溝、電纜溝及路面。

（2）仰拱填充及路面拆除在隧道縱向上應(yīng)分段跳槽施工，每段5 m，間隔10 m。各槽間建議用7 m長棧橋連接，確保施工機(jī)械設(shè)備行走。仰拱填充及路面拆除應(yīng)在兩側(cè)樹根樁施工完成后且樹根樁砼強(qiáng)度達(dá)到90%以上后才能實施。

（3）仰拱環(huán)向主筋應(yīng)插入未拆除仰拱砼中30 cm，植筋膠連接。

（4）仰拱及仰拱填充拆除后，若底部存在不密實的砼填充層或松散破碎巖體應(yīng)清除，并采用C30防腐蝕砼進(jìn)行回填。

（5）重建仰拱采用防腐蝕砼，一般采用方式為：普通硅酸鹽水泥并摻入防腐蝕劑（一般選用TL、HEA、UEA等防腐蝕劑，摻量為水泥用量的5%～8%）。采用礦渣硅酸鹽水泥，最少水泥用量：335 kg/m3～370 kg/m3，水灰比0.65，C3A含量小于8%，減水劑占水泥用量的0.2%～0.3%。

（6）為保證增設(shè)仰拱的處治效果，現(xiàn)場施工時應(yīng)重點注意和檢查仰拱和原襯砌接頭部位的施作質(zhì)量，包括接頭部位鋼筋和植筋連接、混凝土密實性等。

（7）增設(shè)仰拱施工期間，應(yīng)加強(qiáng)隧道監(jiān)控量測及外觀觀測工作，動態(tài)掌握增設(shè)仰拱的全過程，并根據(jù)現(xiàn)場施工情況動態(tài)調(diào)整施工工序。

（8）仰拱開挖后應(yīng)保證原襯砌接頭部位襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的完整性，對于已經(jīng)破壞混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)拆除重建或結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)，保證仰拱與原襯砌結(jié)構(gòu)、邊墻樹根樁有效連接，形成整體，保證隧道結(jié)構(gòu)安全。

（9）施工中應(yīng)加強(qiáng)隧道內(nèi)通風(fēng)。

隧道施工期間，應(yīng)對隧道套襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)控量測，確保結(jié)構(gòu)安全。

為了保證施工期間高速公路正常運(yùn)營，在隧道加固處治施工期間實行“右洞封閉施工時，左洞雙向通行”的交通管制措施。

交通管控范圍分為某隧道綿陽端、某隧道主洞、某隧道遂寧端共分三段進(jìn)行交通管控。隧道養(yǎng)護(hù)作業(yè)控制區(qū)內(nèi)設(shè)置管制警告區(qū)2 000 m、上游過渡區(qū)250 m、縱向緩沖區(qū)200 m、作業(yè)區(qū)3 000 m、下游過渡區(qū)50 m、終止區(qū)50 m，合計5 550 m。管制區(qū)內(nèi)隧道路面中間設(shè)置錐形桶雙向車輛進(jìn)行分流，隧道洞內(nèi)單車道雙向通行，并設(shè)置限速及轉(zhuǎn)換道提示標(biāo)牌。

4.3 隧道加固經(jīng)濟(jì)比選

分析圖7，圖8可知，輕軌+噴射砼套襯的加固方案費(fèi)用為495萬元，相較于鋼板帶加固的550萬元節(jié)省55萬。某隧道2011年建成，單洞建安費(fèi)6 706萬元，如果按照本文采取局部病害處治單洞處治費(fèi)用預(yù)計約1 200萬元，運(yùn)營期單洞日常養(yǎng)護(hù)費(fèi)每年約40萬元，故如果建設(shè)期隧道質(zhì)量控制較好，單洞專項養(yǎng)護(hù)費(fèi)可以節(jié)約1 200萬元的病害處治費(fèi)，大幅降低運(yùn)營期養(yǎng)護(hù)成本。

5 結(jié)束語

通過本文的現(xiàn)場實地調(diào)研，思考高速公路隧道工程建設(shè)期工程質(zhì)量管控和運(yùn)營期隧道工程病害處治之間的成本及后續(xù)運(yùn)營期隧道工程病害處治完成后常態(tài)化監(jiān)控量測工作，業(yè)主要加強(qiáng)對設(shè)計方案的優(yōu)化完善，尤其是現(xiàn)場施工過程監(jiān)管要進(jìn)一步加大力度，嚴(yán)格按照設(shè)計方案執(zhí)行落實，同時加強(qiáng)對監(jiān)理、施工單位的現(xiàn)場管控，施工過程質(zhì)量控制關(guān)鍵是做好隱蔽工程質(zhì)量管控，隱蔽工程施工要全方位進(jìn)行旁站，要從組織機(jī)構(gòu)、思想教育、技術(shù)管理、施工管理以及規(guī)章制度等五個方面建立符合實際的質(zhì)量保證體系，防止建設(shè)期的質(zhì)量問題轉(zhuǎn)移到運(yùn)營期，從而增加運(yùn)營期的道路養(yǎng)護(hù)成本。

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