隧道病害診斷分析與維修加固

邱成虎，劉涇堂，胡金鑫

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)蓬勃發(fā)展，為改善線形、克服高程障礙，隧道的作用日益凸顯，其規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)。然而隧道病害，諸如襯砌厚度不足、襯砌裂縫、襯砌脫空及滲漏水會(huì)嚴(yán)重降低襯砌結(jié)構(gòu)耐久性，甚至危及隧道安全性。因此，隧道病害分析、力學(xué)計(jì)算及維修加固技術(shù)成為隧道建設(shè)的研究熱點(diǎn)。如從施工、設(shè)計(jì)及地質(zhì)因素等方面分析隧道產(chǎn)生病害的原因，并研究治理預(yù)防措施[1-3]。從現(xiàn)場(chǎng)裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)出發(fā)，結(jié)合施工資料及數(shù)值模擬分析結(jié)果，系統(tǒng)分析裂縫產(chǎn)生的原因，選擇典型裂縫跟蹤監(jiān)測(cè)，并提出裂縫處治建議[4]。利用數(shù)值模擬計(jì)算，系統(tǒng)分析產(chǎn)生病害襯砌的剛度、穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)受力規(guī)律[5-8]。通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和理論分析研究套拱加固后結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律、破壞模式及承載力變化等力學(xué)特性[9-10]。根據(jù)病害形式和等級(jí)采取不同的處治措施，提出預(yù)防和控制措施，并將成果推廣應(yīng)用[11-14]。

本文以我國(guó)西部地區(qū)某運(yùn)營(yíng)高速公路隧道為例，進(jìn)行外觀觀察、檢測(cè)和鉆芯取樣，統(tǒng)計(jì)隧道襯砌厚度不足、襯砌裂縫、襯砌脫空及滲漏水情況，分析原因，并對(duì)土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況進(jìn)行評(píng)定。在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同病害嚴(yán)重程度進(jìn)行分類(lèi)，提出維修加固方案，以提高隧道安全性、耐久性和功能性。

1 工程概況

西部某高速公路已通車(chē)運(yùn)營(yíng)3年。按山嶺區(qū)高速公路分離式斷面設(shè)計(jì)，雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)行車(chē)速度為80km/h，隧道凈寬10.25m，凈高5.0m。左線全長(zhǎng)2 233m，右線全長(zhǎng)2 216m。左線縱坡為2.35%，右線縱坡為1.85%。

隧道進(jìn)出口段地層為白堊系東河群上亞群粉砂巖、礫巖、砂礫巖夾泥巖。洞身段地層為白堊系東河群上亞群粉砂巖、礫巖、砂礫巖夾泥巖及中-上志留系白水江群千枚狀板巖、炭質(zhì)板巖夾中薄層砂質(zhì)板巖、薄層-中厚層灰?guī)r。根據(jù)圍巖地質(zhì)和施工條件，隧道襯砌結(jié)構(gòu)采用新奧法施工，以錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、鋼拱架或格柵鋼架為初期支護(hù)，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次襯砌。隧道以水泥混凝土路面為主，進(jìn)出口段300m范圍采用復(fù)合式路面。

2 病害檢測(cè)及分析

2.1 測(cè)線布置

在拱頂左、右1m處，左、右拱腰處，左、右起拱線處，左、右電纜槽處共布置8條測(cè)線，仰拱取芯鉆孔線距電纜槽邊線0.5m。全斷面采用多維隧道智能檢測(cè)法對(duì)隧道裂縫、滲水、剝落等外觀病害進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用地質(zhì)雷達(dá)復(fù)測(cè)二次襯砌厚度。

2.2 外觀分析

1)洞頂截水溝和局部排水邊溝堵塞，洞門(mén)裝飾瓷磚局部剝落，保溫板局部開(kāi)裂，襯砌局部涂裝剝落。部分檢修道蓋板缺失、翹起、塌陷。

2)襯砌環(huán)向裂縫454條，縱向裂縫205條，斜向裂縫55條，滲水(干)10處，滲水(濕)10處。

3)吊頂及預(yù)埋件未見(jiàn)明顯病害，未發(fā)現(xiàn)標(biāo)志、標(biāo)線、輪廓標(biāo)缺損等明顯病害，未見(jiàn)隧道瀝青路面明顯病害。

2.3 檢測(cè)結(jié)果及分析

2.3.1襯砌裂縫

襯砌裂縫714條，裂縫寬度≥0.3mm共計(jì)2 019.88m， 寬度<0.3mm共計(jì)335.73m。其中環(huán)向裂縫454條，占63.59%，長(zhǎng)0.66～19.59m，寬0.2～2.0mm；縱向裂縫205條，占28.71%，長(zhǎng)1.0～17.08m，寬0.20～0.55mm；斜向裂縫55條，占7.70%，長(zhǎng)0.83～14.27m，寬0.20～0.55mm。

環(huán)向裂縫為主要裂縫類(lèi)型，主要分布在拱腳(起拱線)范圍內(nèi)。隨著裂縫的發(fā)展，混凝土碳化深度不斷增加，影響混凝土襯砌耐久性，嚴(yán)重時(shí)造成隧道邊墻斷裂、掉拱，甚至引起塌方；同時(shí)裂縫貫通為地下水提供滲流通道，進(jìn)一步劣化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，降低隧道襯砌承載力。產(chǎn)生襯砌裂縫的主要原因如下。

1)水化熱 隧道施工過(guò)程中水化熱溫度應(yīng)力增大，干縮變形增大，自身體積變形增大，導(dǎo)致混凝土表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，產(chǎn)生干縮裂縫。

2)溫度因素 水泥水化過(guò)程中產(chǎn)生大量熱量，在混凝土內(nèi)部和表面間形成溫度梯度，從而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土內(nèi)外約束力時(shí)產(chǎn)生溫度裂縫。

3)施工因素 二次襯砌臺(tái)車(chē)拆模過(guò)早，導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度過(guò)低，襯砌養(yǎng)生不到位，造成二次襯砌受力后產(chǎn)生裂縫。由于光面爆破技術(shù)把握不夠，引起超挖而又未能及時(shí)回填，襯砌厚度不足或襯砌背后不密實(shí)部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而產(chǎn)生襯砌裂縫。

2.3.2襯砌厚度

檢測(cè)二次襯砌厚度不足54處，其中檢測(cè)厚度<(設(shè)計(jì)厚度/2)的達(dá)37處，厚3.4～25cm，主要分布在拱頂及拱腰；(設(shè)計(jì)厚度/2)<檢測(cè)厚度<設(shè)計(jì)厚度的有17處，厚33.0～48.3cm，主要分布在側(cè)墻。襯砌厚度不足的主要原因如下。

1)地質(zhì)因素 炭質(zhì)板巖為典型軟巖，受水、節(jié)理裂隙、結(jié)構(gòu)面的影響，炭質(zhì)板巖浸水強(qiáng)度降低，隨著微裂隙的擴(kuò)張，結(jié)構(gòu)面受力后易發(fā)生剪切破壞和順層理面滑移破壞。圍巖應(yīng)力再平衡所需時(shí)間較長(zhǎng)，初期支護(hù)變形量大，收斂時(shí)間長(zhǎng)，易出現(xiàn)開(kāi)裂、破壞。當(dāng)變形量達(dá)到一定限值后，初期支護(hù)表面出現(xiàn)開(kāi)裂、崩殼，隨著變形繼續(xù)發(fā)展，出現(xiàn)拱架變形或撓曲，甚至破壞坍塌。

2)施工因素 初期支護(hù)鋼拱架出現(xiàn)變形、扭曲等現(xiàn)象，未及時(shí)加固或拆換，或爆破技術(shù)把握不夠，均會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重欠挖現(xiàn)象，未及時(shí)處治，造成初期支護(hù)侵占二次襯砌厚度。二次襯砌臺(tái)車(chē)就位不準(zhǔn)確，施工精度低，造成二次襯砌一側(cè)較厚，一側(cè)較薄，較薄側(cè)不滿足設(shè)計(jì)厚度。

2.3.3襯砌脫空

襯砌脫空19處，主要分布在拱頂左、右側(cè)1m范圍內(nèi)，長(zhǎng)1～10m，寬1.5～2.9m，空腔厚10～40cm。其中模板脫空占68.42%，為脫空主要來(lái)源。襯砌脫空部位厚度不足，引起襯砌結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中，從而造成襯砌內(nèi)力增加；同時(shí)地下水發(fā)育地段脫空區(qū)易積水，導(dǎo)致襯砌水壓增加，洞口段脫空區(qū)積水還會(huì)引起鋼筋混凝土凍脹，降低隧道襯砌結(jié)構(gòu)的耐久性?？涨婚L(zhǎng)度、寬度和厚度的增加，會(huì)加劇對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。襯砌脫空的主要原因如下。

1)開(kāi)挖及初期支護(hù) 光面爆破效果差，鋼架架立不平順，初期支護(hù)表面不平整，防水板密貼困難。

2)防水板施作 防水板固定點(diǎn)數(shù)量不足和鋪設(shè)松弛度不均，局部緊繃或褶皺，在防水板與噴射混凝土面間形成空腔。

3)混凝土澆筑 擋頭板封堵不嚴(yán)、漏漿；混凝土流動(dòng)性差、水灰比控制不良、和易性差、澆筑排氣不暢；混凝土澆筑時(shí)因混凝土供應(yīng)、擴(kuò)散度、壓力不足造成脫空；混凝土澆筑過(guò)程中未振搗密實(shí)，澆筑完成后受自重下沉，造成拱部脫空。

4)混凝土收縮徐變 由于混凝土本身特性，澆筑后發(fā)生收縮和徐變，使襯砌與圍巖或防水板間出現(xiàn)空隙。

2.3.4滲漏水

襯砌滲漏水20處，其中襯砌滲漏水(干)10處，共3.83m2，襯砌滲漏水(濕)10處，共10.78m2，主要分布在拱腳。

隨著襯砌滲漏水，混凝土結(jié)構(gòu)劣化、鋼筋銹蝕，寒冷季節(jié)隧道洞口段滲水易產(chǎn)生凍融循環(huán)，破壞襯砌。產(chǎn)生滲漏水的主要原因如下。

1)防水系統(tǒng)破壞 初期支護(hù)表面不平整，造成防水板局部撕裂，防水系統(tǒng)破壞；施工縫處止水帶老化局部剝落，喪失止水作用；襯砌排水管破裂，導(dǎo)致水流沿施工縫流出。

2)混凝土自防水 隧道局部襯砌混凝土的抗?jié)B性能較差，未達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)自防水要求，致使圍巖裂隙水從混凝土或裂縫處滲漏；隧道裂縫較多，襯砌中富裕水量沿裂縫漫流。

3)地下水發(fā)育 圍巖中裂隙發(fā)育，地表覆蓋層透水性好，由于降雨下滲補(bǔ)給，導(dǎo)致隧道圍巖及山體含有較大貯量的裂隙水與孔隙水。

2.3.5鉆芯取樣

對(duì)仰拱鉆芯取樣15處，鉆芯長(zhǎng)度不小于設(shè)計(jì)長(zhǎng)度。仰拱厚度滿足設(shè)計(jì)要求，且現(xiàn)場(chǎng)未發(fā)現(xiàn)隧道仰拱底鼓、開(kāi)裂等現(xiàn)象。

2.4 技術(shù)狀況評(píng)定

為定量評(píng)定土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況，采用最差段落評(píng)分法[15]，按下式計(jì)算：

(1)

式中：wi為分項(xiàng)權(quán)重；JGCIi為分項(xiàng)狀況值，值域0～4，JGCIi=max(JGCIij)。

評(píng)定結(jié)果如表1所示。

表1 隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定

由式(1)計(jì)算得土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分為62.5，由于襯砌狀況值達(dá)到3，結(jié)合JTG H12—2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)應(yīng)土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況直接評(píng)為4類(lèi)。

3 維修加固方案

根據(jù)觀察缺陷、檢測(cè)缺陷及病害分析，遵循因地制宜、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理、高效安全、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的原則，制定維修加固方案。

3.1 襯砌厚度不足處治

3.1.1全斷面換拱

對(duì)局部缺陷嚴(yán)重部位采用臨時(shí)鋼架支撐，防止裂縫繼續(xù)擴(kuò)展和掉塊脫落，確保施工安全。采用4m長(zhǎng)φ42×4注漿小導(dǎo)管(縱向間距1m、環(huán)向間距2m)對(duì)處治段周邊圍巖徑向進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)圍巖整體性。注漿環(huán)固結(jié)后，每3m跳槽由上而下拆除原二次襯砌、防水板及初期支護(hù)，采用6m長(zhǎng)φ32自進(jìn)式中空注漿錨桿(縱向間距1m、環(huán)向間距2m)加固缺陷范圍周邊圍巖，錨桿與徑向注漿導(dǎo)管呈梅花形交錯(cuò)布置。施作I20a鋼拱架，間距50cm，采用連接鋼筋增強(qiáng)其整體性，噴射C25早強(qiáng)混凝土26cm，在初期支護(hù)表面鋪設(shè)Ω形環(huán)向盲管，并接入邊墻底部縱向排水管。初期支護(hù)重新施作后進(jìn)行下一循環(huán)，2個(gè)循環(huán)后進(jìn)行防水板和二次襯砌的施作，二次襯砌采用50cm厚C30鋼筋混凝土襯砌。施工時(shí)避開(kāi)臨時(shí)支撐間隔施工，每段二次襯砌施工完畢后應(yīng)進(jìn)行拱背壓漿，確保二次襯砌厚度及密實(shí)度滿足要求。

3.1.2套襯加固

采用4m長(zhǎng)φ42×4注漿小導(dǎo)管(縱向、環(huán)向間距各1m)和6m長(zhǎng)φ32自進(jìn)式中空注漿錨桿(縱向間距1m、環(huán)向間距2m)加固缺陷范圍周邊圍巖，錨桿與徑向注漿導(dǎo)管交錯(cuò)布置，增強(qiáng)圍巖整體性。鑿毛二次襯砌表面，在鉆孔出水處埋設(shè)環(huán)向排水盲管引排滲漏水。涂刷2mm厚界面劑，安裝7.937cm高輕型鋼軌，拱架縱向間距為0.5m，采用鋼筋連接，環(huán)向采用φ20鋼筋錨固于原二次襯砌混凝土中，間距50cm；噴射12cm厚C30鋼纖維混凝土，噴射混凝土兩側(cè)與原內(nèi)輪廓平緩順接，采用聚合物砂漿平整表面，恢復(fù)涂裝。

3.1.3噴射鋼纖維混凝土補(bǔ)強(qiáng)

鑿毛二次襯砌，修補(bǔ)襯砌裂縫，對(duì)背后脫空部位進(jìn)行注漿填實(shí)。在鑿毛面上涂刷2mm厚界面劑，安裝擴(kuò)底錨栓，錨固深度≥10cm，錨固間距為65cm×65cm，呈梅花形布設(shè)，掛設(shè)φ12鋼筋網(wǎng)片，間距為20cm×20cm，噴射10cm厚C30鋼纖維噴射混凝土(添加8%水泥用量的無(wú)堿速凝劑)。采用聚合物砂漿平整表面，恢復(fù)涂裝，如圖1所示。

圖1 二次襯砌噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

3.1.4鋼板鋼帶補(bǔ)強(qiáng)

環(huán)向鋼板為寬25cm、長(zhǎng)6.0m、厚5mm的Q345鋼板，分段處采用平口焊接連接鋼板，鋼板縱向間距為65cm?？v向連接鋼帶為長(zhǎng)0.9m、寬25cm、厚5mm的Q345鋼板，環(huán)距為1.05m，搭接長(zhǎng)度為25cm；鋼帶采用專用粘鋼膠與襯砌混凝土黏結(jié)牢固，拱部及邊墻采用φ16×200螺栓固定，采用聚合物砂漿抹平鋼帶加固段襯砌表面，恢復(fù)涂裝，如圖2所示。

圖2 鋼板鋼帶補(bǔ)強(qiáng)(單位：cm)

3.2 裂縫處治

寬度<0.3mm的裂縫采用專用裂縫膠灌注封閉，并加強(qiáng)后期觀察；寬度≥0.3mm的裂縫采用低壓慢注修補(bǔ)法。裂縫封閉前，從上而下清理兩側(cè)5cm范圍內(nèi)的灰塵、浮漿，然后用丙酮擦洗清除裂縫周?chē)臀?。裂縫封閉時(shí)，從上至下沿裂縫涂抹封縫膠，寬2～3cm，厚2mm，沿裂縫順直涂刷，保證表面美觀，如圖3所示。

圖3 裂縫處治

1)環(huán)向裂縫 貫通性裂縫的危害較大，沿裂縫方向鑿成V形槽，在槽內(nèi)騎縫鉆孔，在孔內(nèi)插入壓漿管，利用環(huán)氧樹(shù)脂水泥砂漿錨固，用灰刀將砂漿壓實(shí)抹光。待環(huán)氧樹(shù)脂砂漿有一定強(qiáng)度后，壓入水泥-水玻璃漿液或環(huán)氧樹(shù)脂漿液。

2)縱向裂縫 襯砌縱向開(kāi)裂除對(duì)裂縫本身進(jìn)行上述壓漿堵縫外，在襯砌開(kāi)裂范圍內(nèi)采取錨桿加固措施。

3.3 襯砌脫空處治

襯砌背后脫空部位采用φ42鋼花管注M30水泥砂漿加固，灌注壓力≤0.3MPa。按由下向上、由少水處向多水處、先兩端后中間順序施工；地下水富集、有水壓段落，先設(shè)置泄水孔排水，再進(jìn)行灌注，如圖4所示。

圖4 襯砌脫空處治

3.4 滲漏水處治

采用斜縫注射聚氨酯類(lèi)發(fā)泡膠液封堵。注漿孔間距30cm，從下至上，先封堵裂縫，注漿壓力≤0.5MPa，直至漿液溢出注漿孔，停止注漿；封縫采用環(huán)氧砂漿。鑿出深50mm、內(nèi)大(150mm)外小(100mm)的倒梯形槽；注漿完畢后，在槽內(nèi)及周?chē)钊酆衔锷皾{。

1)線狀滲漏水 沿裂隙鑿槽間隔1m埋設(shè)鋁質(zhì)注漿管，用水泥-水玻璃雙液漿回填、封堵。

2)點(diǎn)狀滲漏水 用電鉆在出水口鉆孔，將水用管導(dǎo)出，在出水孔周?chē)徤?cm、直徑≥15cm的圓形凹面，用防水灰漿涂刷，用雙快水泥砂漿封堵并埋設(shè)鋁質(zhì)鋼管進(jìn)行注漿，如圖5所示。

圖5 滲漏水處治設(shè)計(jì)

3.5 其他

1)疏通洞口、洞頂截水溝，防止水流對(duì)邊坡的沖刷；護(hù)坡破損處應(yīng)先回填脫空部分，再進(jìn)行修復(fù)處理。

2)對(duì)洞門(mén)松動(dòng)瓷磚進(jìn)行錨固處理，并修復(fù)破損、剝落瓷磚。

3)修復(fù)缺失、塌陷、翹起的檢修道蓋板，確保檢修人員安全。

4)徹底清理隧道內(nèi)左、右兩側(cè)排水邊溝。

5)對(duì)開(kāi)裂的保溫板進(jìn)行螺栓加固處理，對(duì)涂層剝落處鏟除剝落周邊松動(dòng)的涂層，做修復(fù)處理。

4 結(jié)語(yǔ)

1)隧道裂縫主要為環(huán)向裂縫，分布在拱腳(起拱線)范圍；襯砌厚度不足、脫空主要分布在拱頂范圍；滲漏水多發(fā)生于拱腳處。

2)針對(duì)襯砌厚度不足，根據(jù)情況采用全斷面換拱、套襯加固、噴射鋼纖維混凝土補(bǔ)強(qiáng)、鋼板鋼帶補(bǔ)強(qiáng)等措施；裂縫采用切槽注膠封閉；襯砌脫空采用注漿填充；滲漏水采用切槽引排，并進(jìn)行注漿封閉。