暴雨災(zāi)害后隧道病害檢測及隧道健康狀況綜合評價

何維啟

(湖南致力工程科技有限公司 長沙 410018)

0 引言

工程水毀指的是因暴雨、洪水造成路基、路面、橋涵及其他設(shè)施的損毀，隨著山區(qū)高速公路里程的日益增加，水毀災(zāi)害在雨季日益增多[1-3]。隧道洞口水毀病害主要是因?yàn)樗淼肋M(jìn)出口段邊仰坡受洪水沖刷引起垮塌，封堵隧道影響車輛正常通行，嚴(yán)重時邊坡的垮塌會沖擊隧道結(jié)構(gòu)引起襯砌開裂甚至洞口段失穩(wěn)[4-6]。本文從隧道結(jié)構(gòu)、地質(zhì)條件、水文條件等方面對隧道水毀病害成因進(jìn)行了分析，提出了相應(yīng)的處治建議[7-10]。

1 概況

1.1 工程概況

本隧道為雙洞單向公路隧道，左右洞測設(shè)線間距18.95～21.58m，思南段和劍河段都屬于分離式隧道，設(shè)計參數(shù)如表1[11]，隧道洞的設(shè)計見圖1，隧道平面見圖2。

圖1 隧道洞門設(shè)計圖

圖2 隧道平面圖

表1 隧道設(shè)計參數(shù)

隧道劍河端出口處位于一區(qū)域性逆斷層(古樓坪斷層)，地處沖溝邊緣，受古樓坪斷層影響，周圍巖體較破碎，且該地段埋深淺，圍巖成分主要為碎石類土、塊石夾土、壓碎巖組成，無自穩(wěn)能力。因地處沖溝，受降雨及徑流影響顯著，下層巖體遇水軟化，強(qiáng)度降低迅速。經(jīng)幾次降雨，2010年11月12日ZK124+674(YK124+689)～ZK124+684(YK124+699)段隧道仰坡面在開挖過程中出現(xiàn)大規(guī)模坍塌，并在ZK124+621(YK124+636.5)處出現(xiàn)約2m深度錯臺，垮塌量約有7000多立方米。為保證運(yùn)營期車輛通行安全，徹底消除高仰坡可能存在的垮塌對隧道的不利影響，經(jīng)對比分析：對垮塌體進(jìn)行反壓回填，并將大坡梁隧道劍河端ZK124+690(YK124+705)～ZK124+705(YK124+720)段由路基改為隧道，明洞減少2m，增加17m隧道暗洞。

2017年6月29日17時許，隧道出口YK124+900右側(cè)邊坡因強(qiáng)降雨出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象，大量泥土沖落至高速公路上，隧道右側(cè)排水邊溝嚴(yán)重堵塞，導(dǎo)致道路中斷。隧道右側(cè)二襯開裂嚴(yán)重，明顯可見，貫穿至拱頂，邊溝附近路面出現(xiàn)明顯凹陷(圖3)。

圖3 水毀后隧道現(xiàn)場情況

1.2 工程地質(zhì)

1.2.1 地形地貌

隧道進(jìn)口端洞門位于一沖溝左側(cè)斜坡地段，邊坡陡峭，自然坡度為48°左右，最大可達(dá)62°，斜坡地形等高線與路線近垂直相交，坡體主要由薄層塊石、強(qiáng)-中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖組成，淺層裂隙發(fā)育，巖體較破碎。

隧道出口端洞門位于一沖溝左側(cè)斜坡地段，地形等高線與路線近垂直分布，在ZK123+640(YK123+660)處之前，斜坡陡峭，自然坡度在45°左右，坡體主要由碎石類土、強(qiáng)-中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖組成，淺層裂隙發(fā)育，巖體較破碎。

1.2.2 地層巖性

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及鉆孔資料顯示，勘察場地發(fā)育的地層主要為第四系覆蓋層，寒武系下統(tǒng)明心寺—金頂山組的炭質(zhì)頁巖、杷榔組的頁巖。

1.2.3 隧道區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

隧道場地屬于洞口斷層西北側(cè)的揚(yáng)子準(zhǔn)地臺，在隧道出口處發(fā)育一區(qū)域性逆斷層(古樓坪斷層)，該斷層走向?yàn)?0°左右，傾向南東，傾角在42°左右，為一逆斷層，斷層帶周圍巖體破碎，多具擠壓現(xiàn)象。斷層上盤為寒武系下統(tǒng)杷榔組的頁巖，巖體破碎，多呈散體狀，以壓碎巖為主;斷層下盤為寒武系下統(tǒng)明心寺—金頂山組的頁巖，巖體受擠壓現(xiàn)象嚴(yán)重，局部撓曲，巖體較破碎(圖4)。該斷層沿路線分布于ZK124+680(YK124+700)～ZK124+760(YK124+770)段，與路線呈40°左右交角。

圖4 隧道縱斷面圖

隧道主要分布于受構(gòu)造影響的寒武系下統(tǒng)明心寺-金頂山組的炭質(zhì)頁巖中，受古樓坪斷層控制，隧道進(jìn)口地段巖層產(chǎn)狀為260°～272°∠20°，出口地段巖層產(chǎn)狀為279°∠42°。

2 檢測內(nèi)容及方法

確定裂縫的分布及變化情況，查明襯砌開裂原因，為隧道加固處治提供依據(jù)，依據(jù)相關(guān)要求結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，確定檢測內(nèi)容及檢測方法如表2。

表2 大坡梁隧道檢測內(nèi)容及方法

3 檢測結(jié)果

3.1 路面檢查結(jié)果

隧道內(nèi)路面采用瀝青混凝土鋪裝，未發(fā)現(xiàn)明顯滲水及開裂現(xiàn)象，檢查結(jié)果為YK124+700～YK124+705右側(cè)路面破損凹陷S=10m2。

3.2 斷面變形檢測結(jié)果

激光斷面儀掃描結(jié)果顯示，大坡梁隧道斷面在檢測期間未發(fā)生較大變形，但與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)斷面相比拱頂下沉約1cm，兩側(cè)拱腳外擴(kuò)3cm。

3.3 裂縫檢測結(jié)果

裂縫情況如表3，詳見病害展示如圖5。

表3 裂縫檢測匯總

續(xù)表

圖5 襯砌病害展示圖

由圖可見,隧道洞口段左側(cè)YK124+708～YK124+302邊墻位置，施工斜線裂縫交錯發(fā)育,YK124+702～YK124+714右側(cè)滲水較嚴(yán)重，網(wǎng)紋狀裂縫發(fā)育。YK124+693～YK124+699段拱頂裂縫發(fā)育，裂縫貫通，并將拱頂二襯切割成大塊狀。依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，在病害發(fā)生前期襯砌裂縫寬度增速較快，7月8日后日趨穩(wěn)定，但YK124+700.2右邊墻仍在緩慢增長，如圖6和圖7。

圖6 裂縫寬度監(jiān)測變化趨勢圖

圖7 典型雷達(dá)數(shù)據(jù)

3.4 襯砌質(zhì)量檢測結(jié)果

初襯厚度要滿足“平均厚度不小于設(shè)計厚度，60%的檢查點(diǎn)厚度不小于設(shè)計厚度，最小厚度不小于0.5倍設(shè)計厚度且不小于50mm”。初襯厚度掃描共檢測150m，共250點(diǎn)，其中246點(diǎn)厚度大于26cm。

二襯厚度為主控項(xiàng)目，依據(jù)《鐵路隧道工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》主控項(xiàng)目，規(guī)范要求合格率為100%。二襯厚度掃描測線長為3086m，共3086點(diǎn)，其中3081點(diǎn)厚度大于50cm。

二襯配筋采用地質(zhì)雷達(dá)(美國GSSI SIR-3000，天線頻率900MHz)，測線布置：沿隧道縱向拱頂、拱部設(shè)5條測線。由表4可見部分位置隧道二襯鋼筋缺失，不滿足設(shè)計要求。

表4 隧道二襯內(nèi)鋼筋檢測結(jié)果匯總表

3.5 二襯混凝土強(qiáng)度檢測結(jié)果

本次采用回彈法檢測隧道二襯混凝土的強(qiáng)度，檢測結(jié)果見表5。依據(jù)設(shè)計文件，該段二襯為C25鋼筋混凝土，混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求。

表5 隧道二襯混凝土回彈強(qiáng)度檢測結(jié)果

3.6 仰拱質(zhì)量及承載力檢測結(jié)果

仰拱鉆芯檢測及地基承載力檢測共抽檢3個位置鉆取芯樣，對其中2個鉆孔取巖芯進(jìn)行點(diǎn)荷載試驗(yàn)確定基巖承載力，另外1個鉆孔通過重型動力觸探確定地基承載力(桿長3m，打入10cm的錘擊數(shù)N63.5)[12-15]。

3.6.1 重型動力觸探檢測結(jié)果

鉆孔ZK0-2(YK124+711.2距右邊墻2.8m)鉆穿路面層、仰拱及二襯后(共2.1m)揭露為灰黑色碎石土，角礫狀，密實(shí)、潮濕。采用重型動力觸探測試地基承載力，打入10cm的錘擊數(shù)N63.5=24(桿長3m)，依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB 10018-2003)，α=0.952。

依據(jù)規(guī)范，確定碎石土的承載力基本值為0.8MPa。

3.6.2 巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度(Rc)

由于取得的芯樣較破碎無法獲得實(shí)測的Rc值，只能巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度指數(shù)(Is(50))通過公式換算[16-19]：

依據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》 (GB 50007-2011)，確定地基承載力特征值，檢測結(jié)果如表6，地基承載力大于設(shè)計要求的0.25MPa。

表6 仰拱鉆芯檢測結(jié)果

3.6.3 仰拱及仰拱以下襯砌質(zhì)量檢測

(1)鉆芯檢測結(jié)果

ZK0-3(YK124+700.5距右邊墻2.57m)所鉆取的路面、仰拱及襯砌厚度之和為1.3m。ZK0-1芯樣在42cm、147cm處見兩根直徑16mm的鋼筋，ZK0-2芯樣在41cm處見一根直徑16mm的鋼筋，三個鉆孔取芯結(jié)果均未見初襯噴射混凝土。

(2)混凝土強(qiáng)度

通過取芯進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確定混凝土強(qiáng)度，取樣位置為：ZK0-1深度為1.07～1.4m，ZK0-2 深度為1.08～1.4m，ZK0-3深度為0.38～0.76m。試驗(yàn)日期為2017年7月18日，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7。

表7 仰拱混凝土鉆芯強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

3.7 存在的主要缺陷

通過現(xiàn)場檢測，隧道主要存在如下缺陷：

①大坡梁隧道YK124+650～YK124+720存在多條主要裂縫，大部分裂縫趨于穩(wěn)定，只有YK124+700.2右邊墻仍在緩慢增長；

②YK124+690～YK124+720段局部二襯厚度小于50cm；

③受檢斷面在檢測期間未發(fā)生明顯變形，但與設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)斷面相比拱頂下沉約1cm，兩側(cè)拱腳外擴(kuò)3cm；

④YK124+670～YK124+691段雷達(dá)圖像為單層鋼筋反射，YK124+691～ YK124+700段、YK124+708～ YK124+709段無明顯鋼筋反射；

⑤YK124+708處施工縫位置鋼筋完全斷開；

⑥仰拱鉆芯揭示：仰拱以下未見初期支護(hù)。

表8為檢測結(jié)果匯總表。

表8 檢測結(jié)果匯總表

4 技術(shù)狀況評價

4.1 總體評價

結(jié)合檢測結(jié)果及《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(JTG H12-2015)(附錄B 土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn))，其中本次檢測未涉及的分項(xiàng)取狀況值為0，各分項(xiàng)的狀況值如表9所示。

表9 土建結(jié)構(gòu)各分項(xiàng)狀況值

根據(jù)規(guī)范進(jìn)行計算，大坡梁隧道的土建結(jié)構(gòu)評分JGCI為40。

依據(jù)(JTG H12-2015)(表4.5.4-2 土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定分類界限值)，當(dāng)JGCI值不小于40且小于55時，對應(yīng)土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定為4類。

因此，綜合上述情況，YK124+650～YK124+720土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定為4類。根據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)盡快實(shí)施結(jié)構(gòu)病害處治措施，實(shí)施交通管制。

4.2 隧道洞口及仰坡穩(wěn)定性評價

隧道思南端洞門處為淺埋地段，覆蓋層主要為塊石，下伏基巖為強(qiáng)—中風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎，可測巖層產(chǎn)狀為270°∠20°。

隧道劍河端出口段位于大坡梁山體東側(cè)斜坡上，其洞門處位于一斜坡上的沖溝左側(cè)緩坡地段，覆蓋層主要由碎石類土、塊石夾土及薄層黏土組成，下部基巖為薄層的壓碎巖及中—微風(fēng)化炭質(zhì)頁巖，受構(gòu)造影響，巖體裂隙、劈理較發(fā)育，巖層產(chǎn)狀為279°∠49°。

出口段ZK124+650(YK124+660)～ZK124+690(YK123+705)段位于沖溝邊緣，受古樓坪斷層影響，周圍巖體較破碎，且該地段埋深淺，圍巖成分主要為碎石類土、塊石夾土、壓碎巖，無自穩(wěn)能力。

5 開裂原因分析及處治建議

5.1 襯砌開裂原因分析

依據(jù)檢測結(jié)果，大坡梁隧道病害主要為施工縫變形、襯砌開裂、局部路面凹陷、邊仰坡垮塌等。從檢測結(jié)果分析，大坡梁開裂產(chǎn)生的原因是多方面的，主要從以下兩個方面進(jìn)行分析：

5.1.1 地質(zhì)情況復(fù)雜

①2017年6月份以來,貴州全省發(fā)生較大范圍的強(qiáng)降雨天氣過程，全省平均降水量為349.9mm，為1961年以來歷史同期首位。受連續(xù)暴雨影響隧道洞口斷層地質(zhì)受超量雨水劣化，土的力學(xué)性質(zhì)與四五年前施工發(fā)生了變化，導(dǎo)致隧道襯砌局部區(qū)域應(yīng)力集中。

②隧道洞口段YK124+696～YK124+720處于鼓樓坪逆斷層處，隧道洞口右側(cè)存在一沖溝，隧道處淺層偏壓區(qū)段。

③隧道建設(shè)期，YK124+689～YK124+699段隧道仰坡面在開挖過程中出現(xiàn)大規(guī)模坍塌，并在ZK124+621(K124+636.5)處出現(xiàn)約2m深度錯臺，垮塌量約有7000余立方米，洞口段隧道頂部主要為經(jīng)加固處理的塌方體及回填土。

④受本輪暴雨影響,劍河段出現(xiàn)了嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，6月29日下午5時，大坡梁隧道右洞邊坡滑坡災(zāi)害，對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定影響。

5.1.2 隧道質(zhì)量狀況

①YK124+691～YK124+700、YK124+708～YK124+709段雷達(dá)圖像無鋼筋反射，YK124+670～YK124+691 段雷達(dá)圖像為單層鋼筋反射。

②通過鉆芯揭示：隧道仰拱以下未見初襯噴射混凝土。

5.2 處治建議

針對襯砌厚度不足，開裂嚴(yán)重、鋼筋缺失的情況，一般采用鑿除二襯重新施工模筑混凝土或粘貼鋼板加強(qiáng)剛度的方法，對未施工初期支護(hù)的需采用換拱措施。依據(jù)檢測、監(jiān)測及計算成果，結(jié)合工程特點(diǎn)，建議如下[20-25]：

(1)襯砌裂縫處理。沿著裂縫鑿出“V”型槽，深度一般為50～80mm，外口寬80～150mm，把槽內(nèi)浮塵及雜物清理干凈，要求縫面牢固、清潔、平整，不平整處可先用水泥砂漿找平，并使其表面充分濕潤至飽和。

(2)因仰拱以下未見初期支護(hù)，鋼支撐未形成閉環(huán)，對YK124+650～YK124+720段拱腳處進(jìn)行注漿加固，提高鋼支撐的穩(wěn)定性。

(3)因襯砌開裂嚴(yán)重，局部襯砌厚度不足，鋼筋缺失，通過計算及監(jiān)測，襯砌整體穩(wěn)定性欠佳，采用粘貼鋼板法進(jìn)行二襯加固，加強(qiáng)二襯剛度。

(4)建議對變形較大的施工縫、裂縫處理完成后，應(yīng)進(jìn)行變形觀測。對裂縫的寬度及長度是否延伸進(jìn)行觀測。裂縫寬度變化觀測，采用在裂縫兩側(cè)各5cm位置打設(shè)鋼釘，采用游標(biāo)卡尺定期對鋼釘間距進(jìn)行測量，以確定裂縫是否穩(wěn)定，裂縫長度延伸觀測，用固定鋼尺定期測量。

(5)建議進(jìn)行專項(xiàng)加固設(shè)計及加固處治。