隧道洞口段二襯病害評價分析及處治技術(shù)

張龍生,翁賢杰，熊小華，劉軍

1.江西交通咨詢有限公司，江西 南昌 330008；2.江西省交通投資集團有限責(zé)任公司，江西 南昌 330008

0 引言

近年來，我國公路隧道修建數(shù)量增長迅速，受地質(zhì)條件、設(shè)計理念、施工質(zhì)量和運營環(huán)境等多因素影響，隧道運營使用期間二次襯砌裂縫病害較為突出[1-4]，嚴(yán)重影響隧道運營安全。目前國內(nèi)外學(xué)者對運營隧道二襯開裂問題進(jìn)行研究：薛曉輝等[5]對北茹隧道裂縫進(jìn)行調(diào)查分析，基于可拓學(xué)理論評價有裂縫襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性；張素磊等[6]結(jié)合隧道二襯開裂實例，對裂縫進(jìn)行長期監(jiān)測，將裂縫分為周期性變化型、增長型、平穩(wěn)型和閉合型4類，并提出了相應(yīng)的防治措施；楊明舉等[7]、徐林生[8]通過分析地質(zhì)條件和二襯裂縫情況，提出了采用裂縫填塞、粘貼環(huán)向鋼板等處治措施；李宇杰等[9]采用數(shù)值分析方法，研究了纖維布補強對襯砌裂縫的加固效果；裴濤濤等[10]將襯砌裂縫分為無水型和滲漏型，并根據(jù)裂縫不同類型提出了噴錨支護(hù)、套拱或換拱和注漿回填堵漏等整治措施；呂軍等[11]分析了既有隧道的裂損和水害情況，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，綜合考慮裂縫寬度和水害類型，提出了鑿槽嵌縫、錨桿補強等處理措施。

隧道洞口地段埋深淺、地質(zhì)條件復(fù)雜，洞口段二襯病害治理安全風(fēng)險高。目前關(guān)于隧道洞口段病害的治理研究缺乏一定的系統(tǒng)性和可靠性。本文結(jié)合某隧道進(jìn)洞口段二襯開裂病害實例，從二襯裂縫分布、襯砌厚度、鋼筋間距、仰拱回填情況等方面分析襯砌病害特征，采用荷載結(jié)構(gòu)法計算典型病害斷面彎矩、軸力、剪力和安全系數(shù)，評估隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，針對明洞病害段提出了二襯粘貼鋼板加固、拆除重建、以隧道變形動態(tài)監(jiān)測為核心的系統(tǒng)處治技術(shù)，以期為類似病害處治提供參考。

1 工程概況

某隧道是一座分離式四車道高速公路短隧道，左幅起訖樁號為ZK16+650—995，長345 m，右幅起訖樁號為YK16+649.7—994.7，長345 m。左右幅凈距平均9.6 m，為小凈距隧道。隧道洞體最大埋深110 m，山體表面植被發(fā)育，微地貌以丘陵夾沖溝為特征，隧道區(qū)域地形起伏，切割強烈，常見V形溝谷。進(jìn)洞口鄰近溝谷部位，存在地形偏壓。隧道沿線出露基巖地層為強風(fēng)化和中風(fēng)化震旦系砂巖等，覆土層為第四系碎石土。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，褶皺斷裂都較為發(fā)育。

此隧道于2012年12月建成通車，在2019年9月養(yǎng)護(hù)檢查時發(fā)現(xiàn)隧道進(jìn)口右洞端墻開裂，洞口段40.3 m(明洞25.0 m，暗洞15.3 m)范圍二襯出現(xiàn)裂縫、施工縫錯臺開裂病害。連續(xù)監(jiān)測顯示，部分裂縫有繼續(xù)發(fā)展的趨勢，存在較大安全隱患。

2 襯砌結(jié)構(gòu)病害分析

2.1 襯砌裂縫

采用裂縫計、RSM-SY5聲波檢測儀、地質(zhì)羅盤儀等測量襯砌裂縫寬度、長度、深度及裂縫方位角度等參數(shù)，獲取裂縫展布規(guī)律。至2020年1月，YK16+652—673段左拱腰原有3條縱向裂縫長度發(fā)展至11.7 m，最大寬度為5.8 mm，最大深度為281.5 mm；YK16+681—687段拱頂原有縱向裂縫的長度擴展至6.7 m，最大寬度為3.7 mm，最大深度為216.3 mm。新發(fā)現(xiàn)6條較明顯裂縫，其中3條環(huán)向、2條斜向、1條縱向，新增裂縫最長達(dá)8.9 m，部分環(huán)向裂縫已呈連通趨勢。此外，二襯表面還存在滲水、細(xì)小裂紋、偏壓墻及路面開裂等病害。二襯主要裂縫分布特征如表1所示。

表1 二襯主要裂縫分布特征

病害襯砌裂縫多種裂縫形式均有發(fā)育，包括環(huán)向裂縫、縱向裂縫、斜向裂縫，裂縫寬度大多不超過6.0 mm，裂縫深度大多在150～280 mm，長度大多不超過12.0 m。

圖1 二襯各部位厚度檢測結(jié)果

2.2 二襯施工質(zhì)量檢測

2.2.1 襯砌厚度

采用400 MHz地質(zhì)雷達(dá)檢測隧道YK16+649.7—690段二襯邊墻、拱腰和拱頂?shù)暮穸?，檢測結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：YK16+650—674.7段襯砌支護(hù)形式為S0型(明洞)，二襯設(shè)計厚度為60 cm；實際測量YK16+662—674.7段二襯拱腰、拱頂厚度不足，最薄處厚度僅23.0 cm。YK16+674.7—690段襯砌支護(hù)形式為S5型(V級圍巖)，二襯設(shè)計厚度50.0 cm；存在局部厚度不足，實測拱頂厚度最小為43.0 cm。

2.2.2 鋼筋

隧道YK16+650—690段二襯鋼筋數(shù)量及間距檢測結(jié)果如表2所示。

由表2可知：此隧道二襯鋼筋間距未達(dá)到設(shè)計要求，YK16+650—673段未配鋼筋，暗洞段配筋約為設(shè)計配筋的58.0%～74.3%。

對明洞偏壓墻鋼筋分布情況進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)YK16+650—665段偏壓墻無鋼筋，與設(shè)計要求不符。

2.3 仰拱鉆孔取芯

表2 二襯鋼筋數(shù)量及間距檢測結(jié)果

為查明隧道仰拱及基底施工情況，對病害段進(jìn)行路面取芯檢測。每隔10 m設(shè)置1個斷面，各斷面在行車道中心線附近和近排水溝1 m處布置2個取芯孔。鉆孔0～1.1 m內(nèi)取芯可見較完整混凝土，1.1 m以下為破碎混凝土及中-強風(fēng)化狀砂巖；鉆孔未揭露到鋼筋，基底較軟弱，地下水較豐富，仰拱及回填未達(dá)到設(shè)計要求。

3 隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)計算評估

基于病害檢查及二襯檢測結(jié)果，建立病害段隧道結(jié)構(gòu)計算模型，分析病害對隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載力的影響，評價目前隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。

3.1 計算方法

采用荷載結(jié)構(gòu)法分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)承載力比較直觀簡便，應(yīng)用較廣泛[12]。建立隧道病害結(jié)構(gòu)計算模型時，采用梁單元，重點考慮存在的病害對梁單元模擬襯砌結(jié)構(gòu)承載軸向荷載、剪切荷載與彎曲荷載能力的影響。根據(jù)文獻(xiàn)[13]規(guī)范，采用荷載結(jié)構(gòu)法計算復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)時，對Ⅴ級圍巖設(shè)計二襯承擔(dān)70%隧道所承受荷載；對Ⅳ級圍巖設(shè)計二襯承擔(dān)30%隧道所承受荷載。

3.2 斷面選取

根據(jù)二襯厚度、背后脫空和配筋實際檢測情況，選取S0型和S5型2種襯砌中質(zhì)量缺陷最嚴(yán)重的斷面進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算。

YK16+650—673段S0型二襯未配鋼筋。其中，YK16+654斷面病害最為嚴(yán)重，二襯平均厚度最小(僅37.1 cm)，且存在縱向裂縫，深198.6 mm，寬5.2 mm，故選為S0型襯砌驗算斷面。隧道襯砌左側(cè)受偏壓作用，左側(cè)邊坡坡度為40°～45°，S0型襯砌荷載結(jié)構(gòu)計算模型如圖2a)所示。

a)S0 型 b)S5 型圖2 襯砌計算結(jié)構(gòu)模型

YK16+680—690 段S5型二襯鋼筋缺少數(shù)量最為嚴(yán)重，鋼筋實際間距為設(shè)計間距的1.73倍。其中，YK16+682斷面平均厚度最小，為50.2 cm，存在縱向及斜向裂縫，裂縫深276.8 mm，寬3.1 mm，故選為S5型襯砌驗算斷面。計算模型如圖2b)所示。

3.3 材料計算參數(shù)

計算時二襯配筋情況參照實際檢測結(jié)果，未配筋的斷面按素混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算，二襯厚度取實測平均厚度，裂縫位置的襯砌厚度按實際有效厚度與設(shè)計厚度比折減。所選斷面的二襯及圍巖材料參數(shù)如表3所示。

表3 所選斷面二襯及圍巖計算參數(shù)

根據(jù)永久荷載-基本可變荷載計算原則確定混凝土安全系數(shù)。依據(jù)文獻(xiàn)[13]要求，對于達(dá)到抗壓極限強度的混凝土結(jié)構(gòu)，二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為2.4；對于達(dá)到抗拉極限強度的混凝土，二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為3.6。

3.4 計算結(jié)果分析

S0型和S5型襯砌荷載結(jié)構(gòu)彎矩、軸力、剪力和安全系數(shù)情況如圖3、4所示。

a)彎矩 b)軸力 c)剪力 d)安全系數(shù)圖3 S0型襯砌彎矩、軸力、剪力和安全系數(shù)計算結(jié)果

a)彎矩 b)軸力 c)剪力 d)安全系數(shù)圖4 S5型襯砌彎矩、軸力、剪力和安全系數(shù)計算結(jié)果

由圖3可知：受偏壓、裂縫、二襯厚度不足和未配鋼筋質(zhì)量缺陷的影響，YK16+654斷面左拱腰附近最小安全系數(shù)僅為0.98，遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[13]要求的3.60，隧道承載力較小，運營安全風(fēng)險極高。

由圖4可知：因斷面存在裂縫，且實際鋼筋數(shù)量少于設(shè)計要求，鋼筋間距大于設(shè)計配置，YK16+682斷面安全系數(shù)為1.82，低于文獻(xiàn)[13]要求的2.40，有一定的安全隱患?，F(xiàn)場病害調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，此斷面附近表觀病害暫無明顯地發(fā)展趨勢。

4 襯砌病害處治關(guān)鍵技術(shù)

4.1 總體方案

根據(jù)第3章計算結(jié)果，YK16+650—674.7明洞段襯砌安全系數(shù)較低，承載力極低，為防止隧道結(jié)構(gòu)突然破壞坍塌，保證行車安全，應(yīng)及時關(guān)閉隧道，對明洞段二襯拆除重建，徹底根治病害。

YK16+674.7—690暗洞段隧道結(jié)構(gòu)暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)。為保證隧道營運安全，對該段圍巖采用管棚注漿加固，二襯采用粘貼鋼板加固，提高圍巖的自穩(wěn)性和二襯的承載及抗裂能力。

拆除明洞段二襯時，洞口段圍巖將受到一定擾動。處治襯砌病害應(yīng)先粘貼鋼板加固暗洞段，再進(jìn)行明洞段的拆除重建。病害處治過程中，采用全過程監(jiān)測手段，保障施工安全。

4.2 暗洞段圍巖和二襯加固

4.2.1 圍巖管棚注漿加固

圖5 圍巖管棚注漿加固示意圖

在原套拱上方施作新套拱，用于定位并支撐管棚末端。套拱縱向長2 m，采用3榀I16工字鋼，環(huán)向主筋采用直徑22 mm的HRB400鋼筋，底部采用擴大拱腳，套拱基礎(chǔ)采用厚20 cm的 C20混凝土換填加強處理。管棚采用108 mm ×6 mm，環(huán)向間距為50 cm，拱部150°范圍布置，每環(huán)33根；為保證管棚前端可靠支撐于合格二襯段，管棚設(shè)計單根長25 m，仰角角度為10°～15°。管棚注漿壓力為0.5～1.0 MPa，以低壓滲透注漿為主加固圍巖，防止高壓造成漿液堵塞隧道排水系統(tǒng)。管棚注漿完成后，內(nèi)插3根Φ18 mm的HRB400鋼筋，并注入水灰質(zhì)量比為1:1的水泥砂漿，耐久性好的的支護(hù)結(jié)構(gòu)。暗洞段圍巖管棚注漿加固如圖5所示。

4.2.2 二襯粘貼鋼板加固

圖6 粘貼鋼板加固示意圖

對YK16+674.7—690段拱腳以上范圍進(jìn)行二襯全斷面粘貼鋼板加固。鋼板環(huán)向長19.68 m，厚7 mm，縱距為1 m，幅寬250 mm，采用Q345 鋼板。鋼板加固時采用M12化學(xué)錨栓，錨栓沿鋼板中線梅花形布設(shè)，環(huán)向距離為40 cm。注膠孔位于化學(xué)錨栓兩側(cè)，Φ10 mm，間距為20 cm，注膠孔壓入A級粘鋼膠。鋼板加固如圖6所示。

4.3 明洞段二襯拆除重建

暗洞段二襯粘貼鋼板施工完成，靜置養(yǎng)護(hù)，粘鋼膠凝固達(dá)到強度后拆除明洞段二襯重建。為保證拆除施工安全，按照洞口邊仰坡預(yù)加固、臨時支撐鎖口、襯砌逐段拆除和重建襯砌的順序施工。

4.3.1 邊仰坡預(yù)加固

病害處治期間正值雨季，邊坡受雨水沖刷、滲透、浸泡作用，有滑坡、坍塌風(fēng)險。為防止拆除過程中邊仰坡失穩(wěn)，先對邊仰坡進(jìn)行預(yù)加固處理。洞頂回填土以上邊坡8 m范圍采用Φ42 mm注漿小管加固，注漿管長8 m，間距為2 m×2 m，呈梅花形布置。明洞范圍邊仰坡、中間巖柱加固與回填土清除同時進(jìn)行，清除一段加固一段；加固均采用Φ25 mm中空注漿錨桿，錨桿長4.5 m，縱向間距為0.5 m，坡面間距為1 m，坡面掛Φ6 mm鋼筋網(wǎng)，噴射厚6 cm的 C20混凝土。邊仰坡預(yù)加固設(shè)計如圖7所示。

圖7 邊仰坡預(yù)加固示意圖

4.3.2 臨時支撐鎖口

二襯拆除風(fēng)險較大，不可控因素多，為防止拆除引起相鄰二襯的連鎖破壞，在二襯拆除前，對相鄰未拆除襯砌進(jìn)行鎖口。鎖口采用I20b鋼拱架臨時支撐，間距為0.5 m，每次鎖口長5 m，循環(huán)利用。鋼拱架間采用Φ22 mm鋼筋進(jìn)行縱向連接，形成整體。臨時支撐鎖口如圖8所示。

圖8 臨時支撐鎖口示意圖

4.3.3 逐段拆除重建

待二襯臺車拼裝到位、相鄰段臨時支撐鎖口完成和雨水臨時截流等工序施作完畢后拆除二襯。拆除二襯從明暗交接處往洞門端墻方向進(jìn)行，每次拆除按1個循環(huán)縱長1.5 m向前推進(jìn)，嚴(yán)格控制1次拆除長度。當(dāng)累計拆除長度為6 m時(另留1 m二襯端頭封模操作空間)，立即進(jìn)行鋼筋綁扎，及時澆筑二襯混凝土。

爆破振動對右洞襯砌影響較大，因此采用挖掘機裝配破碎鉆頭施工，局部采用風(fēng)鎬清理，環(huán)向拆除。拆除時，先將起拱線以上洞頂拆除，再將兩側(cè)路面以上二襯拆除。施工中，作業(yè)機械在已重新施作二襯的遮護(hù)下進(jìn)行逐步推進(jìn)。洞內(nèi)不得站人，配合人員必須保持30 m以上的安全距離。

4.4 全過程監(jiān)測

布設(shè)監(jiān)測點，對拆除過程中的山體邊坡地表沉降位移、病害段二襯的沉降和收斂、裂縫進(jìn)行全過程監(jiān)測，實時監(jiān)測結(jié)構(gòu)變形相關(guān)信息，規(guī)避結(jié)構(gòu)風(fēng)險。

因全過程監(jiān)測周期長，監(jiān)測項目多、測點多、測期頻和數(shù)據(jù)量大，采用自動化監(jiān)測技術(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)管理及快速分析處理，及時預(yù)判預(yù)警。

4.4.1 監(jiān)測方法及測點布置

采用靜力水準(zhǔn)儀自動監(jiān)測隧道拱頂沉降，設(shè)備量程為200 mm，精度為0.01 mm；采用數(shù)字?jǐn)z像機和標(biāo)識牌自動監(jiān)測斷面收斂，設(shè)備量程為60 m，分辨率為500萬像素。在隧道右進(jìn)洞50 m內(nèi)，每隔10 m設(shè)置1個監(jiān)測斷面，每個斷面在拱頂、拱腰和邊墻布設(shè)5個沉降、收斂監(jiān)測點。

采用裂縫計自動監(jiān)測隧道裂縫，采集數(shù)據(jù)監(jiān)測裂縫發(fā)展情況。安裝裂縫計時，在待測裂縫一側(cè)襯砌上裝載支架，另一側(cè)垂直于襯砌表面安裝裂縫計，裂縫計一側(cè)固定在襯砌結(jié)構(gòu)上，另一側(cè)固定在支架懸臂上。洞口邊仰坡觀測點距地表約1 m，縱向間距為6 m，測點采用鋼筋置于基巖或原狀土層中，四周用混凝土護(hù)??；采用全站儀量測空間變形數(shù)據(jù)，讀取三維空間的位移數(shù)據(jù)。各項監(jiān)測頻率均為1次/(4 h)，監(jiān)測周期為整個修復(fù)過程。

4.4.2 監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)文獻(xiàn)[13-16]設(shè)計要求及類似工程的施工經(jīng)驗，確定本工程隧道警戒累計位移、警戒變化速率、控制累計位移、控制變化速率，如表4所示。

表4 隧道各監(jiān)測參數(shù)的規(guī)范要求

4.4.3 監(jiān)測結(jié)果分析

以YK16+660監(jiān)測斷面為例，2020-04-16—07-30二襯的拱頂沉降、水平收斂、裂縫和附近邊仰坡位移隨時間變化情況如圖9所示。

圖9 YK16+660斷面監(jiān)測變化曲線

由圖9可知：6月11日邊坡加固完成前，受雨季降雨等因素影響，二襯的拱頂沉降、水平收斂、地表邊坡位移和裂縫增長較快；隨著邊坡加固的進(jìn)行，各監(jiān)測項目增長緩慢；期間累計拱頂沉降、收斂、裂縫發(fā)展和邊坡位移分別為3.99、2.73、0.82、8.17 mm，變形速率分別為0.069、0.048、0.014、0.143 mm/d；累計值和變化速率均小于監(jiān)測項目的控制標(biāo)準(zhǔn)。邊坡加固完成后，二襯的累計拱頂沉降、收斂、邊坡位移和發(fā)展趨勢裂縫發(fā)展增長較平緩，變形速率分別為0.032、0.022、0.007、0.009 mm/d。7月13日拆除二襯后，邊坡位移短時有增大趨勢，至7月22日二襯重建完成后，邊仰坡位移基本趨于穩(wěn)定。

因此，采用邊坡預(yù)先加固、臨時支撐鎖口和逐段拆除二襯處治方法，能有效約束二襯結(jié)構(gòu)病害的發(fā)展，使二襯拆除過程處于安全可控狀態(tài)。

5 結(jié)論

1)病害處治應(yīng)遵循探查先行原則，綜合采用裂縫檢測儀、地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔取芯等探查手段，獲取隧道二襯裂縫分布規(guī)律和結(jié)構(gòu)病害情況，為后續(xù)治理提供依據(jù)。

2)基于病害檢查及二襯檢測結(jié)果，以最不利原則(驗算質(zhì)量缺陷最嚴(yán)重斷面)，建立病害段隧道結(jié)構(gòu)的計算模型，采用荷載結(jié)構(gòu)法計算分析隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全性能狀況。經(jīng)計算，S0型襯砌最小安全系數(shù)僅為0.98，安全儲備遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[13]要求的3.60，隧道運營安全風(fēng)險極高；S5型襯砌安全系數(shù)為1.82，低于文獻(xiàn)[13]要求的2.40，有一定的安全隱患。

3)根據(jù)病害段隧道結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)的計算結(jié)果，對未配置鋼筋的明洞段二襯拆除重建，徹底根治病害，并遵循洞口邊仰坡預(yù)加固、臨時支撐鎖口、襯砌逐段拆除和重建襯砌的施工順序，保障安全；對于襯砌安全系數(shù)低于文獻(xiàn)[13]要求的暗洞段二襯，裂縫未現(xiàn)明顯發(fā)展趨勢，采用圍巖管棚注漿和二襯粘貼鋼板加固的雙重加固機制，提高圍巖的自穩(wěn)性和二襯的承載及抗裂能力。

4)病害處治過程中，對山體邊坡累計位移、病害段二襯的沉降和收斂、裂縫等進(jìn)行全過程實時監(jiān)測，保障施工安全。監(jiān)測結(jié)果顯示，累計拱頂沉降、收斂、裂縫發(fā)展和邊坡位移分別為3.99、2.73、0.82、8.17 mm，變形速率分別為0.069、0.048、0.014、0.143 mm/d，累計變形和變化速率均小于控制標(biāo)準(zhǔn)，證明二襯病害系統(tǒng)處治技術(shù)的有效性，可為類似工程提供參考。