G4216仁沐新高速公路太平隧道仰拱填充開裂隆起病害分析及處治研究

孫建華

（四川仁沐高速公路有限責任公司，四川成都 610047）

0 引言

G4216成（都）麗（江）高速公路仁（壽）沐（川）新（市）段太平隧道位于宜賓市屏山縣太平鎮(zhèn)，隧道施工過程中，已經(jīng)完成仰拱填充和二次襯砌的段落出現(xiàn)了仰拱隆起病害，存在安全和質(zhì)量隱患，通過對病害原因分析、采取試驗確定處治方案，對病害進行處治，為同類型隧道仰拱隆起病害處治提供了參考。

1 隧道基本情況

1.1 隧道設計基本情況

太平隧道左線長5 309m（ZK151+602—ZK156+911），右線長5 295m（K151+600—K156+895），為分離式隧道，洞身段設計均為Ⅳ、Ⅴ級圍巖，主要以粉砂質(zhì)泥巖夾細砂巖為主，最大埋深376m，人字坡排水，坡度0.7%、-1.8%。隧道凈空面積78.23m2，共計8處人行橫道，7處車行橫道。進口為端墻式洞門，出口為削竹式洞門。

1.2 隧道地質(zhì)情況

場地內(nèi)地層主要為新生界第四系全新統(tǒng)人工填筑層（Q4me）、滑坡堆積層（Q4dc1）、崩坡積層（Q4c+d1）及中生界白堊系下統(tǒng)夾關(guān)組（Krj）、侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）、中統(tǒng)遂寧組（J2sn）[1]。

地質(zhì)構(gòu)造：靛蘭壩—中和莊向斜與中都斷層從場地穿過。靛蘭壩—中和莊向斜與線位交叉于K153+069（ZK153+103），中都斷層位于隧道進口段左側(cè)外100m處[1]。

太 平 隧 道 左 線ZK151+802—ZK152+540、右 線K151+780—K152+500設計圍巖為Ⅳ級，洞身圍巖為粉砂質(zhì)泥巖夾細砂巖，屬軟巖～較軟巖，薄層～中厚層狀不等厚互層構(gòu)造，巖體較完整，層間距結(jié)合一般，局部構(gòu)造裂隙較發(fā)育，巖體以薄至厚層狀結(jié)構(gòu)為主，局部呈鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)。場地地下水豐富，位于粉砂質(zhì)泥巖中地下水以淋雨狀涌水為主，位于厚層砂巖中以股狀涌水為主，局部可能存在承壓水[1]。

1.3 仰拱設計情況

隧道仰拱及填充設計情況：仰拱Z4a（Ⅳ級圍巖淺埋段）及以上采用C30鋼筋混凝土，內(nèi)弧半徑1 500cm。填充采用C15混凝土。

2 隧道仰拱填充隆起病害現(xiàn)象及原因分析

由于圍巖性質(zhì)、隧道所處地質(zhì)條件和應力狀態(tài)不同，隧道仰拱變形的類型和機制均不相同[2]。紅層地區(qū)的隧道仰拱填充隆起病害。主要由圍巖含水率增加導致圍巖強度降低，引起圍巖塑性變形增加[3]、構(gòu)造影響等因素。太平隧道仰拱填充隆起就具有上述因素的影響。

2.1 病害基本情況

2020年10 月，承包人發(fā)現(xiàn)隧道部分段落仰拱存在不同程度的開裂情況，部分導線點高程也存在隆起情況。

隆起開裂段落主要集中在隧道進口左線ZK152+330-ZK152+480段150m，進口右線K152+310—K152+480段，出口右線K156+175-K155+935段，出口左線相同里程段仰拱也各有3～4處開裂現(xiàn)象。裂縫寬約4～13mm。其中，進口左線ZK152+439仰拱施工縫兩側(cè)形成約4.3cm錯臺，ZK152+397處襯砌側(cè)溝處開裂處混凝土鑿除后，外露襯砌主筋呈彎折狀。

截至2021年12月，共監(jiān)測到仰拱隆起段落1 160m，進出口四個隧洞均有分布，隆起最大值由最初的10.07cm，發(fā)展為目前最大的37.7cm，裂縫寬度約為0.5～5.4cm，深度發(fā)展方向不規(guī)則；二襯部分段落有斜向裂縫，襯砌凈空最大沉降值為2.19cm，最大收斂值為5.03cm；隆起和開裂及沉降等最大值均在進口段落。

2.2 仰拱隆起病害原因分析

太平隧道自發(fā)現(xiàn)仰拱隆起開裂問題以來，參建各方及第三方監(jiān)測等單位多次現(xiàn)場進行踏勘調(diào)研，并先后組織3次專家現(xiàn)場踏勘會審，認為病害原因主要為以下四個方面：

（1）隧道穿越段位于向斜核部附近，且有中部斷層于隧道左側(cè)近平行穿越，受構(gòu)造影響，洞內(nèi)圍巖節(jié)理極為發(fā)育，巖體破碎。

（2）隧道位于向斜富水構(gòu)造內(nèi)，地下水相對豐富，且具承壓性，破碎軟質(zhì)巖體中水體滲流較強，且遇水極易軟化，造成仰拱地基承載力不足，此系紅層富水隧道仰拱病害的主要原因之一。

（3）出口巖體為單斜地層，圍巖為粉砂質(zhì)泥巖夾細砂巖，為軟質(zhì)巖，局部節(jié)理裂隙密集帶發(fā)育，巖體破碎，水體通過節(jié)理裂隙通道下滲，從而導致地基積水軟化。

（4）基底巖性不均，軟化程度差異大，易引起結(jié)構(gòu)不均勻變形。

3 隧道仰拱填充隆起病害處治方案情況

根據(jù)分析的病害原因，結(jié)合實際情況，確定采取試驗段處治，經(jīng)觀測分析后，再行確定最終的處治方案。

3.1 試驗段第一階段處治方案

仰拱填充變形隆起處治試驗段的第一階段處治方案為：ZK152+379—ZK152+391、ZK152+439—ZK152+451兩段共24m仰拱變形較嚴重段落進行試驗處治。在試驗段仰拱填充隆起段電纜溝底處打設長4m、間距1.5m的φ168×6mm鋼管樁，豎向夾角15°鉆孔。鋼管樁加固完成后對仰拱基底進行注漿，注漿孔采用φ75鉆孔，鉆孔深度1.6m深，鉆孔平面布置橫縱間距為0.9×1m，鉆孔完成后采用純水泥漿（W/C=0.4～0.6）注漿，注漿壓力為0.5～2.0MPa[4]。

試驗段施工完成后對該段落加強監(jiān)控量測，經(jīng)過19d的持續(xù)沉降觀測，試驗段隆起速率變緩，但還存在蠕變。

3.2 第二階段處治方案

鑒于仰拱填充隆起開裂處治方案，處治過程均需要對仰拱兩側(cè)設置支撐，并對初支鋼架進行鎖腳，控制變形發(fā)展的同時還要保證處治措施實施過程中二襯的安全。鑒于第一階段試驗處治效果不理想，因此決定實施第二階段處治方案：隧道仰拱填充隆起段（左線ZK152+325—ZK152+485段，右線K152+305—K152+485共計340m）電纜溝底處打設長4.5m、間距1.0m的φ168×6mm鋼管樁，鋼管樁豎向夾角15°與30°交錯布置，邊墻鋼管樁施作后應加強仰拱填充隆起的監(jiān)控量測工作[4]。同時對仰拱填充隆起段進行仰拱完整性檢測，根據(jù)檢測結(jié)果進一步確定處治方案。

3.3 試驗段實施效果

第二階段方案處治后，經(jīng)對隧道仰拱填充隆起段進行持續(xù)30d沉降觀測，數(shù)據(jù)顯示進口左洞最大隆起值在ZK152+380處，隆起值為5.58mm，進口右洞最大隆起值在K152+480處，隆起值為14.01mm；觀測結(jié)果表明，完成處治方案段的仰拱填充隆起速率減緩明顯，但部分段落還存在變形。通過觀測發(fā)現(xiàn)，仰拱填充隆起延伸段持續(xù)隆起值較大。其中，進口左洞ZK152+280處累計隆起11.27mm、ZK152+510處累計隆起30.3mm；進口右洞K152+185處累計隆起31.81mm、K152+220處累計隆起25.19mm、K152+300處累計隆起28.11mm、K152+505處累計隆起9.34mm；出口左洞最大隆起值在ZK156+054，隆起值為26.27mm，出口右洞最大隆起值在K156+040，隆起值為27.5mm。

自仰拱填充隆起出現(xiàn)至仰拱填充隆起處治實施結(jié)束，一直持續(xù)測量仰拱填充隆起沉降，通過沉降測量數(shù)據(jù)分析，仰拱填充隆起處治方案實施后，仰拱變形速率明顯減緩，但還存在蠕變情況。仰拱隆起情況趨緩，但仍在緩慢變化，未徹底穩(wěn)定。

4 結(jié)合試驗段及鉆芯情況確定處治方案

4.1 鉆芯驗證

根據(jù)試驗段兩階段處治的情況，為進一步分析開裂原因，決定對仰拱填充隆起開裂段進行地應力測試和仰拱曲率鉆芯驗證，在進口左洞ZK152+487、右洞K152+450、K152+479鉆孔取芯，每個樁號位置取4孔驗證，4個孔相對隧道中心位置為中線左右偏距1.8m兩個孔，中線左右偏距3.3m兩個孔，拱取芯成果匯總見表1。

表1 太平隧道仰拱變形段取芯成果匯總

表1 續(xù)

從鉆芯情況看，仰拱施工曲率與設計曲率基本一致。

4.2 針對隆起病害情況擬定處治方案

結(jié)合已施工處治措施情況及仰拱鉆芯情況，根據(jù)仰拱填充隆起開裂不同程度，擬定如下處治方案。

4.2.1 仰拱填充隆起嚴重段仰拱處治方案（YZ）

二襯仰拱矮邊墻處設置2排φ168×6mm鋼管樁，鋼管樁單根長度4.5m，間距100cm，如圖1所示。仰拱及仰拱填充拆除重建，拆除過程中加強監(jiān)測，按6m一段進行拆除。仰拱拆除后進行清底，鋪15cm碎石墊層，然后噴C25混凝土10cm。底部打設φ168×6mm鋼管樁，孔徑250mm，鋼管樁單根長度4.5m，正三角形布置，間距1m，鋼管樁頂部伸入二次襯砌仰拱并與仰拱鋼筋焊接，如圖2所示。仰拱襯砌無鋼筋段落增設鋼筋。根據(jù)仰拱拆換中仰拱完整性進一步確定拆換段落[4]。

圖1 矮邊墻設置鋼管樁

圖2 底部打設鋼管樁

4.2.2 仰拱填充隆起輕微段仰拱處治方案（QW-1，QW-2）

（1）QW-1處治方案

二襯仰拱矮邊墻處設置1排φ168×6mm鋼管樁，鋼管樁單根長度4.5m，間距100cm，如圖3所示。在路面范圍增設φ168×6mm鋼管樁，鋼管樁單根長度4.5m，正三角形布置，間距100cm，如圖4所示[4]。

（2）QW-2處治方案

二襯仰拱矮邊墻鋼管樁施工按照YZ方案，路面范圍鋼管樁施工按照QW-1處治方案進行處治。

圖3 矮邊墻設置鋼管樁

圖4 路面范圍設鋼管樁

5 隆起病害處治效果

在太平隧道右洞進口段K152+461—467和K152+442—449里程段落各施工6m拆換段，該段落仰拱設計參數(shù)為Z5c，隆起累計24.2cm，填充頂面裂縫約4～5cm；仰拱破拆后發(fā)現(xiàn)，基底受水浸泡，混凝土與巖層交界面有地下水縱向流通，隨后進行了隧底鋼管樁及仰拱重新施工，在每段布設8個監(jiān)測點，經(jīng)持續(xù)10日檢測，兩段最大隆起分別為6.35mm（K152+464）和2.56mm（K152+446）。

經(jīng)第三方監(jiān)測單位對太平隧道進口右線拆換的仰拱持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，除個別斷面鋼管樁應力尚存在變化外，大部分斷面鋼管樁應力未見明顯變化趨于穩(wěn)定。

從目前的監(jiān)測情況分析，按照設計明確的處治方案實施后的效果基本達到預期要求。對隆起病害處治段落進一步加強監(jiān)測和分析，并適時細微調(diào)整局部處治方案。

6 結(jié)語

隧道仰拱隆起病害不僅制約工程進度、增加工程費用，如果處治不及時、不徹底，將存在嚴重的安全隱患。因此，在隧道設計時，應進一步加強地勘工作，探明施工區(qū)內(nèi)地質(zhì)情況，為設計提供充足的依據(jù)。當施工或營運過程中發(fā)現(xiàn)隧道仰拱隆起，必須第一時間了解分析病害成因，針對不同的情況制定切實可行的處治方案，最終消除安全隱患，確保工程質(zhì)量和營運安全。