公路隧道襯砌病害分析與處治方案研究

張超，吳華

（1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088）

0 引言

隨著安徽省高速公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展，高速公路隧道數(shù)量逐漸增多，對(duì)我省隧道綜合養(yǎng)護(hù)技術(shù)也提出了更高的要求。根據(jù)近年來(lái)安徽省高速公路隧道定期檢查過(guò)程中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的運(yùn)營(yíng)期隧道存在不同程度的襯砌裂縫、滲漏水等病害問(wèn)題，部分嚴(yán)重的已經(jīng)影響到隧道結(jié)構(gòu)耐久性及行車(chē)安全。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道病害分類(lèi)、原因分析及處治技術(shù)等方面做了較多研究，為隧道養(yǎng)護(hù)提供了參考。李治國(guó)、王亞瓊等[1-2]利用斷裂力學(xué)方法分析了隧道襯砌裂縫的穩(wěn)定性。劉庭金等[3]基于連拱隧道病害調(diào)查結(jié)果初步分類(lèi)了襯砌開(kāi)裂和滲漏水的原因。佘健等[4]根據(jù)隧道病害產(chǎn)生的環(huán)境和結(jié)構(gòu)條件將病害劃分為4 個(gè)等級(jí)，給出了隧道病害的通用處治方法。吳夢(mèng)軍等[5]在全面分析各類(lèi)型隧道病害原因的基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的處治技術(shù)。劉海京等[6]在系統(tǒng)分析了隧道病害特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了病害研究的總體思路。楊明舉等[7]針對(duì)隧道二襯大面積開(kāi)裂的情況提出了采用環(huán)氧樹(shù)脂充填裂縫、環(huán)向鋼板箍貼二襯的處治方案。劉燕鵬等[8]探討了隧道運(yùn)營(yíng)期襯砌病害的處治方法。張民慶等[9]分析研究了3 座特殊條件下鐵路隧道二次襯砌嚴(yán)重開(kāi)裂的原因與處理方案。袁飛[10]對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)性的開(kāi)裂，改進(jìn)了傳統(tǒng)的套拱加固方法。高斌等[11]通過(guò)采用綜合檢測(cè)方法，研究確定了隧道技術(shù)狀況，并采取了有效的處置對(duì)策。楊春平等[12]針對(duì)隧道二次襯砌邊墻嚴(yán)重開(kāi)裂變形段落，采用了重新澆筑二襯與低預(yù)應(yīng)力錨桿及粘貼鋼帶加固的方法。

本文以G35濟(jì)廣高速公路安徽段桃墅嶺隧道襯砌病害問(wèn)題為背景，針對(duì)隧道定期檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的襯砌病害問(wèn)題，通過(guò)外觀檢查、雷達(dá)檢測(cè)等手段，系統(tǒng)分析了隧道襯砌病害產(chǎn)生的原因，研究制定了隧道襯砌病害處治方案，取得了良好的效果。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)概況

桃墅嶺隧道是安徽省池州市境內(nèi)G35 濟(jì)廣高速公路上的一座分離式特長(zhǎng)隧道，隧道采用雙向四車(chē)道標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，桃墅嶺隧道于2008 年建成通車(chē)。隧道左洞長(zhǎng)3032m，隧道右洞長(zhǎng)3014m。隧道建筑限界凈寬10.25m，凈高5.0m。根據(jù)詳勘地質(zhì)資料顯示，隧址區(qū)進(jìn)、出洞口表層主要為第四系殘坡積層（Qel+dl），下伏基巖主要為薊縣-長(zhǎng)城紀(jì)地層牛屋組（Pt2n）變質(zhì)粉砂巖，局部基巖裸露，隧址區(qū)無(wú)區(qū)域斷裂通過(guò)，圍巖級(jí)別以Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級(jí)為主。地下水類(lèi)型主要為基巖風(fēng)化裂隙水，受大氣降水補(bǔ)給，地下水對(duì)鋼筋、混凝土均無(wú)腐蝕性。

1.2 隧道襯砌支護(hù)參數(shù)

隧道按新奧法原理設(shè)計(jì)，采用柔性支護(hù)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)合式襯砌，即以系統(tǒng)錨桿、噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)、工字鋼、格柵拱架等為初期支護(hù)，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次襯砌。根據(jù)本隧道圍巖級(jí)別確定的襯砌類(lèi)型劃分為F5a、F5b、F4a、F4b 以及F3b 型襯砌，各類(lèi)型襯砌支護(hù)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道支護(hù)參數(shù)表

2 襯砌病害情況及原因分析

2.1 隧道襯砌病害狀況

桃墅嶺隧道在2021 年定期檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隧道右線(xiàn)K937+760～K937+772 段襯砌出現(xiàn)開(kāi)裂、背后空洞及脫空現(xiàn)象（圖1），洞頂處裂縫沿隧道中線(xiàn)呈不規(guī)則變化，最大縫寬2cm，裂縫最長(zhǎng)達(dá)11.8m，該段距進(jìn)洞口約200m，圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，二次襯砌采用35cm 厚C25素混凝土。

圖1 隧道襯砌縱向、環(huán)向裂縫

2.2 雷達(dá)檢測(cè)情況

2.2.1 雷達(dá)測(cè)線(xiàn)布置

針對(duì)桃墅嶺隧道二襯開(kāi)裂及脫空范圍較大，為了進(jìn)一步查明隧道病害成因，檢測(cè)單位對(duì)隧道右洞K937+760～K93 7+772段二次襯砌開(kāi)裂及脫空部位進(jìn)行襯砌缺陷檢測(cè)，在隧道拱腰-拱頂共布設(shè)了6 條雷達(dá)測(cè)線(xiàn)，測(cè)線(xiàn)根據(jù)行車(chē)方向沿隧道縱向布置。其中，1#、6#測(cè)線(xiàn)距拱頂4.5m，2#、5#測(cè)線(xiàn)距拱頂2.5m，3#、4#測(cè)線(xiàn)距拱頂1.0m，雷達(dá)測(cè)線(xiàn)布置如圖2所示。

圖2 雷達(dá)測(cè)線(xiàn)立面布置示意圖

2.2.2 雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果顯示（如圖3～6所示），2#、3#、4#測(cè)線(xiàn)位置處襯砌開(kāi)裂、表層脫空及背后空洞較為嚴(yán)重，且裂縫、表層脫空及背后空洞均集中于拱頂部位。隧道K937+760～K937+772 段襯砌病害檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

圖3 1#測(cè)線(xiàn)波譜圖

表2 隧道襯砌病害檢測(cè)結(jié)果

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、定期檢查報(bào)告及雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，K937+760～K937+772 段襯砌存在多處開(kāi)裂、背后空洞現(xiàn)象，導(dǎo)致襯砌厚度嚴(yán)重不足，該段屬于結(jié)構(gòu)性損壞。

2.3 襯砌病害成因分析

根據(jù)桃墅嶺隧道病害情況，結(jié)合定期檢測(cè)及雷達(dá)檢測(cè)報(bào)告，初步分析隧道襯砌病害成因主要分為以下幾種。

①襯砌周?chē)鷩鷰r壓力及地下水共同作用影響的結(jié)果。隧址區(qū)圍巖主要為變質(zhì)粉砂巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，強(qiáng)降雨后地下水水壓增大，容易導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂。

②襯砌施工質(zhì)量較差。襯砌施工控制不規(guī)范，降低了襯砌承載能力，導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂。二次襯砌澆筑過(guò)程中，混凝土充填不密實(shí)或二襯臺(tái)車(chē)澆筑支座發(fā)生偏移，造成拱頂混凝土脫空。邊墻或隧底施工不規(guī)范，導(dǎo)致拱腳位置基礎(chǔ)穩(wěn)定性差，邊墻應(yīng)力集中產(chǎn)生縱向、斜向裂縫。

③圍巖和襯砌支護(hù)參數(shù)總體偏弱。圍巖級(jí)別為Ⅲ級(jí)，設(shè)計(jì)采用F3b 型襯砌，初由12cm 厚C20 噴射混凝土、φ22 砂漿 錨 桿（L=2.5m，間 距 120cm×120cm）、φ8 鋼筋網(wǎng)（25cm×25cm）組成，二次襯砌采用35cm 厚C25 素混凝土，無(wú)仰拱。

④結(jié)構(gòu)受力不均。襯砌背后存在空洞、脫空現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)受力不均勻，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生縱向結(jié)構(gòu)性裂縫。

⑤受溫度等周?chē)h(huán)境的影響。部分微小裂縫有可能是混凝土施工時(shí)產(chǎn)生的塑性收縮裂縫，或者是混凝土水化熱導(dǎo)致的溫度裂縫。

3 病害處治方案

3.1 隧道襯砌裂縫補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)

桃墅嶺隧道襯砌裂縫補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，根據(jù)裂縫寬度大小不同，針對(duì)性地提出了3種補(bǔ)強(qiáng)方案。

①對(duì)于寬度≤0.2mm 的裂縫，裂縫表面涂抹裂縫修補(bǔ)膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

②對(duì)于0.2mm＜寬度＜0.5mm 的裂縫，裂縫封閉后，灌注裂縫修補(bǔ)膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。

③對(duì)于寬度≥0.5mm 的裂縫，鑿槽填充封閉后，灌注裂縫修補(bǔ)膠進(jìn)行結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)（如圖4所示）。

圖4 2#測(cè)線(xiàn)波譜圖

圖5 3#測(cè)線(xiàn)波譜圖

圖6 4#測(cè)線(xiàn)波譜圖

圖7 5#測(cè)線(xiàn)波譜圖

圖8 6#測(cè)線(xiàn)波譜圖

圖9 裂縫鑿槽注膠補(bǔ)強(qiáng)示意圖

裂縫處治前，應(yīng)沿裂縫走向鏟除裂縫兩側(cè)各不小于5cm 范圍防火涂料及瓷磚。裂縫處治完成后，對(duì)鏟除的防火涂料及瓷磚進(jìn)行恢復(fù)，防火砂漿及瓷磚的厚度、顏色應(yīng)與既有內(nèi)裝保持一致，保證處治后的美觀。

3.2 隧道襯砌加固設(shè)計(jì)

根據(jù)桃墅嶺隧道病害情況現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、定期檢查報(bào)告及雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果，結(jié)合近年來(lái)國(guó)內(nèi)公路隧道襯砌病害處治的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了六種襯砌加固方法，分別為粘貼纖維復(fù)合材料法、粘貼W 鋼帶（板）法、噴射混凝土加固法、嵌入鋼架加固法、錨桿加固法、套拱加固法等。

本次病害處治方案設(shè)計(jì)在綜合考慮了隧道二次襯砌病害的嚴(yán)重程度、隧道內(nèi)輪廓富余情況、資金投入、交通干擾等因素，對(duì)以上六種加固方案的適用條件、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比選分析后（如表3 所示），推薦采用粘貼W 鋼帶（板）法，粘貼W 鋼帶加固設(shè)計(jì)方案如圖10所示。

圖10 W鋼帶加固設(shè)計(jì)示意圖

表3 隧道襯砌加固方案比選分析

①材料參數(shù)

根據(jù)桃墅嶺隧道定期檢查報(bào)告，本次襯砌強(qiáng)度驗(yàn)算選擇二次襯砌最不利情況下的h=12cm 進(jìn)行計(jì)算，原設(shè)計(jì)隧道襯砌混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，則fcd1=13.5N/mm2，f′cd1=1.33N/mm2。

根據(jù)《礦用W 型鋼帶》（MT/T 861-2000）及處治方案對(duì)W 鋼帶型號(hào)的要求，確定鋼帶的厚度為5mm，寬度為25cm，單片鋼帶有效截面積A=1500 mm2，截面高度為25.5mm，fsp=315N/mm2，取αr=1，b=1000mm，若兩環(huán)鋼帶中心間距為50cm，則Asp=3000mm2。

②襯砌抗彎承載能力計(jì)算

由公式（1）、（2）計(jì)算可得：

x=10.76mm，Md1≤16.65kN·m。

③處治后襯砌承載力計(jì)算

由公式（3）、（4）計(jì)算可得

x=70.0mm，Md1≤80.32kN·m。

經(jīng)計(jì)算，拱部的抗彎承載能力為加固前的4.82 倍，足以抵抗拱部襯砌厚度不足時(shí)內(nèi)側(cè)受彎拉變形發(fā)生的開(kāi)裂破壞。計(jì)算結(jié)果表明，采取粘貼W 鋼帶法可較大提高襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)抗彎拉承載能力。

3.3 隧道襯砌背后空洞處治

襯砌背后空洞注漿是襯砌與圍巖或圍巖與二次襯砌跟初期支護(hù)不密貼，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均勻，采用壓注回填材料改善結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的方法。采用襯砌背后空洞注漿加固應(yīng)符合以下要求。

①注漿孔布設(shè)應(yīng)根據(jù)襯砌背后空洞規(guī)模、位置及施工條件等綜合確定，宜采用梅花形布設(shè)，間距1.5～2.0m，鉆孔位置及間距可根據(jù)空洞檢測(cè)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

②注漿管采用φ42mm 鋼管，注漿管宜深入空洞不小于1/3 處（如圖11），注漿漿液采用1:1水泥漿。

圖11 襯砌背后空洞注漿加固示意圖

圖12 處治完成后的桃墅嶺隧道

③注漿壓力應(yīng)根據(jù)混凝土襯砌厚度和配筋等情況確定。素混凝土襯砌注漿壓力不宜大于0.1MPa，鋼筋混凝土襯砌注漿壓力宜為0.2MPa，注漿壓力具體可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。

④注漿宜采用先下后上的施工順序。

⑤有水壓條件下，宜先設(shè)置排水孔排水，再進(jìn)行注漿。

⑥鉆孔打設(shè)φ42mm注漿鋼管時(shí)應(yīng)

小心施作，鉆孔位置應(yīng)避開(kāi)W 鋼帶及裂縫處，避免刺破防水板影響隧道的防水能力，進(jìn)漿外端應(yīng)設(shè)置與注漿泵相適應(yīng)的注漿接頭。

⑦襯砌背后空洞注漿加固應(yīng)在襯砌裂縫注膠封閉及W 鋼帶加固完成后進(jìn)行。

目前，處治完成后的桃墅嶺隧道運(yùn)營(yíng)正常（如圖7），K937+760～K937+772 段襯砌未出現(xiàn)任何異常，也未發(fā)現(xiàn)其他病害，表明處治效果良好。

4 結(jié)論

本文以桃墅嶺隧道襯砌病害為背景，結(jié)合定期檢查報(bào)告及檢查結(jié)果，系統(tǒng)分析了桃墅嶺隧道病害成因，針對(duì)隧道襯砌病害情況研究制定了合理的處治方案。

①隧道襯砌病害是由地質(zhì)條件、水文條件、施工質(zhì)量、周?chē)h(huán)境等多種因素共同作用的結(jié)果。

②隧道襯砌裂縫補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，根據(jù)裂縫寬度大小的不同，針對(duì)性地給出了表面涂膠、灌縫補(bǔ)膠、鑿槽注膠等三種裂縫補(bǔ)強(qiáng)方案。不僅補(bǔ)強(qiáng)了襯砌結(jié)構(gòu)，也提升了隧道襯砌的美觀性。

③針對(duì)隧道襯砌病害，結(jié)合以往隧道襯砌病害處治的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了六種襯砌加固方法，并對(duì)該六種加固方案在隧道襯砌病害的嚴(yán)重程度、隧道內(nèi)輪廓富余情況、資金投入、交通干擾等方面進(jìn)行綜合比選分析后，推薦采用粘貼W鋼帶（板）法。

④在隧道襯砌背后空洞處采用注漿加固的方法進(jìn)處治，注漿漿液為1:1 水泥漿，注漿壓力應(yīng)根據(jù)混凝土襯砌厚度和配筋等情況確定，其中素混凝土襯砌注漿壓力不宜大于0.1MPa，鋼筋混凝土襯砌注漿壓力宜為0.2MPa。