六盤山隧道維修加固方案研究

秦 洲,田 正,劉燕鵬

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西西安 710075; 2.中交瑞通路橋養護科技有限公司,陜西西安 710075)

六盤山隧道維修加固方案研究

秦 洲1,2,田 正1,2,劉燕鵬1,2

(1.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西西安 710075; 2.中交瑞通路橋養護科技有限公司,陜西西安 710075)

為了對G312線六盤山公路隧道洞內坍塌、結構開裂、襯砌劣化和背后空洞等病害進行處治,通過隧道檢測、現場踏勘和資料收集,在充分掌握隧址區地質條件、設計施工、維修處治資料的基礎上,對隧道病害原因及其發展進行分析和預測,提出了套拱加固和換拱加固2種處治方案,并從技術標準、施工安全、造價和環保角度進行加固方案論證.結果表明:隧道套拱加固方案在施工安全、造價和環境保護等方面均優于換拱加固方案.

隧道工程;套拱加固;換拱加固;隧道檢測

0 引 言

受地質條件、建設質量和運營環境等因素的影響,大量隧道在投入運營后都存在不同程度的病害.隧道病害會嚴重影響隧道通行質量及結構耐久性,給交通安全帶來隱患.由于隧道的通行環境相對封閉,一旦出現險情,很容易造成交通堵塞、人員傷亡,產生不良的社會影響[1-5].考慮到交通通行壓力、社會影響以及經濟效益等因素,優先采取局部結構維修補強的方法對病害隧道進行加固[6-13].

隧道局部結構維修補強方法對于隧道內病害段落相對集中、種類相對較少、混凝土劣化輕微、襯砌局部侵入內輪廓等病害是適用的;而當病害分布較廣、種類較多、混凝土劣化嚴重、襯砌普遍侵入內輪廓時,這種方式不能進行系統、全面的處治,不但會造成隧道洞內“面目全非”,影響美觀,而且隧道內輪廓還可能出現多次非連續性變截面,嚴重影響行車安全.

對于隧道洞內嚴重的病害,應基于“一次處理、不留后患”的理念,采取整體性結構補強的方法進行處治[14].隧道整體性結構補強的方法主要有套拱加固和整體換拱2種:套拱加固是指在原襯砌表面增設一層拱形混凝土結構,與原襯砌形成共同承載體;整體換拱是對原襯砌進行整體拆除后重新施作.目前,采用整體性結構補強方法進行隧道病害處治的工程實例和研究相對較少,本文以G312線六盤山隧道維修加固工程作為依托,分別從技術標準、施工安全、工程造價和環保要求角度對隧道套拱加固和整體換拱方案進行論證比選.

1 工程概況

六盤山隧道位于G312線寧夏固原市境內,按山嶺重丘區二級公路標準設計建造,為單洞兩車道隧道,全長2 385 m,1997年建成通車.隧道設計速度為40 km·h－1,建筑限界凈寬為10．5 m,凈高為5 m.

隧址處于山嶺重丘區,地質構造復雜,穿越多處斷層和褶皺,圍巖主要為粉砂質泥巖、泥質粉砂巖等,受構造影響穩定性差,類別為Ⅱ、Ⅲ類.地下水以基巖裂隙水為主,對鋼筋混凝土有硫酸鹽類腐蝕作用.

六盤山隧道襯砌內輪廓如圖1所示,可以看到:隧底仰拱埋深較淺,路面中心距仰拱頂面為83 cm;結構相對扁平,不利于隧道斷面整體受力;拱腳二襯與仰拱交接處沒有采取小半徑過渡,易發生應力集中.

該隧道Ⅱ類圍巖段采用礦山法施工,采用厚60～80 cm的鋼筋混凝土襯砌,35 cm厚素混凝土仰拱;Ⅲ類圍巖段采用新奧法原理設計并施工,初支噴射混凝土厚度為10 cm,二襯為45 cm厚素混凝土,仰拱為30 cm厚素混凝土.施工縫均設置止水帶,Ⅲ類圍巖段初支和二襯之間設置防水板;拱腳處設置縱向盲溝,通過橫向管排入中心溝,從而將地下水排出洞外.

隧道施工期間共發生210次塌方,其中大型塌方8次(段),塌腔平均高度為5 m,最大高度約45 m,并伴有涌水、突泥等問題.

圖1 六盤山隧道襯砌內輪廓

由于建設質量及地下水的腐蝕性問題,六盤山隧道在運營過程中不斷出現病害,并進行了相關處治.特別是于2002年、2012年、2014年局部襯砌發生坍塌、掉塊,經檢測后,局部段落采用鋼拱架混凝土套拱進行加固,其余存在風險的段落采用臨時鋼拱架進行支護,如圖2所示.

圖2 襯砌表面臨時鋼架支護

根據《公路隧道養護技術規范》(JTG H12—2015)及隧道現場檢測結果,六盤山隧道土建結構評定等級為5類,建議及時關閉隧道,實施大修或改擴建工程.

2 主要病害情況

2．1 襯砌表觀病害

由隧道檢測和現場踏勘情況可知,六盤山隧道襯砌表觀病害較多,主要表現為以下幾方面.

(1)襯砌劣化嚴重.襯砌混凝土有明顯劣化部分共計100處,且有進一步發展趨勢.病害主要集中在滲漏水發生的位置,腐蝕介質主要為硫酸根離子,水質分析硫酸根離子含量在275～4 071 mg·L－1之間,不同段落地下水對混凝土的腐蝕評價為弱～強腐蝕.腐蝕最深為35 cm,嚴重段落可見鋼筋、圍巖.腐蝕范圍、嚴重程度較前2次檢測結果加重.

(2)襯砌裂縫發育.襯砌開裂普遍,總計683條,縱向結構性裂縫主要發生在邊墻至拱腰位置,縱向裂縫最長為26 m,最寬為25 mm,K1861＋858～K1861＋930段洞身出現嚴重變形、錯臺現象.襯砌裂縫無論數量還是規模均進一步加重.

(3)滲漏水現象明顯.襯砌存在明顯的滲漏水現象,主要以表面浸滲為主,局部滴漏;隧道進出口段襯砌全斷面滲水泛堿;襯砌拱部滲水形成掛冰,危害行車安全.洞身段落存在賦水帶,鉆孔取芯后涌水.

2．2 襯砌結構病害

根據隧道地質條件、施工期塌方位置、地質雷達檢測情況、襯砌表面劣化程度等因素確定襯砌鉆孔取芯位置.本次檢測取芯位置基本涵蓋整個隧道縱向長度,共選取80個斷面,每個斷面設置左邊墻、左拱腰、拱頂、右拱腰、右邊墻5處取芯點,共取芯400處.通過芯樣發現拱部襯砌欠厚現象明顯,最小厚度僅為10 cm.

通過鉆孔取芯的孔洞,用激光測距儀測量襯砌背后空洞深度.空洞規模探測共選取80個斷面,每個斷面沿環向布置拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻5處測點,共計400個測點.通過探測發現,襯砌背后空洞現象普遍,且主要集中在拱部位置,探測到最大空洞直徑為220 cm,大塌方段落空洞內均為碎渣回填.

采用超聲-回彈綜合法對襯砌混凝土強度進行檢測,共檢測118個斷面,每個斷面分別在拱頂、左拱腰、右拱腰、左邊墻、右邊墻5個部位選取一個測區,共590個測區,滿足設計強度的有328個測區,合格率為55.6%,較2012年的合格率67.7%明顯降低,局部位置存在完全劣化現象.

通過對所取芯樣表面碳化深度和地下水對襯砌混凝土的腐蝕深度進行檢測,得到襯砌內外側劣化深度情況.結果表明,襯砌混凝土碳化深度基本在10～30 mm之間,最大碳化深度為50 mm.

采用激光斷面儀對隧道凈空斷面進行檢測,每10 m選取一個斷面,對于侵入內輪廓嚴重部位應適當加密,共計檢測斷面245個(圖3).檢測結果表明,襯砌侵入原設計內輪廓現象較普遍,局部段落侵入內輪廓現象較嚴重,主要發生在襯砌變形嚴重段、既有鋼架噴射混凝土套拱段,最大侵入內輪廓值為64．9 cm.

圖3 隧道局部內輪廓

2．3 隧道路面病害

自2014年六盤山隧道進行路面病害處治后,路面破損、縱橫向裂縫現象在本次現場檢測時再次出現,特別是部分段落行車道中心附近出現長段落隆起、錯臺現象(圖4),最大錯臺5 cm.

圖4 路面隆起、錯臺

隧底地質雷達檢測表明,仰拱結構厚度在15～35 cm之間,普遍偏薄,埋置深度較設計深度淺1～17 cm.

3 主要病害原因分析

通過查閱施工圖、設計變更、竣工圖以及歷年檢測、維修資料,并依據現場檢測結果,分析六盤山隧道主要病害的成因.

3．1 襯砌劣化

隧道襯砌劣化的原因主要有:隧址區地下水中硫酸根離子含量高,對襯砌混凝土具有弱～強結晶性侵蝕作用,導致其疏松,強度逐步降低,滲漏水段落更為顯著;隧址區處于較寒冷地區,凍融作用導致混凝土強度降低;該隧道已運營近20年,混凝土的中性化(碳化)也是混凝土劣化的原因之一.

3．2 襯砌開裂

隧道襯砌開裂的原因主要有:小模板施工接縫多,加之澆筑后養護不到位,易產生裂縫;襯砌背后空洞大小、襯砌厚度的變化會產生應力集中,易引發結構性裂縫;襯砌厚度、強度不足,導致承載力降低,易產生結構性裂縫;仰拱較薄弱或破壞嚴重,對拱腳的約束能力降低,導致邊墻部位易產生結構性縱向裂縫;襯砌混凝土劣化導致強度不足,承載力降低,產生結構性裂縫;基底圍巖承載能力變化不一致,導致沉降不均勻,易產生環向、斜向結構性裂縫;隧址區地質條件復雜,構造發育、圍巖軟弱也是襯砌產生開裂的重要原因.

3．3 襯砌滲漏水

隧道襯砌滲漏水的原因主要有:原設計考慮了防排水措施,但由于施工中控制不嚴,導致防排水設施失效;經長期運營,地下水中的礦物質結晶,導致部分排水系統堵塞;采用礦山法施工的段落防水措施考慮不充分.

3．4 襯砌厚度不足

隧道襯砌厚度不足的原因主要有:施工中襯砌混凝土澆筑控制不嚴;局部可能存在欠挖現象,襯砌澆筑空間不足.

3．5 襯砌背后空洞

隧道襯砌背后空洞的原因主要有:隧道施工較早,施工工法較落后,爆破控制不嚴,超挖后沒有進行及時、有效回填;施工期間發生塌方后,采用大量木材進行支撐,未進行有效回填;隧址區以泥質粉砂巖、粉砂質泥巖為主,圍巖破碎,開挖后易軟化脫落形成空洞.

3．6 內輪廓侵限

隧道襯砌內輪廓侵限主要是由施工控制不嚴、欠挖或模板設置問題導致的.另外,在運營過程中,受圍巖荷載的作用,襯砌結構局部位置因承載能力不足而變形也會導致內輪廓侵限.

3．7 路面病害

重車反復碾壓或基礎不密實,會使隧道路面產生破損、縱橫向裂縫等病害.另外,在軟弱圍巖的條件下,隧底仰拱埋置深度不足,結構扁平不利于受力,同時仰拱強度也不足,在地下水的作用下導致仰拱破壞,路面隆起、錯臺.

4 加固方案設計

對隧道檢測、現場踏勘、資料收集成果的綜合分析表明,六盤山隧道病害情況相當嚴重,襯砌劣化范圍、劣化深度隨著時間逐漸發展,裂縫長度和寬度不斷增加,襯砌內輪廓侵限現象仍在加劇,采用局部結構維修補強方法已經無法系統且全面地進行病害處治.基于“一次處理、不留后患”的處治原則,決定采用整體性結構補強方法進行隧道維修加固,針對六盤山隧道的具體情況,提出套拱加固、換拱加固2套方案.

4．1 技術標準

4．1．1 套拱加固方案技術標準

套拱加固方案是利用原襯砌承載能力對既有襯砌病害進行處治后,沿原襯砌表面增設鋼筋(鋼拱架)混凝土套拱.

考慮到既有襯砌侵入原設計內輪廓現象較嚴重,而且增設套拱后,隧道內輪廓會縮小,為確保建筑限界凈高、凈寬滿足規范要求,將路面高程降低55 cm.同時,重新修筑仰拱時適當加深、加強,一并處理隧底結構薄弱的問題.套拱加固前后內輪廓的對比結果見圖5.

圖5 隧道套拱加固前后內輪廓對比

根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)的要求,并結合實際情況,確定套拱加固后建筑限界凈寬為9.5 m,凈高為5 m,具體如圖6所示.

4．1．2 換拱加固方案技術標準

換拱方案是將原襯砌結構進行整體拆除,對圍巖進行少量擴挖以優化隧道的輪廓斷面,再重新施作隧道襯砌結構.隧道換拱加固后內輪廓見圖7.

圖6 套拱加固后隧道建筑限界

圖7 隧道換拱加固后的內輪廓

換拱加固方案隧道建筑限界與原設計一致,凈寬為10.5 m,凈高為5 m,具體如圖8所示.

圖8 換拱加固后隧道建筑限界

4．2 套拱加固方案

4．2．1 套拱加固設計

設計采用鋼筋(鋼拱架)混凝土套拱,即臨時鋼拱架嵌入套拱內,鋼拱架間距為50 cm和100 cm兩種,分別對應病害嚴重段和病害一般段,鋼拱架之間設置環向主筋.套拱厚度在35～50 cm之間,設置區間主要是適應既有襯砌內輪廓情況,否則既有內輪廓變化較大,進行襯砌修整的工作量大.具體內容如下.

(1)對原襯砌結構上明顯劣化的混凝土進行噴射混凝土置換;對裂縫進行結構補強;對襯砌背后賦水區進行泄水引排,防止腐蝕繼續發展.

(2)對于襯砌厚度過薄的段落和空洞段采用襯砌背后灌注泡沫混凝土、導管注漿預加固等措施進行處治.

(3)對拱腰至邊墻嚴重變形開裂、錯臺段進行襯砌局部置換.

(4)對于鋼拱架噴射混凝土套拱段,由于侵入內輪廓現象嚴重要進行拆除,修整后重新套拱;對襯砌內輪廓局部侵入套拱空間15 cm以上的段落,將相應部位進行鑿除修整.

(5)將路面高程降低55 cm,以保證套拱、仰拱施作空間,并加強仰拱結構.施工前對既有襯砌拱腳采用注漿導管進行鎖腳保護.

(6)在套拱與原襯砌之間設置完善的防排水系統,保證套拱結構在后續運營期的耐久性.

(7)新增套拱結構、仰拱結構、中心排水管等均采用C40高抗硫酸鹽水泥混凝土,防止劣化.

(8)針對隧道冬季氣溫低的情況,對隧道縱向管檢查井、中心排水溝出水口等采取相應的保溫措施.

(9)對六盤山隧道機電設施進行全面改造.

4．2．2 套拱加固計算

(1)隧道病害嚴重段落.鋼筋(鋼拱架)套拱厚度為35 cm,I20a拱架間距為50 cm,套拱彈性模量為34.64 GPa,仰拱彈性模量為34．13 GPa,套拱承擔圍巖松散荷載的比例為80%.

如圖9、10所示,內力計算結果如下:整個襯砌截面受壓,最大受力為0.91 MPa,發生在仰拱處;最小受力為0．38 MPa,發生在拱頂處.彎矩在仰拱拱腳處達到最大值,兩側拱腳內側受拉,最大彎矩為131.4 k N·m.襯砌結構的安全系數為2.61～21.66,大于規范要求的混凝土結構安全系數2.4.

(2)隧道病害一般段落.拱架間距為100 cm,套拱彈性模量為33.07 GPa,仰拱彈性模量為32．82 GPa,套拱承擔圍巖松散荷載的比例為40%.

如圖11、12所示,內力計算結果如下:整個襯砌截面受壓,最大受力為0.52 MPa,發生在仰拱處;最小受力為0.20 MPa,發生在拱頂處.彎矩在仰拱拱腳處達到最大值,兩側拱腳內側受拉,最大彎矩為73.5 k N·m.襯砌結構的安全系數為3.12～39.30,大于規范要求的混凝土結構安全系數2.4.

圖9 病害嚴重段落結構軸力

圖10 病害嚴重段落結構彎矩

圖11 病害一般段落結構軸力

圖12 病害一般段落結構彎矩

經計算,套拱加固方案可以滿足規范的強度安全系數要求.

4．3 換拱加固方案

換拱加固方案是將原襯砌結構進行整體拆除,重新施作隧道襯砌結構.該方案具體內容如下.

(1)襯砌拆除前,沿原襯砌表面徑向施工小導管進行圍巖注漿預加固.

(2)襯砌背后存在中小空洞時,向空洞內泵送泡沫混凝土進行填充;當襯砌背后存在大型空洞時,徑向施工Φ89鋼管進行注漿處理,向空洞內泵送C40抗腐蝕混凝土.

(3)分段拆除原襯砌表面的臨時支護鋼架,然后由拱部、邊墻分部拆除該段襯砌混凝土.

(4)采用機械或人工進行既有襯砌拆除,逐步施工初期支護、仰拱、二次襯砌等結構.

(5)新施做的二次襯砌、仰拱結構、中心排水管等均采用C40高抗硫酸鹽水泥混凝土.

(6)針對隧道冬季氣溫低的情況,在隧道縱向管檢查井、中心排水溝出水口采取相應的保溫措施.

(7)對六盤山隧道機電設施進行全面改造.

5 方案比選

作為隧道整體性結構補強方法的2種思路,2個方案均能夠達到“一次處治、不留后患”的目的,以下從技術標準、施工安全、工程造價和環境保護4個角度進行加固方案比選.

5．1 技術標準

換拱方案維持原設計的標準,套拱方案適當減小了凈寬,但調整后滿足規范要求及實際運營需求,具體如下.

(1)現行《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)要求,設計速度為40 km·h－1的二級公路隧道建筑限界凈寬為9 m,凈高為5 m.六盤山隧道原設計內輪廓空間較大,為套拱加固提供了空間.

(2)青蘭高速公路寧夏段通車后,G312國道六盤山隧道交通量大幅降低(2016年6月為10 842 pcu·d－1,2016年7、8月約為5 200 pcu·d－1),同時該地區正在修建另一條隆徳至張易的二級公路,通車后車流量將進一步下降.

5．2 施工安全

套拱加固方案對既有隧道結構擾動小,能充分利用原襯砌結構,可以有效保障施工安全.換拱加固方案需對既有襯砌結構進行拆除,對襯砌周邊圍巖進行局部擴挖,在新的襯砌結構未施做前,松動圈圍巖將失去承載結構,可能出現變形、失穩及塌方現象,危及施工安全,特別是在既有大塌方段落,這種現象發生的可能性將更大.因此,從施工安全角度而言,套拱加固方案明顯優于換拱加固方案.

5．3 工程造價

套拱加固方案建安費較換拱加固方案節省約7 600萬元;同時套拱加固方案還具有施工快、工期短的優點,預計較換拱加固方案縮短工期12個月,可提前投入運營.因此,從工程造價角度而言,套拱方案明顯優于換拱方案.

5．4 環境保護

套拱加固方案施工時僅拆除隧底部分,而換拱加固方案需拆除既有隧道所有結構,拆除棄渣量大.因此,從環境保護方面而言,套拱加固方案明顯優于換拱加固方案.

綜上所述,隧道套拱加固方案在施工安全、工程造價和環境保護方面,均優于換拱加固方案.雖然在技術標準角度內輪廓寬度小于換拱加固方案,但仍然滿足規范要求和實際運營需求.因此,擬推薦套拱加固方案.

6 結 語

G312線六盤山隧道為早期修建的公路隧道,設計、施工水平均較低,該隧道的多數病害在早期修建的隧道中普遍存在,病害嚴重發育程度可以視為早期隧道病害現狀的代表.本次六盤山隧道維修加固方案研究在充分掌握隧址區地質條件、設計施工、維修處治、病害發展等的基礎上,分析主要病害成因,并結合路段重要性、交通量等情況,合理掌握技術標準進行方案論證.本次加固方案研究對中國早期隧道的病害處治及加固改造工程具有重要的指導作用和參考價值.

[1] 袁 超,李樹忱,李術才,等．寒區老舊隧道病害特征及治理方法研究[J]．巖石力學與工程學報,2011,30(S1):3354-3361．

[2] 耿亞帥．高烈度地震區隧道襯砌背后空洞危害及加固方案優化研究[J]．石家莊:石家莊鐵道大學,2015．

[3] 郝才平,周立德,許鵬飛,等．滬蓉西扁擔埡隧道二襯補強加固處理方案的探討及實施[J]．交通科技,2011(2):66-69．

[4] 鄧星理,張翔杰．云南省祥(云)-臨(滄)公路紅土坡隧道變形原因及加固方案[J]．中國地質災害與防治學報,2005,16(2):74-79．

[5] 趙慶陽．運營期老舊隧道滲漏水病害成因與治理方法研究[D]．濟南:山東大學,2010．

[6] 黃友林,吳連波．公路隧道襯砌開裂和滲漏水的分析和防治[J]．公路交通技術,2008,2(1):115-124．

[7] 王 義,楊 挺,王心聯．城市淺埋隧道的病害整治[J]．現代隧道技術,2010,47(3):103-107．

[8] 李治國,張玉軍．襯砌開裂隧道的穩定性分析及治理技術[J]．現代隧道技術,2004,41(1):26-31．

[9] 秦 洲,張武祥,楊彥民,等．隆務峽1號公路隧道病害治理措施[J]．公路隧道,2006(4):33-37．

[10] 張德峰．富水流砂地層隧道圍巖止水加固方案及變形分析[J]．城市軌道交通研究,2011,14(6):14-19．

[11] 劉永華,秦 峰．G112線波羅諾隧道結構加固方案比選[J]．公路交通技術,2013(6):94-98．

[12] 李恒力,王子鵬．錨噴支護在隧道加固中的應用[J]．公路交通科技:應用技術版,2010(4):170-172．

[13] 韓銀全．武康二線工程既有隧道加固防護施工技術[J]．石家莊鐵路職業技術學院學報,2007,6(1):23-26．

[14] 李慶剛．公路隧道襯砌檢測及維修加固研究[J]．北方交通, 2014(8):125-128．

[責任編輯:王玉玲]

Maintenance and Reinforcement Scheme for Liupanshan Tunnel

QIN Zhou1,2,TIAN Zheng1,2,LIU Yan-peng1,2
(1．CCCC First Highway Consultants Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China; 2．CCCC Ruitong Road&Bridge Maintenance Technology Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China)

In order to deal with the diseases such as collapse,structural cracking,lining deterioration and voids in the back of Liupanshan tunnel of National Highway 312,the cause of tunnel diseases and their development were analyzed and forecast based on the full grasp of the geological conditions of the tunnel area and information about the design,construction and maintenance of the tunnel through inspection,field survey and data collection．Finally,two kinds of treatment schemes,including the overlapped arches reinforcement and the arch replacement reinforcement,were put forward and proved from the technical standard,construction safety, cost economy and environmental protection requirements．The results show that the overlapped arches reinforcement is superior to the arch replacement reinforcement in construction safety, cost economy and environmental protection．

tunnel engineering;overlapped arches reinforcement;arch replacement reinforcement;tunnel detection

U457．3

B

1000-033X(2017)05-0082-07

2016-12-08

國家科技支撐計劃課題(2014BAG01B02)

秦 洲(1977-),男,陜西涇陽人,高級工程師,碩士,從事公路隧道新建和加固方面的設計、科研工作.