高地應力隧道病害檢測及力學特性分析

童波

（呂梁祁縣至離石高速公路建設有限公司，山西呂梁033000）

高地應力隧道病害檢測及力學特性分析

童波

（呂梁祁縣至離石高速公路建設有限公司，山西呂梁033000）

在高地應力隧道施工運營過程中，極易產生一系列病害，例如襯砌裂損及腐蝕、滲漏水等，這些病害嚴重影響了隧道的使用安全，它們的出現不僅大大提高了經濟費用，甚至還可能造成生命財產的損失。為此，依托某高地應力隧道工程實例，采用地質雷達技術檢測病害，并利用數值模擬手段全面評價力學特性。研究結果表明，隧道基底處的主要病害是巖體破碎比較嚴重且富含裂隙水、回填片石不密實、局部存在脫空等；隧道襯砌病害主要表現為裂縫。此外，隧道路面隆起開裂的主要原因是水平地應力過大，所以，在制訂后續處治措施時，需要考慮降低底板處的應力水平。

隧道；雷達檢測；有限差分軟件；力學特性

隨著我國高速公路建設事業的發展，公路隧道的數目也在不斷增加。但是，由于我國公路隧道建設起步比較晚，與發達國家相比，施工設計技術存在一定的差距，再加上巖土工程本身具有隱蔽性，不可避免地會出現或大或小的病害。公路隧道中遇到的病害主要有襯砌裂損及腐蝕、漏水、凍害、震害和空氣污染等，這些病害對隧道施工運營的安全性和舒適性有重要的影響，嚴重時還會危及人們的生命財產安全。近年來，針對公路隧道病害的研究不斷涌現，例如，代高飛等對某高速公路隧道進行現場調查，結合應力分布和受載情況給出病害的位置、成因和治理措施[1]；趙永國等從襯砌裂縫、變形、表面病害和隧道滲漏水4個方面對公路隧道病害進行分類，并詳細描述了各類病害的特征[2]；吳夢軍等總結、分析了現有公路隧道病害的類型、成因和對應的處置技術[3]；來弘鵬等針對新莊嶺黃土公路隧道出現的地表裂縫和襯砌開裂等病害，分別采取十堰和數值仿真手段解釋說明了病害生成的原因[4]。

隧道病害的處理原則是及早發現，及時維護。本文的研究依托某高地應力隧道，深入分析其工程特性，有針對性地應用雷達探測技術監測、分析該隧道13處可能隱患位置，并應用有限差分軟件對該隧道進行數值模擬分析。檢測分析結果和數值研究成果不僅可以為該工程后期的治理和施工提供技術支持，還會對類似工程的處理有一定的指導意義。

1 工程概況

某高速公路隧道為一座上、下行分離的四車道公路短隧道，隧道起訖樁號左線ZK199+394～ZK199+883.54，長473.75 m；右線K199+368～K199+835.15，長451.48 m。該隧道區屬低中山地貌，地形起伏較大。隧址區上覆第四系馬蘭組（Q3）黃土和（Q3）碎石，下伏基巖為白云質灰巖、泥灰巖，巖石節理裂隙較發育。圍巖級別主要為Ⅳ級和Ⅴ級。襯砌內輪廓采用半徑為R＝543/793 cm的三心圓，內輪廓最寬處為10.86 m。

該隧道襯砌結構均按照新奧法原理設計，隧道采用復合式襯砌，即初期支護采用錨網噴混凝土和鋼拱架，在地質條件比較差段輔以不同型式的超前支護，二次襯砌為模筑混凝土或鋼筋混凝土。對于Ⅴ級洞口段圍巖軟弱、壓力比較大的段落，則根據實際情況設置臨時仰拱，以控制圍巖變形。

2 病害檢測結果

地質雷達技術是巖土工程探測隱患的一種常用技術手段[5-6]，工程師通過掃描得到的雷達圖像可以直觀地推斷出不同類型的隱患，從而對后期的施工建設進行指導。本文應用地質雷達探測技術掃描高家河隧道13處位置，其中，位置1至位置5號位于左洞基底處，位置6和位置7號位于右洞基底處，位置8至位置13號位于襯砌拱5處。

2.1 左洞基底病害

左洞基底5個位置雷達掃描具體檢測結果如下：

位置1位于隧道左洞ZK199+590～ZK199+608行車方向右幅路面，圖1給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出該處巖體破碎比較嚴重，富含裂隙水。

位置2位于隧道左洞ZK199+606～ZK199+612行車方向右幅路面，圖2給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出回填片石不密實，局部存在脫空。

位置3位于隧道左洞ZK199+617～ZK199+621行車方向右幅路面，圖3給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出回填片石不密實，局部存在脫空。

圖1 位置1雷達檢測缺陷頻譜圖

圖2 位置2雷達檢測缺陷頻譜圖

圖3 位置3雷達檢測缺陷頻譜圖

位置4位于隧道左洞ZK199+638～ZK199+650行車方向右幅路面，圖4給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出巖體破碎比較嚴重，富含裂隙水。

圖4 位置4雷達檢測缺陷頻譜圖

位置5位于隧道左洞ZK199+642～ZK199+650行車方向右幅路面，圖5給出了該處檢測缺陷頻譜圖，從圖中可以看出回填片石不密實。

2.2 右洞基底病害

位置6和位置7分別位于隧道右洞YK199+575～ YK199+583和YK199+592～YK199+605行車方向右幅路面，圖6和圖7分別給出了兩處檢測缺陷頻譜圖，從兩幅圖中均可以看出巖體破碎比較嚴重，富含裂隙水。

圖5 位置5雷達檢測缺陷頻譜圖

圖6 位置6雷達檢測缺陷頻譜圖

圖7 位置7雷達檢測缺陷頻譜圖

2.3 襯砌病害

隧道襯砌裂縫采用現場觀察記錄法，并用裂縫寬度測量儀對其寬度進行判讀。檢測到的裂縫共計6條，其典型情況如圖8、圖9所示。

圖8 隧道襯砌環向裂縫

圖9 隧道襯砌斜向裂縫

圖8處的裂縫位于高家河隧道ZK199+588處，其為右邊墻至右拱腰一條環向裂縫，長約4.0 m，寬約1.0 mm。圖9處的裂縫位于ZK199+628處，其為左拱腰至右邊墻一條環向裂縫，長11.0 m，寬2.0 mm。以上檢測到的6條裂縫均為環向裂縫或斜向裂縫，最長達11 m，最短為3 m。對于以上裂縫的長度和寬度應實時檢測，判斷是否有擴張的趨勢，以便采取下一步措施。

3 數值分析結果

為了進一步觀測隧道應力的應變情況，利用有限差分軟件FLAC 3D進行數值模擬分析。

圖10為采用有限差分軟件計算出的該隧道水平應力分布云圖，圖11為隧道周邊塑性區分布云圖，塑性區表示此處圍巖是否發生過塑性剪切流動破壞。

圖10 水平應力分布云圖

圖11 塑性區分布云圖

由圖10可知，水平應力在拱頂和底板位置產生應力集中現象，此處地應力顯著高于周圍巖土層地應力。其中，在底板位置處的水平應力為拉應力，最大拉應力達到0.88 MPa。這說明，底板在兩側圍巖的擠壓作用下發生隆起。由于底板中的拉應力比較大，最終導致地面開裂，產生裂縫。

從圖11中可以看出，圍巖塑性區集中在隧道底板處。這說明，隧道底板處圍巖在較大地應力作用下產生塑性剪切破壞，巖體承載特性大幅降低。圖10和圖11均表明，高家河隧道路面隆起開裂的主要原因是水平地應力過大，后續處治措施中需考慮降低底板處的應力水平。

4 結論

本文依托某高地應力隧道工程實例，運用雷達技術對13處位置進行病害檢測分析，并利用數值模擬分析結果全面評價該隧道，得出2點結論：①雷達檢測結果表明，隧道基底處的主要病害有巖體破碎較嚴重且富含裂隙水、回填片石不密實、局部存在脫空等病害；隧道襯砌病害主要表現為裂縫。下一步建議對已發現病害進行針對性處理。②導致該高地應力隧道路面隆起開裂的主要原因是水平地應力過大，在制訂后續處治措施時，需考慮降低底板處的應力水平。

［1］代高飛，朱合華，夏才初.某公路隧道病害成因分析與治理研究［J］.中國安全科學學報，2005，15（12）：89-92.

［2］趙永國，王華牢，韓常領，等.公路隧道病害的分類特征與成因分析［J］.公路，2008（7）：227-232.

［3］吳夢軍，張永興，劉新榮.公路隧道病害處治技術研究［J］.地下空間與工程學報，2007，3（5）：967-971.

［4］來弘鵬，楊曉華，林永貴.黃土公路隧道病害分析與處治措施建議［J］.公路，2006（6）：197-202.

［5］李二兵，譚躍虎，段建立.地質雷達在隧道工程檢測中的應用［J］.地下空間與工程學報，2006，2（2）：267-270.

［6］吳俊，毛海和，應松，等.地質雷達在公路隧道短期地質超前預報中的應用［J］.巖土力學，2003（s1）：154-157.——

〔編輯：白潔〕

U452

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.088

2095－6835（2017）16－0088－03

童波（1982—），男，河北邢臺人，工程師，2015年畢業于河北科技師范學院區域經濟開發與管理專業（本科）。