隧道路面病害成因分析與處治措施研究

李永永，薛勇杰

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350116）

隨著持續(xù)多年的國家基礎(chǔ)設(shè)施大投資，我國隧道工程的總里程躍居世界第一。由于地質(zhì)條件、設(shè)計水平、施工管理、運(yùn)營過程中各種因素的影響，大部分隧道在運(yùn)營中會出現(xiàn)不同程度的病害，隧道病害處治施工與運(yùn)營相互干擾，成本高、難度大，引起了建設(shè)、管理、設(shè)計、施工等各方的高度重視。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)地貌

隧道進(jìn)洞口位于斜坡上，斜坡自然坡度25°～35°；出洞口處被沖溝切割，自然坡度40°～55°；隧道通過段地形呈波狀起伏，溝谷縱橫，高程最小為432.5 m，最大為1 072.0 m，相對高差639.5 m，地形起伏較大。場地地貌屬于構(gòu)造剝蝕低山地貌。隧道圍巖巖層分布為第四系崩坡積塊石土（Qc+dl）和殘坡積亞黏土（Qcl+dl）、侏羅紀(jì)下統(tǒng)珍珠沖組（J1z）砂巖、三疊系上統(tǒng)須家河組（T3xj）、砂巖夾煤和三疊系中統(tǒng)巴東組泥灰?guī)r、灰?guī)r和泥巖。地質(zhì)構(gòu)造形式以褶皺變形為主，而斷裂構(gòu)造不發(fā)育。本隧道圍巖以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主。主要工程地質(zhì)問題包括軟質(zhì)巖泥巖及泥灰?guī)r的軟化變形、可溶性碳酸鹽泥灰?guī)r及灰?guī)r的巖溶孔洞、埋深較大地段的高地應(yīng)力分布。

1.2 氣象水文

隧址區(qū)屬于中緯度亞熱帶暖濕季風(fēng)氣候區(qū)。氣候溫和濕潤，雨量充沛，四季分明，冬多綿雨。年平均氣溫為16.4℃，1月（最低）平均氣溫為5.1℃，7月（最高）平均氣溫為27.5℃，極最高氣溫為43.1℃。年平均降水量為1 179 mm，其中3—8月降水量占全年降水量可達(dá)68%，最大3 d降水量為200～350 mm，最大24 h降水量80～120 mm。隧址區(qū)主要地表水體為隧道進(jìn)洞口附近的朱衣河和降雨，地下水主要為巖溶裂隙孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 地震區(qū)

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），該區(qū)地震基本烈度相當(dāng)于6度，地震動峰值加速度為0.05g；地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 s。

2 隧道病害情況

重慶市某隧道為雙向四車道分離式特長隧道，隧道自西向東橫穿小山包，其最大埋深618.00 m，并以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主。隧道起訖樁號為K100+960—K106+045，長 5 085 m；右線起訖樁號為 YK101+000—YK106+080，長 5 080 m。2015年左洞LK102+960—LK104+980段部分段落出現(xiàn)路面開裂變形，電纜槽長距離傾斜變形和破損的情況，已影響到隧道運(yùn)營安全。業(yè)主單位于2015年5月委托檢測單位對該段路面病害進(jìn)行了專項檢測，2015年9月發(fā)現(xiàn)該洞LK105+390—LK105+480路面同樣出現(xiàn)變形開裂和破損情況。

圖1 路面縱向裂縫

圖2 電纜槽壁傾斜及開裂

3 路面開裂原因分析

根據(jù)實地踏勘及現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，發(fā)現(xiàn)病害呈現(xiàn)如下現(xiàn)象：

a）路面病害發(fā)生的路段不連續(xù)。

b）電纜溝槽出現(xiàn)傾斜。

c）隧道路面裂縫大部分位于隧道中線附近。

d）仰拱填充混凝土沿縱向出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度從上至下明顯縮小。

e）出現(xiàn)裂縫部位多數(shù)位于Ⅲ、Ⅳ級圍巖。根據(jù)調(diào)研結(jié)果及相關(guān)勘察設(shè)計施工資料可推斷出本隧道復(fù)合式路面裂縫為路基底開裂引起的反射裂縫，具體原因歸納為水文地質(zhì)、設(shè)計方面和施工方面。

3.1 水文地質(zhì)因素

根據(jù)勘察設(shè)計資料可知，該隧道路面病害段底部圍巖主要為煤系地層，以泥灰?guī)r夾泥巖為主，裂隙發(fā)育、巖體破碎、穩(wěn)定性差，且泥巖屬軟巖類，強(qiáng)度和硬度均很低，圍巖軟弱，遇水易軟化和膨脹。一方面本隧址區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造以褶皺變形為主，受背斜構(gòu)造，隧址區(qū)地下水發(fā)育，為圍巖軟化及膨脹提供條件；另一方面由于圍巖高地應(yīng)力場產(chǎn)生的變形，使隧道兩側(cè)部分排水溝底混凝土破壞，當(dāng)隧道中心排水溝等排水設(shè)施嚴(yán)重堵塞，臨時排水設(shè)施不完善時，隧道地下水及隧道地表水在滲透作用下通過水溝滲入仰拱底部，引起圍巖軟化及膨脹，當(dāng)隧道仰拱底部圍巖長期受水浸泡軟化，地基承載力就會下降。在重載交通循環(huán)荷載與圍巖地應(yīng)力的不利耦合作用下隧道底板巖體強(qiáng)度將進(jìn)一步衰減，在隧道圍巖壓力及二襯應(yīng)力不斷重新調(diào)整下，強(qiáng)度不足處仰拱及填充混凝土發(fā)生變形開裂進(jìn)而引起二襯拱頂、拱腰、拱腳和邊墻開裂，最終造成隧道瀝青路面開裂、坑槽等病害及電纜槽破壞。

3.2 設(shè)計因素

路面病害路段隧道圍巖主要為Ⅲ、Ⅳ級，仰拱設(shè)計無論是緊急停車帶路段還是普通路段均未采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，均為普通素混凝土及無仰拱段，設(shè)計上對地應(yīng)力較大，地下水發(fā)育豐富區(qū)軟弱夾層泥巖、泥灰?guī)r地質(zhì)特性認(rèn)識不足，未考慮仰拱底部圍巖在地下水影響下后期強(qiáng)度衰減特性，導(dǎo)致隧道無拱段強(qiáng)度回填混凝土開裂，進(jìn)一步反射到瀝青路面。

3.3 施工因素

隧道施工未按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范作業(yè)，如仰拱底部虛碴未清除干凈，超挖未嚴(yán)格處理，仰拱填充段落欠密實。另外高地應(yīng)力區(qū)軟弱圍巖隧道施工時未充分考慮圍巖蠕變特性導(dǎo)致二襯支護(hù)時機(jī)選擇不當(dāng)，影響圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力調(diào)整與設(shè)計文件不匹配。

4 路面病害處治方案

4.1 病害處治原則

隧道病害整治設(shè)計要堅持“一次根治、不留后患”的治理原則[1-2]。

在設(shè)計中要充分掌握隧道襯砌、排水、路基構(gòu)造，根據(jù)調(diào)查正確分析掌握病害產(chǎn)生的原因，針對性地提出處治措施。

綜合考慮隧道運(yùn)營情況及施工中的安全性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性等。

4.2 綜合處治方案

隧道拱腳與拱底的開裂變形病害是引起隧道路面開裂、鼓包，混凝土面板開裂、斷板，電纜槽和排水邊溝變形、破損等的主要原因，因此，隧道拱腳與拱底變形病害的處治對阻斷隧道路面病害的發(fā)生和保證隧道運(yùn)營安全尤為重要。

4.2.1 拱部處治方案

對于隧道內(nèi)路面縱、橫向裂縫較為密集、發(fā)育地段，采用拱底注漿法，首先在路面結(jié)構(gòu)破除前對二次襯砌墻腳進(jìn)行鎖腳加固，錨桿長400 cm，梅花型布置@20×60。然后對路面左右側(cè)換幅進(jìn)行破除。當(dāng)開挖至基底標(biāo)高時先初噴混凝土，再打設(shè)基底錨桿、掛鋼筋網(wǎng)，復(fù)噴混凝土，最后施作路面結(jié)構(gòu)層，具體情況見圖3。

圖3 拱部注漿方案圖（單位：cm）

對于隧道路面混凝土面板斷板、隆起嚴(yán)重、拱腳變形過大、電纜槽和排水邊溝嚴(yán)重變形破壞的情況，增設(shè)仰拱是一個最有效的處治方案。采用破除原路面及填充物，在仰拱開挖和墻腳混凝土鑿除前，打設(shè)鎖腳錨桿，鎖腳錨桿端部須設(shè)（20×20×1）cm的墊板；仰拱開挖禁止全斷面開挖，且須采用跳槽開挖，每次開挖長度不得大于3 m；仰拱增設(shè)仰拱須與原襯砌邊墻順接，厚度為50 cm，具體情況見圖4。

圖4 增設(shè)仰拱方案圖（單位：cm）

增設(shè)仰拱方案隧道受力情況最理想，但是施工風(fēng)險大、工期長、難度大；拱底注漿方案施工風(fēng)險低、工期短，但是施工質(zhì)量差異性較大，影響處治效果。綜合以上分析，在較嚴(yán)重地段采用增設(shè)仰拱，其余區(qū)段采用拱底注漿方案。

4.2.2 路面病害處治

4.2.2.1 瀝青面層修復(fù)

對于僅需處治面層的復(fù)合式路面，鑿除開裂、鼓包、坑槽或車轍嚴(yán)重段的路面，重新施作復(fù)合式路面面層。上面層為細(xì)粒式改性瀝青混凝土，中面層為中粒式改性瀝青混凝土，面層與面層之間設(shè)置瀝青黏層，隧道路面表面層為改性瀝青中摻加5%～8%改性瀝青質(zhì)量的阻燃劑。

4.2.2.2 混凝土面板

當(dāng)隧道復(fù)合式路面混凝土面板破壞嚴(yán)重，需要重新鋪筑時，根據(jù)實際情況對混凝土面板進(jìn)行鑿除，重新鋪筑連續(xù)配筋混凝土面板以保證處治質(zhì)量，為確保工程質(zhì)量和加快工程進(jìn)度，連續(xù)配筋網(wǎng)宜采用工廠化生產(chǎn)的鋼筋焊接網(wǎng)片拼接，同時還需做好相應(yīng)接縫處理。

5 結(jié)語

a）隧道路面病害小則影響駕駛舒適性，大則危及洞內(nèi)行車安全，因此軟弱圍巖隧道建設(shè)要高度重視勘察設(shè)計質(zhì)量。

b）隧道工程屬隱蔽性高風(fēng)險工程，在路面病害處治前，應(yīng)綜合分析隧道病害成因，針對性地提出徹底性處治措施，加強(qiáng)處治效果監(jiān)測和評價，為同類隧道病害處治提供參考。