官道嶺隧道病害檢測(cè)與處治對(duì)策研究

李永永

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原030006）

1 隧道概述

晉陽高速公路官道嶺隧道建成于1997年，隧道原設(shè)計(jì)長(zhǎng)1 170 m，設(shè)計(jì)變更后全長(zhǎng)1 300 m，原設(shè)計(jì)隧道與加長(zhǎng)段隧道采用長(zhǎng)19 m的明洞連接。隧道起止里程為K37+944—K39+244，隧道設(shè)計(jì)速度60 km/h，斷面由單心圓（R=510 cm）構(gòu)成，隧道限界寬為9.60 m，車道寬3.75 m，本隧道設(shè)計(jì)橫斷面組成為（1.10+0.5+3.75×2+0.50）m。建筑限界高度為5 m，隧道設(shè)計(jì)雙側(cè)檢修道。設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)汽車專用公路，單洞雙向隧道。

隧址區(qū)地形以構(gòu)造剝蝕的低山及剝蝕堆積的丘陵地帶為主，隧道穿越蘆葦河與獲澤河分水嶺，區(qū)間溝谷切割劇烈屬低山，最大埋深104 m。隧道進(jìn)口端地層巖性為灰?guī)r、頁(yè)巖臭煤、雞窩狀褐鐵礦、粉礦巖、黃褐色泥巖，隧道中部、出口大部分為灰?guī)r、泥灰?guī)r、角礫狀泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等。地下水位變化較大，為地表裂隙水、深層巖溶裂隙水，隧道開挖時(shí)局部地帶有涌水，大部分段落有滴水，隧道穿越一褐鐵礦采挖區(qū)。隧道采用復(fù)合式襯砌，二襯采用全斷面施工。圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類（對(duì)應(yīng)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范為V、Ⅳ、Ⅲ級(jí)）的襯砌厚度分別為40 cm、35 cm、30 cm。2013年隧道進(jìn)行滲漏水注漿處治，效果不太理想。

2 病害檢測(cè)

2.1 檢測(cè)內(nèi)容

官道嶺隧道運(yùn)營(yíng)期間專項(xiàng)檢測(cè)內(nèi)容以規(guī)范為準(zhǔn)。

表1 官道嶺隧道土建結(jié)構(gòu)專項(xiàng)檢查內(nèi)容表

2.2 結(jié)構(gòu)變形檢查（隧道凈空測(cè)量）

隧道凈空測(cè)量采用隧道激光斷面儀，每50 m一個(gè)隧道斷面，實(shí)測(cè)斷面與設(shè)計(jì)斷面比較后，隧道拱腳以上最大侵入凈空約6.8 cm。由于實(shí)測(cè)值無法與隧道交工時(shí)的斷面進(jìn)行精準(zhǔn)比較，故無法確定隧道結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了變化。經(jīng)檢測(cè)大部分隧道檢測(cè)斷面較原設(shè)計(jì)斷面有3～6 cm凈空富余量。

2.3 裂縫滲漏水調(diào)查

裂縫調(diào)查采用裂縫測(cè)寬儀進(jìn)行，官道嶺隧道本次檢查發(fā)現(xiàn)襯砌裂縫27條，主要分布在隧道拱頂及左右拱腰處。其中橫向13條，占裂縫總數(shù)48.1%；水平向14條，占裂縫總數(shù)51.9%。裂縫寬度0.1～0.5 mm，裂縫深度個(gè)別達(dá)到16 cm。官道嶺隧道襯砌表面有24處滲水，有1處滴漏且主要集中在拱頂處，目前對(duì)行車影響較小，但雨季會(huì)出現(xiàn)噴射狀現(xiàn)象，冬天滲水處會(huì)結(jié)冰。由于受前期滲水影響，局部混凝土表面有輕微劣化。

2.4 材質(zhì)檢查

混凝土強(qiáng)度本次采用回彈法，檢測(cè)時(shí)每200 m作為一個(gè)評(píng)價(jià)段，每個(gè)評(píng)價(jià)段10個(gè)測(cè)區(qū)，即每個(gè)測(cè)區(qū)間隔約20 m，測(cè)區(qū)由左邊墻、右邊墻交替布置。每個(gè)測(cè)區(qū)布置16個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)區(qū)及測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后取平均值，經(jīng)驗(yàn)算二襯混凝土強(qiáng)度基本達(dá)標(biāo)。

圖1 回彈法檢測(cè)測(cè)區(qū)及測(cè)點(diǎn)布置示意圖（單位：cm）

采用酚酞酒精和碳化深度測(cè)試儀檢測(cè)碳化深度，官道嶺隧道襯砌混凝土碳化深度大于等于6 mm，檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)襯砌有剝落、鋼筋外露等情況。

2.5 襯砌及圍巖狀況檢查

無損檢測(cè)采用地質(zhì)雷達(dá)法進(jìn)行，測(cè)前應(yīng)對(duì)襯砌混凝土的介電常數(shù)或電磁波速做現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，且每座隧道應(yīng)不少于1處，每處實(shí)測(cè)不少于3次，取平均值為該隧道的介電常數(shù)或電磁波速。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)時(shí)，沿隧道縱向在拱頂、兩側(cè)拱腰及兩側(cè)邊墻處各布設(shè)1條雷達(dá)測(cè)線，必要時(shí)采用網(wǎng)格加密檢測(cè)。如圖2中拱頂、a、a′、b、b′測(cè)線。

圖2 隧道縱向雷達(dá)測(cè)線布置示意圖

官道嶺隧道二次襯砌厚度共設(shè)1 241個(gè)抽樣點(diǎn)，合格的抽樣點(diǎn)數(shù)為932個(gè)，合格率為75.1%，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 官道嶺隧道厚度檢測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)表

經(jīng)檢測(cè)，官道嶺隧道局部洞段存在因二次襯砌注漿不滿或不密實(shí)而形成的三角脫空及二次襯砌與初期支護(hù)結(jié)合不緊密的區(qū)域。官道嶺隧道檢測(cè)段測(cè)線總長(zhǎng)6 500 m，存在上述質(zhì)量缺陷的測(cè)線長(zhǎng)度為240 m，約占測(cè)線總長(zhǎng)的3.6%，脫空區(qū)主要分布在隧道拱頂及左右拱腰處，拱頂處孔洞局部高度可達(dá)0.31 cm，拱腰處空洞高度約為0.20 cm。

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)官道嶺隧道的主要病害為：a）二襯混凝土表面裂縫較多，大多集中在隧道拱頂及拱腰處；b）隧道存在滲漏水現(xiàn)象，特定季節(jié)較嚴(yán)重，危及行車安全；c）拱頂二襯厚度低于設(shè)計(jì)值；d）拱頂、拱腰處存在空腔現(xiàn)象。

3 成因分析

3.1 襯砌開裂原因分析

a）地質(zhì)原因 隧道洞身段圍巖主要為灰?guī)r、頁(yè)巖臭煤、黃褐色泥巖和白云質(zhì)灰?guī)r等，巖溶、裂隙發(fā)育，部分段圍巖較破碎，泥巖遇水軟化及開挖施工擾動(dòng)和地下水潤(rùn)滑作用，在長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過程中可能產(chǎn)生松弛荷載，增大圍巖壓力，導(dǎo)致襯砌開裂。

b）施工原因 隧道混凝土施工時(shí)，襯砌及拱圈混凝土澆搗后，由于混凝土厚度不均勻，引起收縮應(yīng)力集中，在薄弱處發(fā)生裂縫變形；部分段落存在二次襯砌混凝土厚度不足、襯砌背后脫空、超挖回填不密實(shí)等也是導(dǎo)致二次襯砌混凝土開裂的原因。

c）塌方、采空區(qū)影響 官道嶺隧道局部段落發(fā)生過大的塌方，塌方后處理不徹底，運(yùn)營(yíng)期間圍巖應(yīng)力調(diào)整塌方區(qū)段出現(xiàn)裂縫。

d）地下水位標(biāo)高變化較大，為地表裂隙水、深層巖溶裂隙水，襯砌背后排水系統(tǒng)失效，導(dǎo)致水頭增高，從而對(duì)襯砌產(chǎn)生較大的水壓力，進(jìn)一步促進(jìn)裂縫發(fā)育。

3.2 襯砌滲水原因分析

a）該項(xiàng)目修建于20年前，設(shè)計(jì)理念及施工水平局限，排水系統(tǒng)不完善。

b）襯砌裂縫及施工縫形成滲漏水源出水口。

c）隧道排水系統(tǒng)可能存在堵塞，以及以前注漿處理，導(dǎo)致拱頂及附近滲水出現(xiàn)。

d）原設(shè)計(jì)隧道與加長(zhǎng)段隧道采用長(zhǎng)19 m的明洞連接，明洞回填不密實(shí)及黏土隔水層失效導(dǎo)致地表水下滲。

4 處治建議

4.1 病害分級(jí)[1]

根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG H12—2015）第4.5.4條的相關(guān)規(guī)定，官道嶺隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)分JGCI=61，劃分為3類。隧道襯砌破損技術(shù)狀況評(píng)定值為2；隧道襯砌滲漏水技術(shù)狀況評(píng)定值為2；根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》第4.5.6條的相關(guān)規(guī)定3類隧道或存在評(píng)定狀況值為2的分項(xiàng)時(shí)，應(yīng)對(duì)局部實(shí)施病害處治。

4.2 病害處治原則[2]

隧道病害整治設(shè)計(jì)要堅(jiān)持“一次根治、不留后患”。根據(jù)調(diào)查正確分析掌握病害產(chǎn)生的原因和健全度，綜合考慮隧道運(yùn)營(yíng)的安全性及施工中的安全性、耐久性及經(jīng)濟(jì)性等，并盡可能減少對(duì)交通的干擾。

4.3 處治對(duì)策

4.3.1 襯砌裂縫處治方案

對(duì)于寬度小于等于0.2 mm的裂縫，對(duì)表面涂抹裂縫修補(bǔ)膠進(jìn)行封閉。對(duì)于寬度大于0.2 mm的裂縫，進(jìn)行裂縫鑿槽注漿結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)。裂縫嚴(yán)重地段進(jìn)行襯砌加固處理。

4.3.2 襯砌補(bǔ)強(qiáng)處治方案

綜合考慮經(jīng)濟(jì)、安全（局部采用內(nèi)嵌外貼鋼拱架）、施工便捷性（2015年剛施作消防給水管道、交通量大），具體方案為裂縫寬度較大，深度大于6 cm但未貫通的區(qū)段：采用全斷面粘貼幅寬250 mm W鋼帶進(jìn)行加固，鋼材厚度10 mm，兩環(huán)鋼帶縱向中心間距100 cm。在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼帶黏結(jié)為一體，再采用錨栓進(jìn)行固定鋼帶。錨栓采用M16化學(xué)錨固螺栓，植入深度不小于16 cm。

裂縫龜裂且?guī)缀踟炌ㄒr砌厚度合格率偏低的區(qū)段：采用I14工字鋼在距檢修道3 m以上拱部位置將鋼拱架外露貼在既有襯砌上，拱部以下開槽20 cm寬、15 cm深，將工字鋼拱架嵌入襯砌結(jié)構(gòu)中，縱向間距80 cm，拱部鋼架設(shè)置φ22縱向連接鋼筋，環(huán)向間距 75 cm，掛 φ8鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距15 cm×15 cm，噴射C25混凝土。

4.3.3 滲漏水處治方案

目前常見的處治方法有地表截水、堵水法、導(dǎo)水法及降低地下水位的引排法。本隧道滲漏水結(jié)合隧道現(xiàn)狀，確立綜合處治方案。隧道襯砌滲水處治時(shí)，對(duì)主要滲漏水部位采用導(dǎo)水法結(jié)合保溫措施進(jìn)行處治，其部位附近的漏水程度輕微的采用壓力注漿法進(jìn)行封堵止水。導(dǎo)水法結(jié)合保溫措施：在襯砌上切U形槽，尺寸15 cm×15 cm，埋設(shè)φ100 Ω形排水半管，其四周用堵漏材料填充；然后，鋪設(shè)保溫材料；最后，在處治段噴涂防火涂層。排水半管中的水最終引至排水邊溝排出洞外。對(duì)于明洞段滲漏水，考慮到明洞段及附近地表水下滲引起襯砌滲水的原因，在明洞段及附近的地表修復(fù)截水溝、排水溝，壓實(shí)明洞填土并重新施作黏土隔水層。對(duì)于隧道拱頂滲漏水：由于前期壓力注漿導(dǎo)致排水系統(tǒng)堵塞水位上升引起的拱頂滲漏水，采用拱頂壓力注漿法，將水系攔截到注漿圈外，沿圈下滲在拱腳打孔引排。

4.3.4 襯砌空腔處治方案

對(duì)于隧道拱頂及拱腰處的襯砌空腔段落，采用拱背注漿加固方案，注漿方案應(yīng)根據(jù)具體的空洞、脫空的檢測(cè)情況，確定空隙部位后合理布置注漿孔，注漿壓力應(yīng)小于0.5 MPa，注漿施工中應(yīng)重視監(jiān)測(cè)工作，當(dāng)發(fā)生襯砌變形或排水系統(tǒng)堵塞時(shí)，可降低注漿壓力或采用間歇注漿。注漿有效擴(kuò)散半徑為0.9 m，將注漿孔布置為1.5 m×1.5 m梅花型，注漿孔沿隧道軸向傾斜一定角度，注漿次序?yàn)橄裙把蠊绊斶M(jìn)行，注漿材料采用325硅酸鹽水泥基35～40 Be的中性水玻璃，水灰比為1∶0.75～1。

5 結(jié)語

由于設(shè)計(jì)、施工、地質(zhì)等方面的因素，運(yùn)營(yíng)隧道病害越來越多，給安全運(yùn)輸帶來較大壓力。隧道病害處治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，病害處治應(yīng)在調(diào)查掌握病害的基礎(chǔ)上，提出綜合性處治措施，并在施工時(shí)加強(qiáng)質(zhì)量及安全管理，確保處治效果。