某公路隧道襯砌病害成因分析及臨時加固措施研究

劉衛平

（山西誠達公路勘察設計公司，山西 太原 030006）

通過對大量運營隧道健康評估可知，大多數隧道在建成并服役一定年限后，由于地質、設計、施工、養護等多方面的原因，總會出現或多或少不同程度的病害問題，嚴重時將影響隧道的正常運行，危及行車安全。其中，隧道襯砌開裂和錯臺是最常見的隧道病害。

在隧道病害研究方面，國內學者已結合國內實際情況開展一系列研究。劉海京等[1]通過大量實地調研，對現有隧道病害的研究方法進行了總結歸納，同時指出了現有研究方法中的不足以及展望。馮冀蒙等[2]研究了隧道病害分布規律，并對周邊圍巖環境進行了等級劃分。李永永[3]對官道嶺隧道的病害進行檢測，分析了病害產生的主要原因，并提出了針對性的處置措施。

本文通過采用多種監測和物探手段，探明某公路隧道襯砌裂縫病害產生原因，并提出相應的臨時加固措施，將5類隧道提升為更高級別的隧道，在最短的時間確保了隧道正常通行，經濟社會效應顯著。

1 工程病害情況

1.1 工程地質水文概況

依托隧道工程地質情況如圖1所示，隧道為淺埋偏壓短隧道，單向兩車道，圍巖級別主要為Ⅳ級和V級為主，地質破碎。隧道平均埋深18.6 m，上面覆蓋有深厚黃土層。隧址區黃土梁呈北西向延伸，隧道進出口山谷走向近東西向，與隧道軸線近垂直相交，隧道進出口溝谷發育，地形切割強烈，多見陡坎。通過地質勘查報告可知，地層從上至下分別為黃土層、強風化泥巖、中風化泥質砂巖、中風化砂巖以及中風化泥巖層，其中泥巖層對隧道影響較大。通過現場物探揭露出區域地質構造有褶皺和斷裂構造，其中斷層為正斷層，并與隧道軸線近似垂直相交。

隧址區屬于干旱-半干旱地區，全年降雨量主要集中在6—9月份，隧道上方地表水為季節性流水，平時干枯，雨季可形成短暫的地表徑流。地下水主要賦存于下部的基巖裂隙中，含水性相對較弱，主要為大氣降雨補給。隧道中地下水以排水涵洞或邊坡排水管形式排泄。

圖1 依托隧道工程地質情況

1.2 隧道病害特征

該隧道自建成運營以來，洞內二次襯砌在拱頂、邊墻以及排水溝處就出現若干細小裂縫，裂縫形態呈環向、縱向以及斜向分布，并呈逐年增多和擴大趨勢。其中在2017年3月，襯砌裂縫出現了突然擴展，裂縫病害最嚴重處環向裂縫貫通，最大寬度達到21 mm，襯砌破損嚴重，隧道頂部隨時有掉塊的可能，存在較大安全隱患?，F場隧道裂縫及其監測情況如圖2所示，經過近一年的監測，目前裂縫的發展趨于穩定。該隧道經專門檢測機構檢測后評定為技術狀況最差的5類隧道，即隧道處于危險狀態，已經危及到隧道運營安全，應及時關閉交通，并采取相應措施進行維修改造[4]。

圖2 隧道裂縫及監測手段

2 病害原因分析

2.1 邊坡穩定性影響分析

根據現場鉆探結果顯示，隧址區坡體中存在兩個可能導致坡體產生滑移的軟弱帶。其中，上層軟弱帶位于土石界面附近，軟弱帶主要為黃土和泥巖，含水量較高。巖體破碎，節理裂隙發育，巖質較軟，遇水易分解，部分軟弱帶中土石混雜，擾動明顯。下層軟弱帶主要位于泥巖中，主要成分為黏土礦物，節理裂隙發育，巖質較軟，有擾動痕跡?？沙醪脚袛嗨淼郎戏狡麦w曾發生過滑移或正在蠕變中。

通過進一步的地質調繪及鉆探揭示，隧道上覆邊坡體為一古滑坡。該滑坡分為上、下兩部分，上部為土質滑體，下部為巖質滑體?；碌那安孔冃瘟啃?、后部變形量大，上部滑體整體滑動，下部滑體整體蠕動，中前部也沒有出現明顯的張拉裂縫，因此可判斷該滑坡為推移式滑坡。經過專家多方論證，最終認為隧道上方坡體為潛在不穩定滑坡體，對隧道變形產生一定的影響。但認為該坡體較為平緩，且坡腳前緣存在規模較大的穩定土體作為支撐，隧道設計服役期限內基本不會再產生顯著滑移，可認為一定時間內邊坡是處于穩定狀態的，對隧道影響較小，因此可暫時不考慮坡體滑移的影響。

2.2 隧道周邊圍巖影響分析

通過在隧道內鉆芯取樣發現，隧道襯砌病害最嚴重地段隧道底板下部存在較厚的中風化泥巖，含水率較大，巖質較軟，巖體破碎，節理裂隙發育。結合隧道排水邊溝的不均勻沉降變形裂縫，可推斷隧道下部軟弱泥巖對隧道襯砌裂縫產生具有較大的影響。隧道周邊的水通過排水通道滲入下方泥巖層中，泥巖遇水軟化，不同部位基礎剛度的差異導致隧道產生不均勻沉降，從而產生較大的環向裂縫。因此，隧道圍巖中的軟弱泥巖層是導致隧道襯砌病害產生的重要因素之一。

2.3 隧道施工質量影響分析

為探明襯砌施工質量對隧道病害產生的影響，現場采用美國勞雷公司生產的GSSI SIR30地質雷達對襯砌拱頂、左右拱腰以及左右邊墻5個位置進行掃描。探測結果顯示，隧道襯砌背后存在較多的空洞或脫空段，每條測線上均存在不同程度的缺陷，其中拱頂處襯砌背后空洞或脫空缺陷最多，達23處，最大脫空長度達到8 m。說明隧道混凝土施工時，多處混凝土澆筑質量不合格，襯砌背后空洞導致襯砌受力不均勻，局部地區會出現明顯的應力集中，在高應力作用下，混凝土產生不同程度的開裂。

3 臨時加固方案

由于該高速公路為南北向主干高速，車流量大，尤其是載重大貨車往來頻繁，若長時間封閉隧道必然帶來較大的經濟損失，同時引起嚴重的社會不良影響，而為了確保該隧道的正常安全運營，防止隧道可能產生的掉塊對行車安全的影響，必須對隧道進行一定的臨時加固措施，將5類隧道提高至較高級別的安全等級，首先盡快保證安全通車。經過多種方案的比選，最終確定如下臨時加固措施。首先對襯砌背后空洞進行注漿填充密實，保證隧道均勻受力。同時對病害嚴重部位通過粘貼W鋼帶進行補強。采用W鋼帶可以最大限度減小對隧道行車影響，經濟高效、施工速度快，在不對襯砌進行大拆大換的前提下，保證隧道整體質量。

具體方案為：a）沿隧道襯砌縱向鑿除8 mm厚混凝土；b）在隧道拱頂、拱腰以及邊墻處粘貼5道厚8 mm、寬250 mm的鋼板；c）通過在襯砌和鋼帶表面涂刷膠黏劑，將鋼帶黏結在襯砌表面，并采用錨栓固定鋼板；d）沿襯砌全斷面粘貼厚5 mm，寬250 mm的W鋼帶，鋼帶縱向間距0.3 m，并采用錨栓固定鋼帶。

通過上述臨時加固方法，將5類隧道提升至4類隧道，在最短的時間內保證了隧道的正常運行，加固效果良好。

圖3 隧道臨時加固方案

4 結論

運營隧道病害的產生原因往往是多方面的，有自然因素的，也有人為因素的?？辈煸O計缺陷以及施工過程中的偷工減料，監理不到位等都會導致隧道在設計使用年限內出現各種各樣的病害問題，嚴重時將強制封閉道路，進行大修，這就給國家和人民帶來巨大的經濟損失，社會影響惡劣。本文針對該公路隧道病害實際情況，探明可能導致病害產生的多方面原因，提出了盡可能減小對隧道正常運營產生影響的臨時加固措施，相關研究可為同類隧道病害處治提供借鑒和參考。