某在役公路隧道病害檢測及原因分析

王立志

（山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

我國公路數量和里程在進入新世紀以來得到跨越式的發展。根據交通運輸部發布的《2017年交通運輸行業發展統計公報》，2017年末我國公路養護里程達到467.46 萬km，占公路總里程的97.9%，全國公路隧道16 229 處、1 528.51 萬m，目前大部分公路隧道進入運營養護階段。然而由于勘察結果不準確、施工質量不合格、監管養護不到位等原因，大量運營公路隧道出現不同程度的病害問題[1-2]，輕則襯砌出現微裂縫、側壁浸水，重則襯砌開裂掉塊、大面積滲漏水，影響隧道正常使用，給行車帶來安全隱患，造成嚴重的經濟損失和社會不良影響。

目前在公路隧道病害原因分析方面，國內外已進行相關研究和探索。Akira 等[3]通過對大量日本公路隧道的調查發現，導致襯砌病害主要是圍巖壓力變異、材料劣化、凍害等因素引起的。蘇生[4]對運營隧道襯砌裂縫的成因進行廣泛的調研，發現對于新建隧道，襯砌裂縫主要分布在拱頂位置，寬度基本在0.1～0.25 mm 之間。宋瑞剛等[5]通過調查發現襯砌裂縫主要為沿隧道走向的縱向裂縫，其主要分布在拱腰位置，并提出評估襯砌安全狀態的方法。王欣[6]以南呂梁山隧道為依托工程，分析隧道襯砌病害的產生機理，并對處治后的隧道進行安全評估。張旭等[7]通過模型試驗分析襯砌背后空洞對隧道結構受力變形的影響及襯砌裂損演化機理。

在隧道病害檢測方面，李明[8]研究彈性波技術在隧道病害檢測中的應用。牛超[9]將樁基工程常用的錘擊法應用于隧道襯砌背后空洞檢測中，實現對空洞的定性和定量分析。海洋[10]提出提高地質雷達在隧道襯砌質量檢測效果的幾點措施。康富中等[11]采用地質雷達對昆侖山隧道病害進行檢測，并根據檢測結果認為高寒隧道容易在凍脹條件下發生病害。

本文依托某雙向四車道一級公路隧道，利用多種現場檢測與室內測試手段，對該隧道圍巖識別、襯砌質量、結構變形等進行全面檢測，旨在揭示其病害形成原因，為類似工程提供參考意義。

1 工程概況

1.1 工程地質概況

根據勘察資料及區域地質資料，隧址區為構造剝蝕堆積、構造溶蝕地貌類型，隧道橫切山丘，進口處坡度較陡，約70°，出口處坡度較平緩，約20°，其中隧道進口如圖1所示。隧址區地層簡單，無明顯的新構造運動痕跡，地層上部為第四紀風積層、沖洪積層覆蓋，下伏基巖為奧陶系灰巖、鈣質泥巖。隧址區水文地質條件簡單，無大氣降雨時，山坡表面無地表水流，降雨后有短暫的地表徑流。地下水主要為巖基裂隙潛水，含水量較小，巖體較為干燥。

圖1 隧道進口

1.2 設計概況

該隧道所處公路等級為國家一級公路，采用分離式小凈距雙洞隧道，左洞全長1 355 m（ZK14+795—ZK16+150）， 右 洞 全 長 1 395 m（K14+791—K16+186）。隧道內設計時速為60 km/h，隧道采用雙向四車道，雙洞單向行車，隧道襯砌內輪廓采用半徑為 5.3 m 的單心圓。病害區（ZK15+23—ZK15+69）隧道埋深約200 m。原勘察資料表明病害區圍巖主要為中風化灰巖，圍巖完整性較好，圍巖級別為Ⅲ級。該區段隧道支護設計為復合式襯砌結構，采用錨噴掛網并施作素混凝土作為二次襯砌，具體襯砌支護參數列于表1。

表1 病害段襯砌支護參數

1.3 病害情況

隧道于2015年7月正式通車，2017年初隧道左線ZK15+23—ZK15+69 洞身段出現明顯的邊墻襯砌開裂、邊墻腳內侵、電纜溝傾斜變形、瀝青路面開裂等病害，現場具體情況如圖2所示。

圖2 隧道病害

2 隧道病害檢測

2.1 圍巖級別

采用美國勞雷工業有限公司的SIR-30E 型地質雷達對隧道背后的圍巖狀況進行掃描，探明圍巖中是否存在空洞、溶洞、斷層或裂隙破碎帶等不良地質。本次檢測采用100 M地質雷達，分別對拱頂、拱腰、邊墻以及路面進行掃描，其中邊墻處接收到的雷達波形圖如圖3所示。通過對雷達圖像的判讀和解釋，可看出圍巖基本呈層狀分布，同向軸不連續說明圍巖破碎，節理裂隙發育，未見明顯空洞或斷層分布帶。

圖3 雷達波形圖

為確定圍巖級別，采用中巖科技的RSM-RCT(B)型聲波測井儀，對現場巖體的縱波波速進行測試，如圖4所示。結果顯示同一斷面不同部位巖體波速波動較大，說明隧道不同部位巖體質量差別明顯，呈現出分層現象，其中邊墻下部波速較小，約為1.4 km/s，推斷為強風化灰巖；拱腰處波速較大，約為3.3 km/s，推斷為中風化灰巖層。隧道襯砌破壞最嚴重位置邊墻處的聲波反射信號十分微弱且不穩定，說明此處圍巖質量很差，推斷為泥巖夾層。結合室內巖塊縱波波速測試以及單軸飽和抗壓強度，綜合評定現場圍巖級別為Ⅳ級，說明原勘察結果與工程實際情況存在一定偏差。

圖4 圍巖波速測定

圖5為后續處治過程中破除揭露出來的圍巖，從圖中可看出不同部位處圍巖差別較大，與波速測試得到的結果相同。拱頂處圍巖呈層狀或塊狀分布，較破碎，節理裂隙發育，結構面平直，為黃色泥質膠結，結合較差。邊墻部位分布有兩層夾泥層，其中上部為厚度較薄的黃色夾泥層，下部為巨厚的褐色泥巖層，沿隧道縱向分布長度在5 m 左右，中間厚兩側薄，為透鏡體夾層；最下層為粉狀的褐黃色強風化灰巖層，強度較低。

圖5 現場圍巖分布情況

2.2 襯砌質量

2.2.1 襯砌厚度

采用鉆芯取樣對現場襯砌厚度進行檢測，如圖6所示，現場共進行15 處取樣，經統計其中有13 處襯砌厚度不滿足設計要求，部分區段襯砌厚度嚴重不足，最薄處二襯厚度僅為10 cm。通過襯砌外觀檢查，發現部分區段防水板將二襯切割成兩段，嚴重破壞襯砌的完整性，同時切割部位襯砌背后存在脫空和不密實。其主要原因在于混凝土施工過程中質量控制不嚴格，防水板接縫鋪設質量差或防水板出現破損，導致在模筑二襯時，混凝土由裂縫或破損部位進入防水板背后，二襯被切割成兩段。

圖6 鉆芯取樣

2.2.2 襯砌強度

采用現場回彈儀法以及鉆芯法對襯砌混凝土強度進行檢測。其中現場回彈時，沿隧道縱向每隔2 m布設一個測區，每個測區讀取16 個回彈值，根據回彈法測試結果48 個測區中有5 個測區的混凝土強度不滿足設計要求，部分測區混凝土強度低至17.5 MPa。通過對18 個芯樣進行室內抗壓強度試驗，測得混凝土強度最小值為18.2 MPa，不滿足《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1—2017）[12]中對混凝土襯砌施工質量的要求，因此現場襯砌混凝土強度不滿足要求。

圖7 室內抗壓強度試驗

3 結論

本文通過采用地質雷達、聲波探測、混凝土回彈等無/微損檢測技術，結合鉆芯法及室內抗壓強度試驗，對隧道病害產生原因進行全面檢測，檢測結果表明：

a）病害段圍巖中存在巨厚的軟弱泥巖夾層以及強風化灰巖層，實測圍巖級別為Ⅳ級，原勘察存在一定偏差，導致設計的安全系數偏低。

b）襯砌厚度及強度均不滿足規范和設計要求，大部分區段襯砌厚度遠小于設計要求，最薄處二襯厚度僅為10 cm。

c）防水板施作質量差，且未按設計要求打設系統錨桿，綜上可看出施工質量不合格是導致本次病害發生的主要原因。