大華嶺隧道病害處治方案研究

馮 浩 李亞利 連增強 劉 柳

(1.中鐵第五勘察設計研究院有限公司公路與市政工程設計處，北京 102600；2.中交遠洲交通科技集團有限公司，河北 石家莊 050035；3.石家莊鐵道大學土木工程學院，河北 石家莊 050043； 4.河北交通職業技術學院土木工程系，河北 石家莊 050091)

1 概述

張承高速公路張家口段，是河北省高速公路網布局“五縱、六橫、七條線”中的重要組成部分，全長163.953 km，分兩期建設，均采用雙向四車道高速公路標準建設，設計時速80 km/h。一期工程張家口至崇禮段全長62.078 km，2010年10月建成通車；二期崇禮至張承界段全長101.875 km，2015年12月30日竣工通車。大華嶺隧道(左線K540+943～K546+118，長5 175 m；右線K540+589～K546+233，長5 284 m)為分離式雙向四車道特長隧道，是一期工程中的控制性工程，位于張家口市口里東窯子村東北，走向呈西南—東北，隧址區位于冀西北山地區，屬中低山區，地勢總體中部高、兩側低，分別向南部盆地低山丘陵區與中北部河谷階地區傾斜。隧道建筑限界采用單洞凈寬12.50 m(0.75+0.75+3.75×2+2.75+0.75)，建筑限界高度5.0 m，隧道設雙側檢修道。襯砌斷面內輪廓采用三心圓方案，隧道凈空、橫斷面組成除滿足行車凈空要求外，還考慮到通風、照明、消防及其他營運管理設施所需空間，隧道凈高7.45 m。隧道自2010年10月通車以來，部分路段陸續出現路面局部隆起和縱向開裂、襯砌發生裂縫、檢修道和電纜溝擠壓錯臺等病害，影響到安全行車，對隧道結構安全帶來很大隱患。

2022年冬奧會將在張家口崇禮舉行，張承高速是通往冬奧賽場的重要交通道路之一，必須保證行車安全、舒適、美觀、平順。因此，需要對大華嶺隧道出現的各種病害進行徹底整治。

2 病害情況與原因分析

2.1 病害情況

1)承德方向：路面隆起、路面緊急停車帶縱向開裂(見圖1a))；

2)張家口方向：路面拱起，電纜溝側墻擠壓變形，電纜溝拱起影響范圍約20 m(見圖1b))；

3)隧道左幅K19+945(原設計里程)處：拱頂襯砌環向開裂破損(見圖1c))；

4)隧道整體范圍存在環向、縱向裂縫(見圖1d))。

現場初步調查得到的整座隧道的病害路段和病害情況匯總于表1。

2.2 原因分析

出現以上隧道病害的主要原因是：

1)當時限于時間緊等因素，地勘做得比較粗，沒有準確了解隧道圍巖情況，從而導致圍巖等級劃分不夠準確；

I類重金屬元素Zn、Pb、Cu、Co、Ni等的質量分數均高于洞庭湖元素背景值，且在沉積物中產生了明顯的富集，其污染程度及生態風險水平較高，說明這類元素的沉積受人類活動的影響較大，因此I類重金屬元素的來源以人為源為主，主要源自區域內礦石冶煉等工業活動；II類中重金屬Ba、V和Cr并沒有明顯的富集，基本沒有達到污染程度，生態風險水平低，因此II類重金屬元素的來源主要為自然源；III類重金屬Mn雖有一定的富集，但其污染程度和生態風險水平較低，故重金屬Mn可能既有自然源又有人為源．

2)隧道圍巖中有膨脹巖存在；

3)河北高速公路隧道發展較晚，早期隧道施工與管理經驗不足，再加上經濟實力有限，各項管控不夠到位，隧道施工質量難以保證。

表1 大華嶺隧道病害匯總

3 處治方案

3.1 補做詳細地勘

有效整治隧道病害，關鍵是要準確掌握隧道圍巖情況，根據不同圍巖情況，合理劃定圍巖等級，據此才能提出科學合理、經濟可行的處治方案。為此，對大華嶺隧道補做比較詳細的地質勘探工作，主要對現場調查病害段采用地質鉆探取樣，再結合地質調查、病害調查、雷達檢測等成果進行綜合判斷分析。病害段地質鉆孔布設原則上沿隧道縱向按照100 m間距布置一個鉆孔，根據現場實際病害發育區段在前后20 m范圍選定鉆探位置，地質情況差異較大時可適當加密鉆孔。鉆探采用長沙XY-150型工程鉆機，鉆孔孔徑89 mm，非膨脹巖段鉆孔深度至線路設計高程以下不小于2.0 m，膨脹巖厚度較薄路段鉆孔深度應穿過膨脹巖層至下伏非膨脹巖地層不小于2.0 m，膨脹巖厚度較厚路段鉆孔深度至線路設計高程以下不小于8.0 m。

根據公路隧道設計規范有關隧道圍巖分級標準的規定，參考鉆探、巖土測試資料和現場工程調查，定性分析和圍巖質量指標[BQ]值的定量計算，綜合確定病害路段隧道圍巖級別(見表2)。

從表2可以看出，隧道病害段圍巖主要是Ⅳ級(承德方向770 m、張家口方向575 m，共1 345 m)、Ⅴ(承德方向330 m、張家口方向450 m，共780 m)圍巖，Ⅲ級圍巖只在隧道左幅有75 m。而原來這區段隧道的圍巖級別都是Ⅲ級，并據此進行設計和施工，顯然與實際嚴重不符，是造成隧道病害發生的關鍵所在。

表2 病害路段隧道圍巖級別

3.2 處治方案

針對隧道病害情況，需要對隧道結構進行補強處理，隧道目前是按Ⅲ級圍巖修建的，沒有設置仰拱，需對其進行結構加強。根據以往經驗和有關資料介紹，既有隧道補強的常用處治措施有隧底注漿、增設錨桿(管)、隧底換填、增設仰拱等等，其中增設仰拱補強效果最大。隧道仰拱是襯砌結構的重要組成部分，特別在軟弱圍巖段，仰拱對提高隧道結構的承載力、抑制圍巖內塑性區的擴展、約束隧道洞周圍位移的發展、提高襯砌結構的安全度等方面都具有非常重要的作用，特別是在隧道側壓力較大的軟弱圍巖或膨脹性巖體中這種作用尤為明顯。所以決定主要采用“增設錨桿(管)、增設仰拱和隧底換填”的方案來補強隧道結構，具體各段處治方案見表3，隧道處治方案斷面設計如圖2所示。

表3 大華嶺隧道病害處治

3.3 方案實施步驟

1)進行交通管制，考慮到隧道施工的特殊性，采用半幅斷交施工、半幅通車的交通組織形式，利用K540+533隧道前貫通車道和547+873中央分隔帶開口作為車輛變道行駛的通道。

2)清查隧道排水系統，通過查閱設計、竣工資料并現場標注邊溝、檢查井(邊溝檢查井、沉沙井、中心溝檢查井)位置，確定橫向排水管、縱向排水溝位置，制定橫向排水、縱向排水的措施。由于病害治理段落位于隧道進口2 km左右，整個隧道縱斷排水方向為向隧道進口排水，病害處治位置φ400中心排水溝上游約有3.3 km的隧道內部排水經過病害處治段落，為防止隧道底開挖過程中外部水影響隧道基巖，病害治理過程中需要做好中心排水管和橫向排水管的保護和恢復工作。

3)對檢修道電纜槽內的管線設施采取臨時保護措施，防止施工過程中損壞，為防止鑿除損壞的電纜槽側墻、路面時造成管線的滑落損壞，采用臨時托架進行保護，臨時托架間距按照4 m計。

4)開挖前應按設計要求施作鎖腳、臨時支撐等措施。在隧道兩側邊墻用直徑×壁厚=76×6 mm注漿鋼花管及直徑×壁厚=108×6 mm注漿鋼花管鎖腳，鋼花管長6 m，縱向排距100 cm，注漿壓力1 MPa～2 MPa，注漿采用水泥漿液，注漿后鋼管內采用M30水泥砂漿填充，以提高鋼管剛度。

5)拆除現有路面、路基及路基填充，對原有巖石基底進行加深、鏟平，然后噴射混凝土。a.路面及基層宜采用機械開挖；爆破開挖時，應采用小藥量預裂爆破或靜態爆破；b.開挖作業不得影響隧道結構安全，每次開挖長度不宜超過3 m～5 m；c.拆除過程中，應加強監測，發現異常及時采取措施。

6)拱底設置5 m長R32N自進式徑向中空注漿錨桿，以控制底鼓和側壁擠入。

7)增設仰拱，底部鋪設鋼拱架(縱向間距與拱部初期支護鋼拱架間距一致，并盡可能與其對接起來)，底部打入長5 m的R32N自進式中空注漿錨桿，布置間距100 cm×60 cm，端部與鋼拱焊接在一起，第一次澆筑C25混凝土初期支護仰拱厚25 cm，再進行二襯仰拱配筋并澆筑C40混凝土，仰拱厚50 cm，最后用C15片石混凝土進行仰拱回填。

a.仰拱初期支護鋼拱架施工時要設置縱向鋼板與鋼拱架焊接確保其兩端與原有隧道結構的有效連接，增設的仰拱兩端與原有隧道墻腳部位鋼筋采用植筋的方式做好有效連接，仰拱澆筑前，先進行既有襯砌拱腳植筋和鑿毛處理，植筋采用φ25螺紋鋼筋，植入深度為40 cm，間距30 cm。植筋鉆孔宜為30 mm，鉆孔鉆進方向應與襯砌面盡量垂直，鉆孔位置位于襯砌中心。

b.仰拱混凝土宜整體模筑、振搗密實，并做好與原結構的銜接及接縫處理，仰拱填充應在仰拱混凝土強度達到70%后進行，填充用片石混凝土中片石量不應超過20%，片石間距應不大于粗集料的最大粒徑，應分層擺設，澆筑混凝土后應振搗密實。

8)將拆除過程中破壞的縱、橫向排水管、中心排水溝進行新舊銜接后，用C15片石混凝土進行仰拱回填。恢復橫向φ100PE波紋排水管按5 m一道設置，與中心水溝連通，銜接位置處做好連接，最終將水流通過中心排水溝排出洞外。恢復由于養護施工鑿除的邊溝檢查井、沉沙井、中心溝檢查井。

9)路面基層和面層、電纜溝等按原結構層進行恢復。路面結構采用4 cm瀝青混凝土抗滑層+6 cm中粒式瀝青混凝土+26 cm水泥混凝土+20 cm水泥穩定級配碎石。

10)恢復路面標識、標線等交通標志。

4 結語

結合查詢原始設計施工資料、現場調查和補做詳細地勘所提出的以增設仰拱為主的大華嶺隧道病害處治方案，經過兩次專家咨詢會的審查，認為處治方案補做地勘比較詳細，處治方案總體合理、可行，安全性高，可以付諸實施。