某運(yùn)營(yíng)黃土公路隧道病害成因與處治技術(shù)研究

朱 江

(山西省交通新技術(shù)交通發(fā)展有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

山西省黃土隧道主要分布在中西部地區(qū)，其中運(yùn)營(yíng)高速公路黃土隧道總里程356 490 m，其中純黃土隧道186 910 m/231座，部分段落為黃土的隧道169 580 m/57座；在建各類黃土隧道39 634 m，其中高速公路黃土隧道20 422 m/14座。黃土隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)襯砌開(kāi)裂、滲漏水、仰拱底鼓隆起、路面翻漿冒泥等病害，嚴(yán)重影響行車安全。出現(xiàn)病害的原因復(fù)雜，是一個(gè)極其復(fù)雜的物理、力學(xué)過(guò)程，是多種因素共同作用的結(jié)果，其與隧道圍巖性質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)、支護(hù)參數(shù)、施工質(zhì)量和運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)等密切相關(guān)。本文結(jié)合山西省某運(yùn)營(yíng)高速公路黃土隧道，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和檢測(cè)手段針對(duì)該隧道出現(xiàn)的病害進(jìn)行系統(tǒng)研究，從洞內(nèi)外兩個(gè)方面分析了隧道出現(xiàn)病害的原因，并提出了有針對(duì)性的處治措施，對(duì)類似運(yùn)營(yíng)黃土公路隧道具有借鑒和指導(dǎo)作用。

1 工程概況

2 病害現(xiàn)狀調(diào)查

運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，該隧道主要病害表現(xiàn)為局部段落襯砌破損、開(kāi)裂剝落，襯砌拱腳下沉，路面隆起、縱向開(kāi)裂錯(cuò)臺(tái)，電纜槽扭曲變形、傾斜反翹等現(xiàn)象。邊墻裂縫寬度達(dá)3 cm，且沿裂縫出現(xiàn)錯(cuò)動(dòng)，最大錯(cuò)動(dòng)量達(dá)5 cm，出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象如圖2所示；路面縱向開(kāi)裂寬度1 cm～3 cm，裂縫沿隧道縱向呈魚尾狀，可見(jiàn)1 cm～2 cm的路面隆起如圖3所示；人行橫通道底板開(kāi)裂隆起，裂縫寬度達(dá)1 cm，底板隆起高度達(dá)20 cm,如圖4所示；電纜溝蓋板呈明顯傾斜現(xiàn)象，邊溝與瀝青路面結(jié)合部發(fā)生明顯的開(kāi)裂和下沉，最大縫寬3 cm，最大下沉錯(cuò)動(dòng)達(dá)10 cm,如圖5所示。

3 病害成因分析

為查明病害原因，消除隱患，防止隧道病害進(jìn)一步發(fā)展，根據(jù)該隧道病害特征，本文從洞內(nèi)外兩個(gè)方面開(kāi)展病害原因分析。

3.1 隧頂?shù)乇砣毕?/h3>

至隧頂?shù)乇韺?shí)地調(diào)查，地表植被以荒草灌木為主，發(fā)現(xiàn)該隧道洞身地表發(fā)育多條深切沖溝，局部存在陷穴和落水洞見(jiàn)圖6，圖7。由于建設(shè)期并未對(duì)其進(jìn)行處理，隧道運(yùn)營(yíng)后，地表雨水匯集至沖溝底部并下滲至隧道結(jié)構(gòu)，降低黃土圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致圍巖承載能力降低，繼而誘發(fā)隧道病害的產(chǎn)生和發(fā)展，并直接侵蝕隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)，附加應(yīng)力增大，降低隧道結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

3.2 施工質(zhì)量缺陷

技術(shù)人員對(duì)該隧道洞內(nèi)病害段主要開(kāi)展了凈空測(cè)量、襯砌及仰拱狀況檢測(cè)、襯砌強(qiáng)度檢測(cè)和隧道變形監(jiān)測(cè)等，結(jié)果表明施工質(zhì)量較差是導(dǎo)致該隧道運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)如此病害的另一個(gè)原因。

采用隧道激光斷面儀對(duì)隧道凈空進(jìn)行測(cè)量，將當(dāng)前斷面形狀和設(shè)計(jì)斷面形狀進(jìn)行比對(duì)，可反映出隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，該隧道上行K482+687～K482+867段落左拱腰和拱頂部位存在較大偏差，偏差值介于9.6 cm～15.7 cm之間；下行ZK482+498～ZK482+858段落拱頂部位存在較大偏差，偏差值介于9.5 cm～33.1 cm之間，未發(fā)現(xiàn)各檢測(cè)斷面存在建筑限界受侵現(xiàn)象。隧道激光斷面儀測(cè)量結(jié)果表明，該隧道病害段拱部存在較大的豎向圍巖壓力，是導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縱向裂縫、環(huán)向裂縫的直接誘因，導(dǎo)致襯砌混凝土破損甚至剝落現(xiàn)象的發(fā)生。

采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)襯砌缺陷進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明，該隧道檢測(cè)范圍內(nèi)局部初期支護(hù)與二次襯砌間存在脫空和不密實(shí)現(xiàn)象，缺陷段長(zhǎng)度占比達(dá)2.6%；隧道二次襯砌厚度離散性較大，最薄處僅有6 cm，抽樣合格率僅為65.2%；上行隧底結(jié)構(gòu)層厚度介于100 cm～190 cm之間，下行隧底結(jié)構(gòu)層厚度介于105 cm～210 cm之間，并且隧底結(jié)構(gòu)層與基底圍巖局部存在脫空和不密實(shí)現(xiàn)象。該隧道病害段存在路面結(jié)構(gòu)層及仰拱與其填充層厚度不滿足設(shè)計(jì)要求的情況，造成隧底結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，同時(shí)隧道路面結(jié)構(gòu)層與仰拱填充層之間存在輕微脫空現(xiàn)象。

采用回彈儀對(duì)襯砌混凝土強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，并考慮混凝土碳化影響后，該隧道上下行襯砌混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)隧道路面沉降監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該隧道上行路面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)之值為4.6 mm，而下行路面呈整體下沉現(xiàn)象，其值高達(dá)13.56 mm，監(jiān)測(cè)過(guò)程中偶遇襯砌掉塊，說(shuō)明該隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中變形明顯，安全風(fēng)險(xiǎn)大，影響行車安全，需及時(shí)關(guān)閉隧道并實(shí)施病害處治。

雨水沿隧頂落水洞和陷穴下滲，圍巖壓力尤其是側(cè)向圍巖壓力增大的情況下，隧底地基承載力降低和隧底結(jié)構(gòu)剛度不足導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拱腳向內(nèi)收縮，路面結(jié)構(gòu)擠壓隆起等現(xiàn)象的發(fā)生；隧道病害段襯砌厚度薄厚不均，導(dǎo)致襯砌局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，加劇了隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和破損現(xiàn)象的發(fā)生。

4 病害處治方案

本著“安全第一，經(jīng)濟(jì)可行，節(jié)約成本”的基本原則，經(jīng)分析研究，擬從洞內(nèi)外兩個(gè)方面對(duì)該運(yùn)營(yíng)高速公路黃土隧道進(jìn)行病害處治。

4.1 地表處治措施

隧頂?shù)乇砣毕莶捎没靥罨彝梁妥{的方法進(jìn)行處治。使用3∶7灰土對(duì)沖溝裂縫、陷穴等進(jìn)行回填夯實(shí)，同時(shí)加強(qiáng)地表水的疏排管理。采取注漿方法時(shí)，為獲得良好的注漿堵水效果和經(jīng)濟(jì)性，需選取合適的注漿試驗(yàn)地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)注漿試驗(yàn)，并對(duì)注漿后的效果進(jìn)行檢查，取得注漿施工中的孔位布置、壓力、漿液注入量、注漿材料等參數(shù)的控制方法，確保隧頂覆蓋層密實(shí)且無(wú)潛在的空洞和裂縫。

4.2 洞內(nèi)處治措施

由于該隧道不同段落原支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)不同，根據(jù)不同段落的病害特征和嚴(yán)重程度采用不同的處治措施。

4.2.1洞身病害段處治措施

1)粘貼W鋼帶。針對(duì)該隧道襯砌局部脫落，厚度不足的段落，采用膠黏劑粘貼環(huán)向布置的寬度200 mm、厚度5 mm的W鋼帶，其縱向間距為100 cm，相鄰兩環(huán)的接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi)，間距不低于500 mm；通過(guò)寬度200 mm、厚度8 mm的縱向鋼板連接W鋼帶，每環(huán)設(shè)縱向連接鋼板4片；并通過(guò)化學(xué)錨栓固定W鋼帶和縱向連接鋼板。

2)隧底地基加固設(shè)計(jì)。該隧道襯砌開(kāi)裂嚴(yán)重并掉塊段落，原設(shè)計(jì)方案中初期支護(hù)仰拱和二次襯砌仰拱均閉合成環(huán)，但初期支護(hù)無(wú)鋼架，二次襯砌也為素混凝土結(jié)構(gòu)。由于運(yùn)營(yíng)隧道仰拱開(kāi)挖對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，隧底地基加固時(shí)不拆除原支護(hù)結(jié)構(gòu)，僅將路面結(jié)構(gòu)層和局部仰拱填充層破挖。具體方案分兩步：a.拆除既有電纜槽和邊溝，然后在襯砌墻腳位置打設(shè)DN80，L=6 m@100 cm的注漿鎖腳錨管，防止破挖隧底時(shí)拱墻部位產(chǎn)生較大位移；再在病害段隧底設(shè)φ120 mm@100 cm鋼管樁，梅花形布置，并在管身鉆梅花形注漿孔，鋼管樁就位并成型后注入水泥漿填充；b.通過(guò)M20@100 cm高強(qiáng)度螺栓沿隧道兩側(cè)墻腳位置處固定縱向布設(shè)的[25a槽鋼，并與Ⅰ20a@100 cm橫向支撐焊接牢固。各Ⅰ20a型鋼橫撐中央處和1/4位置處采用Ⅰ14a通過(guò)焊接方式加強(qiáng)連接，形成型鋼框架，并與鋼管樁管頂焊接，然后再恢復(fù)路面。復(fù)合式路面厚51 cm，其中基層采用15 cm厚貧混凝土，混凝土面板厚26 cm并配Φ16HRB335鋼筋網(wǎng)，面層分別是4 cm厚細(xì)粒式改性瀝青瑪脂(AC-13)和6 cm厚中粒式改性瀝青混凝土(AC-20)。

4.2.2人行橫洞處治措施

首先采用DN80，L=4.5 m的注漿鎖腳錨管加固人行橫洞拱腳，然后再分兩步開(kāi)展有針對(duì)性地處治：首先將原襯砌開(kāi)槽后埋入Ⅰ14@100 cm的鋼拱架，相鄰鋼拱架通過(guò)在原襯砌表面刻槽埋入Φ25HRB335鋼筋連接，再通過(guò)C25自密實(shí)補(bǔ)償收縮混凝土填充間隙；然后通過(guò)M20-20×200@100 cm高強(qiáng)度螺栓沿人行橫洞拱腳兩側(cè)固定縱向布設(shè)的[25a槽鋼，并與Ⅰ20a@100 cm橫向支撐焊接牢固。各Ⅰ20a橫向支撐中央處再采用[14a槽鋼通過(guò)焊接方式加強(qiáng)連接，形成型鋼框架，并采用30 cm厚C30混凝土恢復(fù)人行橫洞路面。

5 結(jié)論與建議

引起運(yùn)營(yíng)隧道出現(xiàn)病害的原因是多方面的，是綜合因素導(dǎo)致的結(jié)果。本文對(duì)某運(yùn)營(yíng)高速公路黃土隧道出現(xiàn)病害的原因從洞內(nèi)外兩個(gè)方面開(kāi)展研究，并提出了針對(duì)性的處治措施：

1)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，該隧道地表存在的沖溝裂縫、陷穴和落水洞為雨水匯集提供了便利條件。雨水沿隧頂?shù)乇砣毕菹聺B，圍巖壓力尤其是側(cè)向圍巖壓力增大的情況下，隧底地基承載力降低和隧底結(jié)構(gòu)剛度不足導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)拱腳向內(nèi)收縮，路面結(jié)構(gòu)擠壓隆起等現(xiàn)象的發(fā)生；

2)該隧道建設(shè)期間，施工質(zhì)量較差是導(dǎo)致該隧道在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)病害的另一個(gè)原因。隧道病害段襯砌厚度薄厚不均，導(dǎo)致襯砌局部產(chǎn)生應(yīng)力集中，加劇了隧道襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂和破損現(xiàn)象的發(fā)生；

3)該隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中變形明顯，安全風(fēng)險(xiǎn)大，影響行車安全，需及時(shí)關(guān)閉隧道并實(shí)施病害處治，并根據(jù)病害程度，提出了分段處治的建議。建議在該隧道襯砌局部脫落，厚度不足的段落，采用粘貼W鋼帶的方案；在襯砌開(kāi)裂嚴(yán)重并掉塊的段落以及人行橫洞病害段，采用鎖腳錨管、鋼管樁和型鋼框架梁的方案。