公路運營隧道路面起拱病害檢測及成因分析技術研究

黃忠財 熊雅文

作者簡介：

黃忠財（1976—），高級工程師，主要從事高速公路建設管理等工作。

路面起拱是廣西地區公路隧道常見重大病害之一。現階段，針對公路運營隧道路面起拱病害的研究主要集中在病害形成機理的理論分析方面，而針對路面起拱的病害檢測技術研究較少，結合數值分析手段進行路面起拱病害演變過程的研究幾乎沒有。文章依托工程實踐，對公路運營隧道路面起拱病害的檢測技術進行了系統研究，初步推測金龍巖隧道路面起拱存在圍巖偏壓、基巖軟化等多方面影響因素，并借助MIDAS GTS NX有限元數值分析軟件，模擬了偏壓隧道基巖逐漸軟化引起路面起拱病害的演變過程。

公路隧道;路面起拱;數值分析;檢測技術;成因分析

U457+.2A501795

0 引言

隨著西部大開發持續推進，廣西地區的高速公路隧道運營里程逐年增加。桂西地區巖溶地質發育，地下水豐富，隧道在長期運營過程中，病害逐漸增加，諸如襯砌開裂、破損、滲漏水等病害層出不窮。近年來，廣西地區隧道發生多起隧道路面起拱、襯砌突泥涌水、襯砌掉塊等嚴重病害，其中隧道路面起拱病害發展過程較長，便于及時發現并處治。現階段，有關公路運營隧道路面起拱病害的研究較少，主要集中在路面病害成因的理論分析方面[1-3]，或檢測和處治技術研究方面[4]，專門針對運營隧道路面起拱病害成因數值分析技術的研究幾乎沒有。

本文依托靖西至那坡高速公路（下文簡稱“靖那路”）金龍巖隧道上行線路面起拱病害專項檢測項目，對公路隧道路面起拱病害的檢測手段和檢測技術進行了系統研究，同時借助MIDAS GTS NX有限元數值分析軟件，模擬了偏壓隧道基巖逐漸軟化引起路面起拱病害的演變過程，為類似隧道病害檢測和成因分析技術提供了借鑒。

1 工程概況

靖那路金龍巖隧道位于廣西百色市那坡縣，建成于2014年12月，為上下分離式隧道。隧道管養單位在日常養護中發現，隧道上行線YK488+380～YK488+430區段存在路面起拱、開裂病害。隧道竣工資料顯示，金龍巖隧道上行線YK488+380～YK488+430位于洞身段，巖性為石灰巖，中-厚層狀結構，巖體微風化，巖體較完整，產生較大規模涌水的可能性小，但洞室地處巖溶發育區，洞身段可能發育有溶洞，地質剖面如下頁圖1所示，地質平面如下頁圖2所示。YK488+380～YK488+430區段隧道設計為Ⅲ級圍巖，

采用Ⅲ型襯砌結構（見圖3），路面下方未設置仰拱。

2 檢測結果

為準確探明金龍巖隧道路面起拱范圍及成因，計劃從外觀檢查、襯砌背后空洞、路面下方基巖密實度、斷面尺寸等四個方面進行專項檢測。

2.1 外觀檢查結果

金龍巖隧道病害主要分布在YK488+350～YK488+450和ZK488+350～ZK488+450區段。該區段的病害對隧道結構安全或行車舒適性影響較大的病害為襯砌裂縫、滲漏水和路面起拱、開裂，如圖4、圖5所示。

2.2 襯砌背后空洞檢測結果

金龍巖隧道襯砌背后缺陷主要為局部二襯脫空或膠結不密實，個別位置存在圍巖節理裂隙發育或不密實，缺陷主要發生在拱腰位置。詳細缺陷雷達檢測結果如圖6所示。

圖6 金龍巖隧道上行線襯砌雷達檢測結果圖

2.3 500 m雷達路面探測結果

（1）上行線右車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+380～YK488+456區段，其中YK488+380～YK488+384范圍淺部可能存在小型孔洞發育;YK488+384～YK488+432范圍內淺部基巖松散、節理裂隙發育，如圖7所示。

（2）上行線左車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+382～YK488+460區段，其中YK488+382～YK488+430范圍內缺陷主要表現為基巖松散，節理裂隙發育，局部可能存在小型空洞發育;YK488+430～YK488+460范圍內缺陷主要表現為路面基層與基巖粘結不密實，如圖8所示。

2.4 100 m雷達路面檢測結果：

（1）上行線右車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+380～YK488+405區段，缺陷主要表現為基巖松散，節理裂隙發育，深度范圍約1～4 m，如圖9所示。

（2）上行線左車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+369～YK488+426區段，其中YK488+369～YK488+397范圍內缺陷主要表現為基巖松散，節理裂隙發育，深度范圍約1～13 m，如圖10所示。

2.5 斷面尺寸檢測結果

本次針對上行線YK488+327～YK488+447區段抽檢25個斷面。經檢測，金龍巖隧道上行線YK488+327～YK488+447襯砌斷面均未侵入隧道建筑限界，襯砌結構未發生明顯變形。

綜合上述檢測結果可知，路面起拱主要發生在上行線YK488+380～YK488+430區段，且右車道起拱比左車道更加嚴重。該區段襯砌背后局部存在脫空，斷面尺寸未發生明顯侵限和收斂變形，路面下方淺層基巖松散，深層基巖節理裂隙發育。初步推測路面起拱病害主要由兩方面因素引起：（1）起拱段淺層基巖（0～5 m范圍內）圍巖松散、富水，且左車道路面下方（2～13 m范圍內）、右車道路面下方（2～4 m范圍內）基巖溶蝕裂隙明顯發育，基巖明顯軟化，強度降低，從而引起路面起拱;（2）隧道路面起拱段所處地層存在較明顯的偏壓特點，3倍洞徑范圍內地表相對高差最大約120 m，襯砌結構受力不均勻，導致隧道上行線右車道路面起拱比左車道更加嚴重。

3 病害成因數值分析

3.1 數值模型建立

本文采用MIDAS GTS NX軟件對路面起拱的衍化過程進行分析，選取雷達檢測中基底圍巖軟化破碎最嚴重的斷面進行二維數值模擬。為節省計算空間，隧道左、右兩側及下部基巖邊界按3倍洞徑范圍建模。由于隧道存在偏壓作用，上部圍巖根據實際埋深建模，模型整體尺寸為寬115 m×高188 m，右洞拱頂埋深為76 m，左洞埋深為31 m。整體數值模型見圖11，局部模型見圖12。

圍巖軟化區設置為右洞襯砌兩側4 m和路面下方5 m范圍，根據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》[5]中的圍巖參數推薦值，結合現場實際情況，通過折減圍巖軟化區的彈性模量、泊松比、粘聚力和內摩擦角來模擬圍巖軟化過程，分別考慮圍巖由Ⅲ級圍巖軟化為Ⅳ級圍巖、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖等三種工況。采用地層-結構法建立模型，其中采用二維平面應變單元模擬隧道圍巖、初期支護及二次襯砌結構，采用桁架單元模擬錨桿。模型參數取值見表1。

3.2 分析工況

本次分析，通過設置三種工況模擬圍巖軟化過程，由于本次主要考慮運營階段的病害發展，故不考慮施工過程的影響，直接生成隧道結構模型。各工況如下：

（1）工況一：圍巖軟化區由Ⅲ級圍巖軟化為Ⅳ級圍巖。

（2）工況二：圍巖軟化區由Ⅳ級圍巖軟化為Ⅴ級圍巖。

（3）工況三：圍巖軟化區由Ⅴ級圍巖軟化為Ⅵ級圍巖。

3.3 數值模擬結果

在隧道上行線路面布置5個監測點，各監測點位置及豎向位移情況見表2，各工況下襯砌結構和圍巖軟化區的豎向位移云圖見圖13～15。

（1）根據數值分析結果可知，圍巖豎向位移最大值發生在測點1的位置，距右拱腳0.27 m。

（2）數值模擬結果顯示，右車道路面豎向位移明顯高于左車道，中間部位的路面豎向位移相對較小。可見隧道所處位置的偏壓現象明顯，基巖軟化后，襯砌結構整體下沉，兩側拱腳均向內側擠壓，偏壓作用導致右側拱腳擠壓更加嚴重。

（3）當基巖軟化為Ⅴ級圍巖時，測點1豎向位移達到18.4 cm，測點3豎向位移僅0.5 cm，測點5位移為15.58 cm。該工況數值模擬結果與現場檢測情況接近，由此推斷基底圍巖軟化區的圍巖級別接近Ⅴ級圍巖。

（4）隨著基地圍巖逐步軟化，路面豎向位移明顯增加。當基地軟化區由Ⅴ級圍巖軟化為Ⅵ級圍巖時，各監測點豎向位移均有較大增長，測點3的豎向位移由0.5 cm增長到10.61 cm，沿路面橫斷面的豎向位移不均勻度逐漸減小，但偏壓作用依然存在。

（5）隨著路面下方基巖的進一步軟化，路面整體豎向位移將繼續增大，存在路面整體起拱、開裂的可能，最終將引起襯砌結構失穩。

4 結語

本文通過結合綜合檢測手段和數值分析方法，對靖那路金龍巖隧道路面起拱病害的檢測和成因分析技術進行了系統的研究，得出了以下幾點結論：

（1）隧道路面起拱病害的檢測應在綜合分析隧道工程地質、水文地質條件的基礎上，進行全方位的檢測，檢測內容可包括外觀、斷面尺寸、襯砌脫空情況、基巖密實度等多個方面。

（2）金龍巖隧道路面起拱病害主要是由于基底圍巖軟化引起的襯砌拱腳下沉并向內側擠壓所致。由于圍巖偏壓作用，導致隧道上行線右車道路面起拱程度比左車道更嚴重。

（3）有限元數值分析方法可為隧道病害成因的演變過程提供有效解決方案。

（4）綜合檢測法和數值分析相結合的手段，在隧道病害檢測及成因分析中是行之有效的，為今后類似病害的檢測提供了工程借鑒，

[1]楊 樹.高速公路隧道病害成因機理及防治方案[J].工程技術研究，2019（2）：227-228.

[2]張標東.漢鄂高速巴家灣隧道路面病害分析與處治方案[J].交通世界（運輸.車輛），2015（4）：132-134.

[3]盧 嘯.季家坡隧道路面起拱病害處治施工管理探析[J].工程建設與設計，2018（24）：142-143.

[4]肖 博，秦 峰.隧道路面病害檢測及處治設計[J].公路交通技術.2012（3）：105-109.

[5]JTG 3370.1-2018，公路隧道設計規范 第一冊 土建工程[S].