杜公嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)化研究

王培荔，萬(wàn) 飛，郝曉燕

(1. 山西省高速公路管理局，山西 太原 030006； 2. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088)

0 引言

石膏質(zhì)巖是一種典型的特殊巖體，在地下水的作用下，表現(xiàn)出膨脹性、軟化性和溶蝕性[1-3]，常常導(dǎo)致石膏質(zhì)巖地層隧道施工或運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)襯砌變形開(kāi)裂、襯砌局部崩裂、滲漏水、路面開(kāi)裂與隆起等病害現(xiàn)象[4-8]。國(guó)內(nèi)外研究人員在隧道病害處治方法方面已經(jīng)取得了大量的工程實(shí)踐成果[9-13]，二襯置換、二襯嵌拱或增換仰拱結(jié)合疏排堵滲漏水和圍巖加固是隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害的主要處治措施。但由于石膏質(zhì)巖獨(dú)特的工程特性，加之隧道所處的水文地質(zhì)和工程地質(zhì)復(fù)雜，致使石膏質(zhì)巖地層隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害成因錯(cuò)綜復(fù)雜，難以確定合理、有效的病害處治方案，病害處治過(guò)后又復(fù)發(fā)的問(wèn)題在石膏質(zhì)巖地層隧道中不鮮見(jiàn)。

杜公嶺隧道處于含硬石膏泥灰?guī)r地層，2009年12月開(kāi)工建設(shè)，2012年11月完工，2016年10月開(kāi)始實(shí)施隧道特殊地質(zhì)病害處治工程施工。隧道病害處治設(shè)計(jì)階段認(rèn)為含硬石膏泥灰?guī)r地層的膨脹與軟化作用是引發(fā)隧道病害的主要成因，但在隧道病害處治施工階段拆除二次襯砌后，發(fā)現(xiàn)大量初期支護(hù)發(fā)生了嚴(yán)重的碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)現(xiàn)象。碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)最早于1998年由英國(guó)提出，我國(guó)是2004年在西部的水利工程發(fā)現(xiàn)過(guò)類似破壞，在公路交通領(lǐng)域尚未有公布的TSA 破壞案例。因此，針對(duì)既有初期支護(hù)發(fā)生的碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕現(xiàn)象，杜公嶺隧道采用數(shù)值分析方法分析既有初期支護(hù)不能承載情況下襯砌結(jié)構(gòu)病害處治措施的安全性，同時(shí)采用礦物成分測(cè)試手段分析隧道病害段落的腐蝕情況，并據(jù)此進(jìn)行隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)化。

1 工程概況

杜公嶺隧道為長(zhǎng)平高速公路上的雙向四車道分離式高速公路隧道，隧道左線全長(zhǎng)2 474 m、右線全長(zhǎng)2 515 m，洞體最大埋深231 m。隧道斷面采用三心圓(曲墻半圓拱)型式，拱半徑為5.40 m，曲墻半徑為7.90 m，襯砌結(jié)構(gòu)采用復(fù)合式襯砌。

杜公嶺隧道病害以3類、4類和5類為主，病害段落整體處于隧址區(qū)的泥灰?guī)r地層中，泥灰?guī)r中不規(guī)律地分布有硬石膏巖、石膏巖，如圖1所示。隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固總規(guī)模1 447 m，原處治設(shè)計(jì)以二襯置換、二襯嵌拱兩種方案為主，圍巖錨桿加固和注漿加固為輔，主要方案和規(guī)模如表1所示。

圖1 隧道主要病害區(qū)段地質(zhì)縱斷面(單位：m)Fig.1 Geological profile of main tunnel disease section(unit:m)

表1 原襯砌結(jié)構(gòu)加固方案及規(guī)模Tab.1 Reinforcement scheme and scale of original lining structure

2016年10月，在施工初期階段隧道病害查驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)杜公嶺隧道病害段落的初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度損失嚴(yán)重失去承載能力、潮濕狀態(tài)下出現(xiàn)泥化現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)，經(jīng)混凝土專業(yè)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)、診斷，隧道襯砌混凝土中產(chǎn)生了新的物質(zhì)：碳硫硅鈣石和鈣礬石，這兩種物質(zhì)是混凝土受外部環(huán)境中硫酸鹽(石膏巖)腐蝕的產(chǎn)物，其中，碳硫硅鈣石是造成襯砌混凝土強(qiáng)度損失、泥化、失去承載能力的主要原因[14-16]。

圖2 襯砌結(jié)構(gòu)混凝土腐蝕照片F(xiàn)ig.2 Photos of concrete corrosion of lining structure

2 襯砌結(jié)構(gòu)病害處治措施分析

杜公嶺隧道既有初期支護(hù)發(fā)生的碳硫硅鈣石侵蝕情況，會(huì)導(dǎo)致初支逐漸劣化失效，使得二次襯砌單獨(dú)承擔(dān)外部荷載，對(duì)二次襯砌的結(jié)構(gòu)安全性影響明顯。因此，為確定合理的襯砌結(jié)構(gòu)加固措施，建立荷載-結(jié)構(gòu)模型，分析既有初期支護(hù)不能承載情況下，采用單獨(dú)置換二次襯砌(二襯單獨(dú)承載)、二次襯砌結(jié)構(gòu)嵌拱(二襯單獨(dú)承載)和二次襯砌、初期支護(hù)同時(shí)置換(初支+二襯承載)等3種處治措施(以下分別簡(jiǎn)稱措施①、措施②、措施③)時(shí)二次襯砌的安全性。

2.1 計(jì)算工況與荷載

選取杜公嶺隧道隧頂、洞身、隧底均為泥灰?guī)r和隧頂為灰?guī)r、洞身、隧底為泥灰?guī)r兩種地層(以下分別簡(jiǎn)稱地層A、地層B)條件為典型斷面，計(jì)算工況詳見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算工況Tab.2 Calculation condition

地層A與地層B施加在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載分別以典型斷面ZK35+045(地層A)、ZK34+721(地層B)的病害反演分析得到[17]，如圖3所示。

圖3 襯砌結(jié)構(gòu)荷載示意圖(單位：kPa)Fig.3 Schematic diagram of loading on lining structure (unit:kPa)

2.2 模型網(wǎng)格

計(jì)算模型中初期支護(hù)和二次襯砌采用梁?jiǎn)卧M，均采用彈性本構(gòu)模型，初期支護(hù)與圍巖之間的相互作用采用僅受壓的法相彈簧單元模擬，初期支護(hù)與二次襯砌之間采用僅受壓的剛性法向彈簧連接，襯砌結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。

圖4 襯砌結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格Fig.4 Lining structure model mesh

2.3 計(jì)算參數(shù)

隧道初期支護(hù)置換采用I20a型鋼，縱向間距0.6 m，C30噴射混凝土厚28 cm；隧道二次襯砌嵌拱方案采用φ22H16×18鋼格柵，間距1 m布置，40 cm 厚C25素混凝土；二次襯砌置換采用50 cm厚C35鋼混凝土，HRB400φ25@對(duì)稱配筋，保護(hù)層厚度55 mm。初期支護(hù)中的型鋼鋼架和混凝土、二次襯砌嵌拱的格柵鋼架和混凝土按照等彈性模量原則(EA=EcAc+EsAs)等效為整體。計(jì)算模型中初期支護(hù)與圍巖的相互作用的法相彈簧單元根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)取彈性抗力系數(shù)k=150 MPa/m。初期支護(hù)和二次襯砌計(jì)算參數(shù)參考《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D70—2004)取值，計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Tab.3 Calculation parameters of lining structure

2.4 處治措施安全性對(duì)比分析

分別以極值點(diǎn)(軸力最大點(diǎn)、軸力最小點(diǎn)、彎矩最大點(diǎn)、彎矩最小點(diǎn))和關(guān)鍵部位(如圖5所示)的安全系數(shù)、裂縫寬度按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)中相關(guān)條例計(jì)算評(píng)價(jià)二次襯砌的安全性。其中隧道關(guān)鍵部位如圖5所示。

圖5 二次襯砌關(guān)鍵部位示意圖Fig.5 Schematic diagram of key parts of secondary lining

各計(jì)算工況時(shí)杜公嶺隧道二次襯砌的安全性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表4、表5。

表4 極值點(diǎn)安全系數(shù)與裂縫寬度Tab.4 Safety factor and crack width of extreme point

表5 二次襯砌關(guān)鍵部位安全性評(píng)估Tab.5 Safety assessment of key parts of secondary lining

由表4和表5中計(jì)算結(jié)果可以看出：

(1)單獨(dú)置換的二次襯砌(50 cm、C35鋼混凝土)承擔(dān)全部荷載時(shí)，二次襯砌內(nèi)力極值位置及隧道拱腳、邊墻關(guān)鍵位置的安全系數(shù)較小(最小1.44)、裂縫寬度較大(最大1.23 mm)，不能滿足規(guī)范要求。

(2)嵌拱處治后的二次襯砌(40 cm、C25素混凝土)承擔(dān)全部荷載時(shí)，二次襯砌內(nèi)力極值位置及關(guān)鍵部位(拱腳、邊墻、拱腰等)的安全系數(shù)較小(最小0.14)，不能滿足規(guī)范要求。

(3)將二次襯砌、初期支護(hù)同時(shí)置換，新置換的二次襯砌和初期支護(hù)共同承擔(dān)全部荷載時(shí)，二次襯砌關(guān)鍵部位和內(nèi)力極值部位的安全系數(shù)(最小2.23)和裂縫寬度(最大0.14 mm)均能滿足規(guī)范要求。

綜上所述，在考慮杜公嶺隧道初期支護(hù)混凝土被碳硫硅鈣石侵蝕而失去承載能力時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)加固應(yīng)采用二次襯砌、初期支護(hù)同時(shí)置換的措施才能保證襯砌結(jié)構(gòu)安全。

(1) 針對(duì)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐謫?wèn)題，在對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地貌成因形態(tài)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，劃分出侵蝕構(gòu)造地形、構(gòu)造剝蝕地形、侵蝕堆積地形等三大類，高山、中山、低山、深切割丘陵、中切割丘陵、淺切割丘陵、沖積扇平原、河流及階地等八亞類共計(jì)34個(gè)單元。這種劃分方法既方便提取各評(píng)價(jià)指標(biāo)值，也利于有針對(duì)性的提出防治措施。

3 隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固方案優(yōu)化

3.1 襯砌結(jié)構(gòu)加固方案的優(yōu)化范圍

根據(jù)上一節(jié)分析結(jié)果，杜公嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固方案需要進(jìn)行優(yōu)化。因此，為確定杜公嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固方案的優(yōu)化范圍，對(duì)杜公嶺隧道未施工的1 007 m處治段落既有襯砌結(jié)構(gòu)中碳硫硅鈣石和鈣礬石物質(zhì)成分、圍巖中硬石膏和石膏物質(zhì)成分進(jìn)行了專項(xiàng)測(cè)試。試樣測(cè)定采用D8-ADVNCE型X射線衍射儀，測(cè)試斷面121個(gè)、鉆孔累計(jì)長(zhǎng)度218 m，共計(jì)606個(gè)試樣。

(1)測(cè)試斷面與鉆孔布設(shè)

測(cè)試斷面平面布置如圖6所示，其中二襯置換、二襯嵌拱的段落取樣對(duì)象為初支和圍巖，在靠近加固處治段落的外側(cè)也進(jìn)行初支和圍巖鉆孔取芯測(cè)試。此外，對(duì)隧道內(nèi)二次襯砌局部嚴(yán)重鼓起崩裂處的部位和部分初支進(jìn)行了直接取樣。

圖6 鉆孔平面布置(單位：m)Fig.6 Plane layout of borehole (unit:m)

隧道每斷面兩側(cè)邊墻各布設(shè)1個(gè)水平鉆孔，鉆孔距離路面豎向距離約1.5 m，鉆孔深度(L=A+B+C，其中A為既有二襯厚度40，45，50，55 cm，B為既有初支厚度20，22，24 cm，C為鉆取巖芯長(zhǎng)度)。

(2)測(cè)試結(jié)果分析

①初期支護(hù)混凝土腐蝕情況

79個(gè)斷面的初期支護(hù)混凝土檢測(cè)出碳硫硅鈣石或鈣礬石，占所有測(cè)試斷面(121個(gè))的65%；120個(gè)初期支護(hù)混凝土試樣檢測(cè)出碳硫硅鈣石或鈣礬石，占全部試樣(223個(gè))的54%。

42個(gè)斷面的圍巖中含有硬石膏或石膏，占所有測(cè)試斷面(共111個(gè)斷面)的37%；67個(gè)圍巖試樣檢測(cè)出硬石膏或石膏，占全部試樣(216)的31%。

經(jīng)過(guò)對(duì)碳硫硅鈣石、鈣礬石腐蝕、硬石膏、石膏等物質(zhì)含量的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在本次121個(gè)測(cè)試斷面中，110個(gè)斷面已發(fā)生腐蝕或具有極高的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，占比達(dá)到90.9%。表明碳硫硅鈣石侵蝕在未處治的杜公嶺隧道既有初期支護(hù)中已廣泛分布，或正在逐步侵蝕中。因此，考慮隧道襯砌混凝土碳硫硅鈣石侵蝕的時(shí)效性，可認(rèn)為杜公嶺隧道病害區(qū)段內(nèi)的初期支護(hù)已失去或?qū)⑹コ休d能力。

3.2 襯砌結(jié)構(gòu)加固方案

根據(jù)以上測(cè)試分析成果，杜公嶺隧道對(duì)剩余未施工段落(約1 007 m)的襯砌結(jié)構(gòu)加固措施和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。杜公嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害處治設(shè)計(jì)均采用拱墻、仰拱二次襯砌與初期支護(hù)同時(shí)置換、錨桿加固圍巖的方案(見(jiàn)圖3)，對(duì)于未設(shè)仰拱斷面均增設(shè)仰拱，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土采用抗硫酸鹽混凝土。隧道新置換的初期支護(hù)和二次襯砌設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表6，襯砌結(jié)構(gòu)加固方案見(jiàn)圖7。

表6 新置換襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.6 Design parameters of new replacement lining structure

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)加固優(yōu)化方案Fig.7 Optimized reinforcement scheme of lining structure

4 結(jié)論

以往的隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害依據(jù)襯砌結(jié)構(gòu)病害嚴(yán)重程度的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分類處治，針對(duì)3類、4類、5類襯砌結(jié)構(gòu)病害分別采用噴混凝土、貼鋼板、嵌拱或置換等措施，其中病害嚴(yán)重程度是以檢測(cè)發(fā)生時(shí)的狀態(tài)為準(zhǔn)。而針對(duì)石膏質(zhì)巖隧道襯砌結(jié)構(gòu)碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕導(dǎo)致的病害，應(yīng)充分考慮碳硫硅石侵蝕的危害性與時(shí)效性，從襯砌結(jié)構(gòu)病害動(dòng)態(tài)發(fā)展的角度判斷病害嚴(yán)重程度。例如在2016年7月—2017年5月，杜公嶺隧道病害處治施工期間，部分段落病害仍在持續(xù)發(fā)展，其中40 m由4類變?yōu)?類，58 m由1類變?yōu)?類，10 m由2類變?yōu)?類，右洞YK34+780、左洞ZK35+053、ZK34+990等附近出現(xiàn)了二襯崩落現(xiàn)象。杜公嶺隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)象進(jìn)一步驗(yàn)證了通過(guò)病害處治措施比選和礦物成分測(cè)試分析做出的推斷，即杜公嶺隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)正在發(fā)生碳硫硅鈣石侵蝕并逐漸失去承載能力，而二次襯砌結(jié)構(gòu)不能單獨(dú)承擔(dān)圍巖荷載，需要同時(shí)置換初期支護(hù)與二次襯砌結(jié)構(gòu)。

杜公嶺隧道病害處治工程應(yīng)用該隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固方案最終完成施工段落1 515 m，其中原設(shè)計(jì)處治段落1 447 m、新增病害段落68 m。截止2020年3月，杜公嶺隧道已重新開(kāi)通運(yùn)營(yíng)2 a，經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)二次襯砌開(kāi)裂等病害現(xiàn)象[18]，說(shuō)明該隧道襯砌結(jié)構(gòu)加固方案的處治效果良好。