公路隧道淺埋段地表交通荷載作用下襯砌滲水病害結構安全性探討

■吳桂銓

（福建陸海工程勘察設計有限公司，福州 350008）

當隧道與上部道路立體交叉時，車輛所帶來的地表震動荷載可能導致局部巖石隧道裂隙貫通，地表水沿著巖石的貫通裂隙滲入隧道周邊圍巖，裂隙在地表水滲入作用下進一步發育和貫通，進而加速圍巖內的滲流。 襯砌周邊塑性區隨著時間和滲水的不斷增多而加大，原設計的支護結構不能夠滿足現狀的荷載需求而導致支護結構變形開裂，襯砌滲水后混凝土進一步劣化。

目前國內對于車輛荷載及地表水滲入對隧道產生的影響的研究有：曹志剛[1]通過建立三維彈性振動模型結果表明地表車輛荷載下鄰近隧道的振動響應可由正對稱和反對稱荷載工況下的結果疊加得到；周志華[2]分析了動靜荷載與滲透水壓共同作用下壓剪巖石裂紋的起裂規律，表明動荷載、滲水壓力會加劇圍巖的裂紋；陳壽堂[3]通過對地下水與隧道圍巖的相互作用分析，得到了不同圍巖級別條件下地下水對隧道圍巖穩定性的影響，提出了隧道圍巖在地下水影響下的修正分級方法。

本文以福建某高速隧道安全評估項目為依托，利用現場實測數據結合計算軟件對地表交通荷載及地表水滲入對襯砌結構安全的影響進行計算分析，提出經濟合理的處治方案，為后期隧道運營養護加固提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

文章所述的隧道位于福建省某高速上， 在日常巡查過程中發現該隧道左洞隧道出口位置出現嚴重的襯砌剝落、開裂和滲水缺陷。 據了解，某在建項目利用該隧道上方的機耕通道作為施工便道運輸施工材料， 隧道病害及施工便道位置如圖1所示：

圖1 隧道病害及施工便道位置示意圖

1.2 專項檢測情況

據專項檢測顯示（圖2），隧道洞口附近周邊圍巖未見明顯的空腔，但是巖體節理發育，水量充裕，呈富水狀態；襯砌表面呈線流狀滲水（圖3），襯砌裂縫主要以縱向和環向為主， 裂縫深度基本貫穿襯砌；左拱腰位置存在襯砌欠厚缺陷，實測襯砌厚度為設計厚度一半。

圖2 隧道周邊圍巖水文檢測三維圖

圖3 隧道襯砌線流狀滲水實況

2 隧道襯砌計算

2.1 計算工況

利用隧道襯砌計算程序按照荷載結構法進行計算， 計算工況的選取考慮襯砌實測截面厚度，施工車輛靜力荷載、振動效應、地表水滲入等影響，如表1 所示。

表1 計算工況一覽

2.2 計算參數選取

通過專項檢測及查閱隧道竣工文件，缺陷襯砌處于IV 級圍巖淺埋段落， 上方覆蓋層厚13.6 m；工況一與工況二按照竣工圍巖等級IV 級選取計算參數。

地表交通荷載對襯砌的結構影響分為車輛靜力荷載（即車輛自重和載重）和振動效應。 靜力荷載可參照《公路橋涵設計通用規范》[4]中車輛荷載的最大單軸荷載140 kN 選取， 本文簡化荷載通過圍巖的擴散作用，按最不利的模式以外加集中荷載至隧道襯砌拱頂位置進行計算。 目前國內對于車輛振動效應對隧道襯砌結構影響的理論研究仍不完善，汽車行駛產生的振動效應以應力波的形式傳播，以襯砌周邊圍巖為媒介將作用傳遞至襯砌上，應力波在傳遞的過程中對周邊圍巖產生振動和擠壓導致了圍巖裂隙的發育，從而對圍巖性能產生影響。

地表水滲入主要影響隧道周邊的圍巖性能，當圍巖周邊有滲流發生時，滲透的地表水在圍巖中的滲流作用力將改變圍巖中原始的應力狀態，影響圍巖裂隙面的有效應力， 從而降低圍巖的穩定性，甚至產生剪切破壞。 《公路隧道設計規范》[5]中提出巖質圍巖基本質量BQ 值修正時應考慮地下水、 主要軟弱結構面、初始應力狀態的影響程度，但無明確修正的規定，《鐵路隧道設計規范》[6]關于地下水影響下隧道圍巖分級修正如表2 所示：

表2 地下水對隧道圍巖分級修正

車輛的振動導致圍巖裂隙的發育， 地表水通過裂隙滲入圍巖， 滲入的地表水加劇巖體裂隙的發育，從而導致圍巖進一步的劣化。 地表水滲入和車輛的振動效應是相輔相成的， 是造成隧道襯砌開裂及滲水的主要外因。 故本文通過出水狀態進行修正圍巖性能， 分析汽車的振動效應和地表水滲入對隧道襯砌的影響。 專項檢測表明現場襯砌表面滲水呈線流狀， 根據表2 將缺陷段落圍巖等級修正為V 級， 并考慮圍巖在富水狀態下自重增大（由現場取芯試驗所得）。 各工況計算圍巖參數見表3。

表3 圍巖計算參數

2.3 計算結果

本次計算采用結構荷載法隧道襯砌程序計算，根據平面彈性有限元原理把隧道的二次襯砌離散為若干的梁單元，各單元之間通過節點聯結成承載結構。 圍巖既是二襯的荷載又是二襯的約束，圍巖對二襯的作用通過單元間的彈簧壓桿來模擬。 計算單元模型如圖4 所示。

圖4 襯砌結構分析模型示意圖

通過模型提取相應不利位置軸力和彎矩并計算相應安全系數如表4 所示。

表4 襯砌計算對比

根據上述計算結果，得出結論如下：

（1）通過工況一與工況二的對比顯示襯砌局部厚度不足會降低襯砌結構安全儲備；

（2）通過工況二與工況三的對比顯示施工便道上的車輛靜力荷載對隧道襯砌結構安全存在一定影響；

（3）通過工況三與工況四的對比顯示施工便道上的車輛振動效應和地表水滲入導致圍巖劣化，對隧道襯砌結構安全有很大的影響；

（4）根據工況四計算結果顯示襯砌結構安全系數不滿足規范2.4 的要求，需對襯砌結構進行加固。

3 隧道加固方案

3.1 加固方案

根據隧道加固規范規定，對于襯砌劣化較為嚴重的隧道一般采用套拱或拆換的處理措施，筆者考慮隧道處于高速公路上，采用拆換的處理措施雖然能夠一次性解決隧道存在的安全隱患，但是由于該方案所需的時間長并且社會影響大，故本次擬采用嵌入鋼支撐+增大襯砌截面的加固方式進行處治。方案具體措施如下：

（1）施工前對擬加固段落隧道輪廓進行量測，核查隧道限界是否滿足加固設計要求；

（2）按1 m 間距刻槽嵌入工16 鋼支撐，刻槽長度及深度可以根據實測輪廓進行調整；

（3）待型鋼安裝完成后拆除檢測報告描述的欠厚襯砌，并按原設計恢復襯砌；（4）在鋼支撐之間布置鋼筋網，通過鋼筋連接；（5）以型鋼的弧度進行模板安裝，再澆筑自密實混凝土。

3.2 加固效果

對隧道襯砌加固前后分別進行計算，加固前選取上述工況四， 加固后襯砌厚度按既有襯砌厚度+新增套拱襯砌厚度計入，即為60 cm，其余加固后計算參數同表3 工況四。 計算結果如表5 所示。

表5 加固前后襯砌計算對比

根據上述計算顯示隧道在加固后襯砌安全儲備有了較大的提升， 安全系數滿足隧道設計規范要求。

4 結語

有隧道洞口附近排水設施的疏浚和維護，確保排水通暢，減少地表水滲入。

本文通過襯砌滲水形態對隧道周邊圍巖進行修正，提出了地表交通荷載和地表水滲入共同作用下襯砌結構安全的分析方法，但是地下水滲流場與車輛動力耦合是一個復雜的問題，本文僅依據規范采用圍巖折減法簡單地反映地下水滲流場與車輛動力對襯砌結構的影響，沒有具體的工程試驗做依托，故提出以下建議：

（1）既有隧道上方需要通行車輛時應進行必要的結構簡算及評估， 確保安全后方可允許上方車輛通行；

（2）地表水滲入及車輛荷載對既有隧道襯砌結構存在影響，特別是淺埋隧道影響更大，應加強既