隧道路面混凝土硫酸鹽腐蝕分析與處治研究

陳柚州 趙益鑫 張逸 周雄 楊斌

（1、重慶高速集團(tuán)有限公司東南分公司，重慶 401147 2、招商局重慶公路工程檢測中心有限公司，重慶 401147）

近年來，我國高速公路隧道運(yùn)營里程逐年增長，路面作為隧道土建結(jié)構(gòu)的重要組成部分，其路面在長期的運(yùn)營過程中受到交通荷載和圍巖結(jié)構(gòu)等作用下，病害問題日益突出[1]。尤其在特殊地質(zhì)區(qū)域和施工期間存在明顯質(zhì)量缺陷的隧道，路面病害嚴(yán)重且其發(fā)展速度快，直接影響隧道結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，極端情況下甚至?xí)斐伤淼勒w失穩(wěn)，對建設(shè)期及運(yùn)營期的行車安全存在較大威脅[2-5]。為了保證隧道內(nèi)的行車安全性和提高舒適性，也為了積極響應(yīng)國家及交通運(yùn)輸部加強(qiáng)公路隧道養(yǎng)護(hù)水平的號召，對隧道路面的病害處治顯得十分重要。

本文以重慶市某高速公路隧道路面病害為例，通過路面外觀檢測、路面地質(zhì)雷達(dá)檢測、水樣檢測、混凝體成分檢測等方式，分析了該隧道路面病害的原因并進(jìn)行了工程處治措施，并得出相應(yīng)的結(jié)論，對以后公路隧道路面腐蝕病害處治有較好地指導(dǎo)和借鑒作用。

1 工程概況

本文依托項(xiàng)目為重慶某雙洞雙向四車道的特長隧道，隧道為左右幅分離式雙洞雙向四車道特長隧道。該隧道運(yùn)營過程中局部混凝土出現(xiàn)腐蝕、開裂破壞的現(xiàn)象，其中5 號橫洞腐蝕嚴(yán)重段落混凝土右明顯外鼓翻渣掉落現(xiàn)象，已嚴(yán)重影響到隧道運(yùn)營安全。典型病害圖片如圖1 所示。

圖1 路面沉陷、混凝土腐蝕

隧道路面出現(xiàn)嚴(yán)重開裂后，養(yǎng)護(hù)人員在路面裂縫處進(jìn)行開孔檢測，發(fā)現(xiàn)仰供強(qiáng)度喪失，且孔中泛水，水樣送檢，發(fā)現(xiàn)SO42-含量偏高，且具有弱腐蝕性。水質(zhì)分析成果表如表1 所示。

表1 水質(zhì)分析成果表

2 雷達(dá)檢測結(jié)果及病害原因分析

2.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果

根據(jù)業(yè)主要求分別在路面左、中、右沿隧道縱向布置3條測線(見圖2)進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)檢測，每條測線采用兩種頻率天線（100MHz 和200MHz）分別進(jìn)行檢測；提供路面厚度、仰拱情況、仰拱填充層密實(shí)情況。根據(jù)檢測報(bào)告，結(jié)論如下：

圖2 地質(zhì)雷達(dá)測線布置圖

厚度檢測結(jié)果：檢測段混凝土總體厚度偏薄，且波動(dòng)較大，且多處路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部或者底部存在離縫，離縫深度多在35～45cm 之間。

密實(shí)性檢測結(jié)果：檢測段內(nèi)3 條縱向測線，經(jīng)高頻、中高頻天線連續(xù)掃面，在測線附近有效探測深度（0～10m）范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)217 處混凝土內(nèi)部離縫、回填層不密實(shí)、封底混凝土基底不密實(shí)、仰拱底部不密實(shí)、圍巖內(nèi)溶腔、空洞不密實(shí)段落。

2.2 路面腐蝕病害原因分析

2.2.1 水文因素。從送檢水樣成果分析表中可以看出SO42-含量顯著偏高，根據(jù)《公路工程混凝土結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范》(JIGT B07-01-2006)條文3.0.4 表明，環(huán)境作用等級評定為嚴(yán)重的腐蝕程度。加之隧道仰拱不成形，澆筑不密實(shí)，為SO42-進(jìn)入混凝土提供了通道，連同車輛荷載一起加速SO42-與混凝土的水化物反應(yīng)，生成石膏和鈣釩石等具有一定膨脹性的產(chǎn)物，加速隧道混凝土襯砌的腐蝕破壞。

2.2.2 前期勘察考慮不全。目前地質(zhì)勘察手段從技術(shù)本身上來說就無法較為準(zhǔn)確、全面的得到隧道周邊地質(zhì)情況，且由于該隧道埋深較大，地質(zhì)勘察難度更大，地質(zhì)勘察的準(zhǔn)確性更低。加上施工中沒有對圍巖支護(hù)參數(shù)進(jìn)行及時(shí)變更增強(qiáng)，使得局部段落是實(shí)際支護(hù)參數(shù)偏弱，在后期圍巖變形壓力作用下，隧道出現(xiàn)裂縫，為地下水進(jìn)入提供了通道，加速混凝土腐蝕破壞。

2.2.3 施工因素。仰拱結(jié)構(gòu)回填混凝土防腐蝕微膨脹效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求等級，混凝土在水浸和水腐雙重作用下，使腐蝕水沿混凝土內(nèi)部毛細(xì)水型式延伸至其內(nèi)部，進(jìn)一步腐蝕混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，致使隧道底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱，隧道底部承載能力下降，混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕膨脹、細(xì)集料損失軟化，將導(dǎo)致隧道路面出現(xiàn)局部開裂、隆起、沉陷等病害。

2.2.4 其他因素。在長期公路隧道運(yùn)營過程中，在行車車輛反復(fù)作用、自然環(huán)境、汽車尾氣等因素影響情況下，尤其是一些特殊的路線隧道內(nèi)經(jīng)常會有重車甚至有超重車輛行駛。隧道路面在重車尤其是一些超重大車的動(dòng)荷載的作用下，會加速隧道路面病害的發(fā)生。

3 注漿處治措施研究及結(jié)果分析

3.1 新型聚合物注漿處治

由于該隧道隧址區(qū)特殊的水文地質(zhì)情況，如含高SO42-的地下水對隧道混凝結(jié)構(gòu)具有微腐蝕、弱腐蝕性，其加速了隧道路面病害的發(fā)展。分界梁隧道巴東地層地下水就對混凝土具有一定的腐蝕性，對路面下混凝土和邊墻混凝土都表現(xiàn)出來明顯腐蝕性；基于此注漿材料應(yīng)具有防水、耐腐蝕性、初始粘度低、流動(dòng)性好、早強(qiáng)、耐老化、環(huán)保、與地基較好結(jié)合等基本特征，現(xiàn)對展開高聚物注漿材料、水泥基注漿材料、地聚物注漿材料、水玻璃注漿材料進(jìn)行調(diào)研，并選出與本項(xiàng)目最為匹配的注漿材料。

3.1.1 對于段落一長度50m 處治方案采用路面面層以上（10cm 瀝青層及24cm 面層）拆換及底部鉆孔注漿“雙組份疏水性聚氨酯注漿材料，高滲透改性環(huán)氧樹脂注漿料及注漿母料”材料注漿。工序流程：拆除路面瀝青層、混凝土面層→注漿路段定位→標(biāo)注注漿孔位置→注漿前檢測→鉆孔→下注漿管→安裝注射帽→注漿→注漿后檢測→封孔→恢復(fù)路面層。

3.1.2 對于段落一長度75m 處治方案采用路面瀝青層拆換及底部鉆孔注漿“雙組份疏水性聚氨酯注漿材料，高滲透改性環(huán)氧樹脂注漿料及注漿母料”材料注漿。先對隧道路面瀝青層進(jìn)行拆除。在路面底部及邊墻布孔，路面按1.5m（環(huán)）×0.75m（縱）梅花型布置，布設(shè)時(shí)離中心水溝中線1.5 米；邊墻兩側(cè)布置各3 排鉆孔，環(huán)向間距0.6m，縱向間距0.75m。最后恢復(fù)路面10cm 瀝青層。現(xiàn)場工作如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)段一現(xiàn)場注漿照片實(shí)況

3.2 處治效果分析

3.2.1 地質(zhì)雷達(dá)檢測法。根據(jù)注漿前后地質(zhì)雷達(dá)檢測結(jié)果分析，可知，在未注漿前，左右側(cè)仰拱處底部存在不同程度的不密實(shí)情況以及脫空情況。注漿后并未發(fā)現(xiàn)明顯脫空或不密實(shí)處。可見，采用注漿加固，隧道左、右側(cè)仰拱處以及兩側(cè)墻處結(jié)構(gòu)得到了有效的加固處理，注漿取得明顯效果（圖4-5）。

圖4 注漿前雷達(dá)回波圖

3.2.2 鉆芯取樣法。取芯過程中，可以看到被鉆頭磨碎的高聚物碎片隨著水流出。根據(jù)鉆芯取樣試樣顯示，路面及仰拱混凝土結(jié)構(gòu)厚度約為0.6～1.1m，下為破碎巖塊，夾雜水泥漿固結(jié)體及聚氨酯材料，底部為基巖。芯樣中存在新型聚合物注漿材料，且微型攝像機(jī)檢測發(fā)現(xiàn)孔壁上有裂縫的位置都有高聚物材料，一定程度上證明高聚物注漿效果，證明此次高聚物注漿對道路路基的縫隙填充是有效可行的（圖6）。

圖5 注漿后雷達(dá)回波圖

圖6 K103+321 水鉆鉆孔、排水

4 結(jié)論

4.1 本文通過現(xiàn)場調(diào)查、水樣檢測及雷達(dá)專項(xiàng)檢測結(jié)果對該隧道路面腐蝕病害原因進(jìn)行了綜合分析，包括隧道水文地質(zhì)條件中SO42-含量偏高、設(shè)計(jì)時(shí)由于勘察資料不周全導(dǎo)致部分段落支護(hù)參數(shù)較弱，施工過程中未及時(shí)變更、施工質(zhì)量欠缺、后期車輛反復(fù)作用的影響。為類似地質(zhì)情況隧道路面病害處治提供了參考價(jià)值。

4.2 該項(xiàng)目采用的注漿材料具有新型聚合物材料擁有可泵性好、提高承載能力、施工效率高、填充性能好、凝結(jié)時(shí)間可調(diào)、質(zhì)量低、導(dǎo)熱系數(shù)低、耐化學(xué)腐蝕性強(qiáng)、良好的韌性和黏性、短期內(nèi)可通車等優(yōu)點(diǎn)，且通過注漿后的雷達(dá)檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)注漿后隧道路面底鼓、裂縫等病害得到明顯改善。