公路隧道病害檢測及安全評估

崔策 任慶東 張波

由于隧道多處在山區,加之在設計和施工中的局限性,隧道結構往往都存在不同程度的病害,因此隧道的安全健康問題日益突出,僅對隧道的病害進行檢測還不足以解決根本問題,只有把握各種病害的成因機理及其相互關聯性,才能更好地提出相關的治理措施,保證隧道正常運營[1-3]。筆者以北京某隧道病害為例,闡述病害的無損檢測方法、研究各種病害分布及相互關聯性、分析病害產生的機理,為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 隧道技術標準

北京某道路工程,全長23.906km,公路等級為三級,設計速度為30km/h。所要檢測的隧道全長713m。隧道建筑限界:凈寬9.0m(0.75m+0.25m+2×3.50m+0.25 m+0.75m),限高5.0m。場地地形起伏比較大,周圍無明顯河流、無地下水,檢測前已完成上臺階開挖支護至K 6+800(累計 160m);完成下臺階仰拱累計142m。由于北京奧運的要求,工程從 2008年 7月開始停工,2008年 10月重新開工。

1.2 隧道工程地質條件情況

隧道圍巖分級中,Ⅳ級圍巖總長498 m,占隧道總長的69.8%;Ⅴ級圍巖總長 215m,占隧道總長的 30.2%。

隧道進口段(K 6+640～K6+705)與地形近于直交,無偏壓荷載,圍巖級別為Ⅴ級,洞身及洞身以上 2倍洞徑范圍內的巖性主要為可塑～硬塑亞粘土、強風化灰巖和中等風化灰巖,巖體風化破碎,裂隙發育,開挖后易坍塌,穩定性差。隧道洞身(K 6+705～K 7+203)圍巖級別為Ⅳ級,洞身及洞身以上 2倍洞徑范圍內的巖性主要為微風化灰巖,節理裂隙發育,開挖后支護不當易坍塌、冒頂,穩定性較差。隧道出口段(K7+203～K 7+353)與地形近于直交,無偏壓荷載,圍巖級別為Ⅴ級,洞身及洞身以上 2倍洞徑范圍內的巖性主要為可塑～硬塑亞粘土、強風化灰巖或砂巖、強風化頁巖。巖體風化破碎,裂隙發育,開挖后易坍塌,穩定性差。

2 隧道現場檢測分析

2.1 檢測項目和方法

1)襯砌缺陷和滲漏水檢查。檢查采用步行方式,配備必要的檢查工具或設備,進行目測或量測檢查。主要采用目測配合鋼卷尺、皮尺和寬度觀測儀等量測設備,對洞口、襯砌等進行外觀檢查,包含襯砌裂縫形態和分布、混凝土外觀缺陷、滲漏水分布及程度等。2)隧道斷面內輪廓檢查。使用瑞士徠卡 TPS1200隧道斷面儀,斷面檢測根據現場的實際情況,每 20m測量一個斷面,對于病害嚴重部位酌情加密。3)襯砌厚度、空洞及不密實帶檢查。采用瑞典 MALA公司生產的RAMAC型地質雷達,根據場地的具體情況以及隧道各部分在結構受力方面的重要性,原則上每個隧道應分別在拱頂及左右拱腰各布置一條測線,但由于檢測施工條件的限制,在隧道樁號 K6+790～K 6+798布置了拱頂及左右拱腰測線,并在已建成部分全長范圍左右邊墻布置長測線。同時在測線上選取典型位置鉆孔取樣,并對鉆孔取芯襯砌厚度與設計襯砌厚度以及用雷達分析的厚度進行對比,分析實際襯砌厚度是否滿足設計要求,同時檢測初襯壁后空洞與密實狀態。

2.2 檢測結果及分析

1)襯砌外觀檢查結果及分析。通過檢查,在已做好的初期支護中,存在 2處滲水,分別位于K6+640整個拱圈內和K6+658左拱腰至左墻腳范圍內,且滲水面積均大 5m2,并且整個洞身存在噴漿不均勻現象。由于隧道開挖中產生松弛地壓,圍巖不能承受自重,而作為荷載作用在襯砌上,當承載力不足時在局部有張開性開裂趨勢,并且由于施工的不合理超挖,襯砌背后產生空洞,空洞不僅使圍巖松弛程度和地壓增加,也阻礙了被動土壓力的產生,由此導致了局部漏水現象。由于本隧道的排水系統還不完整,地下水位會上升產生水壓使圍巖和襯砌劣化。2)斷面內輪廓檢查結果分析。根據本次檢測的斷面情況,發現隧道斷面拱頂部位普遍超挖,其中最小為 44.9cm,最大可達 68.2cm。判斷為施工安裝鋼拱架的需要及噴漿不足所致。邊墻斷面基本上沒有較大的侵陷和變形,其他各點基本都能與設計斷面吻合。3)襯砌背后檢測結果分析。經過對雷達數據進行處理和分析,隧道的檢測結果如下:初襯厚度相對比較均勻,厚度一般在 22cm～23cm之間,且右測線的初襯厚度比左測線的厚度大,左腰線上K 6+778～撐子面,初襯厚度相對較小,一般在 19cm～21cm之間。在樁號K6+795～K 6+798范圍,拱頂深度范圍0.7m～1.0m內出現30cm寬的松動帶。結果顯示,襯砌背后松動帶與漏水處位置基本吻合,松動或空洞上部的巖體可能與圍巖分離而掉落,因此會對襯砌產生沖擊,在襯砌強度不足時,尤其是在二襯尚未施作時,會導致開裂甚至突然崩塌。

3 隧道受力變形數值模擬分析

本文計算采用FLAC2D軟件對已建成隧道部分進行模擬,然后根據《公路隧道設計規范》對結構承載能力進行復核。在不同圍巖條件和支護結構條件下,分別對隧道結構未完全建成時進行位移分析和穩定性評價[4,5]。

3.1 模型建立

模型的上方取至山頂,左右方各取 38m,下方 12m,模型尺寸為寬×高=76m×70m。模型邊界采用齊次邊界條件,上部邊界取為自由面,下部邊界取為固定邊界,左右邊界巖體沿著 X方向的位移被約束。巖體和鋼支架下方的混凝土基礎墩采用實體單元,工型鋼支架采用梁單元模擬,混凝土噴層采用 Liner單元模擬,巖體參數取值見表1。

表1 巖體參數取值

3.2 計算結果分析

在圍巖應力分析中采用全斷面一次性開挖,通過對已支護結構和圍巖的相互作用分析,從圍巖應力云圖可以看出,在隧道目前施工完成的結構中,兩腰應力集中,最大為 3.0e6 Pa;從位移云圖中看出,頂板為 7.5mm,底板為 7.5mm。底板位移之所以比頂板大是因為本隧道支護為鋼架全封閉支護,上部應力通過鋼架傳到底部,大部分由鋼架底部承擔,如不加以控制很容易造成底板低鼓,這恰與設計中底板填 145mm混凝土控制底板變形片石相符。頂板沒有出現塑性區,兩腰處塑性區為 8.00m,底板不存在塑性區。

由工型鋼支架和混凝土噴層彎矩和軸力云圖看出,最大值出現在曲墻墻腳處,分別為 34.83kN?m和 1004kN,得出安全系數分別為 1.4和 1.7。

綜上所述:隧道雖未完成全部支護,但目前已建成的初期支護可以滿足隧道的穩定性要求。

本文對Ⅴ級圍巖和隧道洞口部分也進行了模擬,其支護結構的安全系數均大于1.4,滿足穩定性要求。

4 隧道停工期間維護建議

1)對在Ⅴ級圍巖區檢測到的兩處滲水,要及時進行排堵整治,對于線滲漏采用導管法,即在襯砌表面裝上平行管或在漏水處補 V形或U形槽,而后用管材或合成橡膠等整形材料進行導水;2)由于隧道Ⅳ級圍巖區普遍存在的初次支護噴漿不均情況,應噴射補充均勻,以防止二襯做后拱背留有空洞,對較大的超挖區和襯砌背后不密實區應進行注漿加固處理;3)根據模擬分析,最大彎矩值和軸力值出現在曲墻墻腳處,最大位移出現在底板處,因此建議在停工前補設仰拱,并完成底板片石混凝土的充填;4)由于停工期間的確定因素,應加強對隧道的收斂、變形的監測,出現異常情況,及時進行處理。

5 結語

根據檢測結果,隧道的滲漏水位置、襯砌背后空洞或不密實帶以及襯砌厚度不足位置基本相對應,因此要求在隧道施工中,應合理控制超挖,以防背后產生空洞,從而導致一系列安全隱患。

用 FLAC2D能有效地分析圍巖的應力分布和預測擬建隧道對支護結構產生的變形影響,本文以未建成隧道為背景進行數值模擬,證實這種安全評估方法的可行性,并為此工程提出關注重點。即應重點關注應力集中帶及受力不平衡區域。對其在停工前應做好充分的強度保障,如增設仰拱,充填混凝土底板等。

[1] 關寶樹.隧道工程維修管理要點集[M].北京:人民交通出版社,2004.

[2] 陶連金,唐四海,金 亮.隧道上穿既有車站結構的變形預測和安全評估[J].地下空間與工程學報,2008,4(3):442-447.

[3] 陳建勛,羅彥斌,姜久純.運營公路隧道安全評估[J].現代隧道技術,2006,43(4):68-70.

[4] 解寶新.既有公路隧道檢測技術與安全性評估方法研究[D].廣州:華南理工大學碩士學位論文,2007.

[5] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

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