公路隧道檢測方法與綜合安全評價

任慶東 張波

1，北京中交橋宇科技有限公司，北京 100176；2，北京工業大學建筑工程學院，北京 100022

公路隧道檢測方法與綜合安全評價

任慶東1張波2

1，北京中交橋宇科技有限公司，北京 100176；2，北京工業大學建筑工程學院，北京 100022

通過對隧道在停工期間襯砌缺陷、斷面內輪廓、襯砌厚度及壁后不密實帶的檢測，并結合FLAC數值模擬，對該隧道進行了安全性評價。結果表明，隧道已完成的初期支護基本滿足穩定性要求，但仍然存在一些缺陷，如滲漏水、襯砌背后不密實以及存在應力集中帶和受力不均勻區域，這些對停工期間的隧道安全都一定程度的影響。在上述檢測和分析的基礎上，對隧道停工期間的維護管理提出了建議。

安全評估；數值模擬；檢測

1 工程概況

1.1 隧道技術標準

北京某檢測的隧道全長713m。隧道建筑限界：凈寬9.0m（0.75m+0.25m+3.50 ×2m+0.25m+0.75m），限高5.0 m。場地地形起伏比較大，周圍無明顯河流、無地下水，隧道內可能有溶洞及瓦斯，該隧道為公路中隧道。檢測前已完成上臺階開挖支護至K6+800（累計160m）；完成下臺階仰拱累計142m。

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498m,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（K6+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～硬塑亞黏土、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（K6+705～K7+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～K7+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～硬塑亞黏土、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 隧道檢測

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，通過對已完成二襯和初襯部分隧道斷面進行量測，判定其是否滿足設計斷面輪廓要求。

（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，原則上在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～K6+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和穩定性要求，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，且滲水面積均大于5m2,并且整個洞身存在噴漿不均勻現象。原因在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，發現黎園嶺隧道斷面拱頂部位普遍超挖，其具體情況如表1，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限和變形，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22～23cm之間，且右測線的初襯厚度比左測線的厚度大，左腰線上K6+778～掌子面，初襯厚度相對較小，一般在19～21cm之間。在樁號K6+795～K6+798范圍拱頂深度范圍0.7～1.0m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做時，會導致開裂甚至突然崩塌。

綜上所述，該隧道所檢測的缺陷主要由于圍巖級別較低、施工超挖和結構不完全所致。從隧道的滲漏水、輪廓檢測和襯砌背后空洞不密實帶情況上看，該已建隧道情況基本良好，短期內不會影響隧道的整體穩定性，但是對其存在的局部漏水、噴漿不均和背后不密實現象應及時處理，防止外因和內因組合，造成綜合型破壞，以保證停工期間的安全和完成工后隧道運營期間的長期穩定。

3 隧道受力變形數值模擬分析

表1 斷面內輪廓檢測結果

本文計算采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》進行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。

3.1 模型建立

模型建立時對實際情況進行了部分簡化，根據巷道開挖的影響范圍一般是5D（D是巷道跨度或巷道直徑）。這里巷道跨度大約為76m，巷道開挖的影響范圍是38m。因此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。工型鋼支架采用梁單元模擬，混凝土噴層采用liner單元模擬。

3.2 基本假定和相關參數選取

采用地層-結構模型，按照平面應變問題處理，以下假定：

(1) 對巖層材料采用理想彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準則，大應變變形模式，結構材料均采用線彈性本構模型；

(2) 根據地質資料，假定地表面和各土層均呈勻質水平層狀分布；

(3) 不考慮巖體的構造應力場，只考慮自重應力場；

(4) 鋼架各節點均為剛性節點，不考慮支架的節間搭接部分；

(5) 圍巖應力采用兩次進行釋放，根據工程類比與理論估算，第一次釋放率設為20%。

圍巖和單元結構參數如表2、表3所示：

表2 巖體參數取值

表3 支護材料參數取值

3.3 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，得出Ⅳ級圍巖中的應力云圖、位移云圖和塑性區圖如圖1～6所示。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3.0 e6Pa；從位移云圖中看出，頂板為7.5m m，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最大值分別為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＞1.4，滿足穩定性要求。

4 隧道停工期間維護建議

根據工程的特殊性和現場情況，結合隧道本身已經表現出來問題，在停工期內為保證安全，建議采取以下措施：

(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型槽，而后用管材或合成橡膠等整形材料進行導水；對大面積的滲漏進行噴射砂漿，及適當考慮兩種方法綜合治理，為停工期間及隧道完全建成后消除安全隱患；

(2) 由于隧道Ⅳ級圍巖區存在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進出現在曲墻墻腳處，最大位移出現在地板處，因此建議在停工前補設仰供，并完成底板片石混凝土的充填；

(4) 由于掌子面處受力不均，且雷達結果顯示厚度不足，建議對其補漿增厚，或根據現場條件采用其他方式補強；

(5) 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 結束語

無論對運營隧道還是建設中隧道，都要堅持預防為主，早發現、及時維護的維修管理理念。特別是對未建成隧道：初襯是否均勻，本身結構是否存在缺陷，以及是否存在滲漏水現象，對二次支護后是否能安全運營有著重要的意義。

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，如增設仰供，充填混凝土底板等。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.185