隧道路面病害成因分析與處治措施研究

李永永，薛勇杰

（1.山西省交通科學研究院，山西 太原 030006；2.福州大學 土木工程學院，福建 福州 350116）

隨著持續多年的國家基礎設施大投資，我國隧道工程的總里程躍居世界第一。由于地質條件、設計水平、施工管理、運營過程中各種因素的影響，大部分隧道在運營中會出現不同程度的病害，隧道病害處治施工與運營相互干擾，成本高、難度大，引起了建設、管理、設計、施工等各方的高度重視。

1 工程概況

1.1 地質地貌

隧道進洞口位于斜坡上，斜坡自然坡度25°～35°；出洞口處被沖溝切割，自然坡度40°～55°；隧道通過段地形呈波狀起伏，溝谷縱橫，高程最小為432.5 m，最大為1 072.0 m，相對高差639.5 m，地形起伏較大。場地地貌屬于構造剝蝕低山地貌。隧道圍巖巖層分布為第四系崩坡積塊石土（Qc+dl）和殘坡積亞黏土（Qcl+dl）、侏羅紀下統珍珠沖組（J1z）砂巖、三疊系上統須家河組（T3xj）、砂巖夾煤和三疊系中統巴東組泥灰巖、灰巖和泥巖。地質構造形式以褶皺變形為主，而斷裂構造不發育。本隧道圍巖以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主。主要工程地質問題包括軟質巖泥巖及泥灰巖的軟化變形、可溶性碳酸鹽泥灰巖及灰巖的巖溶孔洞、埋深較大地段的高地應力分布。

1.2 氣象水文

隧址區屬于中緯度亞熱帶暖濕季風氣候區。氣候溫和濕潤，雨量充沛，四季分明，冬多綿雨。年平均氣溫為16.4℃，1月（最低）平均氣溫為5.1℃，7月（最高）平均氣溫為27.5℃，極最高氣溫為43.1℃。年平均降水量為1 179 mm，其中3—8月降水量占全年降水量可達68%，最大3 d降水量為200～350 mm，最大24 h降水量80～120 mm。隧址區主要地表水體為隧道進洞口附近的朱衣河和降雨，地下水主要為巖溶裂隙孔隙水和基巖裂隙水。

1.3 地震區

根據《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306—2015），該區地震基本烈度相當于6度，地震動峰值加速度為0.05g；地震動反應譜特征周期為0.35 s。

2 隧道病害情況

重慶市某隧道為雙向四車道分離式特長隧道，隧道自西向東橫穿小山包，其最大埋深618.00 m，并以Ⅲ、Ⅳ級圍巖為主。隧道起訖樁號為K100+960—K106+045，長 5 085 m；右線起訖樁號為 YK101+000—YK106+080，長 5 080 m。2015年左洞LK102+960—LK104+980段部分段落出現路面開裂變形，電纜槽長距離傾斜變形和破損的情況，已影響到隧道運營安全。業主單位于2015年5月委托檢測單位對該段路面病害進行了專項檢測，2015年9月發現該洞LK105+390—LK105+480路面同樣出現變形開裂和破損情況。

圖1 路面縱向裂縫

圖2 電纜槽壁傾斜及開裂

3 路面開裂原因分析

根據實地踏勘及現場調研結果，發現病害呈現如下現象：

a）路面病害發生的路段不連續。

b）電纜溝槽出現傾斜。

c）隧道路面裂縫大部分位于隧道中線附近。

d）仰拱填充混凝土沿縱向出現裂縫，裂縫寬度從上至下明顯縮小。

e）出現裂縫部位多數位于Ⅲ、Ⅳ級圍巖。根據調研結果及相關勘察設計施工資料可推斷出本隧道復合式路面裂縫為路基底開裂引起的反射裂縫，具體原因歸納為水文地質、設計方面和施工方面。

3.1 水文地質因素

根據勘察設計資料可知，該隧道路面病害段底部圍巖主要為煤系地層，以泥灰巖夾泥巖為主，裂隙發育、巖體破碎、穩定性差，且泥巖屬軟巖類，強度和硬度均很低，圍巖軟弱，遇水易軟化和膨脹。一方面本隧址區內地質構造以褶皺變形為主，受背斜構造，隧址區地下水發育，為圍巖軟化及膨脹提供條件；另一方面由于圍巖高地應力場產生的變形，使隧道兩側部分排水溝底混凝土破壞，當隧道中心排水溝等排水設施嚴重堵塞，臨時排水設施不完善時，隧道地下水及隧道地表水在滲透作用下通過水溝滲入仰拱底部，引起圍巖軟化及膨脹，當隧道仰拱底部圍巖長期受水浸泡軟化，地基承載力就會下降。在重載交通循環荷載與圍巖地應力的不利耦合作用下隧道底板巖體強度將進一步衰減，在隧道圍巖壓力及二襯應力不斷重新調整下，強度不足處仰拱及填充混凝土發生變形開裂進而引起二襯拱頂、拱腰、拱腳和邊墻開裂，最終造成隧道瀝青路面開裂、坑槽等病害及電纜槽破壞。

3.2 設計因素

路面病害路段隧道圍巖主要為Ⅲ、Ⅳ級，仰拱設計無論是緊急停車帶路段還是普通路段均未采用鋼筋混凝土結構，均為普通素混凝土及無仰拱段，設計上對地應力較大，地下水發育豐富區軟弱夾層泥巖、泥灰巖地質特性認識不足，未考慮仰拱底部圍巖在地下水影響下后期強度衰減特性，導致隧道無拱段強度回填混凝土開裂，進一步反射到瀝青路面。

3.3 施工因素

隧道施工未按照相關技術標準及規范作業，如仰拱底部虛碴未清除干凈，超挖未嚴格處理，仰拱填充段落欠密實。另外高地應力區軟弱圍巖隧道施工時未充分考慮圍巖蠕變特性導致二襯支護時機選擇不當，影響圍巖及襯砌結構應力調整與設計文件不匹配。

4 路面病害處治方案

4.1 病害處治原則

隧道病害整治設計要堅持“一次根治、不留后患”的治理原則[1-2]。

在設計中要充分掌握隧道襯砌、排水、路基構造，根據調查正確分析掌握病害產生的原因，針對性地提出處治措施。

綜合考慮隧道運營情況及施工中的安全性、耐久性及經濟性等。

4.2 綜合處治方案

隧道拱腳與拱底的開裂變形病害是引起隧道路面開裂、鼓包，混凝土面板開裂、斷板，電纜槽和排水邊溝變形、破損等的主要原因，因此，隧道拱腳與拱底變形病害的處治對阻斷隧道路面病害的發生和保證隧道運營安全尤為重要。

4.2.1 拱部處治方案

對于隧道內路面縱、橫向裂縫較為密集、發育地段，采用拱底注漿法，首先在路面結構破除前對二次襯砌墻腳進行鎖腳加固，錨桿長400 cm，梅花型布置@20×60。然后對路面左右側換幅進行破除。當開挖至基底標高時先初噴混凝土，再打設基底錨桿、掛鋼筋網，復噴混凝土，最后施作路面結構層，具體情況見圖3。

圖3 拱部注漿方案圖（單位：cm）

對于隧道路面混凝土面板斷板、隆起嚴重、拱腳變形過大、電纜槽和排水邊溝嚴重變形破壞的情況，增設仰拱是一個最有效的處治方案。采用破除原路面及填充物，在仰拱開挖和墻腳混凝土鑿除前，打設鎖腳錨桿，鎖腳錨桿端部須設（20×20×1）cm的墊板；仰拱開挖禁止全斷面開挖，且須采用跳槽開挖，每次開挖長度不得大于3 m；仰拱增設仰拱須與原襯砌邊墻順接，厚度為50 cm，具體情況見圖4。

圖4 增設仰拱方案圖（單位：cm）

增設仰拱方案隧道受力情況最理想，但是施工風險大、工期長、難度大；拱底注漿方案施工風險低、工期短，但是施工質量差異性較大，影響處治效果。綜合以上分析，在較嚴重地段采用增設仰拱，其余區段采用拱底注漿方案。

4.2.2 路面病害處治

4.2.2.1 瀝青面層修復

對于僅需處治面層的復合式路面，鑿除開裂、鼓包、坑槽或車轍嚴重段的路面，重新施作復合式路面面層。上面層為細粒式改性瀝青混凝土，中面層為中粒式改性瀝青混凝土，面層與面層之間設置瀝青黏層，隧道路面表面層為改性瀝青中摻加5%～8%改性瀝青質量的阻燃劑。

4.2.2.2 混凝土面板

當隧道復合式路面混凝土面板破壞嚴重，需要重新鋪筑時，根據實際情況對混凝土面板進行鑿除，重新鋪筑連續配筋混凝土面板以保證處治質量，為確保工程質量和加快工程進度，連續配筋網宜采用工廠化生產的鋼筋焊接網片拼接，同時還需做好相應接縫處理。

5 結語

a）隧道路面病害小則影響駕駛舒適性，大則危及洞內行車安全，因此軟弱圍巖隧道建設要高度重視勘察設計質量。

b）隧道工程屬隱蔽性高風險工程，在路面病害處治前，應綜合分析隧道病害成因，針對性地提出徹底性處治措施，加強處治效果監測和評價，為同類隧道病害處治提供參考。