淺談某高速公路隧道病害成因

王培劍

（山西省交通建設質量安全監督局，山西 太原 030006）

1 隧道概況

某隧道為上下行分離的四車道高速公路隧道，設計行車速度80 km/h；其中左線樁號K33+226—K35+700，全長2 474 m，洞體最大埋深221 m；右線樁號YK33+227—YK35+742，全長2 515 m，洞體最大埋深231 m。設計縱坡2.65%～2.90%，左右洞中線距離30～40 m；隧道總體走向264°。

1.1 地形地貌

該隧道穿越區地形起伏較大，最大相對高差300 m；隧道上部山體大部分基巖裸露，植被稀少；地貌單元屬低中山地貌。

1.2 地層巖性及地質構造

該隧道穿越區地層巖性主要由第四系全新統坡洪積黃土狀粉質黏土、第四系上更新統坡洪積碎石、馬蘭黃土和奧陶系中統上馬家溝組泥灰巖、灰巖組成。隧址區未發現斷裂構造，但褶皺、裂隙發育。

1.3 水文地質

隧址區地下水類型主要為上層滯水。上層滯水是局部隔水，主要接受大氣降水補給，具有分布隨地而異、季節性變化大的特點，特別是在雨季，隧道內滲出的地下水會較多，對隧道穩定性產生不利影響。

1.4 氣象條件

隧址所在地屬溫帶半干旱大陸性氣候，全年冬無嚴寒，夏無酷暑，雨熱同季，晝夜溫差較大，年平均溫度9.7℃，年平均降水549.2 mm，每年6、7、8、9四個月的降水量占到全年降水量的70%。年均無霜期150 d，最大凍土深度約1.0 m。

2 主要病害類型

根據現場調查結果，該隧道病害主要表現形式為二襯開裂、局部滲水、底板隆起、路面開裂及電纜溝破損等。

2.1 襯砌裂縫

隧道襯砌裂縫共384條，其中環向裂縫181條、縱向裂縫108條、斜向裂縫95條，分布位置以邊墻居多，拱腰、拱頂較少，多分布在距邊墻底上0～2 m范圍內，最大裂縫寬度約8 mm，局部有環向和斜向裂縫，另外個別段落拱頂也存在縱向裂縫。裂縫類型多為貫通型，部分裂縫有錯臺[1]。襯砌裂縫具體情況如圖1～圖3所示。

圖1 二襯環向裂縫

圖2 二襯斜向裂縫

圖3 拱頂裂縫

2.2 襯砌局部崩裂

襯砌局部崩裂共13處，主要發生在邊墻與電纜溝交界位置及預留設備洞室周圍，如圖4所示。

圖4 二襯崩裂

2.3 隧道滲漏水

隧道襯砌表面存在濕漬10處，浸滲12處，主要分布在施工縫、邊墻與電纜溝交界處上方約0～1 m的位置。如圖5所示。

圖5滲水點處滲水情況

2.4 底板隆起、路面開裂

該隧道局部段落底板隆起、路面開裂，最大隆起高度達22 cm；左右線路面裂縫共計29條，裂縫最大長度25 m，最大寬度20 mm。開裂隆起區域襯砌結構絕大部分有仰拱，且路面以下均不同程度地存在混凝土面層與墊層、墊層與回填層、墊層與圍巖之間脫空現象[2]，見圖 6、圖 7。

圖6 路面隆起

圖7 ZK35+375位置路面中心開槽檢測

2.5 電纜溝變位

部分段落電纜溝嚴重變位、破損，左線變形段主要集中在路線前進方向左側，共34段523.5 m，右線變形段主要集中在路線前進方向右側，共26段384 m，電纜溝變形相對于路面最大傾角達20°，見圖8。

圖8 電纜溝破損

3 隧道病害成因分析

根據現場調查及監測結果，綜合考慮其設計、施工技術文件，對該隧道的病害成因進行全面分析，其具體原因如下。

3.1 地下水作用

隧址區近兩年降雨量比往年明顯增多，據1980—2013年氣象統計資料顯示，年總降水總量在380.6～784.3 mm之間，2013年總降水量達719.2 mm，在可統計的33年間排名第二。

隧道側墻部圍巖存在上層滯水，含水層巖性為石灰巖，隔水層巖性為泥灰巖。大氣降水是上層滯水的唯一補給來源，隧道右洞側上方27個采礦坑的集中分布，為地表水的入滲提供了良好通道，據估算，大氣降水經采礦坑直接入滲量為31 m3/d；且隧道病害段位于隧道2.65%～2.90%縱坡的中下游段落，正位于圍巖賦存水的下行和匯集位置。

強降水及隧頂礦坑形成的匯水通道導致隧道圍巖中裂隙水儲量增大，造成泥灰巖遇水軟化及石膏巖軟化膨脹，強度降低，圍巖壓力增大，導致隧道襯砌承載力不足，出現襯砌開裂、邊溝及電纜溝變形、底板隆起等病害現象。

施工期間和運營初期先后3次病害的發生和發展時間均出現在雨季后和春融期。

3.2 地質構造作用

根據隧址區地質調繪成果，上馬家溝組二段普遍發育開闊的（輕微）背（向）斜，構造較發育。隧道左線K34+637和右線YK34+648位置發現逆斷層。該斷層改變了隧道洞身的圍巖巖性，斷層以東洞身圍巖主要為上馬家溝組一段灰巖，圍巖整體情況較好；斷層以西（隧道病害區域）洞身圍巖主要為上馬家溝組一段局部不規則發育石膏與硬石膏的泥灰巖，圍巖具有遇水軟化膨脹的性質。

從隧道地質縱剖面圖可以看出，隧址區地層總體為一向西緩傾的單斜，其傾角與隧道設計縱坡相差較小，導致隧道圍巖大范圍處于斷層以西上馬家溝組一段局部不規則發育石膏與硬石膏的泥灰巖地層中，致使隧道結構變形破壞區域較大。

隧道專項地勘和專項檢測均表明隧道圍巖節理裂隙較發育，且具貫通性。分水嶺西段（病害發生區域）較東段節理、裂縫發育。據統計，節理在病害段發育密度達2～3條/m，高于非病害段。部分水平鉆孔有較大的氣流，說明裂隙與外界連通，且受隧址區溫差影響。發育且連通的節理裂隙為大氣降水進入圍巖并產生影響提供了天然通道，且由于發育連通的節理裂隙內壓力小于隧道排水系統中的壓力，大部分的圍巖賦存水由裂隙向外排出，部分進入底板圍巖。

隧址區褶皺為多個和緩的背向斜組成的復式開闊褶曲，規模不大但對巖體完整性影響較大，山體透水性增強。加之向斜為儲水構造，使上層滯水在隧道局部長時間匯集（如隧道左線K34+950位置），為隧道圍巖中的石膏和泥灰巖的膨脹軟化提供了條件。

該隧址區存在多個小規模背向斜組成的復式開闊褶曲、泥灰巖伴生石膏巖、巖體節理、裂隙極為發育且和外界連通的地質構造是一種較為特殊的地質構造，在省內公路隧道工程中未見，因而設計、施工和工程管理方面均未有充分認識。

3.3 泥灰巖軟化作用

隧道周邊分布有奧陶系中統上馬家溝組一段泥灰巖，泥灰巖具有遇水膨脹軟化、失水崩解、強度降低的工程特性。

本次工作在采取的邊墻孔采集的10組泥灰巖樣品中，有4組極軟巖和軟巖，其中極軟巖軟化系數僅為0.064，軟巖軟化系數達0.23～0.55，泥灰巖軟化特征較為明顯。

目前國內公路隧道設計的基本原理是采用新奧法，即隧道襯砌和周邊圍巖密貼而形成整體，共同承受外力和抵抗變形，而該隧道側墻后泥灰巖的軟化和變形，其不僅嚴重削弱隧道承載能力和抵抗變形能力，而且增加了作用于隧道襯砌的荷載。

當泥灰巖位于隧道拱底上方時，圍巖遇水軟化后強度降低，導致作用在襯砌結構上的荷載增加，進而加劇隧道病害的發展。當泥灰巖位于隧道拱底時，由于地下水在隧道縱向分布的不均勻性，隧底圍巖強度高低不一，導致隧道在縱向上發生不均勻受力變形，從而使隧道襯砌結構產生環向與斜向裂縫。

可以認為，泥灰巖遇水易軟化是造成隧道病害的主要原因之一。

3.4 石膏、硬石膏軟化及溶蝕作用

華北地區奧陶系主要由灰巖、白云巖組成，其中夾有多層石膏層。奧陶系中統的主要含膏層位為下馬家溝一段、上馬家溝一段、峰峰一段。上馬家溝組在長治地區位于Ⅱ區，區內上馬家溝組地層巖性為灰巖夾泥質灰巖、泥質白云巖、石膏，據此可以判斷該隧址區發育石膏層。

隧道棄渣檢驗和地勘水平鉆孔巖芯取樣檢驗表明，洞身圍巖分布有石膏、硬石膏，尤以底板以上分布居多。石膏在水的作用下溶蝕會形成一定規模的溶洞，使洞體圍巖強度顯著降低。

硬石膏巖體吸水后膨脹軟化，圍巖自承載能力降低，并產生側向變形，從而增強對隧道襯砌結構側向擠壓作用，使圍巖壓力超出了隧道結構的剛度和強度，導致襯砌結構局部應力集中，最終造成襯砌結構發生向隧道內側的變形及開裂，路面及回填層在受到襯砌結構的擠壓變形下隆起及脫空。

硬石膏巖層地下水中硫酸根離子濃度增加，加劇了對混凝土材料表面的腐蝕作用，長期作用會使混凝土表面剝蝕，結構逐漸松散。硫酸鹽溶液侵入襯砌裂隙，生成具有膨脹性的二水硫酸鈣，在孔隙中積聚，并與水泥水化產物鋁酸鈣及水化單硫鋁酸鈣反應生成鈣礬石，導致混凝土結構劣化，膨脹破壞。

可以認為石膏和硬石膏遇水溶蝕和軟化膨脹是造成該隧道病害的又一主要原因。

4 結論

根據《某隧道病害地質勘察報告》、《某隧道專項檢測報告》中的一系列數據和結論，結合查閱設計文件及施工和管理全過程的技術文件，并借鑒省內外類似工程經驗，綜合分析后形成如下結論。

a）直接原因 該隧道穿越的中奧陶統上馬家溝組地層中發育的硬石膏巖和泥灰巖水化膨脹和軟化后變形增大、強度降低，產生的圍巖壓力超出了隧道支護結構的強度和剛度，進而引發了隧道變形、開裂和底板隆起等病害。

b）重要誘因 大氣降水及山體匯水通道的貫通，導致該隧道圍巖中裂隙水儲量增大。地下水的富集，一方面使得硬石膏巖具備了水化作用的條件，泥灰巖和石膏巖遇水軟化和膨脹，產生側向擠壓力，導致隧道拱腳及側墻產生變形，邊墻縱向密集開裂，電纜溝傾覆，仰拱受到兩側強大的擠壓后，中央排水管被擠裂、填平層混凝土和仰拱分離隆起，致路面開裂；另一方面泥灰巖、石膏遇水軟化和膨脹，導致隧底圍巖承載能力大幅降低并由于在縱向與橫向上的不均勻性，從而使隧道結構部分段落產生大量的環向與斜向開裂。

c）其他誘因 地下水通道的變化。伴隨著隧道的施工建設，隧道圍巖應力重分布，圍巖的變形形態發生了調整，使地下水原有的補給、徑流、排泄途徑改變。地下水的富集，使得硬石膏巖、泥灰巖具備水化條件，并使圍巖產生塑性變形進而作用于隧道結構。