公路隧道襯砌掉塊病害檢測及成因分析

熊雅文

摘要：關于隧道襯砌掉塊的檢測技術，現有研究主要集中在地質雷達等物探手段方面，而專門針對隧道襯砌掉塊的系統檢測方法及成因分析的研究較少。文章依托廣西河都路高嶺一號隧道襯砌掉塊檢測項目，從隧道受力環境出發，采用外觀檢測、回彈檢測、地質雷達檢測相結合的綜合檢測法，對隧道襯砌掉塊進行系統檢測分析，并借助MIDAS有限元分析方法，對隧道襯砌掉塊的形成機理進行了研究，提出了相應的處置措施，可為類似工程提供參考。

關鍵詞：隧道襯砌掉塊;綜合檢測法;MIDAS;有限元;數值分析

0 引言

隨著我國高速公路建設的迅猛發展，公路隧道里程逐年增加，隧道中的各類病害也日漸增多，如襯砌掉塊、突水突泥、滲漏水等病害時有發生，嚴重影響隧道的使用功能。

現階段，關于公路隧道襯砌掉塊的研究，主要集中在采用綜合分析法對病害成因進行分析以及襯砌掉塊的加固技術等方面[1-3]。針對隧道襯砌掉塊的檢測，研究者主要采用地質雷達法進行襯砌厚度及其背后脫空情況的探測[4-5]。而隧道襯砌掉塊的成因是多方面的，如何有效進行襯砌掉塊的檢測，準確找出病害成因，具有非常大的研究價值。此外，結合綜合檢測結果和有限元數值分析手段對病害成因分析的研究幾乎沒有。

本文依托廣西河都路高嶺一號隧道襯砌掉塊檢測項目，通過采用外觀檢測、回彈檢測、地質雷達檢測相結合的綜合檢測法，對隧道襯砌掉塊進行系統檢測，并借助MIDAS有限元分析方法，從理論計算方面著手，對隧道襯砌掉塊的形成機理進行了研究，為類似隧道病害檢測及成因分析手段提供了借鑒。

1 工程概況

2019-07-16，廣西河都路高嶺一號隧道上行線YK1806+507（施工樁號為YK62+481）發生襯砌掉塊病害，襯砌掉塊位置為隧道右拱腰（距路面垂直高度約4.5 m）處，掉落面積約為2 m2，襯砌掉塊的厚度為15～22 cm。襯砌掉落后露出防水板，防水板與初支粘貼不密實。襯砌背后積水從缺損處涌出，形成0.3 m直徑水柱，水質清澈。

根據現場病害情況，初步推測隧道病害可能的影響因素包括：圍巖壓力增大、襯砌背后水壓力增大、襯砌混凝土強度不足、襯砌背后脫空、襯砌厚度不足等五個方面。故針對該五個方面制定如下檢測方案：

（1）外觀檢測：根據襯砌掉塊處附近的襯砌結構外觀檢測結果，判斷襯砌結構整體受力情況及其穩定性。

（2）回彈檢測：通過襯砌混凝土的回彈檢測結果，判斷襯砌混凝土強度是否滿足要求。

（3）雷達檢測：通過雷達檢測襯砌厚度及背后脫空情況，分析襯砌掉塊的內部成因。

2 檢測結果

2.1 外觀檢查

通過外觀檢查可知，襯砌掉塊位置樁號為YK1806+505～YK1806+507，掉塊面積為S=（2×1）m2，位于右拱腰（距路面垂直距離約4.5 m），掉塊位置防水板與初支無粘貼，且防水板破損。YK1806+470～YK1806+530范圍內隧道主要病害為輕微滲漏水，未發現明顯結構性裂縫，滲漏水主要發生在施工縫位置，且已經修補完善。可見隧道圍巖壓力未超過襯砌承載能力，襯砌背后局部滲漏水壓力較大，含水量豐富，但襯砌結構整體穩定性尚滿足要求。

2.2 回彈檢測結果

通過回彈檢測，得到隧道襯砌掉塊區段的混凝土回彈值在36.56～43.80之間，換算強度在25.24～43.21 MPa之間，推定現齡期襯砌混凝土強度為29.32 MPa，大于C25混凝土設計強度，說明襯砌強度滿足設計要求。

2.3 雷達檢測

高嶺一號隧道上行線YK1806+500～YK1806+510雷達圖像如圖1～4所示，根據雷達檢測數據可知：

（1）YK1806+500～YK1806+510右拱腰測線位置，襯砌厚度在17.6～45.1 cm之間。其中，YK1806+503～YK1806+507里程段襯砌厚度在15.4～21.0 cm之間（設計厚度為35 cm，現場量測襯砌的掉塊部位邊緣厚度在15～22 cm之間），如圖4中方框部位所示。

（2）支護（襯砌）背后空洞：YK1806+500～YK1806+510局部存在二襯孔洞或脫空。

3 病害成因分析

3.1 數值模型建立

本文采用MIDAS有限元分析軟件對隧道襯砌受力情況進行分析。數值模型如圖5所示，其中二襯缺陷為局部襯砌厚度不足，且存在脫空，如圖6所示。模型整體采用荷載-結構法進行建立，其中隧道初期支護和二次襯砌均采用二維面單元模擬，二者之間的接觸采用節點耦合方式進行模擬，初期支護與圍巖之間的作用力采用彈簧單元模擬。模型參數取值如表1所示。考慮如下三種工況：

工況（1）：二襯背后無滲水壓力作用。

工況（2）：二襯背后脫空部位存在500 kPa局部水壓力作用。

工況（3）：二襯背后脫空部位存在1 000 kPa局部水壓力作用。

3.2 病害成因分析

通過MIDAS有限元數值計算，當襯砌空洞部位無水壓力作用時，隧道二次襯砌的von Mises應力如圖7所示，隧道二次襯砌的XY平面的總剪應力如圖8所示;當襯砌空洞部位存在500 kPa的水壓作用時，隧道二次襯砌缺陷部位的XY平面的總剪應力如圖9所示;當襯砌空洞部位存在1 000 kPa的水壓作用時，隧道二次襯砌缺陷部位的XY平面的總剪應力如圖10所示。

由圖7可知，二次襯砌的最大von Mises應力位于右側邊墻位置，大小為7.6 MPa<16.7 MPa（C25混凝土抗壓強度標準值）。由圖8可知，二次襯砌的最大剪應力位于右側拱腰位置（襯砌掉塊部位），大小為2.2 MPa<2.5 MPa（C25混凝土抗剪強度標準值）。由圖9～10可知，隧道缺陷部位的最大剪應力隨空洞部位水壓力的增大而增大，但增長幅度并不大，可見襯砌厚度不足和空洞缺陷是襯砌掉塊的內在成因，水壓力增大是外因。

由上述計算結果可知，二次襯砌拱腰部位缺陷位置附近的剪應力已接近C25混凝土抗剪強度標準值，隨著二襯背后水壓力逐漸增大，將會導致襯砌開裂破損，并進一步惡化，從而發生襯砌掉塊。

3.3 處治建議

由前文3.2節中的襯砌掉塊病害成因分析可知，隧道襯砌掉塊主要是由于拱腰部位襯砌厚度不足，且存在空洞缺陷，隨著襯砌背后水壓力增大而引起的。根據該病害成因，建議進行如下處治：

（1）對襯砌背后進行注漿堵水，并修復受損的防水板。

（2）通過內置鋼筋網，對受損襯砌進行修復。

（3）對隧道整體粘貼碳纖維鋼板進行加固。

4 結語

本文通過外觀檢測、回彈檢測和地質雷達檢測相結合的綜合檢測法，對公路隧道襯砌掉塊進行了系統檢測，并結合MIDAS有限元數值分析方法，分析了病害的形成機理，同時研究了隧道襯砌結構的受力薄弱環節，從而針對性地提出了隧道襯砌掉塊的處治建議。通過該工程實例，探索了綜合檢測法和有限元數值分析相結合的手段在公路隧道襯砌掉塊病害檢測技術中的可行性，為類似公路隧道病害的檢測提供了技術參考。

參考文獻：

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