高家河隧道結構病害機理分析

侯豪斌

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

近10年來，中國公路隧道每年新增里程1 100 km以上，是目前世界上公路隧道規模最大、數量最多、地質條件和結構形式最復雜、發展速度最快的國家[1]。在如此大的體量下，隧道病害在近年也呈現出較大的增長趨勢，位于臨汾至吉縣（壺口）高速公路的高家河隧道就產生過多次病害。臨汾至吉縣（壺口）高速公路是國家高速公路網青島至蘭州公路的重要組成部分，全線采用雙向四車道高速公路標準建設，設計行車速度80 km/h。高家河隧道位于臨汾至吉縣（壺口）高速公路 K994+187.26—K994+638.74，光華鎮高家河村南側，隧道左線長473.75 m，右線長451.48 m，建筑限界寬度10.25 m，高度5.0 m。

1 隧道工程地質條件

隧址區屬低中山地貌，地形起伏較大。隧道范圍中線高程1 033.4～1 121.4 m，最大高差約88 m。山體自然坡度5°～40°，植被發育，進、出口均處于陡斜坡地帶。地表覆蓋第四系馬蘭組黃土（Q3m），下伏中風化白云質灰巖、泥云巖，節理裂隙發育，巖體破碎，巖層產狀50°～80°∠22°～31°，呈單斜構造。

2 隧道病害概況

2.1 病害發展及處治過程

臨汾至吉縣（壺口）高速公路于2009年8月開工建設，2012年8月通車。2013年7月巡查發現高家河隧道右線K994+411—K994+416路面發育一條橫向裂縫，最大縫寬達1.0 cm，隧道二襯發育斜交于行車道的環向細小裂縫。

2014年 7月管養部門組織對 K994+385—K994+430.5段45.5 m范圍采用更換路面結構層方式進行處治，即：平均下挖160 cm，施作130 cm厚C20混凝土基層+30 cm厚C35鋼筋混凝土面層。2015年5月，發現該處治段混凝土路面隆起、開裂嚴重。2015年7月經論證形成增設平拱方案，即：拱腳采用φ108鋼管進行鎖腳處治并注漿；基底采用I20a工字鋼、I28a槽鋼進行支撐補強（槽鋼緊貼二襯根部縱向布設，與φ108鋼管焊接；工字鋼縱橫布設，縱、橫向間距分別為2 m、2.56 m），工字鋼交叉處布設6 m長小導管并注漿；在工字鋼上下兩處及路面頂部以下5 cm處各鋪設一層φ12的15×15 cm的鋼筋網片；澆筑C35混凝土路面，恢復電纜槽等設施。

2016年12月，高家河隧道處治段再次出現路面開裂和隆起現象，左洞ZK994+402—ZK994+462也出現了襯砌開裂、路面隆起現象。

2.2 病害現狀

2016年12月—2017年12月對高家河隧道進行了沉降監測，結果顯示隧道右線、左線病害段整體仍在不均勻下沉，最大值達36.16 mm，右洞左拱腳大于右拱腳約9 mm，6月、7月沉降值明顯大于其他月份。

高家河隧道自2013年發現路面裂縫至今，已先后處治兩次，目前該隧道仍處于較大變形階段且未明顯收斂。原處治段路面隆起、開裂、路面板裂縫寬30 mm，錯臺達 25 mm，隧道右線 K994+268—K994+549、左線ZK994+330—ZK994+472段襯砌分布縱向、斜向及環向裂縫；路面隆起并分布縱向、斜向及橫向裂縫，裂縫呈張開狀；隧道電纜槽因為拱腳下沉被擠出，蓋板反翹且部分長度已不足，表明電纜槽變形嚴重。

圖1 電纜槽破壞

圖2 路面板錯臺

3 病害專項地質勘察

3.1 地層結構

綜合隧址區地表6處及洞內8處鉆探成果，上部坡積物覆蓋于強風化灰巖斜坡體上，整體呈北西向并與路線沿吉縣方向呈20°角相交，坡積物厚度0-15.4 m，其下為強風化灰巖破碎體，隧道路面高程附近為強風化-中風化巖體，路面結構以下巖體較破碎，鉆進過程中均有漏水現象。隧道圍巖為O2m強風化、中風化白云質灰巖、泥云巖，巖層產狀50°∠30°，呈單斜構造。鉆進過程中局部見完整巖芯，一般呈碎塊狀，取芯長度小于10 cm；隧址區巖體產狀變化較大、山體較陡，受吉縣方向2.18 km處F1-1區域斷層的響巖體較為破碎。隧址區未見常年地表水體及成層地下水，詳見圖3。

圖3 病害處地質剖面圖

隧道洞內鉆探揭露：路面下0～0.9 m為水泥混凝土，0.8～1.6 m存在回填的混凝土、較破碎，路面下0.8～3.3 m為強風化、較破碎、節理裂隙發育的白云質石灰巖，再以下為中風化白云質石灰巖。

3.2 地質條件下的病害機理

a）隧道位于上部黃土覆蓋的強風化破碎白云質灰巖、泥云巖構成的斜坡體上，斜坡體斜向路面，土石分界面及風化層分界面整體傾向西北、總體與右線方向呈20°角的斜坡體，巖層產狀為50°∠30°，巖層傾角大，在巖層結構遭到破壞、出現臨空面時，局部易產生滑動力。

b）分析路面、襯砌、墻體張拉裂縫發育情況，張拉方向近北西向，與巖層傾向基本接近，洞體開挖后，因巖層傾角大、圍巖較破碎，圍巖體對兩側洞壁產生不均勻壓力，隧道結構存在圍巖壓力大和偏壓狀態。

c）匯聚入病害段上方沖溝的雨水補給會加劇圍巖侵蝕、降低圍巖強度致使圍巖松動隧道穩定性降低，隧道變形檢測發現6月、7月份變形加大也印證了這一點。

d）受F1-1斷裂構造影響，隧址區巖石總體較破碎。鉆探揭露山體巖石總體為強風化狀，層狀、條帶結構發育，路面結構以下巖石亦以強風化狀破碎灰巖為主，在隧道無仰拱的情況下，拱腳處易產生較大沉降。

4 病害專項檢查

4.1 襯砌裂縫調查

高家河隧道右線共發現襯砌裂縫125條，主要分布于K994+300—K994+480段；左線共發現襯砌裂縫110條，主要分布于ZK994+380—ZK994+530、ZK994+580—ZK994+680段，詳見表1。

表1 隧道裂縫統計表

4.2 隧道襯砌檢測

4.2.1 襯砌內部缺陷及背后空洞

高家河隧道在本次檢測范圍內局部初支與二襯之間存在脫空及不密實現象，缺陷段長度占本次檢測段總長的2.1%。

4.2.2 二次襯砌厚度

本次高家河隧道檢測段內共設2 157個二次襯砌厚度抽樣點，合格的抽樣點數為2 023個，合格率為93.8%，抽樣點未發現襯砌實測厚度小于1/2設計厚度。

4.2.3 二次襯砌鋼筋分布情況

根據地質雷達檢測結果，高家河隧道右線K994+367—K994+410、左線 ZK994+398—ZK994+468段襯砌連續無配筋，在部分施工縫處也存在小范圍缺失鋼筋的情況。

4.2.4 襯砌混凝土強度檢測

高家河隧道抽檢部位襯砌混凝土強度均滿足設計要求。

4.3 隧道仰拱及基底情況檢測

4.3.1 仰拱內部及基底異常

根據地質雷達檢測結果，高家河隧道在本次檢測范圍內基底結構層內部及基底圍巖局部存在脫空、不密實等異常現象，主要集中在K944+420—K994+467和 ZK994+413—ZK994+453。

4.3.2 隧道基底結構層厚度

根據地質雷達檢測結果，高家河隧道在本次檢測范圍內除原設計無仰拱段外，基底結構層實測厚度均小于設計厚度，高家河隧道右線基底結構層厚度在73～129 cm之間，左線基底結構層厚度在75～121 cm之間，與原設計存在70～100 cm的差距。

4.4 隧道凈空檢測

高家河隧道右線K994+372—K994+412段實測斷面與設計斷面比較，隧道內輪廓左側45°拱肩至拱部120°范圍呈較大內傾趨勢，斷面最大內侵值右線為131～209 mm，左線為64～94 mm，詳見圖4。

圖4 隧道凈空檢測（單位：m）

4.5 隧道高程檢查

通過對高家河隧道拱頂的測量，計算隧道結構的絕對下沉值。右線最大沉降位于K994+452.4—K994+473.1段，左線最大沉降位于ZK994+490—ZK994+507.6段。

表2 隧道右線拱頂沉降表

4.6 襯砌（路面）變形監測

本監測周期（2019年11月8日—2020年1月10日）內，高家河隧道各路面沉降監測點均存在一定程度隆起，高家河隧道右線最大位移值2.01 mm，位于K994+460斷面；高家河隧道左線最大位移值2.16 mm，位于ZK994+420斷面。

4.7 主要病害統計圖

將隧道病害專項檢查主要數據繪制成圖發現，高家河隧道發生結構內侵、拱腳外張，電纜槽與二襯剝離、槽體斷裂、檢修道扭曲，路面開裂、隆起、錯臺，路面下存在空腔、二襯裂縫密集、路面下結構厚度不足等主要病害的段落集中在右線K994+308—K994+467，左線 ZK994+408—ZK994+454，詳見圖 5、圖 6。

圖5 隧道裂縫分布圖

圖6 結構缺陷分布圖(單位：m)

5 隧道病害機理分析

5.1 圍巖巖層層間力

隧道在不同產狀的巖層中開挖，其穩定性取決于隧道的截面尺寸和巖層產狀兩方面的因素[2]。本隧道區巖層產狀為50°∠31°，隧道走向與巖層走向基本一致，從橫斷面來看，圍巖巖層與隧道呈50°的較大夾角。根據地勘資料揭示隧道圍巖為強風化和中風化石灰巖，并存在破碎夾層，隧道山體右側低且陡，同時隧道病害嚴重段右側山體存在較大山溝，山體圍巖有向右側滑動的可能。隧道施工開挖導致山體內部平衡破壞，圍巖在自重作用下順層向右下方變形，同時右側存在山溝薄弱點，故推斷隧道圍巖存在較大的層間力。

5.2 破碎巖層滑動力

隧道位于上部黃土覆蓋的強風化破碎白云質灰巖、泥云巖構成的斜坡體上，巖層產狀為50°∠30°，巖層傾角大、圍巖較破碎，在隧道開挖后巖層結構遭到破壞，出現臨空面時，局部易產生滑動。滑動力作用在隧道結構上產生結構性破壞。

5.3 隧道結構受力狀況

根據隧道內輪廓變形測量并與設計對比發現，隧道二襯結構左側45°拱肩至拱部120°范圍呈較大內傾趨勢，最大值達209 mm，隧道拱腳呈向兩側外張的趨勢，最大值達109 mm，綜合拱腳圍巖破碎、電纜槽與二襯之間脫節錯落、隧道拱部下沉、路面隆起等現象，表明隧洞開挖造成左側層狀圍巖臨空，隧道結構靠山側洞璧壓力過高，發生偏壓現象，產生自山體側向溝谷側的剪切變形，剪切變形、破碎巖體荷載及隧道底板破碎巖體承載力不足導致洞體山體側隧道結構內侵、拱腳下沉外張、路基受擠壓隆起產生張拉裂縫、結構破壞等病害。隧道結構左上方承受較大斜向下壓力的表現與巖層產狀相適配。

5.4 隧道結構缺陷

原隧道竣工圖在病害段K994+275—K994+370，ZK994+340—ZK994+400段設有仰拱，經鉆孔揭露，混凝土巖芯長度為80～160 cm，上部0～90 cm為灰白色水泥混凝土，下層為雜色回填混凝土，巖芯較破碎，同時檢測數據顯示路面以下結構厚度與設計值存在70～100 cm的差距。由此可見，病害段隧道仰拱存在混凝土強度不足、半徑過大、拱腳應力集中明顯、襯砌結構未成環等結構性缺陷，在較大圍巖壓力的作用下，仰拱部位不能將隧道上部的地層壓力有效地傳遞到地下，導致承受過大應力的拱腳在較為破碎的巖層中過大下沉，同時導致隧道結構、路面、電纜槽等部位的破壞。

5.5 原病害處治深度不足

高家河隧道自2014年7月經過了兩次較大規模的處治，但處治后一年左右就再次發生較大變形、處治結構段破壞；專項檢查顯示隧道變形仍未收斂，尤其是右線K994+371.3—K994+413.3及其對應的左線ZK994+403.2—ZK994+458.2段，兩段均按Ⅳ級深埋硬巖進行設計，無仰拱，二襯為素混凝土。該段出現的結構內侵嚴重、拱腳外張、路面隆起開裂、電纜槽側墻斷裂、路面下回填混凝土較破碎、仰拱下巖芯較破碎等表明：隧道仰拱結構缺失、二襯為素混凝土、拱腳圍巖破碎為隧道結構主要薄弱點。因處治深度不足、隧道結構仍未能有效成環，當較大應力由隧道拱部結構傳遞下來后，拱腳產生沉降，隧道路面隨之產生隆起、開裂、錯臺病害，電纜槽產生大變形錯位和斷裂。

6 病害處治建議

高家河隧道病害的產生是因為隧道圍巖存在較大的水平應力，隧道結構無仰拱或仰拱結構薄弱、應對較大圍巖應力的能力弱，經過近8年的變形、圍巖壓力雖得到了一定的釋放，但仍未收斂。在制定處治方案的過程中，既要對現有病害情況進行修復，又要對出現此類病害的根源進行根除，真正做到標本兼治[3]。高家河隧道病害處治須從加固圍巖破碎層和加強自身結構著手。因此，對于高家河隧道病害較嚴重段落的處治，應先打設注漿管對拱腳和仰拱下部進行注漿加固，再開挖仰拱重筑隧道仰拱的初支和二襯，待強度達到設計強度70%后，將原素混凝土二襯段落拆除施做鋼筋混凝土二襯。施工時須控制好仰拱與邊墻之間的初支、二襯的銜接、施工進尺和拱腳的落空處理，防止對拱墻結構造成較大的干擾并使之成為整體抵抗圍巖壓力。施工期和運營期還應做好隧道變形的監控量測，為施工安全和運營評價提供有效數據。

7 結語

隧道病害是在山體地形、圍巖結構、地層巖性、地下水、空洞、斷層、軟弱夾層、隧道結構等不利條件綜合作用下產生的，隨著隧道病害的發展，圍巖可能存在過大的松動圈，病害處治甚至涉及深層圍巖加固。因此，病害分析是一個系統的工程，技術人員須結合工程實際，在進行必要的勘察、檢測的基礎上，全面地分析隧道病害產生的原因，采取針對性的、有效的處治措施是治理隧道病害的關鍵。設計和施工中還須嚴格保護隧道原結構、減少對結構和圍巖的擾動、保護防排水體系，建立長期監測體系，并對處治效果進行評價、總結。