某運營黃土公路隧道病害成因與處治技術研究

朱 江

(山西省交通新技術交通發展有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

山西省黃土隧道主要分布在中西部地區，其中運營高速公路黃土隧道總里程356 490 m，其中純黃土隧道186 910 m/231座，部分段落為黃土的隧道169 580 m/57座；在建各類黃土隧道39 634 m，其中高速公路黃土隧道20 422 m/14座。黃土隧道在運營過程中出現襯砌開裂、滲漏水、仰拱底鼓隆起、路面翻漿冒泥等病害，嚴重影響行車安全。出現病害的原因復雜，是一個極其復雜的物理、力學過程，是多種因素共同作用的結果，其與隧道圍巖性質、應力狀態、支護參數、施工質量和運營養護等密切相關。本文結合山西省某運營高速公路黃土隧道，通過現場調查和檢測手段針對該隧道出現的病害進行系統研究，從洞內外兩個方面分析了隧道出現病害的原因，并提出了有針對性的處治措施，對類似運營黃土公路隧道具有借鑒和指導作用。

1 工程概況

2 病害現狀調查

運營過程中，該隧道主要病害表現為局部段落襯砌破損、開裂剝落，襯砌拱腳下沉，路面隆起、縱向開裂錯臺，電纜槽扭曲變形、傾斜反翹等現象。邊墻裂縫寬度達3 cm，且沿裂縫出現錯動，最大錯動量達5 cm，出現掉塊現象如圖2所示；路面縱向開裂寬度1 cm～3 cm，裂縫沿隧道縱向呈魚尾狀，可見1 cm～2 cm的路面隆起如圖3所示；人行橫通道底板開裂隆起，裂縫寬度達1 cm，底板隆起高度達20 cm,如圖4所示；電纜溝蓋板呈明顯傾斜現象，邊溝與瀝青路面結合部發生明顯的開裂和下沉，最大縫寬3 cm，最大下沉錯動達10 cm,如圖5所示。

3 病害成因分析

為查明病害原因，消除隱患，防止隧道病害進一步發展，根據該隧道病害特征，本文從洞內外兩個方面開展病害原因分析。

3.1 隧頂地表缺陷

至隧頂地表實地調查，地表植被以荒草灌木為主，發現該隧道洞身地表發育多條深切沖溝，局部存在陷穴和落水洞見圖6，圖7。由于建設期并未對其進行處理，隧道運營后，地表雨水匯集至沖溝底部并下滲至隧道結構，降低黃土圍巖的物理力學性質，導致圍巖承載能力降低，繼而誘發隧道病害的產生和發展，并直接侵蝕隧道支護結構，附加應力增大，降低隧道結構的安全性和可靠性。

3.2 施工質量缺陷

技術人員對該隧道洞內病害段主要開展了凈空測量、襯砌及仰拱狀況檢測、襯砌強度檢測和隧道變形監測等，結果表明施工質量較差是導致該隧道運營期出現如此病害的另一個原因。

采用隧道激光斷面儀對隧道凈空進行測量，將當前斷面形狀和設計斷面形狀進行比對，可反映出隧道支護結構的現狀。經數據分析，該隧道上行K482+687～K482+867段落左拱腰和拱頂部位存在較大偏差，偏差值介于9.6 cm～15.7 cm之間；下行ZK482+498～ZK482+858段落拱頂部位存在較大偏差，偏差值介于9.5 cm～33.1 cm之間，未發現各檢測斷面存在建筑限界受侵現象。隧道激光斷面儀測量結果表明，該隧道病害段拱部存在較大的豎向圍巖壓力，是導致襯砌結構出現縱向裂縫、環向裂縫的直接誘因，導致襯砌混凝土破損甚至剝落現象的發生。

采用地質雷達對襯砌缺陷進行檢測，檢測結果表明，該隧道檢測范圍內局部初期支護與二次襯砌間存在脫空和不密實現象，缺陷段長度占比達2.6%；隧道二次襯砌厚度離散性較大，最薄處僅有6 cm，抽樣合格率僅為65.2%；上行隧底結構層厚度介于100 cm～190 cm之間，下行隧底結構層厚度介于105 cm～210 cm之間，并且隧底結構層與基底圍巖局部存在脫空和不密實現象。該隧道病害段存在路面結構層及仰拱與其填充層厚度不滿足設計要求的情況，造成隧底結構強度不足，同時隧道路面結構層與仰拱填充層之間存在輕微脫空現象。

采用回彈儀對襯砌混凝土強度進行檢測，并考慮混凝土碳化影響后，該隧道上下行襯砌混凝土強度均滿足設計要求。通過隧道路面沉降監測，監測周期內的數據分析結果表明，該隧道上行路面沉降監測點之值為4.6 mm，而下行路面呈整體下沉現象，其值高達13.56 mm，監測過程中偶遇襯砌掉塊，說明該隧道在運營過程中變形明顯，安全風險大，影響行車安全，需及時關閉隧道并實施病害處治。

雨水沿隧頂落水洞和陷穴下滲，圍巖壓力尤其是側向圍巖壓力增大的情況下，隧底地基承載力降低和隧底結構剛度不足導致襯砌結構出現拱腳向內收縮，路面結構擠壓隆起等現象的發生；隧道病害段襯砌厚度薄厚不均，導致襯砌局部產生應力集中，加劇了隧道襯砌結構開裂和破損現象的發生。

4 病害處治方案

本著“安全第一，經濟可行，節約成本”的基本原則，經分析研究，擬從洞內外兩個方面對該運營高速公路黃土隧道進行病害處治。

4.1 地表處治措施

隧頂地表缺陷采用回填灰土和注漿的方法進行處治。使用3∶7灰土對沖溝裂縫、陷穴等進行回填夯實，同時加強地表水的疏排管理。采取注漿方法時，為獲得良好的注漿堵水效果和經濟性，需選取合適的注漿試驗地點進行現場注漿試驗，并對注漿后的效果進行檢查，取得注漿施工中的孔位布置、壓力、漿液注入量、注漿材料等參數的控制方法，確保隧頂覆蓋層密實且無潛在的空洞和裂縫。

4.2 洞內處治措施

由于該隧道不同段落原支護結構設計參數不同，根據不同段落的病害特征和嚴重程度采用不同的處治措施。

4.2.1洞身病害段處治措施

1)粘貼W鋼帶。針對該隧道襯砌局部脫落，厚度不足的段落，采用膠黏劑粘貼環向布置的寬度200 mm、厚度5 mm的W鋼帶，其縱向間距為100 cm，相鄰兩環的接頭應錯開，間距不低于500 mm；通過寬度200 mm、厚度8 mm的縱向鋼板連接W鋼帶，每環設縱向連接鋼板4片；并通過化學錨栓固定W鋼帶和縱向連接鋼板。

2)隧底地基加固設計。該隧道襯砌開裂嚴重并掉塊段落，原設計方案中初期支護仰拱和二次襯砌仰拱均閉合成環，但初期支護無鋼架，二次襯砌也為素混凝土結構。由于運營隧道仰拱開挖對隧道整體結構的穩定性影響較大，隧底地基加固時不拆除原支護結構，僅將路面結構層和局部仰拱填充層破挖。具體方案分兩步：a.拆除既有電纜槽和邊溝，然后在襯砌墻腳位置打設DN80，L=6 m@100 cm的注漿鎖腳錨管，防止破挖隧底時拱墻部位產生較大位移；再在病害段隧底設φ120 mm@100 cm鋼管樁，梅花形布置，并在管身鉆梅花形注漿孔，鋼管樁就位并成型后注入水泥漿填充；b.通過M20@100 cm高強度螺栓沿隧道兩側墻腳位置處固定縱向布設的[25a槽鋼，并與Ⅰ20a@100 cm橫向支撐焊接牢固。各Ⅰ20a型鋼橫撐中央處和1/4位置處采用Ⅰ14a通過焊接方式加強連接，形成型鋼框架，并與鋼管樁管頂焊接，然后再恢復路面。復合式路面厚51 cm，其中基層采用15 cm厚貧混凝土，混凝土面板厚26 cm并配Φ16HRB335鋼筋網，面層分別是4 cm厚細粒式改性瀝青瑪脂(AC-13)和6 cm厚中粒式改性瀝青混凝土(AC-20)。

4.2.2人行橫洞處治措施

首先采用DN80，L=4.5 m的注漿鎖腳錨管加固人行橫洞拱腳，然后再分兩步開展有針對性地處治：首先將原襯砌開槽后埋入Ⅰ14@100 cm的鋼拱架，相鄰鋼拱架通過在原襯砌表面刻槽埋入Φ25HRB335鋼筋連接，再通過C25自密實補償收縮混凝土填充間隙；然后通過M20-20×200@100 cm高強度螺栓沿人行橫洞拱腳兩側固定縱向布設的[25a槽鋼，并與Ⅰ20a@100 cm橫向支撐焊接牢固。各Ⅰ20a橫向支撐中央處再采用[14a槽鋼通過焊接方式加強連接，形成型鋼框架，并采用30 cm厚C30混凝土恢復人行橫洞路面。

5 結論與建議

引起運營隧道出現病害的原因是多方面的，是綜合因素導致的結果。本文對某運營高速公路黃土隧道出現病害的原因從洞內外兩個方面開展研究，并提出了針對性的處治措施：

1)運營過程中，該隧道地表存在的沖溝裂縫、陷穴和落水洞為雨水匯集提供了便利條件。雨水沿隧頂地表缺陷下滲，圍巖壓力尤其是側向圍巖壓力增大的情況下，隧底地基承載力降低和隧底結構剛度不足導致襯砌結構出現拱腳向內收縮，路面結構擠壓隆起等現象的發生；

2)該隧道建設期間，施工質量較差是導致該隧道在運營期出現病害的另一個原因。隧道病害段襯砌厚度薄厚不均，導致襯砌局部產生應力集中，加劇了隧道襯砌結構開裂和破損現象的發生；

3)該隧道在運營過程中變形明顯，安全風險大，影響行車安全，需及時關閉隧道并實施病害處治，并根據病害程度，提出了分段處治的建議。建議在該隧道襯砌局部脫落，厚度不足的段落，采用粘貼W鋼帶的方案；在襯砌開裂嚴重并掉塊的段落以及人行橫洞病害段，采用鎖腳錨管、鋼管樁和型鋼框架梁的方案。