杜公嶺隧道襯砌結構加固方案優化研究

王培荔，萬 飛，郝曉燕

(1. 山西省高速公路管理局，山西 太原 030006； 2. 交通運輸部公路科學研究所，北京 100088)

0 引言

石膏質巖是一種典型的特殊巖體，在地下水的作用下，表現出膨脹性、軟化性和溶蝕性[1-3]，常常導致石膏質巖地層隧道施工或運營過程中出現襯砌變形開裂、襯砌局部崩裂、滲漏水、路面開裂與隆起等病害現象[4-8]。國內外研究人員在隧道病害處治方法方面已經取得了大量的工程實踐成果[9-13]，二襯置換、二襯嵌拱或增換仰拱結合疏排堵滲漏水和圍巖加固是隧道襯砌結構病害的主要處治措施。但由于石膏質巖獨特的工程特性，加之隧道所處的水文地質和工程地質復雜，致使石膏質巖地層隧道襯砌結構病害成因錯綜復雜，難以確定合理、有效的病害處治方案，病害處治過后又復發的問題在石膏質巖地層隧道中不鮮見。

杜公嶺隧道處于含硬石膏泥灰巖地層，2009年12月開工建設，2012年11月完工，2016年10月開始實施隧道特殊地質病害處治工程施工。隧道病害處治設計階段認為含硬石膏泥灰巖地層的膨脹與軟化作用是引發隧道病害的主要成因，但在隧道病害處治施工階段拆除二次襯砌后，發現大量初期支護發生了嚴重的碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)現象。碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕(TSA)最早于1998年由英國提出，我國是2004年在西部的水利工程發現過類似破壞，在公路交通領域尚未有公布的TSA 破壞案例。因此，針對既有初期支護發生的碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕現象，杜公嶺隧道采用數值分析方法分析既有初期支護不能承載情況下襯砌結構病害處治措施的安全性，同時采用礦物成分測試手段分析隧道病害段落的腐蝕情況，并據此進行隧道襯砌結構加固方案優化。

1 工程概況

杜公嶺隧道為長平高速公路上的雙向四車道分離式高速公路隧道，隧道左線全長2 474 m、右線全長2 515 m，洞體最大埋深231 m。隧道斷面采用三心圓(曲墻半圓拱)型式，拱半徑為5.40 m，曲墻半徑為7.90 m，襯砌結構采用復合式襯砌。

杜公嶺隧道病害以3類、4類和5類為主，病害段落整體處于隧址區的泥灰巖地層中，泥灰巖中不規律地分布有硬石膏巖、石膏巖，如圖1所示。隧道襯砌結構加固總規模1 447 m，原處治設計以二襯置換、二襯嵌拱兩種方案為主，圍巖錨桿加固和注漿加固為輔，主要方案和規模如表1所示。

圖1 隧道主要病害區段地質縱斷面(單位：m)Fig.1 Geological profile of main tunnel disease section(unit:m)

表1 原襯砌結構加固方案及規模Tab.1 Reinforcement scheme and scale of original lining structure

2016年10月，在施工初期階段隧道病害查驗時發現杜公嶺隧道病害段落的初期支護混凝土強度損失嚴重失去承載能力、潮濕狀態下出現泥化現象(見圖2)，經混凝土專業實驗室檢測、診斷，隧道襯砌混凝土中產生了新的物質：碳硫硅鈣石和鈣礬石，這兩種物質是混凝土受外部環境中硫酸鹽(石膏巖)腐蝕的產物，其中，碳硫硅鈣石是造成襯砌混凝土強度損失、泥化、失去承載能力的主要原因[14-16]。

圖2 襯砌結構混凝土腐蝕照片Fig.2 Photos of concrete corrosion of lining structure

2 襯砌結構病害處治措施分析

杜公嶺隧道既有初期支護發生的碳硫硅鈣石侵蝕情況，會導致初支逐漸劣化失效，使得二次襯砌單獨承擔外部荷載，對二次襯砌的結構安全性影響明顯。因此，為確定合理的襯砌結構加固措施，建立荷載-結構模型，分析既有初期支護不能承載情況下，采用單獨置換二次襯砌(二襯單獨承載)、二次襯砌結構嵌拱(二襯單獨承載)和二次襯砌、初期支護同時置換(初支+二襯承載)等3種處治措施(以下分別簡稱措施①、措施②、措施③)時二次襯砌的安全性。

2.1 計算工況與荷載

選取杜公嶺隧道隧頂、洞身、隧底均為泥灰巖和隧頂為灰巖、洞身、隧底為泥灰巖兩種地層(以下分別簡稱地層A、地層B)條件為典型斷面，計算工況詳見表2。

表2 計算工況Tab.2 Calculation condition

地層A與地層B施加在襯砌結構上的荷載分別以典型斷面ZK35+045(地層A)、ZK34+721(地層B)的病害反演分析得到[17]，如圖3所示。

圖3 襯砌結構荷載示意圖(單位：kPa)Fig.3 Schematic diagram of loading on lining structure (unit:kPa)

2.2 模型網格

計算模型中初期支護和二次襯砌采用梁單元模擬，均采用彈性本構模型，初期支護與圍巖之間的相互作用采用僅受壓的法相彈簧單元模擬，初期支護與二次襯砌之間采用僅受壓的剛性法向彈簧連接，襯砌結構模型如圖4所示。

圖4 襯砌結構模型網格Fig.4 Lining structure model mesh

2.3 計算參數

隧道初期支護置換采用I20a型鋼，縱向間距0.6 m，C30噴射混凝土厚28 cm；隧道二次襯砌嵌拱方案采用φ22H16×18鋼格柵，間距1 m布置，40 cm 厚C25素混凝土；二次襯砌置換采用50 cm厚C35鋼混凝土，HRB400φ25@對稱配筋，保護層厚度55 mm。初期支護中的型鋼鋼架和混凝土、二次襯砌嵌拱的格柵鋼架和混凝土按照等彈性模量原則(EA=EcAc+EsAs)等效為整體。計算模型中初期支護與圍巖的相互作用的法相彈簧單元根據《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)取彈性抗力系數k=150 MPa/m。初期支護和二次襯砌計算參數參考《公路隧道設計規范》(JTG D70—2004)取值，計算參數見表3。

表3 襯砌結構計算參數Tab.3 Calculation parameters of lining structure

2.4 處治措施安全性對比分析

分別以極值點(軸力最大點、軸力最小點、彎矩最大點、彎矩最小點)和關鍵部位(如圖5所示)的安全系數、裂縫寬度按照《公路隧道設計規范》(JTG 3370.1—2018)中相關條例計算評價二次襯砌的安全性。其中隧道關鍵部位如圖5所示。

圖5 二次襯砌關鍵部位示意圖Fig.5 Schematic diagram of key parts of secondary lining

各計算工況時杜公嶺隧道二次襯砌的安全性指標計算結果匯總見表4、表5。

表4 極值點安全系數與裂縫寬度Tab.4 Safety factor and crack width of extreme point

表5 二次襯砌關鍵部位安全性評估Tab.5 Safety assessment of key parts of secondary lining

由表4和表5中計算結果可以看出：

(1)單獨置換的二次襯砌(50 cm、C35鋼混凝土)承擔全部荷載時，二次襯砌內力極值位置及隧道拱腳、邊墻關鍵位置的安全系數較小(最小1.44)、裂縫寬度較大(最大1.23 mm)，不能滿足規范要求。

(2)嵌拱處治后的二次襯砌(40 cm、C25素混凝土)承擔全部荷載時，二次襯砌內力極值位置及關鍵部位(拱腳、邊墻、拱腰等)的安全系數較小(最小0.14)，不能滿足規范要求。

(3)將二次襯砌、初期支護同時置換，新置換的二次襯砌和初期支護共同承擔全部荷載時，二次襯砌關鍵部位和內力極值部位的安全系數(最小2.23)和裂縫寬度(最大0.14 mm)均能滿足規范要求。

綜上所述，在考慮杜公嶺隧道初期支護混凝土被碳硫硅鈣石侵蝕而失去承載能力時，襯砌結構加固應采用二次襯砌、初期支護同時置換的措施才能保證襯砌結構安全。

(1) 針對地質災害風險性評價單元劃分問題，在對評價區地貌成因形態進行分析的基礎上，劃分出侵蝕構造地形、構造剝蝕地形、侵蝕堆積地形等三大類，高山、中山、低山、深切割丘陵、中切割丘陵、淺切割丘陵、沖積扇平原、河流及階地等八亞類共計34個單元。這種劃分方法既方便提取各評價指標值，也利于有針對性的提出防治措施。

3 隧道襯砌結構加固方案優化

3.1 襯砌結構加固方案的優化范圍

根據上一節分析結果，杜公嶺隧道襯砌結構加固方案需要進行優化。因此，為確定杜公嶺隧道襯砌結構加固方案的優化范圍，對杜公嶺隧道未施工的1 007 m處治段落既有襯砌結構中碳硫硅鈣石和鈣礬石物質成分、圍巖中硬石膏和石膏物質成分進行了專項測試。試樣測定采用D8-ADVNCE型X射線衍射儀，測試斷面121個、鉆孔累計長度218 m，共計606個試樣。

(1)測試斷面與鉆孔布設

測試斷面平面布置如圖6所示，其中二襯置換、二襯嵌拱的段落取樣對象為初支和圍巖，在靠近加固處治段落的外側也進行初支和圍巖鉆孔取芯測試。此外，對隧道內二次襯砌局部嚴重鼓起崩裂處的部位和部分初支進行了直接取樣。

圖6 鉆孔平面布置(單位：m)Fig.6 Plane layout of borehole (unit:m)

隧道每斷面兩側邊墻各布設1個水平鉆孔，鉆孔距離路面豎向距離約1.5 m，鉆孔深度(L=A+B+C，其中A為既有二襯厚度40，45，50，55 cm，B為既有初支厚度20，22，24 cm，C為鉆取巖芯長度)。

(2)測試結果分析

①初期支護混凝土腐蝕情況

79個斷面的初期支護混凝土檢測出碳硫硅鈣石或鈣礬石，占所有測試斷面(121個)的65%；120個初期支護混凝土試樣檢測出碳硫硅鈣石或鈣礬石，占全部試樣(223個)的54%。

42個斷面的圍巖中含有硬石膏或石膏，占所有測試斷面(共111個斷面)的37%；67個圍巖試樣檢測出硬石膏或石膏，占全部試樣(216)的31%。

經過對碳硫硅鈣石、鈣礬石腐蝕、硬石膏、石膏等物質含量的統計分析發現，在本次121個測試斷面中，110個斷面已發生腐蝕或具有極高的腐蝕風險，占比達到90.9%。表明碳硫硅鈣石侵蝕在未處治的杜公嶺隧道既有初期支護中已廣泛分布，或正在逐步侵蝕中。因此，考慮隧道襯砌混凝土碳硫硅鈣石侵蝕的時效性，可認為杜公嶺隧道病害區段內的初期支護已失去或將失去承載能力。

3.2 襯砌結構加固方案

根據以上測試分析成果，杜公嶺隧道對剩余未施工段落(約1 007 m)的襯砌結構加固措施和設計參數進行了優化設計。杜公嶺隧道襯砌結構病害處治設計均采用拱墻、仰拱二次襯砌與初期支護同時置換、錨桿加固圍巖的方案(見圖3)，對于未設仰拱斷面均增設仰拱，襯砌結構混凝土采用抗硫酸鹽混凝土。隧道新置換的初期支護和二次襯砌設計參數見表6，襯砌結構加固方案見圖7。

表6 新置換襯砌結構設計參數Tab.6 Design parameters of new replacement lining structure

圖7 襯砌結構加固優化方案Fig.7 Optimized reinforcement scheme of lining structure

4 結論

以往的隧道襯砌結構病害依據襯砌結構病害嚴重程度的檢測結果進行分類處治，針對3類、4類、5類襯砌結構病害分別采用噴混凝土、貼鋼板、嵌拱或置換等措施，其中病害嚴重程度是以檢測發生時的狀態為準。而針對石膏質巖隧道襯砌結構碳硫硅鈣石型硫酸鹽侵蝕導致的病害，應充分考慮碳硫硅石侵蝕的危害性與時效性，從襯砌結構病害動態發展的角度判斷病害嚴重程度。例如在2016年7月—2017年5月，杜公嶺隧道病害處治施工期間，部分段落病害仍在持續發展，其中40 m由4類變為5類，58 m由1類變為3類，10 m由2類變為3類，右洞YK34+780、左洞ZK35+053、ZK34+990等附近出現了二襯崩落現象。杜公嶺隧道襯砌結構病害持續發展的現象進一步驗證了通過病害處治措施比選和礦物成分測試分析做出的推斷，即杜公嶺隧道初期支護結構正在發生碳硫硅鈣石侵蝕并逐漸失去承載能力，而二次襯砌結構不能單獨承擔圍巖荷載，需要同時置換初期支護與二次襯砌結構。

杜公嶺隧道病害處治工程應用該隧道襯砌結構加固方案最終完成施工段落1 515 m，其中原設計處治段落1 447 m、新增病害段落68 m。截止2020年3月，杜公嶺隧道已重新開通運營2 a，經檢測未發現二次襯砌開裂等病害現象[18]，說明該隧道襯砌結構加固方案的處治效果良好。