隧道病害診斷分析與維修加固

邱成虎，劉涇堂，胡金鑫

(甘肅省交通規劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 引言

隨著我國公路建設蓬勃發展，為改善線形、克服高程障礙，隧道的作用日益凸顯，其規模持續增長。然而隧道病害，諸如襯砌厚度不足、襯砌裂縫、襯砌脫空及滲漏水會嚴重降低襯砌結構耐久性，甚至危及隧道安全性。因此，隧道病害分析、力學計算及維修加固技術成為隧道建設的研究熱點。如從施工、設計及地質因素等方面分析隧道產生病害的原因，并研究治理預防措施[1-3]。從現場裂縫調查統計出發，結合施工資料及數值模擬分析結果，系統分析裂縫產生的原因，選擇典型裂縫跟蹤監測，并提出裂縫處治建議[4]。利用數值模擬計算，系統分析產生病害襯砌的剛度、穩定性和結構受力規律[5-8]。通過室內模型試驗和理論分析研究套拱加固后結構的受力規律、破壞模式及承載力變化等力學特性[9-10]。根據病害形式和等級采取不同的處治措施，提出預防和控制措施，并將成果推廣應用[11-14]。

本文以我國西部地區某運營高速公路隧道為例，進行外觀觀察、檢測和鉆芯取樣，統計隧道襯砌厚度不足、襯砌裂縫、襯砌脫空及滲漏水情況，分析原因，并對土建結構技術狀況進行評定。在此基礎上針對不同病害嚴重程度進行分類，提出維修加固方案，以提高隧道安全性、耐久性和功能性。

1 工程概況

西部某高速公路已通車運營3年。按山嶺區高速公路分離式斷面設計，雙向四車道，設計行車速度為80km/h，隧道凈寬10.25m，凈高5.0m。左線全長2 233m，右線全長2 216m。左線縱坡為2.35%，右線縱坡為1.85%。

隧道進出口段地層為白堊系東河群上亞群粉砂巖、礫巖、砂礫巖夾泥巖。洞身段地層為白堊系東河群上亞群粉砂巖、礫巖、砂礫巖夾泥巖及中-上志留系白水江群千枚狀板巖、炭質板巖夾中薄層砂質板巖、薄層-中厚層灰巖。根據圍巖地質和施工條件，隧道襯砌結構采用新奧法施工，以錨桿、噴射混凝土、鋼筋網、鋼拱架或格柵鋼架為初期支護，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次襯砌。隧道以水泥混凝土路面為主，進出口段300m范圍采用復合式路面。

2 病害檢測及分析

2.1 測線布置

在拱頂左、右1m處，左、右拱腰處，左、右起拱線處，左、右電纜槽處共布置8條測線，仰拱取芯鉆孔線距電纜槽邊線0.5m。全斷面采用多維隧道智能檢測法對隧道裂縫、滲水、剝落等外觀病害進行數據采集，采用地質雷達復測二次襯砌厚度。

2.2 外觀分析

1)洞頂截水溝和局部排水邊溝堵塞，洞門裝飾瓷磚局部剝落，保溫板局部開裂，襯砌局部涂裝剝落。部分檢修道蓋板缺失、翹起、塌陷。

2)襯砌環向裂縫454條，縱向裂縫205條，斜向裂縫55條，滲水(干)10處，滲水(濕)10處。

3)吊頂及預埋件未見明顯病害，未發現標志、標線、輪廓標缺損等明顯病害，未見隧道瀝青路面明顯病害。

2.3 檢測結果及分析

2.3.1襯砌裂縫

襯砌裂縫714條，裂縫寬度≥0.3mm共計2 019.88m， 寬度<0.3mm共計335.73m。其中環向裂縫454條，占63.59%，長0.66～19.59m，寬0.2～2.0mm；縱向裂縫205條，占28.71%，長1.0～17.08m，寬0.20～0.55mm；斜向裂縫55條，占7.70%，長0.83～14.27m，寬0.20～0.55mm。

環向裂縫為主要裂縫類型，主要分布在拱腳(起拱線)范圍內。隨著裂縫的發展，混凝土碳化深度不斷增加，影響混凝土襯砌耐久性，嚴重時造成隧道邊墻斷裂、掉拱，甚至引起塌方；同時裂縫貫通為地下水提供滲流通道，進一步劣化鋼筋混凝土結構，降低隧道襯砌承載力。產生襯砌裂縫的主要原因如下。

1)水化熱 隧道施工過程中水化熱溫度應力增大，干縮變形增大，自身體積變形增大，導致混凝土表面出現拉應力，產生干縮裂縫。

2)溫度因素 水泥水化過程中產生大量熱量，在混凝土內部和表面間形成溫度梯度，從而產生應力，當溫度應力超過混凝土內外約束力時產生溫度裂縫。

3)施工因素 二次襯砌臺車拆模過早，導致混凝土強度過低，襯砌養生不到位，造成二次襯砌受力后產生裂縫。由于光面爆破技術把握不夠，引起超挖而又未能及時回填，襯砌厚度不足或襯砌背后不密實部位產生應力集中，進而產生襯砌裂縫。

2.3.2襯砌厚度

檢測二次襯砌厚度不足54處，其中檢測厚度<(設計厚度/2)的達37處，厚3.4～25cm，主要分布在拱頂及拱腰；(設計厚度/2)<檢測厚度<設計厚度的有17處，厚33.0～48.3cm，主要分布在側墻。襯砌厚度不足的主要原因如下。

1)地質因素 炭質板巖為典型軟巖，受水、節理裂隙、結構面的影響，炭質板巖浸水強度降低，隨著微裂隙的擴張，結構面受力后易發生剪切破壞和順層理面滑移破壞。圍巖應力再平衡所需時間較長，初期支護變形量大，收斂時間長，易出現開裂、破壞。當變形量達到一定限值后，初期支護表面出現開裂、崩殼，隨著變形繼續發展，出現拱架變形或撓曲，甚至破壞坍塌。

2)施工因素 初期支護鋼拱架出現變形、扭曲等現象，未及時加固或拆換，或爆破技術把握不夠，均會出現嚴重欠挖現象，未及時處治，造成初期支護侵占二次襯砌厚度。二次襯砌臺車就位不準確，施工精度低，造成二次襯砌一側較厚，一側較薄，較薄側不滿足設計厚度。

2.3.3襯砌脫空

襯砌脫空19處，主要分布在拱頂左、右側1m范圍內，長1～10m，寬1.5～2.9m，空腔厚10～40cm。其中模板脫空占68.42%，為脫空主要來源。襯砌脫空部位厚度不足，引起襯砌結構局部應力集中，從而造成襯砌內力增加；同時地下水發育地段脫空區易積水，導致襯砌水壓增加，洞口段脫空區積水還會引起鋼筋混凝土凍脹，降低隧道襯砌結構的耐久性。空腔長度、寬度和厚度的增加，會加劇對隧道襯砌結構的影響。襯砌脫空的主要原因如下。

1)開挖及初期支護 光面爆破效果差，鋼架架立不平順，初期支護表面不平整，防水板密貼困難。

2)防水板施作 防水板固定點數量不足和鋪設松弛度不均，局部緊繃或褶皺，在防水板與噴射混凝土面間形成空腔。

3)混凝土澆筑 擋頭板封堵不嚴、漏漿；混凝土流動性差、水灰比控制不良、和易性差、澆筑排氣不暢；混凝土澆筑時因混凝土供應、擴散度、壓力不足造成脫空；混凝土澆筑過程中未振搗密實，澆筑完成后受自重下沉，造成拱部脫空。

4)混凝土收縮徐變 由于混凝土本身特性，澆筑后發生收縮和徐變，使襯砌與圍巖或防水板間出現空隙。

2.3.4滲漏水

襯砌滲漏水20處，其中襯砌滲漏水(干)10處，共3.83m2，襯砌滲漏水(濕)10處，共10.78m2，主要分布在拱腳。

隨著襯砌滲漏水，混凝土結構劣化、鋼筋銹蝕，寒冷季節隧道洞口段滲水易產生凍融循環，破壞襯砌。產生滲漏水的主要原因如下。

1)防水系統破壞 初期支護表面不平整，造成防水板局部撕裂，防水系統破壞；施工縫處止水帶老化局部剝落，喪失止水作用；襯砌排水管破裂，導致水流沿施工縫流出。

2)混凝土自防水 隧道局部襯砌混凝土的抗滲性能較差，未達到混凝土結構自防水要求，致使圍巖裂隙水從混凝土或裂縫處滲漏；隧道裂縫較多，襯砌中富裕水量沿裂縫漫流。

3)地下水發育 圍巖中裂隙發育，地表覆蓋層透水性好，由于降雨下滲補給，導致隧道圍巖及山體含有較大貯量的裂隙水與孔隙水。

2.3.5鉆芯取樣

對仰拱鉆芯取樣15處，鉆芯長度不小于設計長度。仰拱厚度滿足設計要求，且現場未發現隧道仰拱底鼓、開裂等現象。

2.4 技術狀況評定

為定量評定土建結構技術狀況，采用最差段落評分法[15]，按下式計算：

(1)

式中：wi為分項權重；JGCIi為分項狀況值，值域0～4，JGCIi=max(JGCIij)。

評定結果如表1所示。

表1 隧道土建結構技術狀況評定

由式(1)計算得土建結構技術狀況評分為62.5，由于襯砌狀況值達到3，結合JTG H12—2015《公路隧道養護技術規范》，對應土建結構技術狀況直接評為4類。

3 維修加固方案

根據觀察缺陷、檢測缺陷及病害分析，遵循因地制宜、技術可行、經濟合理、高效安全、動態設計的原則，制定維修加固方案。

3.1 襯砌厚度不足處治

3.1.1全斷面換拱

對局部缺陷嚴重部位采用臨時鋼架支撐，防止裂縫繼續擴展和掉塊脫落，確保施工安全。采用4m長φ42×4注漿小導管(縱向間距1m、環向間距2m)對處治段周邊圍巖徑向進行注漿加固，增強圍巖整體性。注漿環固結后，每3m跳槽由上而下拆除原二次襯砌、防水板及初期支護，采用6m長φ32自進式中空注漿錨桿(縱向間距1m、環向間距2m)加固缺陷范圍周邊圍巖，錨桿與徑向注漿導管呈梅花形交錯布置。施作I20a鋼拱架，間距50cm，采用連接鋼筋增強其整體性，噴射C25早強混凝土26cm，在初期支護表面鋪設Ω形環向盲管，并接入邊墻底部縱向排水管。初期支護重新施作后進行下一循環，2個循環后進行防水板和二次襯砌的施作，二次襯砌采用50cm厚C30鋼筋混凝土襯砌。施工時避開臨時支撐間隔施工，每段二次襯砌施工完畢后應進行拱背壓漿，確保二次襯砌厚度及密實度滿足要求。

3.1.2套襯加固

采用4m長φ42×4注漿小導管(縱向、環向間距各1m)和6m長φ32自進式中空注漿錨桿(縱向間距1m、環向間距2m)加固缺陷范圍周邊圍巖，錨桿與徑向注漿導管交錯布置，增強圍巖整體性。鑿毛二次襯砌表面，在鉆孔出水處埋設環向排水盲管引排滲漏水。涂刷2mm厚界面劑，安裝7.937cm高輕型鋼軌，拱架縱向間距為0.5m，采用鋼筋連接，環向采用φ20鋼筋錨固于原二次襯砌混凝土中，間距50cm；噴射12cm厚C30鋼纖維混凝土，噴射混凝土兩側與原內輪廓平緩順接，采用聚合物砂漿平整表面，恢復涂裝。

3.1.3噴射鋼纖維混凝土補強

鑿毛二次襯砌，修補襯砌裂縫，對背后脫空部位進行注漿填實。在鑿毛面上涂刷2mm厚界面劑，安裝擴底錨栓，錨固深度≥10cm，錨固間距為65cm×65cm，呈梅花形布設，掛設φ12鋼筋網片，間距為20cm×20cm，噴射10cm厚C30鋼纖維噴射混凝土(添加8%水泥用量的無堿速凝劑)。采用聚合物砂漿平整表面，恢復涂裝，如圖1所示。

圖1 二次襯砌噴射混凝土補強設計

3.1.4鋼板鋼帶補強

環向鋼板為寬25cm、長6.0m、厚5mm的Q345鋼板，分段處采用平口焊接連接鋼板，鋼板縱向間距為65cm。縱向連接鋼帶為長0.9m、寬25cm、厚5mm的Q345鋼板，環距為1.05m，搭接長度為25cm；鋼帶采用專用粘鋼膠與襯砌混凝土黏結牢固，拱部及邊墻采用φ16×200螺栓固定，采用聚合物砂漿抹平鋼帶加固段襯砌表面，恢復涂裝，如圖2所示。

圖2 鋼板鋼帶補強(單位：cm)

3.2 裂縫處治

寬度<0.3mm的裂縫采用專用裂縫膠灌注封閉，并加強后期觀察；寬度≥0.3mm的裂縫采用低壓慢注修補法。裂縫封閉前，從上而下清理兩側5cm范圍內的灰塵、浮漿，然后用丙酮擦洗清除裂縫周圍油污。裂縫封閉時，從上至下沿裂縫涂抹封縫膠，寬2～3cm，厚2mm，沿裂縫順直涂刷，保證表面美觀，如圖3所示。

圖3 裂縫處治

1)環向裂縫 貫通性裂縫的危害較大，沿裂縫方向鑿成V形槽，在槽內騎縫鉆孔，在孔內插入壓漿管，利用環氧樹脂水泥砂漿錨固，用灰刀將砂漿壓實抹光。待環氧樹脂砂漿有一定強度后，壓入水泥-水玻璃漿液或環氧樹脂漿液。

2)縱向裂縫 襯砌縱向開裂除對裂縫本身進行上述壓漿堵縫外，在襯砌開裂范圍內采取錨桿加固措施。

3.3 襯砌脫空處治

襯砌背后脫空部位采用φ42鋼花管注M30水泥砂漿加固，灌注壓力≤0.3MPa。按由下向上、由少水處向多水處、先兩端后中間順序施工；地下水富集、有水壓段落，先設置泄水孔排水，再進行灌注，如圖4所示。

圖4 襯砌脫空處治

3.4 滲漏水處治

采用斜縫注射聚氨酯類發泡膠液封堵。注漿孔間距30cm，從下至上，先封堵裂縫，注漿壓力≤0.5MPa，直至漿液溢出注漿孔，停止注漿；封縫采用環氧砂漿。鑿出深50mm、內大(150mm)外小(100mm)的倒梯形槽；注漿完畢后，在槽內及周圍填塞聚合物砂漿。

1)線狀滲漏水 沿裂隙鑿槽間隔1m埋設鋁質注漿管，用水泥-水玻璃雙液漿回填、封堵。

2)點狀滲漏水 用電鉆在出水口鉆孔，將水用管導出，在出水孔周圍鑿深5cm、直徑≥15cm的圓形凹面，用防水灰漿涂刷，用雙快水泥砂漿封堵并埋設鋁質鋼管進行注漿，如圖5所示。

圖5 滲漏水處治設計

3.5 其他

1)疏通洞口、洞頂截水溝，防止水流對邊坡的沖刷；護坡破損處應先回填脫空部分，再進行修復處理。

2)對洞門松動瓷磚進行錨固處理，并修復破損、剝落瓷磚。

3)修復缺失、塌陷、翹起的檢修道蓋板，確保檢修人員安全。

4)徹底清理隧道內左、右兩側排水邊溝。

5)對開裂的保溫板進行螺栓加固處理，對涂層剝落處鏟除剝落周邊松動的涂層，做修復處理。

4 結語

1)隧道裂縫主要為環向裂縫，分布在拱腳(起拱線)范圍；襯砌厚度不足、脫空主要分布在拱頂范圍；滲漏水多發生于拱腳處。

2)針對襯砌厚度不足，根據情況采用全斷面換拱、套襯加固、噴射鋼纖維混凝土補強、鋼板鋼帶補強等措施；裂縫采用切槽注膠封閉；襯砌脫空采用注漿填充；滲漏水采用切槽引排，并進行注漿封閉。