高家河隧道結構病害處治設計

李 靈

（山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006）

引言

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和山西省“三縱十一橫十一環”高速公路網第九橫（黎城至吉縣壺口段）的重要組成部分，也是山西省“十一五”規劃重點建設項目之一，于2009年8月開工建設，2012年8月通車，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）高速公路高家河村附近，隧道全長474 m，建筑限界寬10.25 m，凈高5.0 m。

1 隧道病害概況

1.1 工程地質條件

隧址區為中低山地貌，山體自然坡度5°～40°，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。隧道圍巖總體為強風化巖體，巖芯呈碎塊狀，巖芯長度一般低于10 cm，見圖1。

圖1 地質剖面

1.2 隧道病害發展過程

2013年7月，高家河隧道右線發育最大縫寬1.0 cm 的路面橫向裂縫，襯砌結構發育斜向細小裂縫，次年7月原臨吉建管處對段內45.5 m范圍采用更換路面結構層方式進行處治。2015年5月，已處治段的混凝土路面開始隆起并伴生裂縫，采取的處治措施：拱腳打縮腳鋼管并注漿，隧底采用工字鋼、槽鋼做骨架的鋼筋網片混凝土加強。2016年12月，左洞對應段出現襯砌變形、開裂，路面隆起、開裂現象，同時處治過的路面又出現開裂并伴生路面拱起、襯砌結構變形開裂增大的現象。

1.3 隧道病害專項勘察

為查明隧址區地層結構、巖性特征巖土結構及覆蓋層情況，主要采用鉆探的方法勘察，鉆探采用 HT-130 型鉆機，回轉鉆進鉆探工藝，回轉式采取土樣，取樣規格Φ91×150 mm，洞內鉆孔位置為行車道距中線約1.5 m處。經鉆探揭露：路面下0～0.9 m 為水泥混凝土，0.8～1.6 m為破碎狀強風化石灰巖或較破碎的回填混凝土，路面下1.2～3.3 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。

1.4 隧道病害專項檢查

2019年10月開始對高家河隧道進行了為期四個月的隧道病害專項檢查，檢查內容主要為隧道裂縫、襯砌厚度、襯砌背后的空洞、仰拱厚度、仰拱填充質量、混凝土強度、斷面尺寸、隧道沉降等，主要儀器設備有地質雷達（81599）、激光斷面儀（81610）、裂縫綜合測試儀（YD-LFCKY-001）、回彈儀（YDHTY-001）。

1.5 隧道病害表現

（1）①高家河隧道ZK994+380—ZK994+530和ZK994+580—ZK994+680段落發展大量縱向、環向和橫向裂縫，初支與二襯之間存在脫空及不密實的情況；②K944+420—K944+467和ZK994+413—ZK994+453段落隧道路面基底結構層內部及基底圍巖局部存在較嚴重的脫空、不密實等異常現象；③隧道基底結構層實測厚度較大范圍小于設計厚度，隧道路面至仰拱底的設計值為2.00～2.29 m，實測值為73～129 cm，與原設計存在100～127 cm的差值；④經激光斷面儀監測，隧道內輪廓左側拱肩至拱頂范圍存在較大向內變形的趨勢，經實測斷面與設計斷面對比，隧道右線K994+372—K994+412段隧道內輪廓最大內侵值為131～209 mm，左線為64～94 mm， 典型斷面見圖2。

圖2 隧道凈空檢測典型斷面/m

（2）高家河隧道拱頂沉降明顯，沉降值見表2。

表2 隧道右線拱頂沉降

（3）監測周期（2019年11月—2020年1月）內，隧道路面沉降值變化明顯，右線最大位移值位于K994+460斷面，為2.01 mm，左線最大位移值位于ZK994+420斷面，為2.16 mm。

2 隧道病害機理分析

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[1]。高家河隧道圍巖為強風化和中風化石灰巖，存在破碎夾層，隧道橫斷面圍巖巖層與路面呈50°夾角，隧道右側山體低且陡，山體圍巖存在向右滑動的趨勢。隧道二襯結構左側45°拱肩至拱部120°范圍呈較大內傾趨勢，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，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。隧道結構左上方發生的變形與巖層產狀、壓力趨勢相適配。

由此可推斷，高家河隧道病害產生的主要原因為地質偏壓，地層壓力過大導致隧道結構二襯內侵。同時拱腳圍巖破碎、仰拱存在結構缺陷等原因最終導致隧道結構二襯內侵、二襯結構開裂、變形，拱腳沉降、外擴，電纜槽拉裂，路面開裂、隆起等結構性病害。

3 隧道病害處治措施

由于隧道病害產生原因的復雜性和巖土工程的不確定性，相同病害可能產生的原因有所不同，在處置方法的選擇上應該充分掌握各種常用方法的技術要點、適用范圍和處置效果，靈活選擇處置方法，相互配合，發揮各類常規處治方法優勢[2]。高家河隧道病害產生的主要原因為地質偏壓，地層壓力過大導致隧道結構性破壞，處治設計主要針對隧道病害的產生原因、受力特點和病害深度進行分段處治。

3.1 重筑隧道仰拱

針對高家河隧道仰拱下部圍巖較破碎、地質條件差，拱腳外張明顯、結構下沉較大，路面隆起、開裂嚴重，路面下存在脫空或不密實的段落，采用重筑隧道仰拱的方式進行處治。待隧道封閉后，采用跳槽法施工。隧道拱腳處打設6 m長Φ89×6 mm注漿管、路面以下打設6 m長Φ50×4 mm注漿小導管至中風化巖層進行注漿加固，注漿達到設計強度70%且注漿完成超過7 d后再進行開挖；開挖前鑿槽做好拱腳臨時支頂措施，開挖后及時施做初支、二襯和拱底回填見圖3。

圖3 重筑隧道仰拱

3.2 重筑二襯

高家河隧道右線K994+371.3—K994413.3段巖層產狀為50°∠31°,圍巖巖層與隧道呈較大傾角。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，路面下部圍巖較破碎、隧道結構下沉明顯，斷面變形大、開裂嚴重，拱腳外張明顯，路面隆起等嚴重病害，經2013年、2015年多次處治，且加設型鋼骨架的鋼筋混凝土平拱后，仍發生嚴重病害。本段二次襯砌為素混凝土、未設置仰拱，開裂變形嚴重，采用重筑二襯+重筑仰拱進行處治。處治措施為按照重筑隧道仰拱的方式做好隧道仰拱，待仰拱施工完成后，鑿除二襯拱部和邊墻混凝土，做鋼筋混凝土二襯，見圖4。

圖4 重筑二襯

3.3 W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土加固

高家河隧道左線ZK994+403.2—ZK994+458.2段，為病害最為嚴重右線K994+371.3—K994413.3的對應段，受山體壓力大、變形開裂較為嚴重，二次襯砌為素混凝土、未設置仰拱，本段采用黏貼W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土的加固措施。處治措施為按照重筑隧道仰拱的方式做好隧道仰拱，待仰拱施工完成后施做W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土。W鋼帶施做流程為鉆孔植埋全螺紋錨栓—配制植筋膠—襯砌表面及鋼帶（鋼板）涂刷膠黏劑—安裝W鋼帶（及縱向鋼板），見圖5。

圖5 W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土加固

3.4 W鋼帶加固

高家河隧道左線ZK994+590.0—ZK994+680段，隧道左側拱肩存在3～5 mm縱向通長裂縫，裂縫基本貫通，同時分布有其他縱、斜、環向裂縫。襯砌為鋼筋混凝土二襯、設置仰拱。本段采用黏貼W鋼帶的加固措施。處治措施：（1）沿襯砌縱向鑿除 6 mm深混凝土、黏貼5道幅寬250 mm縱向鋼板，鋼材厚度6 mm，在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼帶黏結為一體，再采用錨栓進行固定鋼板。錨栓采用M16化學錨固螺栓，植入深度≥16 cm。 （2）在襯砌全斷面黏貼幅寬250 mm W鋼帶，鋼材厚度6 mm，兩環鋼帶縱向中心間距75 cm。在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼帶黏結為一體，再采用錨栓和錨桿進行固定鋼帶。普通錨栓采用M16化學錨固螺栓，植入深度≥16 cm，見圖6。

圖6 W鋼帶加固

4 主要施工方法及技術要求

隧道病害處治工程施工工藝和質量檢查標準，除設計有特殊要求外，必須按《公路工程質量檢驗評定標準》（JTG F80/1—2012）、《公路工程質量檢驗評定標準 第一冊 土建工程》（JTG F80/1）、《公路隧道施工技術規范》（JTG F60—2009）和《公路隧道加固技術規范》（JTG/T 5440—2018）有關規定執行，并從嚴控制。

4.1 隧道重筑仰拱施工

先按施做注漿管，灌注漿液為水泥漿液；注漿參數為水灰比0.8～1.1；注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa，注漿時采用跳孔注漿，并做好封孔。鎖腳鋼管注漿結束后填塞M30水泥砂漿、插入加固鋼筋增強抗剪能力，其余鋼管注漿需設止漿塞。做好拱腳處注漿管與隧道拱腳的銜接，加強其對拱腳的穩固作用。注漿管采用梅花型布設，并與仰拱型鋼焊接。

隧道仰拱開挖后不得積水和長時間暴露，應及時回填并施做仰拱。隧道仰拱部分開挖時，隧道拱腳處須預留1 m以上基巖保證拱腳穩定。仰拱底部開挖完成后，先鑿槽施做拱腳支撐和仰拱型鋼鋼架，待支頂牢固、做好焊接后，方能開挖預留基巖并及時澆筑仰拱初支C40早強混凝土。及時施做仰拱二襯，待仰拱二襯施做完成并達到設計強度70%后進行仰拱回填。

仰拱二襯在拱腳處須振搗密實，并布設Φ42注漿管在仰拱混凝土強度達到70%注漿填充密實。注漿管布設在橫向排水管中間，注漿漿液應采用水泥砂漿，注漿壓力≤0.1 MPa，不得將漿液注入橫向排水管。

4.2 W鋼帶施工

4.2.1 基面的處理

基面應保證平整圓順，平整度＜1.5 mm/m。清除襯砌表面范圍應滿足鋼帶（鋼板）固定范圍。

4.2.2 W鋼帶（縱向鋼板）制作

（1）鋼帶（鋼板）黏結面用噴砂或除銹機打磨直至露出金屬光澤，打磨紋路應與鋼帶（鋼板）受力方向垂直，鋼帶（鋼板）黏結面應有一定的粗糙度；用脫脂棉沾丙酮將鋼帶（鋼板）表面擦拭干凈。 （2）依據現場植埋的錨栓位置、間距，對待固定的鋼帶（鋼板）進行配套打孔。

4.2.3 黏貼W鋼帶（縱向鋼板）工藝流程

鉆孔植埋全螺紋錨栓—配制植筋膠—襯砌表面及鋼帶（鋼板）涂刷膠黏劑—安裝W鋼帶（及縱向鋼板）。

4.3 隧道全斷面加強施工

先施工仰拱部分，仰拱部分施工與增設仰拱施工方式相同，待仰拱完成后對隧道拱部二襯進行加固（即拱部二襯整體換拱）。

二襯宜先拆除拱部后邊墻，每次拆除縱向長度不宜＞2 m，拱部二襯進行整體換拱應滿足襯砌表面平整度要求。二襯鑿除后檢查隧道初支的侵限情況，須保證二襯施做完成的實際最薄處厚度≥35 cm，且范圍不得＞30%，不能滿足時須根據實際情況確定是否鑿除初支來保證二襯厚度。

滿足條件時，打設初支加固錨桿，施做完成并對錨固段處理后，及時鋪設防水板、綁扎二襯鋼筋，模筑二襯混凝土。要求二襯混凝土振搗密實，并對拱頂空腔注漿。二襯鋼筋須與仰拱鋼筋搭接成為一體，并滿足搭接要求。二襯鑿除后，發現初支結構受損嚴重、初支侵限嚴重等情況，需要改造初支時，應根據實際結合初支加固預案進行施工。

5 結語

高家河隧道病害產生的主要原因為地質偏壓，地層壓力過大導致隧道二襯結構發生病害甚至破壞，同時隧道路面下方拱腳圍巖破碎、仰拱存在結構缺陷等原因導致隧道病害加劇。處治設計中，有針對性地對隧道仰拱進行換拱加強，對隧道二次襯砌進行W鋼帶和W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土加固，對于特別嚴重段落采用重筑二襯進行處治，消除了隧道病害根源、增加了結構強度。施工完成后，從隧道表觀和監控量測數據來看，隧道結構基本穩定，原隧道病害得到了較好地處治。