緩傾巖層隧道襯砌掉塊病害分析及處治研究

吳銘芳

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

分析高速公路隧道運營現狀，發現既有高速公路隧道的病害主要表現為滲漏水、襯砌裂損、仰拱開裂隆起等[1-3]。其中，掉塊病害發生概率較低，但一旦發生，往往會造成嚴重的安全事故，并影響隧道結構穩定和正常運營。究其原因，襯砌掉塊通常為厚度不足、襯砌裂縫、混凝土劣化、水壓力突然增大、襯砌背后空洞落石沖擊荷載等所致[4-5]。目前學者對隧道襯砌欠厚掉塊進行了大量研究。張良山[6]以某隧道襯砌背后空洞上方落石為研究對象，重點分析了該隧道襯砌背后空洞上方落石對襯砌結構的破壞機理，提出了預制拼裝波紋板的整治技術。劉海京等[7]以西南某高速公路隧道因防水板原因導致二襯厚度不足最終發生掉塊病害為研究對象，結合公路運營壓力及工期要求，提出了錨網噴+鍍鋅鋼帶的快速處治措施。陳望祺等[8]以某隧道襯砌混凝土起層剝落為背景，提出使用波紋鋼板套襯的襯砌加固方法。上述研究內容多是針對外力因素導致襯砌掉塊這一病害提出的加固處治方案，而對緩傾巖層隧道，結合自身圍巖地質特點及施工變更情況，分析襯砌欠厚、掉塊的原因，從而提出針對性處治方案的研究較少。鑒于不同隧道圍巖巖性、巖體結構等邊界條件的差異性，其欠厚掉塊病害處治方案應因地制宜。

本文針對緩傾巖層隧道襯砌欠厚、掉塊這一病害，以某隧道為工程背景，結合檢測結果及竣工資料研究不同的處治方案，進行對比分析，提出推薦方案。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某雙向四車道高速公路分離式中隧道，設計車速80 km/h。左幅隧道起訖樁號為ZK18+893-ZK19+742，長849 m，右幅隧道起訖樁號YK18+920-YK19+750，長830 m，最大埋深約103 m。隧道區下伏基巖為二疊系上統龍潭組(P2l)泥質粉砂巖、泥巖及砂巖。巖層傾向南東，呈單斜產出，傾向155°～175°，傾角9°～14°，綜合產狀165°∠10°。巖石節理裂隙較發育。隧址區水文地質條件較簡單，地下水不發育。

隧道采用復合式襯砌，施工圖設計以系統錨桿(或注漿鋼花管)、鋼筋網、噴射混凝土、工字型鋼拱架或格柵拱架作為初期支護，并根據不同圍巖級別輔以大管棚、超前小導管等超前支護措施，二次襯砌采用C35模筑混凝土或鋼筋混凝土，在初期支護與二次襯砌之間敷設1.5 mm厚防水板及350 g/m2無紡土工布作為防水層。隧道于2011年開工建設，2013年9月建成通車運營。

2020年12月在進行定檢過程中，發現左幅隧道出現2處襯砌剝落掉塊，所幸當時隧道由于封閉檢測，未造成安全事故，隨后即對隧道進行了專項檢測。

1.2 隧道專項檢測情況

本次主要針對襯砌厚度進行專項檢測。左幅隧道布置13條測線共分析10 780個二次襯砌厚度測點，1.82%的檢查點厚度<1/2設計厚度。

右幅隧道布置13條測線共分析10 562個二次襯砌厚度測點，3.55%的檢查點厚度<1/2設計厚度。

根據本次隧道專項檢測結果及現場調查，左幅隧道主要表觀病害為2處襯砌剝落掉塊(ZK19+202-ZK19+200拱頂、ZK19+302-ZK19+301左拱腰，剝落掉塊面積分別為1.0、1.45 m2)。ZK19+202處掉塊情況見圖1，ZK19+301處掉塊情況見圖2。

圖1 ZK19+202處拱頂掉塊現場照片

圖2 ZK19+301處左拱腰掉塊現場照片

ZK19+202-ZK19+200處掉塊發生在拱頂位置，并伴有縱向裂縫，防水板外露，掉塊面積約1 m2，襯砌最薄處僅2 cm。

ZK19+302-ZK19+301處掉塊發生在左拱肩靠近拱頂區域，防水板外露，掉塊面積約1.4 m2，襯砌最薄處僅4 cm。

隧道掉塊具體位置、地質條件、巖層產狀，以及施工情況等相關信息見圖3。

圖3 左幅隧道地質縱斷面圖

2 剝落掉塊原因分析

隧道原施工圖設計及竣工資料顯示，隧道圍巖為二疊系上統龍潭組粉砂質泥巖、砂巖，產狀平緩，近水平層。這是一套軟硬不均的復合地層，砂巖強度高、脆性好、延展性較低，而泥巖強度低、延展性和壓縮性較大，加之產狀平緩，隧道開挖破壞范圍主要集中在拱頂部位[9-10]，施工過程中的沉降、變形控制與支護參數、工法及二襯跟進有很大關系。部分段落在施工過程中發生了拱部初支變形較大的情況，并進行了變更設計。ZK19+202掉塊處所在區段就曾因變形大，在ZK19+137-ZK19+215段78 m范圍增設了I18型鋼拱架臨時護拱。

結合竣工資料、本次專項檢測結果及現場情況分析，掉塊原因主要有：

1) 隧道圍巖為二疊系上統龍潭組粉砂質泥巖、砂巖，產狀平緩，近水平層，部分段落在施工過程中發生了拱部初支變形較大的情況。ZK19+202處應為施工過程中變更段設置臨時護拱未拆除，ZK19+301處應為存在欠挖或初支變形侵限等原因導致二次襯砌厚度嚴重不足。

2) 拱頂混凝土骨料較少，強度偏低，二次襯砌施工存在質量缺陷。

3) 二次襯砌存在嚴重欠厚質量缺陷，薄弱部位受混凝土收縮、溫度變化等作用產生裂縫，結構耐久性降低，目前隧道已運營8年多，在重力作用、長期過往車輛振動及環境等作用下發生剝落掉塊。

3 隧道病害處治

3.1 處治方案研究比選

結合隧道病害現狀、專項檢測報告、竣工資料及病害原因分析，本次主要針對襯砌剝落掉塊區段及拱部襯砌嚴重欠厚(襯砌厚度<1/2設計厚度，即D

因既有結構為單層初支，在襯砌厚度嚴重不足的情況，多數襯砌厚度僅為15～20 cm，局部甚至不到5 cm，而背后未顯示有空洞，表明多為欠挖或初支侵限嚴重，故首先考慮對拱部欠厚嚴重的段落進行初支及二襯結構整體拆換，即方案一。但考慮到整體拆換工序復雜、工期長，故在方案一的基礎上進行優化，提出了鑿除欠厚二襯及初支噴射混凝土部分，再重新施做30 cm厚的鋼筋混凝土二襯，即方案二。

因既有結構為雙層初支，在襯砌厚度嚴重不足的情況，結構自身穩定性基本不存在問題，故考慮盡量減少對既有結構的擾動，在襯砌表面增設鋼板，并通過設置錨桿錨固鋼板，以期達到預防掉塊的目的，即方案三。考慮到鋼板耐久性問題，又提出了鑿除欠厚二襯，并充分利用隧道凈空富余，設置格柵拱架，進行錨網噴的方式重構噴射混凝土二襯，即方案四。具體處治措施見表1。

表1 處治措施表

結合隧道水文地質環境特點及原施工情況，對4個方案優缺點進行對比分析，結果見表2。

表2 掉塊及嚴重欠厚段處治方案比選表

3.2 處治方案采用

結合上述分析比選，最終根據隧道既有初支情況，采用處治措施為方案一和方案四。

3.2.1針對既有結構為單層初支

襯砌剝落掉塊及拱部襯砌嚴重欠厚(D

圖4 結構拆換示意圖

1) 主要技術參數。系統錨桿采用直徑×壁厚=2 mm×4 mm鋼花管，單根長4.5 m，間距100 cm×100 cm，梅花形布置；鋼筋網采用直徑8 mm鋼筋網，間距20 cm×20 cm；鋼架為I18型鋼拱架，間距80 cm；二襯采用40 cm厚噴射C30鋼筋混凝土。

2) 主要施工流程。對隧道電纜橋架及燈具等附屬設施進行改移保護→設置I18鋼架作為臨時支撐→采用直徑×壁厚=42 mm×4 mm環向注漿鋼花管進行圍巖預加固→拆除既有二襯及初支→重新施作初期支護→施作防水板→噴射40 cm厚C30鋼筋混凝土二襯→復測襯砌內輪廓→表面噴涂混凝土面漆→恢復檢修道電纜槽及路側邊溝，圖5為現場施工情況。

3.2.2針對既有結構為雙層初支

襯砌剝落掉塊及拱部襯砌嚴重欠厚(D

圖5 現場施工情況

圖6 格柵拱架錨網噴示意圖

1) 主要技術參數。圍巖預加固采用25型低預應力錨桿，單根長4.5 m，間距100 cm×100 cm，梅花形布置；鋼拱架采用120四肢格柵拱架，縱向間距1 m，設置于既有初支鋼架之間；鋼筋網采用直徑8 mm鋼筋網，間距20 cm×20 cm；噴射C30纖維混凝土。

2) 主要施工流程。對隧道電纜橋架及燈具等附屬設施進行改移保護→施做25型低預應力錨桿→拆除既有二襯混凝土和防水層→施設錨桿的錨墊板并用扭力扳手擰緊螺母和施加預應力→核實格柵拱架安裝空間→噴涂防水材料→初噴混凝土架立格柵鋼架并設鋼花管鎖腳→格柵鋼架外側鋪設鋼筋網→錨桿外露端用套筒彎曲呈L形后勾住附近鋼筋網并與之焊接牢固→噴射混凝土至設計輪廓→復測襯砌內輪廓→表面噴涂混凝土面漆，圖7為現場完成情況。

圖7 現場完成情況

目前，該隧道襯砌掉塊及欠厚缺陷處治已全部結束，通過對施工期間及近段運營期間的觀測情況來看，治理效果良好，且最大限度地保證了該高速公路的正常行車，未發生一起行車安全事故，達到了預期的效果。

4 結語

本文結合隧道專項檢測、水文地質情況、原設計、施工資料，詳細分析了隧道欠厚掉塊產生的原因，并根據不同段落的既有情況針對性給出了掉塊、欠厚嚴重缺陷的處治方案，在保證結構穩定的基礎上盡量減少對既有結構的破壞及擾動。同時提出，針對緩傾巖層隧道，施工過程中應嚴格滿足設計支護參數要求，特別重視超前支護及系統錨桿的作用，針對性地加強拱部支護，二襯及時跟進，控制好沉降變形，從源頭上避免因沉降、變形原因導致初支侵限凈空不足，產生襯砌欠厚掉塊病害隱患。