某公路隧道病害機理及整治技術研究

關鍵詞：隧道；病害；斷層；膨脹；數(shù)值模擬

中圖分類號：U457.2 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）14-0068-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.14.013

Research on the Mechanism and Remediation Techniques of Highway Tunnel Defects in Southern Zhejiang

SHI Kejun'SHAO Mingl2 （1.Highwayand Transport Management Centre of Dinghai District，Zhoushan 316ooo，China; 2.Zhejiang Institute of Communications Co.，Ltd.，Hangzhou 31oo51，China）

Abstract： [Purposes] Due to the recurrnt cracks， water leakage and other defects in a highway tunnel structure in recent years，the safe operation of the tunnel has beencompromised.Therefore，it is necessary to investigatethe mechanism behind these defects and develop targeted remediation measures.[Methods] Based on the development status of tunnel defects，the formation mechanism of tunnel defects was analyzed through engineering geological survey，core driling and laboratory test.The mechanism of lining structure defect was investigated using finite element numerical simulation，providing fundamentaldata fordeveloping reinforcement design solutions.[Findings]The results indicate that the tunnel intersects nearly horizontally with afault fracture zone containing expansive rock mas，and the spatial location of this fault fracture zone has been identified.Multiple defects were observed in various sections of the tunnel，resulting from water absorption and expansive deformation of the rock massin the fracture zone.During the the 9-year operational period after the construction， no new defects were detected in the tunnel.[Conclusions] The proposed research methodology and targeted reinforcement design schemes provide valuable references for addressing similardefects in tunnel engineering with expansive surrounding rock.

Keywords ∵ tunnel; defect; fault; expansion;numerical simulation

0 引言

隧道工程受穿越地層地質條件的影響，在施工、運營期間會產(chǎn)生形式各樣的病害。再加上設計方案、施工方案的合理性等多因素影響，其病害發(fā)生機理的差異性較大，尚無統(tǒng)一的評判方法。國內(nèi)針對隧道病害通常采用工程實測結合有限元、離散元軟件等方法進行研究。近年來，相關學者針對隧道病害機理進行了大量研究，鄧少軍等針對某高速公路隧道工程，利用現(xiàn)場情況及數(shù)值模擬手段對基巖遇水軟化導致的病害發(fā)生機理進行了研究，并提出了相應的病害處理技術；陳志明針對石膏質巖的特殊性質對隧道結構的承載特性、腐蝕作用展開研究，并利用數(shù)值模擬手段加以深入探討，最終得到相應的處治思路。李曉俊3針對某工程運營期隧道底板出現(xiàn)的病害機理進行了研究，并提出了具體的處治技術。王志杰等4基于某隧道工程左右兩線，將其進行對比研究，得到多種襯砌結構病害分布規(guī)律，并利用有限元方法進行輔證，取得了較好的效果。

本研究針對某隧道右洞瀝青路面、襯砌結構等病害情況，為查明病害路段斷層破碎帶的相對空間位置及其物理力學性質，在分析前期勘察設計資料的基礎上，對現(xiàn)場工程地質進行調查，并對重點路段進行巖心鉆探和室內(nèi)土工試驗，得出該隧道工程病害發(fā)生機理，并依托有限元受力分析計算佐證并指導處治方案的設計。

1病害情況調查

1.1病害基本情況

2016年5月，高速公路管理單位在日常巡檢中發(fā)現(xiàn)，某隧道右洞病害路段出現(xiàn)規(guī)模較大的縱向裂縫，呈張開狀態(tài)但無錯臺。養(yǎng)護單位對該縱向裂縫做過灌縫處理，但一段時間后裂縫重新開裂。另外，發(fā)現(xiàn)隧道右洞襯砌開裂后，養(yǎng)護單位及時對裂縫數(shù)量及發(fā)展規(guī)模進行了統(tǒng)計調查。襯砌結構發(fā)育裂縫共56條，發(fā)育規(guī)模大小不等。隧道在 和 K-2645+960 處分別出現(xiàn)不同程度的滲漏水情況，位于車行橫通道附近左右，隧道兩側拱腰處。襯砌滲漏整體規(guī)模不大，呈滴水狀，但降雨后滲流明顯增強。

1.2 綜合勘察工作

1.2.1勘察方法。在收集隧道工程前期勘察設計及施工驗收資料的基礎上，初步查明該隧道病害發(fā)生路段存在一個與隧道近平行相交的斷層破碎帶。但前期資料對于破碎帶的具體空間位置及其物理力學性質并沒有詳細說明。鑒于該斷層破碎帶對隧道病害具有直接影響，本次病害治理項目需要開展補充勘察工作，以進一步查明該破碎帶的空間位置，并針對其巖土物理力學性質進行評價。整體方案簡介如下： ① 工程地質調繪。依托追索法和穿越法，對其地形地貌、地層構造、水文地質條件及斷層破碎帶發(fā)育情況進行詳細工程地質調繪。在外業(yè)勘測過程中，發(fā)現(xiàn)了該斷層破碎帶的地表出露點。 ② 鉆探工程。主要在隧道病害段側壁和路面病害處進行鉆探取芯，以查明病害發(fā)育的規(guī)模并精確控制斷層破碎帶的空間位置。其中，共布置隧道側壁水平鉆孔7個，路面鉆孔2個。鉆孔采用XY-1型履帶式鉆機，終孔直徑不小于 75mm ，水平鉆孔以穿越斷層破碎帶，進入中風化凝灰?guī)r為控制深度。 ③ 室內(nèi)試驗。對典型地層巖心進行分段取樣，密封包裝運至當?shù)赝凉嶒炇疫M行室內(nèi)試驗。為查明其物理力學性質，針對性地進行含水量、比重、抗壓強度及膨脹性等試驗。

1.2.2 勘察成果。

① 破碎帶空間位置。由以上綜合勘察結果分析，隧道病害路段的斷層破碎帶以近 300m 的長度與右洞小角度斜交，對隧道的影響范圍較大。在整個病害路段，該斷層破碎帶從隧道右洞左側穿入隧道，在車行橫通道附近隧道右洞右側穿出。

② 破碎帶巖土物理力學性質。斷層破碎帶的巖心較為破碎，為碎塊及短柱狀的泥巖、泥質粉砂巖，主要成分為易水解膨脹的黏土礦物[5]。破碎帶巖體為泥質膠結，整體強度較低，經(jīng)抗壓強度試驗分析為極軟巖。巖心遇水后極易軟化，且體積有較為明顯的增大[6。巖心試樣經(jīng)室內(nèi)土工試驗查明，自由膨脹率為 133.47% ，為膨脹性巖土。

③ 破碎帶水文地質情況。該斷層破碎帶區(qū)域的地下水主要為巖石構造裂隙水，主要由上部地表降水補給，由巖體裂隙向下運移排泄。另外，隧道的開挖使地下水的徑流方向發(fā)生了局部位置變化，造成斷層破碎帶附近地下水聚集。而斷層破碎帶主要為吸水性極強的膨脹性泥巖，吸水后產(chǎn)生較大的膨脹變形，進而產(chǎn)生較大的膨脹力[]。

本次補充勘察成果表明，隧道病害路段與斷層破碎帶的空間分布高度吻合，具體如圖1所示。同時，隧道病害的變形特征與斷層破碎帶的厚度變化也相當吻合。

圖1隧道病害路段斷層破碎帶的平面分布位置

2 病害機理分析

2.1病害整體性分析

結合隧道病害區(qū)域地質條件及設計、施工情況，初步判斷該斷層破碎帶對隧道主要產(chǎn)生以下兩種類型的應力：一是卸荷變形。隧道開挖導致斷層破碎帶暴露，卸除荷載使得破碎帶巖體體積增大，從而產(chǎn)生一定的位移變形。因此，作用在結構上的壓力也隨著該位移變形受到支護結構的限制后不斷累積。但是，這種卸荷變形在一定程度上會達到一個平衡狀態(tài)，對隧道結構的影響程度較小。二是遇水膨脹。斷層破碎帶的巖土體主要物理力學特性為吸水膨脹。在隧道施工前，地下水從上部凝灰?guī)r裂隙運移到破碎帶頂板。但是破碎帶受制于頂部和底部的凝灰?guī)r，不能產(chǎn)生有效的膨脹變形。然而，隧道施工使破碎帶長期與地下水接觸，不斷滲流吸水產(chǎn)生較大的膨脹變形[8]。破碎帶巖體吸水膨脹引起的內(nèi)力釋放，經(jīng)過長期不斷累積最終造成結構變形破壞。

2.2 病害針對性分析

2.2.1路面裂縫病害機理分析。隧道右洞路面縱向裂縫發(fā)生病害路段處，斷層破碎帶在空間位置上位于路面開裂路段左下方。隧道施工后，該區(qū)域的地下水積聚滯留，導致斷層破碎帶巖體不斷發(fā)生吸水膨脹。最終，由于路面結構抗拉彎矩過大，造成路面出現(xiàn)裂縫，基本上呈下窄上寬形態(tài)[9]。

2.2.2右洞左側病害機理分析。隧道右洞左側襯砌結構發(fā)生病害路段處，斷層破碎帶頂板位于左側病害路段左側。隧道右洞的左側在施工開挖后，凝灰?guī)r和襯砌結構形成了易滯留水的凹形區(qū)。隧道左側襯砌發(fā)生的病害就是斷層破碎帶巖體膨脹變形產(chǎn)生側向擠壓導致的。

2.2.3 右洞右側病害機理分析。隧道右洞右側襯砌結構發(fā)生病害路段處，斷層破碎帶頂板位于右側病害路段右側?？⒐を炇召Y料調查顯示，該路段隧道拱頂在施工過程中局部曾發(fā)生塌落，導致拱頂超挖。待隧道到運營期后，上部凝灰?guī)r裂隙下滲的地下水大部分轉移到隧道右側，最終導致該路段出現(xiàn)結構變形破壞和滲漏水并發(fā)病害。

綜合隧道病害路段與斷層破碎帶的空間關系及病害情況分析，斷層破碎帶巖體受隧道施工影響，導致其與地下水接觸面積變大，遇水膨脹后擠壓隧道結構導致了隧道的多種病害并發(fā)[10]

3治理方案研究

3.1 力學分析

3.1.1結構受力計算。根據(jù)勘察報告相關物理力學參數(shù)，該計算過程中膨脹力取 70kPa 。受力情況及綜合安全系數(shù)計算結果見表1。另外，在典型的橫斷面圖上，加載如圖2所示的膨脹力。襯砌結構受力變形分布及彎矩分布計算結果分別如圖3和圖4所示。

表1典型截面二次襯砌計算結果

以上計算結果表明，隧道二次襯砌結構主要由拉、壓兩種應力控制，二次襯砌結構計算得出的最危險的截面在隧道左側拱腰位置。同時，計算斷面中其他部位也不符合相關規(guī)范要求。為加強襯砌結構強度，需要在素混凝土結構層增加配筋

圖2膨脹力加載分布

圖3襯砌結構變形分布

圖4襯砌結構彎矩分布

3.1.2配筋方案受力計算。在圍巖壓力和膨脹力的作用下，原有結構的綜合安全系數(shù)計算結果不能滿足規(guī)范要求，因此，配筋計算是很有必要的。在多種配筋方案情況下，對結構壓彎結果進行再次驗算，結果見表2，基本符合《混凝土結構設計規(guī)范》。本次計算各項參數(shù)如下：斷面厚度為350mm ，寬度取 1000mm ，防護層厚度為 50mm 。二次襯砌結構使用C35混凝土和HRB400鋼筋

表2配筋計算結果

3.2 設計方案

由實際病害情況和計算結果可以看出，該病害段原有 35cm 素混凝土的二次襯砌結構對隧道局部因膨脹性巖土造成的壓力抵抗能力不足。因此，二次襯砌重新施作鋼筋混凝土的加強設計方案，在本治理工程很有必要。另外，考慮到通車的限高需要，隧道建筑限界仍按原隧道設計，二襯結構厚度不做改變。因此，需要根據(jù)具體空間情況，分別鑿除部分二襯結構。配筋方案最終采用環(huán)向 Φ20mm 精軋螺紋鋼，環(huán)向間距為 10cm ，縱向Φ12mm 精軋螺紋鋼，縱向間距為 25cm 。二襯完全鑿除后，采用鋼拱架支護局部初支破碎的位置。

3.3 施工效果

該隧道病害治理工程施工時，揭露了結構層內(nèi)部的病害情況，與病害機理分析基本吻合。施工通車至今已有 9a ，該治理路段路面及襯砌結構運營情況良好。

4結論

通過以上研究分析，可以得出以下結論。 ① 馬嶺頭隧道的右洞多種并發(fā)病害主要是由斷層破碎帶遇水膨脹后內(nèi)力釋放造成的； ② 隧道選線要對地層、構造、不良地質體及特殊性巖土等進行深入的調查研究，依照規(guī)范盡量與斷層等不良地質體大角度相交通過； ③ 對運營隧道的病害研究，要徹底查明隧道穿越地層的地質條件、工程地質條件、水文地質條件等，根據(jù)實際情況選用多種綜合勘察方法； ④ 本研究針對某公路隧道右洞的多種病害情況，在二襯結構整體加固的基礎上，合理采用隔離導水、巖土卸壓等解決膨脹變形發(fā)生的方案，可以從根本上解決膨脹變形問題。研究成果對膨脹性圍巖隧道工程相似病害的分析及治理具有一定的借鑒意義。

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