梁家湾隧道病害分析及治理

刘蓉 张林

1 工程概况

1.1 地形地貌

隧道区属红层深丘地貌区，地形切割较大，斜坡呈阶状，隧道走向800左右。进洞口段斜坡坡向245°，坡角20°～45°;出洞口段斜坡坡向近东，坡角15°～40°。

1.2 地质构造

隧道区位于丰都向斜南西翼近轴部，岩层产状65°∠5°。主要发育有3组高倾角裂隙:延伸长3 m～8 m，间距2 m～5 m，具有随深度增加而减少的特征。

1.3 水文地质条件

隧道区地质构造简单，地下水受地质构造、地层岩性控制。隧道区为红层深丘地貌，切割较深，泥岩是场地主要基岩，为相对隔水层，地下水贫乏。

1.4 隧道支护结构

采用三心圆等截面拱，洞身围岩级别有Ⅳ，Ⅴ两类。

2 病害现状及原因分析

2.1 隧道病害状况

2.1.1 衬砌开裂变形

从对梁家湾隧道病害的雷达检测报告和现场踏勘情况看，隧道衬砌存在不同程度的开裂、掉块现象，其开裂变形可分为以下几种情况:

1)K1+181 m，K1+191 m拱顶掉块;2)隧道K1+100～K1+250段二衬拱顶混凝土出现环形、纵横交叉等不规则裂缝;3)衬砌混凝土质量较差，混凝土标号和抗渗标号未完全达到要求。

从勘察报告对隧道开裂情况统计看，梁家湾隧道累计裂缝长度为673.7 m，其中缝宽大于3 mm的裂缝达56%，梁家湾隧道累计裂缝长度为127 m，其中缝宽大于3 mm的裂缝为18%;而隧道进口端开裂比隧道出口端更严重。

2.1.2 拱部背后存在较多不密实区

其中拱顶不密实区34个，延伸长度169 m;左拱肩不密实区25个，延伸长度349 m;右拱肩不密实区22个，延伸长度119 m。

2.1.3 拱部背后存在空洞

其中拱顶存空洞8个，延伸长度37 m;左拱肩发现脱空区1个，延伸长度2 m;右拱肩发现脱空区2个，延伸长度6 m。空洞类型主要是二衬与初衬之间脱空。

2.2 渗漏水状况

隧道多个段落均有渗漏水，现场调查情况可将渗漏水分为以下几种情况:

1)隧道裂缝渗漏水:主要在拱部裂缝、边墙亦有;雨后渗漏更严重;局部裂缝处有小股水涌出，水压很小。2)衬砌施工缝和变形缝渗水:雨后渗漏量明显增大，水压很小。3)拱、墙局部成片渗水，雨季伴有滴水;渗漏水较严重的地段主要分布在隧道南端以及隧道进出口明洞与暗洞结合地段。

总体上看，隧道病害具有以下4个特点:1)隧道裂缝大多出现在隧道拱部;2)隧道衬砌厚度不足多发生在拱顶部位，左拱肩衬砌平均厚度比右拱更薄;3)隧道空洞和不密实区大都在隧道拱部;4)同一座隧道来说，隧道进口端开裂比隧道出口端更严重。

2.3 隧道病害原因分析

1)由于隧道只运营不到两年就发生开裂病害，说明该隧道初期支护施工未完全做到位。雷达检测也表明，在衬砌背后有相当数量的空隙或空洞;施工又未作回填灌浆。

2)混凝土的配合比不尽合理、施工时振捣不充分、随时间推移，结构承载力逐渐下降，衬砌材质的劣化，隧道病害愈来愈多。

3)隧道洞身中多个段落发生渗漏，裂缝和施工缝都有不同程度的漏水;表明隧道防水板施工质量和焊缝施工质量未达到设计要求。施工缝的处理也不满足设计要求施作质量，这其中有部分原因是由于施工工艺变化造成的，原设计要求采用全断面模板台车进行衬砌，故只设有环向止水带;而实际施工时是采用小模板施工，而采用小模板施工除了必须设置环向止水带外，还必须设置纵向止水带。

3 病害整治方法

3.1 隧道衬砌开裂的治理

图1 W钢带＋锚杆复合加固拱示意图

从雷达监测报告和隧道现场调查的结果看，隧道的开裂和材料劣化的病害主要出现在隧道拱部;衬砌开裂治理以隧道拱部为重点，对边墙上对结构安全有影响的纵向和斜向裂缝也应一并治理;具体采用以下措施:

1)采用钢拱架或高强W钢带+注浆锚杆加固旧衬砌结构，其作用有二:a.高强W钢带+组合注浆锚杆与旧衬砌形成钢—混凝土“组合空间支撑拱”以恢复和加强现有劣化混凝土衬砌结构的承载能力;W钢带+锚杆复合加固拱如图1所示。b.保证工程整治期间的行车、行人安全以及施工工作人员的安全。

2)通过注浆锚杆对衬砌背后空洞和松动区域注浆，提高围岩自身稳定性，减小围岩松弛压力对衬砌结构的影响;同时填塞地下水渗透通道，大大消除地下水渗透对隧道带来的各种病害。

3)衬砌裂缝的嵌补，恢复旧衬砌的整体性和承载力;根据衬砌开裂的不同情况，结合隧道裂缝的嵌补一同进行。

3.2 隧道渗漏水裂缝的治理

隧道的渗漏治理，以隧道拱部渗漏为重点，根据渗漏不同情况，采用排堵结合综合整治的措施:

1)拱部大面积渗水段的处理。对隧道衬砌拱部及边墙雨季产生大面积渗水地段，将结合衬砌背后充填注浆一起进行;主要采用钻孔注浆堵水的办法处理;为保证注浆堵水的质量，在注浆堵水前先在衬砌边墙脚两侧打泄水孔，以降低衬砌背后水位和水压，泄水孔完成后即可进行钻孔注浆;注浆顺序先从渗水段两端以外10 m的无水部位开始，由两边逐渐向中间推进。采用组合注浆锚杆，锚杆采用梅花形布置。拱部衬砌背后注浆，以充填衬砌背后空洞和堵塞地下水的通道。

洞内注浆堵水施工完毕后，应对衬砌边墙脚两侧的泄水孔清扫一遍，以便将侧墙背后少量的裂隙水引排至侧沟。

2)对于雨季渗水、漏水和滴水严重的裂缝和施工缝采取凿槽埋管法引排水流。

凿槽埋管法引排采用下述方法:沿渗漏水缝隙凿出楔形沟槽，深10 cm～12 cm，口宽约10 cm，沟槽与隧道内侧沟连通，以利排水，将凿好的沟槽冲洗干净，用φ50 cm～φ100 cm的半圆硬塑管紧贴槽底并用水泥钉固定作暗槽排水用。然后用防水油膏将半圆管压紧固定，防水油膏超出半圆管1 cm，并抹平，再用塑胶泥2 cm，最后用2 cm快凝水泥砂浆封堵;或采用在半圆管背填塞双快水泥3 cm，干后刷一层净砂浆，抹第二层氯化铁防水砂浆，抹平，24 h后，涂一层聚氨酯防水涂膜材料。

3)凿槽埋管注浆堵水。对于少量裂隙或施工缝处的漏水点，可直接对准出水点凿槽埋管注浆堵水。用直观法、毛刷法、干灰法找准漏水点，在衬砌混凝土内凿U形槽。埋深10 cm，槽宽5 cm，凿槽后用高压水冲洗槽壁，除去浮尘或污物。然后对准漏水点埋设φ8 mm～φ12 mm注浆管，为防止跑浆，注浆管周围用塑胶泥牢固封严，但不能堵住注浆孔眼。待胶泥凝固后方可注浆，注浆材料为水溶性聚氨酯浆液，注浆泵采用手压泵或压浆泵，注浆压力为0.5 MPa～0.6 MPa，浆液凝结时间 3 min ～5 min，注浆压力达到设计终压后稳定10 min，注浆孔不进浆或少进浆即可结束注浆，停泵后立即封堵孔口阀门，拆卸和清洗管路，待浆液凝固后对不易拆卸的注浆管用气焊割掉，然后用塑胶泥封堵，如果注浆时浆液串流太远，应间歇注浆。

4)在旧衬砌拱部表面均匀涂刷水泥基渗透结晶防水材料。

5)套拱加固处理。根据隧道衬砌各段开裂、衬砌混凝土劣化的不同情况，分别采用钢筋混凝土套拱、组合钢网套拱、素混凝土套拱使之与“组合空间支撑拱”组成复合衬砌，以全面隧道衬砌结构承载力并完全达到结构使用安全要求。套拱混凝土抗渗标号应不低于S10。

4 施工步骤数值模拟分析

为了检验方案的安全性和可行性，采用了ADINA建立二维数值模型(见图2)，在计算中假设注浆的作用通过提高拱部注浆范围内岩土的物理力学参数予以体现。

图2 隧道二维计算模型

4.1 模拟参数的选取

围岩体材料选用Mohr-Coulomb塑性材料模型。依据岩体力学试验成果及结合野外地质调查结果，对工程地下通道区岩土力学参数进行了综合取值(见表1)。

表1 模拟计算基本参数表

4.2 计算成果分析

4.2.1 整治隧道前计算成果分析

计算表明，梁家湾隧道在使用了若干年后出现了不同程度的破坏，此时的最大主应力为2.08 MPa，出现在隧道的边墙底部，最大剪应力为2.05 MPa，出现在隧道边墙底部。

4.2.2 整治隧道中计算成果分析

拱脚凿槽形成套拱支座，使得隧道拱脚和边墙上部承载力局部下降。由计算结果可知，梁家湾隧道拱脚凿槽后的最大主应力为2.11 MPa，与凿槽前没什么变化，只是槽的局部略变大了点。最大剪应力为2.06 MPa，出现在凿槽前同样的位置。

4.2.3 整治隧道后计算成果分析

随后用锚杆和W钢带对隧道拱部锚固，并对衬砌背后空隙进行低压压浆充填。隧道整体承载力明显上升。由计算结果可知，梁家湾隧道经过整治后最大主应力降为0.87 MPa，最大剪应力降为 0.89 MPa。

5 结语

梁家湾隧道按本文所述方案实施后，进展顺利;工程于2007年顺利完工，实践证明该隧道的整治方案是成功的，达到了安全、合理、经济的预期目标。通过对该项目的整治得到以下认识:

1)影响已建成的隧道产生病害的因素是多方面的，其主要原因是当时的施工过于粗糙，以及地质及环境因素的影响。2)整治这种类型的隧道主要用的方法有高强W钢带+注浆锚杆、裂缝嵌补以及锚杆加固岩体。3)由于整治隧道麻烦，容易使隧道越整治越差以及在整治过程中出现应力和位移过大，最终引起安全问题，建议在整治隧道前尽量做到工程类比和有限元计算模拟相结合。4)从有限元计算模拟分析可以看出在隧道整治中特别是戳槽的时候将会引起隧道的最大主应力以及最大剪应力将进一步增加，但增加不大。5)从有限元计算模拟看出该整治方案是成功的，梁家湾隧道的最大主应力经整治后降低了58%，最大剪应力经整治后降低了57%，这使得该隧道整治后的安全系数得到了大大的提高。并且梁家湾隧道按本文所述方案实施后，进展顺利;工程于2007年顺利完工，实践证明从现实结果可以看出该隧道的整治方案是成功的。

[1]朱汉华，尚岳全.公路隧道设计与施工新法[M].北京:人民交通出版社，2002:11-18.

[2]杨新安，黄宏伟.隧道病害与防治[M].上海:同济大学出版社，2003.

[3]JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S].

[4]蔺书钿.岩溶隧洞常见灾害及处理措施[J].山西建筑，2010，36(25):300-301.