公路隧道检测方法与综合安全评价

2011-10-26任庆东张波

中国科技信息 2011年9期

关键词：洞身断面围岩

任庆东张波

1，北京中交桥宇科技有限公司，北京 100176；2，北京工业大学建筑工程学院，北京 100022

公路隧道检测方法与综合安全评价

任庆东1张波2

1，北京中交桥宇科技有限公司，北京 100176；2，北京工业大学建筑工程学院，北京 100022

通过对隧道在停工期间衬砌缺陷、断面内轮廓、衬砌厚度及壁后不密实带的检测，并结合FLAC数值模拟，对该隧道进行了安全性评价。结果表明，隧道已完成的初期支护基本满足稳定性要求，但仍然存在一些缺陷，如渗漏水、衬砌背后不密实以及存在应力集中带和受力不均匀区域，这些对停工期间的隧道安全都一定程度的影响。在上述检测和分析的基础上，对隧道停工期间的维护管理提出了建议。

安全评估；数值模拟；检测

1 工程概况

1.1 隧道技术标准

北京某检测的隧道全长713m。隧道建筑限界：净宽9.0m（0.75m+0.25m+3.50 ×2m+0.25m+0.75m），限高5.0 m。场地地形起伏比较大，周围无明显河流、无地下水，隧道内可能有溶洞及瓦斯，该隧道为公路中隧道。检测前已完成上台阶开挖支护至K6+800（累计160m）；完成下台阶仰拱累计142m。

1.2 隧道工程地质条件情况

隧道围岩分级中，Ⅳ级围岩总长498m,占隧道总长的69.8%；Ⅴ级围岩总长215m，占隧道总长的30.2%。

隧道进口段（K6+640～K6+705）与地形近于直交，无偏压荷载，围岩级别为Ⅴ级，洞身及洞身以上2倍洞径范围内的岩性主要为可塑～硬塑亚黏土、强风化灰岩和中等风化灰岩，岩体风化破碎，裂隙发育，开挖后易坍塌，稳定性差。

隧道洞身（K6+705～K7+203）围岩级别为Ⅳ级，洞身及洞身以上2倍洞径范围内的岩性主要为微风化灰岩，节理裂隙发育，开挖后支护不当易坍塌、冒顶，稳定性较差。

隧道出口段（K7+203～K7+353）与地形近于直交，无偏压荷载，围岩级别为Ⅴ级，洞身及洞身以上2倍洞径范围内的岩性主要为可塑～硬塑亚黏土、强风化灰岩或砂岩、强风化页岩。岩体风化破碎，裂隙发育，开挖后易坍塌，稳定性差。

2 隧道检测

2.1 检测项目和方法

（1）衬砌缺陷和渗漏水检查

检查采用步行方式，配备必要的检查工具或设备，进行目测或量测检查。主要采用目测配合钢卷尺、皮尺和宽度观测仪等量测设备，对洞口、衬砌等进行外观检查，包含衬砌裂缝形态和分布、混凝土外观缺陷、渗漏水分布及程度等。

（2）隧道断面内轮廓检查

使用瑞士徕卡TPS1200隧道断面仪，断面检测根据现场的实际情况，每20m测量一个断面，对于病害严重部位酌情加密，通过对已完成二衬和初衬部分隧道断面进行量测，判定其是否满足设计断面轮廓要求。

（3）衬砌厚度、空洞及不密实带检查

采用瑞典MALA 公司生产的RAMAC 型地质雷达，根据场地的具体情况以及隧道各部分在结构受力方面的重要性，原则上在每个隧道应分别在拱顶及左右拱腰各布置一条测线，但由于检测施工条件的限制，在隧道桩号K6+790～K6+798布置了拱顶及左右拱腰测线，并在已建成部分全长范围左右边墙布置长测线。同时在测线上选取典型位置钻孔取样，并对钻孔取芯衬砌厚度与设计衬砌厚度以及用雷达分析的厚度进行对比，分析实际衬砌厚度是否满足设计和稳定性要求，同时检测初衬壁后空洞与密实状态。

2.2 检测结果及分析

（1）衬砌外观检查结果及分析

通过检查，在已做好的初期支护中，存在2处渗水，分别位于K6+640整个拱圈内和K6+658左拱腰至左墙脚范围内，且渗水面积均大于5m2,并且整个洞身存在喷浆不均匀现象。原因在于隧道开挖中产生松弛地压，围岩不能承受自重，而作为荷载作用在衬砌上，当承载力不足时在局部有张开性开裂趋势，并且由于施工的不合理超挖，衬砌背后产生空洞，空洞不仅使围岩松弛程度和地压增加，也阻碍了被动土压力的产生，由此导致了局部漏水现象。由于本隧道的排水系统还不完整，地下水位会上升产生水压使围岩和衬砌劣化。

（2）断面内轮廓检查结果分析

根据本次检测的断面情况，发现黎园岭隧道断面拱顶部位普遍超挖，其具体情况如表1，其中最小为44.9cm，最大可达68.2cm。判断为施工安装钢拱架的需要及喷浆不足所致。边墙断面基本上没有较大的侵限和变形，其他各点基本都能与设计断面吻合。

（3）衬砌背后检测结果分析

经过对雷达数据进行处理和分析，隧道的检测结果如下：初衬厚度相对比较均匀，厚度一般在22～23cm之间，且右测线的初衬厚度比左测线的厚度大，左腰线上K6+778～掌子面，初衬厚度相对较小，一般在19～21cm之间。在桩号K6+795～K6+798范围拱顶深度范围0.7～1.0m内出现30cm宽的松动带。结果显示，衬砌背后松动带与漏水处位置基本吻合，松动或空洞上部的岩体可能与围岩分离而掉落，因此会对衬砌产生冲击，在衬砌强度不足时，尤其是在二衬尚未施做时，会导致开裂甚至突然崩塌。

综上所述，该隧道所检测的缺陷主要由于围岩级别较低、施工超挖和结构不完全所致。从隧道的渗漏水、轮廓检测和衬砌背后空洞不密实带情况上看，该已建隧道情况基本良好，短期内不会影响隧道的整体稳定性，但是对其存在的局部漏水、喷浆不均和背后不密实现象应及时处理，防止外因和内因组合，造成综合型破坏，以保证停工期间的安全和完成工后隧道运营期间的长期稳定。

3 隧道受力变形数值模拟分析

表1 断面内轮廓检测结果

本文计算采FLAC2D软件对已建成隧道部分进行模拟，然后根据《公路隧道设计规范》进行结构承载能力进行复核。在不同围岩条件和支护结构条件下，分别对隧道结构未完全建成时进行位移分析和稳定性评价。

3.1 模型建立

模型建立时对实际情况进行了部分简化，根据巷道开挖的影响范围一般是5D（D是巷道跨度或巷道直径）。这里巷道跨度大约为76m，巷道开挖的影响范围是38m。因此模型的上方取至山顶，左右方各取38m，下方12m，模型尺寸为宽×高=76m×70m。模型边界采用齐次边界条件，上部边界取为自由面，下部边界取为固定边界，左右边界岩体沿着X方向的位移被约束。工型钢支架采用梁单元模拟，混凝土喷层采用liner单元模拟。

3.2 基本假定和相关参数选取

采用地层-结构模型，按照平面应变问题处理，以下假定：

(1) 对岩层材料采用理想弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则，大应变变形模式，结构材料均采用线弹性本构模型；

(2) 根据地质资料，假定地表面和各土层均呈匀质水平层状分布；

(3) 不考虑岩体的构造应力场，只考虑自重应力场；

(4) 钢架各节点均为刚性节点，不考虑支架的节间搭接部分；

(5) 围岩应力采用两次进行释放，根据工程类比与理论估算，第一次释放率设为20%。

围岩和单元结构参数如表2、表3所示：

表2 岩体参数取值

表3 支护材料参数取值

3.3 计算结果分析

在围岩应力分析中采用全断面一次性开挖，通过对已支护结构和围岩的相互作用分析，得出Ⅳ级围岩中的应力云图、位移云图和塑性区图如图1～6所示。从围岩应力云图可以看出，在隧道目前施工完成的结构中，两腰应力集中，最大为3.0 e6Pa；从位移云图中看出，顶板为7.5m m，底板为7.5mm。底板位移之所以比顶板大是因为本隧道支护为钢架全封闭支护，上部应力通过钢架传到底部，大部分由钢架底部承担，如不加以控制很容易造成底板低鼓，这恰与设计中底板填145mm混凝土控制底板变形片石相符。顶板没有出现塑性区，两腰处塑性区为8.00m，底板不存在塑性区。

由工型钢支架和混凝土喷层弯矩和轴力云图看出，最大值出现在曲墙墙脚处最大值分别为34.83KN.m和1004KN，得出安全系数分别为1.4和1.7。

综上所述：隧道虽未完成全部支护，但目前已建成的初期支护可以满足隧道的稳定性要求。

本文对Ⅴ级围岩和隧道洞口部分也进行了模拟，其支护结构的安全系数均＞1.4，满足稳定性要求。