隧道工程衬砌及病害处治论述

孙典进

[摘要]文章结合某工程实例，从工程概况、隧道病害情况、病害原因、病害处治方案及病害处治施工这几方面进行了详细的论述。

[关键词]衬砌开裂；隧道基底加固；衬砌加固；病害处治

一、工程概况

某隧道为双向4车道分离式隧道，長度为1055m，属长隧道，最大埋深约150m，全隧道设置人行横洞2座，车行横洞1座。隧道于2009年3月开工，2010年6月贯通，2012年7月通车运营。隧址区地层划分为：第四系坡残积层（Qdl+el）、和石炭系下统岩层（cl）岩性以砂质灰岩、砂岩、泥岩为主，除此之外，尚包含石英砂岩、页岩、含炭质的页岩和泥岩等多种岩性，多以互层状分布。隧道穿越地层岩性为石炭系下统泥岩，围岩以Ⅳ、v级围岩为主。隧址区地下水主要为埋藏于第四系覆盖层中的孔隙水和基岩中的裂隙水，属包气带中的重力渗入水类型。地下水仅靠大气降水补给，向坡下渗透排泄或以泉水形式出露地表，储量有限，而且受降雨影响明显。隧道按照新奥法原理进行设计施工，采用复合式衬砌结构。隧道衬砌结构设计以锚、喷、网联合支护为初期支护，模筑混凝土为二次支护措施，Ⅴ级围岩段二次衬砌采用C25钢筋混凝土结构，Ⅳ级围岩段二次衬砌采用c25素混凝土结构。明洞采用C25钢筋混凝土结构。根据设计文件，隧道病害严重段穿越地层岩性为中风化泥岩，呈薄一中厚层状构造，岩层产状平缓，不利隧道开挖，其中泥岩遇水易软化，饱和抗压强度Rc=12MPa，属软岩，围岩级别为Ⅳ级围岩。

二、隧道病害情况

1.衬砌裂缝情况：隧道裂缝主要集中在隧道边墙检修道以上1～1.5m高度范围，以纵向、斜向裂缝为主，单条裂缝最大长度近125m，裂缝宽度在1.2～4.5mm，裂缝为贯穿性结构裂缝，并伴有轻微错台现象。

2.路面病害情况：隧道路面病害主要为路面网状裂缝、破损以及路面中部隆起，其中隆起最大处达5cm。

3.检修道病害情况：隧道检修道病害主要为检修道侧墙挤压变形错位，向隧道中心方向位移。

三、病害原因分析

1.地质原因。该段隧道穿越地层岩性为中风化泥岩，呈薄一中厚层状构造，岩饱和抗压强度Rc=12MPa，属软岩，具有弱膨胀性，遇水易软化和产生膨胀，且隧道埋深较大（100m左右）。综合考虑地质与埋深情况，隧道衬砌承担的围岩压力较大，隧道边墙基础可能存在承载力不足的问题。

2.勘察设计原因。该段泥岩具有强度低、有遇水易软化的等特点，结构设计人员对地质特点认识不足，未按规范要求（《公路隧道设计规范>>JTG D70-2004第8.1.4条第2款要求）“在Ⅳ～Ⅵ级围岩条件下，围岩自稳能力差，侧压力较大，地基承载力弱…。Ⅳ～Ⅵ级围岩两车道隧道宜采用带有仰拱的衬砌断面形式。”设置仰拱，导致隧道结构形式欠妥。

3施工原因。可能存在遇到实际地质情况与原设计不符时，未能进行动态调整。

4.排水系统堵塞。可能存在此段排水系统堵导致隧道基地软化膨胀，承载力不足，引起病害。通过上述分析，隧道基底软化膨胀、承载力不足是衬砌病害产生的主要原因，因此隧底加固为病害处治的关键，须要对隧道底部基础进行补强、加固。

四、病害处治方案比选

（一）衬砌增加仰拱（方案一）

在原来没有设置仰拱的原结构上增设仰拱，改善隧道受力性状，限制隧道底部和边墙变形，根据原隧道结构情况，新增仰拱曲率半径为12.5m，结构采用40cm厚型钢骨架混凝土。具体的实施步骤如下：①拆除隧道检修道：②在隧道两侧墙脚以100cm纵向间距向下设置2根6m长φ127×5mm注浆锁脚钢管桩，稳定拱脚，保护衬砌结构安全：③拆除隧道路面和排水沟④开挖隧底至隧道仰拱设计标高；⑤在边墙底脚通长设置连接钢板，连接钢板通过锚栓固定，与钢管桩结合处采用钢筋帮焊：⑥设置I20a钢架，纵向间距75cm，与隧道边墙连接钢板连接。采用锚栓连接后，骑缝焊接；⑦浇筑仰拱混凝土；③隧道中心水沟恢复；⑨仰拱回填并依次恢复路面、排水边沟与检修道。

（二）隧底注浆加固（方案二）

对隧道基底注浆加固，提高地基承载能力。注浆加固深度为墙脚以下5m范围，注浆浆液为水泥一水玻璃双液浆。具体的实施步骤如下：①拆除隧道检修道：②在隧道两侧墙脚以100cm纵向间距向下设置2根6m长φ127×5mm注浆锁脚钢管桩，稳定拱脚，保护衬砌结构安全：③拆除隧道路面和排水沟；④开挖隧底至隧道墙脚设计标高并整平：⑤按100×100cm间距梅花形布设5m长φ89X4mm注浆钢管桩，采用水泥一水玻璃双液浆对地基进行注浆加固；⑥设置I20a钢架，纵向间距75cm，与隧道边墙连接钢板连接。采用锚栓连接后，骑缝焊接；⑦隧道中心水沟恢复；③浇筑铺底混凝土并依次恢复路面、排水边沟与检修道。

（三）方案对比从结构受力、施工质量控制、施工安全、施工难度四方面对以上2个处治方案进行了综合对比，各方案优缺点如下：①衬砌增加仰拱方案优点：隧道结构受力性能好：限制隧道底部边墙变形效果：施工质量控制容易：通过设置钢拱架能限制施工中边墙变形，保护衬砌结构安全。②衬砌增加仰拱方案缺点：隧道基底地基条件未能改善：施工工艺较复杂且施工组织较复杂。③隧底注浆加固方案优点：隧道地基承载力好：施工组织较简单。④隧底注浆加固方案缺点：地基加固质量控制较难：注浆加固初期，浆液中水会软化地基：施工中可能需要设置临时支撑限制隧道边墙变形。通过以上综合对比，最终确定采用衬砌增加仰拱方案（方案一）对隧道病害进行处治。

五、病害处治施工

对隧道进行交通封闭后，按照衬砌增加仰拱方案处治隧道衬砌病害，具体的实施步骤与前述一致，此外还应注意以下几点：①每次拆除段落应不超过5m，并应尽早浇筑仰拱。②施工中应对中心排水管内流水进行临时引排并应注意保护接口，防止堵塞。③钢管桩纵向应间隔施工，单侧应依次施工，以避免边墙基础因局部掏空或地基软化而下沉失稳。衬砌增加仰拱方案施工完成后，还需对衬砌裂缝进行处治。衬砌裂缝处治采用设置锚杆和注浆填充方案处治，沿裂缝方向按100cm间距梅花型布置2排单根长度3m的+22早强药卷锚杆，锚杆垫板凿槽设置，垫板槽深度应满足锚杆尾部埋入衬砌内缘1cm。另外在裂缝的端部以外再多布置一根锚杆。锚杆施工完成后对裂缝用环氧胶液注浆加固。

六、结束语

病害处治完成后，经过半年运营过程中的监控，病害已停止发展，达到了处治目标，为运营安全提供了有力保障。通过以上论述，以期为类似工程的设计与施工提供参考。