六盘山隧道维修加固方案研究

秦 洲,田 正,刘燕鹏

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710075; 2.中交瑞通路桥养护科技有限公司,陕西西安 710075)

六盘山隧道维修加固方案研究

秦 洲1,2,田 正1,2,刘燕鹏1,2

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710075; 2.中交瑞通路桥养护科技有限公司,陕西西安 710075)

为了对G312线六盘山公路隧道洞内坍塌、结构开裂、衬砌劣化和背后空洞等病害进行处治,通过隧道检测、现场踏勘和资料收集,在充分掌握隧址区地质条件、设计施工、维修处治资料的基础上,对隧道病害原因及其发展进行分析和预测,提出了套拱加固和换拱加固2种处治方案,并从技术标准、施工安全、造价和环保角度进行加固方案论证.结果表明:隧道套拱加固方案在施工安全、造价和环境保护等方面均优于换拱加固方案.

隧道工程;套拱加固;换拱加固;隧道检测

0 引 言

受地质条件、建设质量和运营环境等因素的影响,大量隧道在投入运营后都存在不同程度的病害.隧道病害会严重影响隧道通行质量及结构耐久性,给交通安全带来隐患.由于隧道的通行环境相对封闭,一旦出现险情,很容易造成交通堵塞、人员伤亡,产生不良的社会影响[1-5].考虑到交通通行压力、社会影响以及经济效益等因素,优先采取局部结构维修补强的方法对病害隧道进行加固[6-13].

隧道局部结构维修补强方法对于隧道内病害段落相对集中、种类相对较少、混凝土劣化轻微、衬砌局部侵入内轮廓等病害是适用的;而当病害分布较广、种类较多、混凝土劣化严重、衬砌普遍侵入内轮廓时,这种方式不能进行系统、全面的处治,不但会造成隧道洞内“面目全非”,影响美观,而且隧道内轮廓还可能出现多次非连续性变截面,严重影响行车安全.

对于隧道洞内严重的病害,应基于“一次处理、不留后患”的理念,采取整体性结构补强的方法进行处治[14].隧道整体性结构补强的方法主要有套拱加固和整体换拱2种:套拱加固是指在原衬砌表面增设一层拱形混凝土结构,与原衬砌形成共同承载体;整体换拱是对原衬砌进行整体拆除后重新施作.目前,采用整体性结构补强方法进行隧道病害处治的工程实例和研究相对较少,本文以G312线六盘山隧道维修加固工程作为依托,分别从技术标准、施工安全、工程造价和环保要求角度对隧道套拱加固和整体换拱方案进行论证比选.

1 工程概况

六盘山隧道位于G312线宁夏固原市境内,按山岭重丘区二级公路标准设计建造,为单洞两车道隧道,全长2 385 m,1997年建成通车.隧道设计速度为40 km·h－1,建筑限界净宽为10．5 m,净高为5 m.

隧址处于山岭重丘区,地质构造复杂,穿越多处断层和褶皱,围岩主要为粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等,受构造影响稳定性差,类别为Ⅱ、Ⅲ类.地下水以基岩裂隙水为主,对钢筋混凝土有硫酸盐类腐蚀作用.

六盘山隧道衬砌内轮廓如图1所示,可以看到:隧底仰拱埋深较浅,路面中心距仰拱顶面为83 cm;结构相对扁平,不利于隧道断面整体受力;拱脚二衬与仰拱交接处没有采取小半径过渡,易发生应力集中.

该隧道Ⅱ类围岩段采用矿山法施工,采用厚60～80 cm的钢筋混凝土衬砌,35 cm厚素混凝土仰拱;Ⅲ类围岩段采用新奥法原理设计并施工,初支喷射混凝土厚度为10 cm,二衬为45 cm厚素混凝土,仰拱为30 cm厚素混凝土.施工缝均设置止水带,Ⅲ类围岩段初支和二衬之间设置防水板;拱脚处设置纵向盲沟,通过横向管排入中心沟,从而将地下水排出洞外.

隧道施工期间共发生210次塌方,其中大型塌方8次(段),塌腔平均高度为5 m,最大高度约45 m,并伴有涌水、突泥等问题.

图1 六盘山隧道衬砌内轮廓

由于建设质量及地下水的腐蚀性问题,六盘山隧道在运营过程中不断出现病害,并进行了相关处治.特别是于2002年、2012年、2014年局部衬砌发生坍塌、掉块,经检测后,局部段落采用钢拱架混凝土套拱进行加固,其余存在风险的段落采用临时钢拱架进行支护,如图2所示.

图2 衬砌表面临时钢架支护

根据《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015)及隧道现场检测结果,六盘山隧道土建结构评定等级为5类,建议及时关闭隧道,实施大修或改扩建工程.

2 主要病害情况

2．1 衬砌表观病害

由隧道检测和现场踏勘情况可知,六盘山隧道衬砌表观病害较多,主要表现为以下几方面.

(1)衬砌劣化严重.衬砌混凝土有明显劣化部分共计100处,且有进一步发展趋势.病害主要集中在渗漏水发生的位置,腐蚀介质主要为硫酸根离子,水质分析硫酸根离子含量在275～4 071 mg·L－1之间,不同段落地下水对混凝土的腐蚀评价为弱～强腐蚀.腐蚀最深为35 cm,严重段落可见钢筋、围岩.腐蚀范围、严重程度较前2次检测结果加重.

(2)衬砌裂缝发育.衬砌开裂普遍,总计683条,纵向结构性裂缝主要发生在边墙至拱腰位置,纵向裂缝最长为26 m,最宽为25 mm,K1861＋858～K1861＋930段洞身出现严重变形、错台现象.衬砌裂缝无论数量还是规模均进一步加重.

(3)渗漏水现象明显.衬砌存在明显的渗漏水现象,主要以表面浸渗为主,局部滴漏;隧道进出口段衬砌全断面渗水泛碱;衬砌拱部渗水形成挂冰,危害行车安全.洞身段落存在赋水带,钻孔取芯后涌水.

2．2 衬砌结构病害

根据隧道地质条件、施工期塌方位置、地质雷达检测情况、衬砌表面劣化程度等因素确定衬砌钻孔取芯位置.本次检测取芯位置基本涵盖整个隧道纵向长度,共选取80个断面,每个断面设置左边墙、左拱腰、拱顶、右拱腰、右边墙5处取芯点,共取芯400处.通过芯样发现拱部衬砌欠厚现象明显,最小厚度仅为10 cm.

通过钻孔取芯的孔洞,用激光测距仪测量衬砌背后空洞深度.空洞规模探测共选取80个断面,每个断面沿环向布置拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙5处测点,共计400个测点.通过探测发现,衬砌背后空洞现象普遍,且主要集中在拱部位置,探测到最大空洞直径为220 cm,大塌方段落空洞内均为碎渣回填.

采用超声-回弹综合法对衬砌混凝土强度进行检测,共检测118个断面,每个断面分别在拱顶、左拱腰、右拱腰、左边墙、右边墙5个部位选取一个测区,共590个测区,满足设计强度的有328个测区,合格率为55.6%,较2012年的合格率67.7%明显降低,局部位置存在完全劣化现象.

通过对所取芯样表面碳化深度和地下水对衬砌混凝土的腐蚀深度进行检测,得到衬砌内外侧劣化深度情况.结果表明,衬砌混凝土碳化深度基本在10～30 mm之间,最大碳化深度为50 mm.

采用激光断面仪对隧道净空断面进行检测,每10 m选取一个断面,对于侵入内轮廓严重部位应适当加密,共计检测断面245个(图3).检测结果表明,衬砌侵入原设计内轮廓现象较普遍,局部段落侵入内轮廓现象较严重,主要发生在衬砌变形严重段、既有钢架喷射混凝土套拱段,最大侵入内轮廓值为64．9 cm.

图3 隧道局部内轮廓

2．3 隧道路面病害

自2014年六盘山隧道进行路面病害处治后,路面破损、纵横向裂缝现象在本次现场检测时再次出现,特别是部分段落行车道中心附近出现长段落隆起、错台现象(图4),最大错台5 cm.

图4 路面隆起、错台

隧底地质雷达检测表明,仰拱结构厚度在15～35 cm之间,普遍偏薄,埋置深度较设计深度浅1～17 cm.

3 主要病害原因分析

通过查阅施工图、设计变更、竣工图以及历年检测、维修资料,并依据现场检测结果,分析六盘山隧道主要病害的成因.

3．1 衬砌劣化

隧道衬砌劣化的原因主要有:隧址区地下水中硫酸根离子含量高,对衬砌混凝土具有弱～强结晶性侵蚀作用,导致其疏松,强度逐步降低,渗漏水段落更为显著;隧址区处于较寒冷地区,冻融作用导致混凝土强度降低;该隧道已运营近20年,混凝土的中性化(碳化)也是混凝土劣化的原因之一.

3．2 衬砌开裂

隧道衬砌开裂的原因主要有:小模板施工接缝多,加之浇筑后养护不到位,易产生裂缝;衬砌背后空洞大小、衬砌厚度的变化会产生应力集中,易引发结构性裂缝;衬砌厚度、强度不足,导致承载力降低,易产生结构性裂缝;仰拱较薄弱或破坏严重,对拱脚的约束能力降低,导致边墙部位易产生结构性纵向裂缝;衬砌混凝土劣化导致强度不足,承载力降低,产生结构性裂缝;基底围岩承载能力变化不一致,导致沉降不均匀,易产生环向、斜向结构性裂缝;隧址区地质条件复杂,构造发育、围岩软弱也是衬砌产生开裂的重要原因.

3．3 衬砌渗漏水

隧道衬砌渗漏水的原因主要有:原设计考虑了防排水措施,但由于施工中控制不严,导致防排水设施失效;经长期运营,地下水中的矿物质结晶,导致部分排水系统堵塞;采用矿山法施工的段落防水措施考虑不充分.

3．4 衬砌厚度不足

隧道衬砌厚度不足的原因主要有:施工中衬砌混凝土浇筑控制不严;局部可能存在欠挖现象,衬砌浇筑空间不足.

3．5 衬砌背后空洞

隧道衬砌背后空洞的原因主要有:隧道施工较早,施工工法较落后,爆破控制不严,超挖后没有进行及时、有效回填;施工期间发生塌方后,采用大量木材进行支撑,未进行有效回填;隧址区以泥质粉砂岩、粉砂质泥岩为主,围岩破碎,开挖后易软化脱落形成空洞.

3．6 内轮廓侵限

隧道衬砌内轮廓侵限主要是由施工控制不严、欠挖或模板设置问题导致的.另外,在运营过程中,受围岩荷载的作用,衬砌结构局部位置因承载能力不足而变形也会导致内轮廓侵限.

3．7 路面病害

重车反复碾压或基础不密实,会使隧道路面产生破损、纵横向裂缝等病害.另外,在软弱围岩的条件下,隧底仰拱埋置深度不足,结构扁平不利于受力,同时仰拱强度也不足,在地下水的作用下导致仰拱破坏,路面隆起、错台.

4 加固方案设计

对隧道检测、现场踏勘、资料收集成果的综合分析表明,六盘山隧道病害情况相当严重,衬砌劣化范围、劣化深度随着时间逐渐发展,裂缝长度和宽度不断增加,衬砌内轮廓侵限现象仍在加剧,采用局部结构维修补强方法已经无法系统且全面地进行病害处治.基于“一次处理、不留后患”的处治原则,决定采用整体性结构补强方法进行隧道维修加固,针对六盘山隧道的具体情况,提出套拱加固、换拱加固2套方案.

4．1 技术标准

4．1．1 套拱加固方案技术标准

套拱加固方案是利用原衬砌承载能力对既有衬砌病害进行处治后,沿原衬砌表面增设钢筋(钢拱架)混凝土套拱.

考虑到既有衬砌侵入原设计内轮廓现象较严重,而且增设套拱后,隧道内轮廓会缩小,为确保建筑限界净高、净宽满足规范要求,将路面高程降低55 cm.同时,重新修筑仰拱时适当加深、加强,一并处理隧底结构薄弱的问题.套拱加固前后内轮廓的对比结果见图5.

图5 隧道套拱加固前后内轮廓对比

根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)的要求,并结合实际情况,确定套拱加固后建筑限界净宽为9.5 m,净高为5 m,具体如图6所示.

4．1．2 换拱加固方案技术标准

换拱方案是将原衬砌结构进行整体拆除,对围岩进行少量扩挖以优化隧道的轮廓断面,再重新施作隧道衬砌结构.隧道换拱加固后内轮廓见图7.

图6 套拱加固后隧道建筑限界

图7 隧道换拱加固后的内轮廓

换拱加固方案隧道建筑限界与原设计一致,净宽为10.5 m,净高为5 m,具体如图8所示.

图8 换拱加固后隧道建筑限界

4．2 套拱加固方案

4．2．1 套拱加固设计

设计采用钢筋(钢拱架)混凝土套拱,即临时钢拱架嵌入套拱内,钢拱架间距为50 cm和100 cm两种,分别对应病害严重段和病害一般段,钢拱架之间设置环向主筋.套拱厚度在35～50 cm之间,设置区间主要是适应既有衬砌内轮廓情况,否则既有内轮廓变化较大,进行衬砌修整的工作量大.具体内容如下.

(1)对原衬砌结构上明显劣化的混凝土进行喷射混凝土置换;对裂缝进行结构补强;对衬砌背后赋水区进行泄水引排,防止腐蚀继续发展.

(2)对于衬砌厚度过薄的段落和空洞段采用衬砌背后灌注泡沫混凝土、导管注浆预加固等措施进行处治.

(3)对拱腰至边墙严重变形开裂、错台段进行衬砌局部置换.

(4)对于钢拱架喷射混凝土套拱段,由于侵入内轮廓现象严重要进行拆除,修整后重新套拱;对衬砌内轮廓局部侵入套拱空间15 cm以上的段落,将相应部位进行凿除修整.

(5)将路面高程降低55 cm,以保证套拱、仰拱施作空间,并加强仰拱结构.施工前对既有衬砌拱脚采用注浆导管进行锁脚保护.

(6)在套拱与原衬砌之间设置完善的防排水系统,保证套拱结构在后续运营期的耐久性.

(7)新增套拱结构、仰拱结构、中心排水管等均采用C40高抗硫酸盐水泥混凝土,防止劣化.

(8)针对隧道冬季气温低的情况,对隧道纵向管检查井、中心排水沟出水口等采取相应的保温措施.

(9)对六盘山隧道机电设施进行全面改造.

4．2．2 套拱加固计算

(1)隧道病害严重段落.钢筋(钢拱架)套拱厚度为35 cm,I20a拱架间距为50 cm,套拱弹性模量为34.64 GPa,仰拱弹性模量为34．13 GPa,套拱承担围岩松散荷载的比例为80%.

如图9、10所示,内力计算结果如下:整个衬砌截面受压,最大受力为0.91 MPa,发生在仰拱处;最小受力为0．38 MPa,发生在拱顶处.弯矩在仰拱拱脚处达到最大值,两侧拱脚内侧受拉,最大弯矩为131.4 k N·m.衬砌结构的安全系数为2.61～21.66,大于规范要求的混凝土结构安全系数2.4.

(2)隧道病害一般段落.拱架间距为100 cm,套拱弹性模量为33.07 GPa,仰拱弹性模量为32．82 GPa,套拱承担围岩松散荷载的比例为40%.

如图11、12所示,内力计算结果如下:整个衬砌截面受压,最大受力为0.52 MPa,发生在仰拱处;最小受力为0.20 MPa,发生在拱顶处.弯矩在仰拱拱脚处达到最大值,两侧拱脚内侧受拉,最大弯矩为73.5 k N·m.衬砌结构的安全系数为3.12～39.30,大于规范要求的混凝土结构安全系数2.4.

图9 病害严重段落结构轴力

图10 病害严重段落结构弯矩

图11 病害一般段落结构轴力

图12 病害一般段落结构弯矩

经计算,套拱加固方案可以满足规范的强度安全系数要求.

4．3 换拱加固方案

换拱加固方案是将原衬砌结构进行整体拆除,重新施作隧道衬砌结构.该方案具体内容如下.

(1)衬砌拆除前,沿原衬砌表面径向施工小导管进行围岩注浆预加固.

(2)衬砌背后存在中小空洞时,向空洞内泵送泡沫混凝土进行填充;当衬砌背后存在大型空洞时,径向施工Φ89钢管进行注浆处理,向空洞内泵送C40抗腐蚀混凝土.

(3)分段拆除原衬砌表面的临时支护钢架,然后由拱部、边墙分部拆除该段衬砌混凝土.

(4)采用机械或人工进行既有衬砌拆除,逐步施工初期支护、仰拱、二次衬砌等结构.

(5)新施做的二次衬砌、仰拱结构、中心排水管等均采用C40高抗硫酸盐水泥混凝土.

(6)针对隧道冬季气温低的情况,在隧道纵向管检查井、中心排水沟出水口采取相应的保温措施.

(7)对六盘山隧道机电设施进行全面改造.

5 方案比选

作为隧道整体性结构补强方法的2种思路,2个方案均能够达到“一次处治、不留后患”的目的,以下从技术标准、施工安全、工程造价和环境保护4个角度进行加固方案比选.

5．1 技术标准

换拱方案维持原设计的标准,套拱方案适当减小了净宽,但调整后满足规范要求及实际运营需求,具体如下.

(1)现行《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)要求,设计速度为40 km·h－1的二级公路隧道建筑限界净宽为9 m,净高为5 m.六盘山隧道原设计内轮廓空间较大,为套拱加固提供了空间.

(2)青兰高速公路宁夏段通车后,G312国道六盘山隧道交通量大幅降低(2016年6月为10 842 pcu·d－1,2016年7、8月约为5 200 pcu·d－1),同时该地区正在修建另一条隆徳至张易的二级公路,通车后车流量将进一步下降.

5．2 施工安全

套拱加固方案对既有隧道结构扰动小,能充分利用原衬砌结构,可以有效保障施工安全.换拱加固方案需对既有衬砌结构进行拆除,对衬砌周边围岩进行局部扩挖,在新的衬砌结构未施做前,松动圈围岩将失去承载结构,可能出现变形、失稳及塌方现象,危及施工安全,特别是在既有大塌方段落,这种现象发生的可能性将更大.因此,从施工安全角度而言,套拱加固方案明显优于换拱加固方案.

5．3 工程造价

套拱加固方案建安费较换拱加固方案节省约7 600万元;同时套拱加固方案还具有施工快、工期短的优点,预计较换拱加固方案缩短工期12个月,可提前投入运营.因此,从工程造价角度而言,套拱方案明显优于换拱方案.

5．4 环境保护

套拱加固方案施工时仅拆除隧底部分,而换拱加固方案需拆除既有隧道所有结构,拆除弃渣量大.因此,从环境保护方面而言,套拱加固方案明显优于换拱加固方案.

综上所述,隧道套拱加固方案在施工安全、工程造价和环境保护方面,均优于换拱加固方案.虽然在技术标准角度内轮廓宽度小于换拱加固方案,但仍然满足规范要求和实际运营需求.因此,拟推荐套拱加固方案.

6 结 语

G312线六盘山隧道为早期修建的公路隧道,设计、施工水平均较低,该隧道的多数病害在早期修建的隧道中普遍存在,病害严重发育程度可以视为早期隧道病害现状的代表.本次六盘山隧道维修加固方案研究在充分掌握隧址区地质条件、设计施工、维修处治、病害发展等的基础上,分析主要病害成因,并结合路段重要性、交通量等情况,合理掌握技术标准进行方案论证.本次加固方案研究对中国早期隧道的病害处治及加固改造工程具有重要的指导作用和参考价值.

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[责任编辑:王玉玲]

Maintenance and Reinforcement Scheme for Liupanshan Tunnel

QIN Zhou1,2,TIAN Zheng1,2,LIU Yan-peng1,2
(1．CCCC First Highway Consultants Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China; 2．CCCC Ruitong Road&Bridge Maintenance Technology Co．,Ltd．,Xi'an 710075,Shaanxi,China)

In order to deal with the diseases such as collapse,structural cracking,lining deterioration and voids in the back of Liupanshan tunnel of National Highway 312,the cause of tunnel diseases and their development were analyzed and forecast based on the full grasp of the geological conditions of the tunnel area and information about the design,construction and maintenance of the tunnel through inspection,field survey and data collection．Finally,two kinds of treatment schemes,including the overlapped arches reinforcement and the arch replacement reinforcement,were put forward and proved from the technical standard,construction safety, cost economy and environmental protection requirements．The results show that the overlapped arches reinforcement is superior to the arch replacement reinforcement in construction safety, cost economy and environmental protection．

tunnel engineering;overlapped arches reinforcement;arch replacement reinforcement;tunnel detection

U457．3

B

1000-033X(2017)05-0082-07

2016-12-08

国家科技支撑计划课题(2014BAG01B02)

秦 洲(1977-),男,陕西泾阳人,高级工程师,硕士,从事公路隧道新建和加固方面的设计、科研工作.