高地应力隧道病害检测及力学特性分析

童波

（吕梁祁县至离石高速公路建设有限公司，山西吕梁033000）

高地应力隧道病害检测及力学特性分析

童波

（吕梁祁县至离石高速公路建设有限公司，山西吕梁033000）

在高地应力隧道施工运营过程中，极易产生一系列病害，例如衬砌裂损及腐蚀、渗漏水等，这些病害严重影响了隧道的使用安全，它们的出现不仅大大提高了经济费用，甚至还可能造成生命财产的损失。为此，依托某高地应力隧道工程实例，采用地质雷达技术检测病害，并利用数值模拟手段全面评价力学特性。研究结果表明，隧道基底处的主要病害是岩体破碎比较严重且富含裂隙水、回填片石不密实、局部存在脱空等；隧道衬砌病害主要表现为裂缝。此外，隧道路面隆起开裂的主要原因是水平地应力过大，所以，在制订后续处治措施时，需要考虑降低底板处的应力水平。

隧道；雷达检测；有限差分软件；力学特性

随着我国高速公路建设事业的发展，公路隧道的数目也在不断增加。但是，由于我国公路隧道建设起步比较晚，与发达国家相比，施工设计技术存在一定的差距，再加上岩土工程本身具有隐蔽性，不可避免地会出现或大或小的病害。公路隧道中遇到的病害主要有衬砌裂损及腐蚀、漏水、冻害、震害和空气污染等，这些病害对隧道施工运营的安全性和舒适性有重要的影响，严重时还会危及人们的生命财产安全。近年来，针对公路隧道病害的研究不断涌现，例如，代高飞等对某高速公路隧道进行现场调查，结合应力分布和受载情况给出病害的位置、成因和治理措施[1]；赵永国等从衬砌裂缝、变形、表面病害和隧道渗漏水4个方面对公路隧道病害进行分类，并详细描述了各类病害的特征[2]；吴梦军等总结、分析了现有公路隧道病害的类型、成因和对应的处置技术[3]；来弘鹏等针对新庄岭黄土公路隧道出现的地表裂缝和衬砌开裂等病害，分别采取十堰和数值仿真手段解释说明了病害生成的原因[4]。

隧道病害的处理原则是及早发现，及时维护。本文的研究依托某高地应力隧道，深入分析其工程特性，有针对性地应用雷达探测技术监测、分析该隧道13处可能隐患位置，并应用有限差分软件对该隧道进行数值模拟分析。检测分析结果和数值研究成果不仅可以为该工程后期的治理和施工提供技术支持，还会对类似工程的处理有一定的指导意义。

1 工程概况

某高速公路隧道为一座上、下行分离的四车道公路短隧道，隧道起讫桩号左线ZK199+394～ZK199+883.54，长473.75 m；右线K199+368～K199+835.15，长451.48 m。该隧道区属低中山地貌，地形起伏较大。隧址区上覆第四系马兰组（Q3）黄土和（Q3）碎石，下伏基岩为白云质灰岩、泥灰岩，岩石节理裂隙较发育。围岩级别主要为Ⅳ级和Ⅴ级。衬砌内轮廓采用半径为R＝543/793 cm的三心圆，内轮廓最宽处为10.86 m。

该隧道衬砌结构均按照新奥法原理设计，隧道采用复合式衬砌，即初期支护采用锚网喷混凝土和钢拱架，在地质条件比较差段辅以不同型式的超前支护，二次衬砌为模筑混凝土或钢筋混凝土。对于Ⅴ级洞口段围岩软弱、压力比较大的段落，则根据实际情况设置临时仰拱，以控制围岩变形。

2 病害检测结果

地质雷达技术是岩土工程探测隐患的一种常用技术手段[5-6]，工程师通过扫描得到的雷达图像可以直观地推断出不同类型的隐患，从而对后期的施工建设进行指导。本文应用地质雷达探测技术扫描高家河隧道13处位置，其中，位置1至位置5号位于左洞基底处，位置6和位置7号位于右洞基底处，位置8至位置13号位于衬砌拱5处。

2.1 左洞基底病害

左洞基底5个位置雷达扫描具体检测结果如下：

位置1位于隧道左洞ZK199+590～ZK199+608行车方向右幅路面，图1给出了该处检测缺陷频谱图，从图中可以看出该处岩体破碎比较严重，富含裂隙水。

位置2位于隧道左洞ZK199+606～ZK199+612行车方向右幅路面，图2给出了该处检测缺陷频谱图，从图中可以看出回填片石不密实，局部存在脱空。

位置3位于隧道左洞ZK199+617～ZK199+621行车方向右幅路面，图3给出了该处检测缺陷频谱图，从图中可以看出回填片石不密实，局部存在脱空。

图1 位置1雷达检测缺陷频谱图

图2 位置2雷达检测缺陷频谱图

图3 位置3雷达检测缺陷频谱图

位置4位于隧道左洞ZK199+638～ZK199+650行车方向右幅路面，图4给出了该处检测缺陷频谱图，从图中可以看出岩体破碎比较严重，富含裂隙水。

图4 位置4雷达检测缺陷频谱图

位置5位于隧道左洞ZK199+642～ZK199+650行车方向右幅路面，图5给出了该处检测缺陷频谱图，从图中可以看出回填片石不密实。

2.2 右洞基底病害

位置6和位置7分别位于隧道右洞YK199+575～ YK199+583和YK199+592～YK199+605行车方向右幅路面，图6和图7分别给出了两处检测缺陷频谱图，从两幅图中均可以看出岩体破碎比较严重，富含裂隙水。

图5 位置5雷达检测缺陷频谱图

图6 位置6雷达检测缺陷频谱图

图7 位置7雷达检测缺陷频谱图

2.3 衬砌病害

隧道衬砌裂缝采用现场观察记录法，并用裂缝宽度测量仪对其宽度进行判读。检测到的裂缝共计6条，其典型情况如图8、图9所示。

图8 隧道衬砌环向裂缝

图9 隧道衬砌斜向裂缝

图8处的裂缝位于高家河隧道ZK199+588处，其为右边墙至右拱腰一条环向裂缝，长约4.0 m，宽约1.0 mm。图9处的裂缝位于ZK199+628处，其为左拱腰至右边墙一条环向裂缝，长11.0 m，宽2.0 mm。以上检测到的6条裂缝均为环向裂缝或斜向裂缝，最长达11 m，最短为3 m。对于以上裂缝的长度和宽度应实时检测，判断是否有扩张的趋势，以便采取下一步措施。

3 数值分析结果

为了进一步观测隧道应力的应变情况，利用有限差分软件FLAC 3D进行数值模拟分析。

图10为采用有限差分软件计算出的该隧道水平应力分布云图，图11为隧道周边塑性区分布云图，塑性区表示此处围岩是否发生过塑性剪切流动破坏。

图10 水平应力分布云图

图11 塑性区分布云图

由图10可知，水平应力在拱顶和底板位置产生应力集中现象，此处地应力显著高于周围岩土层地应力。其中，在底板位置处的水平应力为拉应力，最大拉应力达到0.88 MPa。这说明，底板在两侧围岩的挤压作用下发生隆起。由于底板中的拉应力比较大，最终导致地面开裂，产生裂缝。

从图11中可以看出，围岩塑性区集中在隧道底板处。这说明，隧道底板处围岩在较大地应力作用下产生塑性剪切破坏，岩体承载特性大幅降低。图10和图11均表明，高家河隧道路面隆起开裂的主要原因是水平地应力过大，后续处治措施中需考虑降低底板处的应力水平。

4 结论

本文依托某高地应力隧道工程实例，运用雷达技术对13处位置进行病害检测分析，并利用数值模拟分析结果全面评价该隧道，得出2点结论：①雷达检测结果表明，隧道基底处的主要病害有岩体破碎较严重且富含裂隙水、回填片石不密实、局部存在脱空等病害；隧道衬砌病害主要表现为裂缝。下一步建议对已发现病害进行针对性处理。②导致该高地应力隧道路面隆起开裂的主要原因是水平地应力过大，在制订后续处治措施时，需考虑降低底板处的应力水平。

［1］代高飞，朱合华，夏才初.某公路隧道病害成因分析与治理研究［J］.中国安全科学学报，2005，15（12）：89-92.

［2］赵永国，王华牢，韩常领，等.公路隧道病害的分类特征与成因分析［J］.公路，2008（7）：227-232.

［3］吴梦军，张永兴，刘新荣.公路隧道病害处治技术研究［J］.地下空间与工程学报，2007，3（5）：967-971.

［4］来弘鹏，杨晓华，林永贵.黄土公路隧道病害分析与处治措施建议［J］.公路，2006（6）：197-202.

［5］李二兵，谭跃虎，段建立.地质雷达在隧道工程检测中的应用［J］.地下空间与工程学报，2006，2（2）：267-270.

［6］吴俊，毛海和，应松，等.地质雷达在公路隧道短期地质超前预报中的应用［J］.岩土力学，2003（s1）：154-157.——

〔编辑：白洁〕

U452

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.088

2095－6835（2017）16－0088－03

童波（1982—），男，河北邢台人，工程师，2015年毕业于河北科技师范学院区域经济开发与管理专业（本科）。