祁家大山隧道套衬加固方案

罗鹏

摘 要：祁家大山隧道出现了拱脚沉降、变形侵限、路面隆翘等严重病害，通过全面检测并分析病害原因，提出增设钢筋混凝土套衬、仰拱及仰拱底中心排水沟的加固方案。隧道加固后已通车运营，取得了较好的整治效果。

关键词：隧道；病害；套衬；加固

中图分类号：U475.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）15-0090-02

1 工程概况

G312线祁家大山隧道建成于1995年，起讫桩号K1897+ 335～K1898+195，全长860m，纵坡1.57%。建筑限界净宽10.5m，净高5m。隧址区上覆第四系上更新统风积黄土，下伏新近系甘肃群粉砂质泥岩，围岩级别为Ⅳ、Ⅴ级。隧道采用二次模筑衬砌，浅埋段一次衬砌全断面厚度45cm，采用25号钢筋混凝土，设置35cm厚仰拱，采用25号混凝土；深埋段一次衬砌全断面厚度40cm，采用25号混凝土，不设仰拱设置35cm厚封底层，采用15号混凝土。全隧道二次衬砌厚度均为35cm，采用25号混凝土。隧道两次衬砌中间敷设防水土工布，一次衬砌左右两侧边墙布置15×15cm预制纵向排水沟与防水土工布衔接。洞内路面为20cm厚30号混凝土面板，浅埋段仰拱和路面之间采用15号片石混凝土填充，深埋段未设置仰拱，无仰拱填充。

2 运营期间病害处治

1996年3月至5月，洞内路面及电缆沟盖板出现纵横向裂缝，至9月衬砌出现环向及纵横向裂缝，拱脚沉降、电缆沟盖板隆翘等病害。1997年1月至1998年底，经连续两年的洞身沉降与收敛观测及钻孔探测，收集施工、监理原始资料，分析施工中的塌方及处理、防排水施工完成情况及渗漏水原因后，1998年针对洞内病害采用“钻孔压浆加固基底，渗管盲沟导排，路面加铺层”方案进行处治，基本抑制了病害发展，但对洞身衬砌未做处理。

2003年3月以来衬砌顶部裂缝发生掉块，局部段落裂缝发展夹少量渗水，同时路面出现多处纵向裂缝3～6mm不等，右侧人行道出现纵向裂缝与拱脚下沉。2003年5月，对衬砌厚度及衬砌背后空隙与回填状况，裂隙水分布、衬砌断面变形及沉降、衬砌混凝土强度等进行了检测。2006年采用“局部拱周压浆加固、钢支撑补强，完善排水系统”方案对隧道病害段衬砌进行加固，满足了安全保通的要求，但隧道病害仍在不断发展。

3 病害情况调查

为全面深入了解病害情况，分析病害产生的原因，提出安全经济的加固方案，在收集原有资料的基础上，需对隧道进行专项检测。根据检测，病害主要表现为：衬砌裂缝；襯砌掉块；衬砌渗漏水；人行道纵向裂缝及拱脚下沉；路面裂缝、破损及沉陷；隧道净空侵限。

3.1 隧道净空断面

采用激光断面仪对净空断面进行检测，除K1897+339 ～K1897+379段及K1897+439处外，均不符合设计要求； K1897+629～K1897+885、K1897+905～K1897+959、K1897+988～K1898+038、K1898+058～K1898+155段实测轮廓线侵入设计轮廓线较大。

3.2 衬砌厚度及强度

采用地质雷达对衬砌混凝土厚度进行检测，衬砌厚度合格率为72.9%。采用回弹法对衬砌强度进行检测，衬砌强度推定值均不满足设计强度。

3.3 衬砌裂缝

检测时发现62条衬砌裂缝，总长378.2m，主要分布于K1897+335～K1897+535、K1897+935～K1898+195段。裂缝主要分布在边墙及拱腰范围，其中左边墙及拱腰裂缝的数量占裂缝总数量的29%，右边墙及拱腰裂缝的数量占裂缝总数量的55%；拱顶裂缝数量占裂缝数量的16%。裂缝类型以竖向裂缝和环向裂缝为主，其中竖向裂缝43条，占裂缝总数的77%；纵向裂缝7条，占裂缝总数的9%；斜向裂缝1条，占裂缝总数的1%；环向裂缝11条，占裂缝总数的13%。

3.4 衬砌渗漏水

检测时发现衬砌渗漏水28处，集中在K1897+395～K1897+500、K1897+635～K1897+785、K1898+180～K1898+195段落，渗水类型以施工缝点状渗水和线状渗水为主，有少量点状渗水；该段渗漏水致使衬砌混凝土腐蚀、剥落。

3.5 衬砌背后空洞

检测时发现衬砌背后空洞21处，主要分布在拱顶及左右拱腰，单测线累计长度325m，占隧道总长的37.7%。

3.6 隧道仰拱及仰拱填充

采用地质雷达与钻芯取样结合的方法对仰拱厚度及填充密实性进行检测。采用地质雷达检测时，在距路面中线左侧2m布置测线，钻芯取样每90m抽查1处。经检测，仰拱填充不密实段落共14处，累计长度369m；10处仰拱钻芯取样中，浅埋段检测4处，深埋段检测6处；经检测，浅埋段4处仰拱厚度不符合设计要求，深埋段除1处总厚度符合设计要求外，其他5处总厚度不符合设计要求。

3.7 洞内路面

检测时发现混凝土路面出现纵向、横向及斜向裂缝；局部段落路面破损严重，存在沉陷、隆翘。

4 病害原因分析

4.1 地质原因

隧道穿越第四系上更新统风积黄土及新近系甘肃群粉砂质泥岩，粉砂质泥岩未见水时其强度较高，遇水后强度衰减较大，经地下水长期渗透，物理特性发生变化，围岩压力增大；隧道底部未设置仰拱，未形成封闭结构，拱脚及基底的强度不足，衬砌变形加大，产生过度沉降，引起衬砌开裂、净空侵限及路面隆翘。

4.2 结构原因

隧道衬砌厚度和强度不足，造成结构抗弯能力减小；无仰拱、仰拱厚度不足及填充不密实，致使衬砌不能形成封闭结构，结构受力不合理，易产生衬砌裂缝。

4.3 施工原因

隧道衬砌混凝土施工采用小模板浇筑，施工缝多且密，防水的薄弱部位较多。隧道未设置中心排水沟，两侧边墙纵向排水盲沟未经养生进行安装，其强度较低，在铺设上层混凝土时受压破坏，造成堵塞失效，衬砌周围地下水不能正常排泄，衬砌周围水压力增大。endprint

4.4 温度原因

隧道位于季节性冰冻区，早晚温差大，衬砌内部温度应力随气温循环变化，造成衬砌开裂，施工缝渗水在冻融循环的作用下防水效果逐渐恶化，加剧了渗漏水。衬砌混凝土浇注过程中水化热过大或混凝土浇筑体积较大时，浇注后易因降温和混凝土收缩而拉裂。

5 病害处治方案

5.1 衬砌裂缝修补

采用低压注环氧树脂浆法对大于0.2mm的裂缝进行修补。先在裂缝位置上贴白胶布，再用窄毛刷沾浆沿裂缝来回涂刷封缝，大约10分钟后，揭去白胶布，露出小缝，粘贴注浆嘴。注浆操作时先用补缝器吸取注浆液，插入注浆嘴，用手推动补缝器活塞，使浆液通过注浆嘴压入裂缝，当相邻的嘴中流出浆液时，就可拔出补缝器，堵上铝铆钉。一般由上往下注浆，水平缝一般从一端到另一端逐个注浆，注浆压力为0.15～0.2MPa。

5.2 衬砌背后空洞回填

采用混凝土钻芯机钻φ42mm的注浆孔，注浆孔穿透原衬砌；并在孔内安放φ36×3mm注浆钢管，注浆孔在长度大于3m的段落按3m间距设置一处；注浆材料为水泥浆液，水泥浆水灰比1：1，注浆压力为0.5～1.0MPa。

5.3 套衬加固

衬砌裂缝及空洞处治完后，在原衬砌内侧设置40cm厚C30钢筋混凝土套衬，并设置60cm厚C30钢筋混凝土仰拱与套衬连接成环，与原衬砌组合形成二次模筑结构共同承载，解决原衬砌开裂、侵限变形问题。新增套衬结构与原二次衬砌间设置复合防水层，重新设置位于仰拱以下的中心排水沟，通过设置环向、纵向及横向排水管形成完善的防排水系统解决隧道渗漏水及原排水系统堵塞问题。加固后的隧道满足设计行车速度40km/h净空要求，隧道建筑限界净宽9.5m，净高5m。

根据沉降和变形病害严重程度不同，净空未侵限和侵限小于10cm的段落，套衬内设双层钢筋网；净空侵限界于10～20cm的段落，套衬内设单层钢筋网和H175型钢拱架，拱架间距1m；净空侵限大于20cm的段落，套衬内设单层钢筋网和H175型钢拱架，拱架间距75cm。为保证隧道底部拆除时上部结构稳定，先采用无缝钢管在两侧拱脚部位进行注浆锁脚，然后全断面拆除部分原有边墙和电缆槽混凝土，拆除时采用跳槽施工，每个段落控制在2～3m，确保安全。

5.4 防排水系统

（1）洞内。1）切槽引排。原衬砌渗漏水严重段落环向施工缝采用切槽引排處理，排水暗槽由拱顶延伸至拱脚纵向排水盲沟；暗槽切成后，清除干净后方可埋管，排水半圆管埋置好后，用PE-U排水管卡和塑料膨胀螺丝固定排水半圆管；填塞含有堵漏材料的普通硅酸盐水泥砂浆密封，最后模筑C30防水混凝土。2）环向半圆管排水。原衬砌混凝土渗漏水轻微或未渗水段落环向施工缝，采用环向排水半圆管处理，排水半圆管敷设好后，用PE-U排水管卡和塑料膨胀螺丝固定排水半圆管。3）墙脚泄水孔。原衬砌混凝土渗漏水严重段落在距原人行道10cm处二衬墙脚按6m间距打设泄水孔，孔内安装φ50PE排水管，管头用双层无纺布包裹。4）复合防水层。施工缝处理完后，在新作套衬与原衬砌之间设置一层复合防水层，要求在铺挂防水层前处理好原衬砌渗漏水，不得有明水。5）止水条、止水带。内侧套衬变形缝在衬砌结构形式变化处及暗洞段按纵向60m间距设置，另在隧道进、出口段连续设置三道。由于隧道地下水发育，施工缝及沉降缝处均设置带排水孔的背贴式橡胶止水带。6）中心排水沟。将原混凝土路面、15号片石混凝土回填及混凝土仰拱或15号封底混凝土拆除，增设仰拱底部中心排水沟，通过设置横向排水管将汇集到纵向排水管的地下水和通过切槽引排汇集的施工缝及裂缝位置处的渗漏水引入中心排水沟排出隧道。

（2）洞外。为防止隧道外路面水进入隧道内，在隧道出口设置路面截水沟，拦截出口路面积水并引流至隧道洞外两侧的边沟中，汇入到附近涵洞排至自然沟谷。

5.5 路面

隧道内路面破损严重，拆除水泥混凝土路面、15号片石混凝土回填及混凝土仰拱或封底混凝土，增设仰拱底部中心排水沟，浇筑仰拱后回填C15混凝土，再浇筑26cm厚水泥混凝土路面板，然后施做9cm厚沥青混凝土路面层。

6 结论与体会

（1）隧道产生病害的过程极复杂，包括地质、结构及施工等因素，祁家大山隧道加固处治前详细收集了隧道设计和文献资料，对隧道进行了全面检测，找到病害产生的正真原因。提出增设套衬、重设仰拱和完善防排水系统的处治方案，较好地解决了隧道病害问题。实践证明，采用的处治措施是合理、有效的，可为今后类似工程提供借鉴。

（2）该隧道处治的关键在于对地下水的处理，保证施工后隧道内地下水排泄畅通是病害处治成功的必要条件。该隧道出现如此严重的病害，其原因就是受设计施工理念限制，对地下水的处理重视程度不够。

（3）仰拱作为隧道结构支护体系的重要组成部分，对隧道结构受力和稳定起关键作用。因其属于隐蔽工程，往往受重视程度不够，监管力度不足；在施工中应引起高度重视，进行过程控制，强化质量验收，将仰拱施工质量作为隧道施工质量信用评价和质量评定的重要内容。

参考文献

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