关山隧道加固方案比选

罗鹏

摘 要：隧道病害处治应在充分了解病害情况，深入分析病害原因的基础上进行，病害整治的原则和目的应明确。一次整治不能解决全部问题，但应针对主要问题，进行目的明确的设计与施工。利用地质雷达、三维激光扫描仪及隧道断面仪等对关山隧道病害进行了专项检测，经过方案比选提出了推荐加固方案。

关键词：关山隧道；病害；加固方案

中图分类号：U457.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）16-0084-02

1 工程概况

S304线关山隧道于2006年建成通车，起讫桩号K108+829～K111+654，全长2825m，纵坡2.8%。建筑限界净宽10.5m，净高5m。隧址区地层为白垩系下统六盘山群和尚铺组，岩性为泥质砂岩、砾岩组成，以互层状分布，围岩级别Ⅲ～Ⅵ级。隧道采用复合式衬砌，K109+520～K109+559、K109+599～K109+817为Ⅳ级围岩，初支采用12cm厚C20喷射混凝土，二衬采用50cm厚C25模筑混凝土，仰拱采用40cm厚C25现浇混凝土；K109+817～K110+000为Ⅲ级围岩，初支采用8cm厚C20喷射混凝土，二衬采用45cm厚C25模筑混凝土，不设仰拱；K109+559～K109+599为Ⅳ级围岩，初支采用20cm厚C20喷射混凝土，二衬采用70cm厚C25模筑混凝土，仰拱采用50cm厚C25现浇混凝土。初支与二衬间敷设EVA防水板，衬砌墙角处设置Φ100双壁波纹管，横向间隔10m设一道Φ100双壁波纹管与中心排水沟连接，仰拱底部为40×40cm预制中心排水沟，中心水沟同洞内纵坡，采用单坡排水，水排至出口左侧排洪沟中。洞内路面为22cm厚水泥混凝土面层+20cm厚C20素混凝土基层，仰拱与路面之间C15片石混凝土填充。

2 病害检测

根据专项检测，隧道病害主要表现为：衬砌掉块；衬砌裂缝；衬砌渗漏水；路面裂缝及破损。

（1）衬砌掉块。采用三维激光扫描仪对K109+876～K109+879段进行扫描，测得掉块长度3m，宽度0.6m～1.6m，掉块体积为2.78m3。K109+879～K109+883段衬砌开裂有发展趋势，错台达2.6cm；K109+983处衬砌掉块，衬砌厚度最薄处为4.5cm。K109+975～K109+987段发生掉块，掉块面积约1m2；K109+957处拱顶发生掉块，掉块面积约1m2，衬砌厚度最薄处为3cm。（2）衬砌厚度不足。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65.5%，测线位置共有9处衬砌厚度小于设计厚度二分之一的段落，总长63m。（3）衬砌裂缝。检测时发现273条衬砌裂缝，总长1871.5m，主要分布于K109+230～K110+030段，且以宽度0.5mm>D≥0.2mm的裂缝居多。裂缝主要分布在边墙和拱顶范围，边墙裂缝占裂缝总数量的63%，拱顶裂缝占裂缝总数量的25%。裂缝类型以竖向裂缝和横向裂缝为主，占裂缝总数量的53%，环向裂缝及网状裂缝均占裂缝总数量的10%。（4）衬砌渗漏水。检测时发现衬砌渗漏水10处，集中在K109+500～K110+000段落，渗漏水多表现为边墙点状渗水；较严重的为K109+695处施工缝渗漏水、挂冰，局部衬砌混凝土腐蚀、剥落。（5）衬砌背后空洞。检测时发现隧道拱顶存在31处衬砌背后空洞，累计长度228m，占隧道总长的7.9%。（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300m1處。经检测，仰拱填充不密实段落共57处，累计长度1031m；9处仰拱钻芯取样中，3处为无仰拱段落，6处为有仰拱段落，有仰拱的6处中4处回填不密实，6处均仰拱厚度不足和总厚度不足，无仰拱的3处中2处基层以下不密实。（7）洞内路面。检测时发现路面破损及坑槽29处，总面积为112.85m2；路面裂缝85条，裂缝板共计180块，裂缝总长度为930m。路面裂缝及破损主要分布在K108+829～K110+000段落内，右幅路面裂缝及破损数量占到了总数量的65%。

3 病害原因分析

（1）地质原因。隧道洞顶山体植被茂密，雨季时地表水易下渗，围岩含水量进一步增加。洞身穿越第四系上更新统风积黄土及白垩系下统泥质砂岩，泥质砂岩未见水时其强度较高，遇水后强度衰减，经地下水长期渗透，物理特性发生变化，围岩压力增大；受断层破碎带影响，围岩呈松散结构且稳定性差，围岩压力过大，造成衬砌开裂。隧道未设置仰拱段落，未形成封闭结构，基底围岩压力较大形成路面裂缝和破损。（2）结构原因。隧道拱顶衬砌厚度不足，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。裂缝的发展及贯通最终形成衬砌掉块。拱顶存在空洞，形成带状宽几十厘米至两米的压溃区，随着变形发展衬砌一层层剥落掉块。（3）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。

4 加固方案

（1）钢筋混凝土套衬加固。对于宽度小于0.2mm的裂缝，进行封闭和观察；宽度不小于0.2mm的裂缝，采用低压注环氧浆液修补。采用切槽引排、半圆管排水、引水管排水、墙脚泄水孔等措施，处治衬砌渗漏水。采用混凝土钻芯机钻注浆孔，穿透原二衬，注浆材料采用水泥浆液。K109+520～K110+000段病害集中段落，原二衬表面的照明配电箱等孔洞需回填，拆除孔洞内木模后，用C30防水混凝土回填密实。在原衬砌内侧设置35cm厚C30钢筋混凝土套衬，并浇筑50cm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，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，彻底解决隧道病害。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。K109+520～K110+000套衬加固段，拆除22cm厚水泥混凝土路面+20cm厚C20素混凝土基层后，拆除路面下C15片石混凝土回填及混凝土仰拱，重做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；K109+319～K109+520、K110+000～K110+110调整路面纵坡段，拆除22cm厚水泥混凝土路面+20cm厚C20素混凝土基层后，对C15片石混凝土回填进行局部凿除或铣刨，再按照原路面结构浇筑22cm厚水泥混凝土路面+20cm厚C20素混凝土基层；最后，全隧道采用2cm厚Novachip超薄磨耗层罩面。（2）型钢钢板加固。衬砌裂缝及衬砌背后空洞处治方案与套衬加固相同，衬砌渗漏水通过沿两侧拱脚的保温纵向排水管引至原中心水沟排出隧道。K109+520～K110+000病害集中段落，在原二衬表面采用H175型钢拱架及6mm厚A3钢板加固，拱顶设置6mm厚A3钢板，采用膨胀螺栓与衬砌混凝土紧贴锚固，螺栓间距100cm×100cm，梅花型布设；为避免对拱部电缆桥架造成影响，钢板端部距路面距离不小于5.7m。H175型钢拱架，纵向间距分50cm和100cm两种，钢拱架间设置Φ22纵向连接筋，环向间距30cm。原二衬两侧拱脚各植入6根50cm长Φ28钢筋，植入深度30cm，植入钢筋端部采用堆焊，Φ28钢筋与型钢连接牢固，保证结构整体受力，植入钢筋不得刺穿原衬砌防水板。为保证H型钢拱架底部稳定，需将型钢拱架拱脚置于稳定的混凝土面上。钢拱架及钢板外表面均采用底漆+中间漆+面漆进行防腐处理；底漆采用无机富锌底漆，中间漆采用环氧云铁中间漆，面漆根据需要选用不同颜色的氟碳面漆。拆除更换隧道内破损的水泥混凝土路面，最后全隧道采用2cm厚Novachip超薄磨耗层罩面。（3）型钢钢板与喷射混凝土加固。衬砌裂缝、渗漏水、衬砌背后空洞及洞内路面处治方案与型钢钢板加固相同。K109+520～K110+000病害集中段落，在原二衬表面采用H175型钢拱架及6mm厚A3钢板加固，型钢钢板加固完成后在其表面挂钢筋网喷射混凝土支护，形成25cm厚C25喷射混凝土套衬结构。endprint

5 比选结果

（1）钢筋混凝土套衬加固。优点：结构耐久性好、安全性高，解决加固段病害较彻底，且不影响隧道内机电、监控设备的安装。可通过降低路面标高、调整加固段前后纵坡，加固后净空满足规范要求。缺点：施工工期长，工程造价高，占用隧道净空大，涉及的段落较长。（2）型钢钢板加固。优点：施工方法简单，施工工期短，工程造价低，占用隧道净空最少，加固的段落最短，可及时满足通行要求。缺点：结构耐久性差、安全性低，解决加固段病害不彻底，尤其路面隆起和沉陷问题，影响隧道内机电、监控设备的安装。加固后型钢拱架侵入原设计净空，影响行车安全。（3）型钢钢板与喷射混凝土加固。优点：结构耐久性较好、安全性较高。缺点：施工工期较长，工程造价较高，占用隧道净空较大，解决加固段病害不彻底，尤其路面隆起和沉陷问题，严重影响隧道内机电、监控设备的安装。加固后喷射混凝土套衬侵入原设计净空，影响行车安全。（4）造价比较。对型钢钢板与喷射混凝土加固方案只做定性比较，对钢筋混凝土套衬加固和型钢钢板加固做定性和定量比較，钢筋混凝土套衬加固方案总造价约2980万元，型钢钢板加固方案总造价约1640万元。

经过比选，采用钢筋混凝土套衬加固的方案，尽管造价相对较高，但能更大程度保证围岩和衬砌结构的稳定性，彻底治理隧道病害，建议作为推荐方案。

6 结语

隧道结构加固的工程技术方案较多，应针对隧道实际情况，从对结构的影响程度、施工风险、施工工期、施工工艺及工程造价等多方面综合比选，确定最佳方案，达到费用省、效果好及安全性高的目的。隧道病害处治缺乏系统性，需要对病害机理及发展趋势进行深入研究，建立相关模型；对隧道结构的承载能力、工程措施的加固效果及加固后承载力验算等问题进一步研究，形成系统化的病害处治方案。

参考文献

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