隧道路面病害成因分析与处治措施研究

2017-10-10李永永薛勇杰

山西交通科技 2017年6期

李永永，薛勇杰

（1.山西省交通科学研究院，山西太原 030006；2.福州大学土木工程学院，福建福州 350116）

随着持续多年的国家基础设施大投资，我国隧道工程的总里程跃居世界第一。由于地质条件、设计水平、施工管理、运营过程中各种因素的影响，大部分隧道在运营中会出现不同程度的病害，隧道病害处治施工与运营相互干扰，成本高、难度大，引起了建设、管理、设计、施工等各方的高度重视。

1 工程概况

1.1 地质地貌

隧道进洞口位于斜坡上，斜坡自然坡度25°～35°；出洞口处被冲沟切割，自然坡度40°～55°；隧道通过段地形呈波状起伏，沟谷纵横，高程最小为432.5 m，最大为1 072.0 m，相对高差639.5 m，地形起伏较大。场地地貌属于构造剥蚀低山地貌。隧道围岩岩层分布为第四系崩坡积块石土（Qc+dl）和残坡积亚黏土（Qcl+dl）、侏罗纪下统珍珠冲组（J1z）砂岩、三叠系上统须家河组（T3xj）、砂岩夹煤和三叠系中统巴东组泥灰岩、灰岩和泥岩。地质构造形式以褶皱变形为主，而断裂构造不发育。本隧道围岩以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主。主要工程地质问题包括软质岩泥岩及泥灰岩的软化变形、可溶性碳酸盐泥灰岩及灰岩的岩溶孔洞、埋深较大地段的高地应力分布。

1.2 气象水文

隧址区属于中纬度亚热带暖湿季风气候区。气候温和湿润，雨量充沛，四季分明，冬多绵雨。年平均气温为16.4℃，1月（最低）平均气温为5.1℃，7月（最高）平均气温为27.5℃，极最高气温为43.1℃。年平均降水量为1 179 mm，其中3—8月降水量占全年降水量可达68%，最大3 d降水量为200～350 mm，最大24 h降水量80～120 mm。隧址区主要地表水体为隧道进洞口附近的朱衣河和降雨，地下水主要为岩溶裂隙孔隙水和基岩裂隙水。

1.3 地震区

根据《中国地震动参数区划图》（GB 18306—2015），该区地震基本烈度相当于6度，地震动峰值加速度为0.05g；地震动反应谱特征周期为0.35 s。

2 隧道病害情况

重庆市某隧道为双向四车道分离式特长隧道，隧道自西向东横穿小山包，其最大埋深618.00 m，并以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主。隧道起讫桩号为K100+960—K106+045，长 5 085 m；右线起讫桩号为 YK101+000—YK106+080，长 5 080 m。2015年左洞LK102+960—LK104+980段部分段落出现路面开裂变形，电缆槽长距离倾斜变形和破损的情况，已影响到隧道运营安全。业主单位于2015年5月委托检测单位对该段路面病害进行了专项检测，2015年9月发现该洞LK105+390—LK105+480路面同样出现变形开裂和破损情况。

图1 路面纵向裂缝

图2 电缆槽壁倾斜及开裂

3 路面开裂原因分析

根据实地踏勘及现场调研结果，发现病害呈现如下现象：

a）路面病害发生的路段不连续。

b）电缆沟槽出现倾斜。

c）隧道路面裂缝大部分位于隧道中线附近。

d）仰拱填充混凝土沿纵向出现裂缝，裂缝宽度从上至下明显缩小。

e）出现裂缝部位多数位于Ⅲ、Ⅳ级围岩。根据调研结果及相关勘察设计施工资料可推断出本隧道复合式路面裂缝为路基底开裂引起的反射裂缝，具体原因归纳为水文地质、设计方面和施工方面。

3.1 水文地质因素

根据勘察设计资料可知，该隧道路面病害段底部围岩主要为煤系地层，以泥灰岩夹泥岩为主，裂隙发育、岩体破碎、稳定性差，且泥岩属软岩类，强度和硬度均很低，围岩软弱，遇水易软化和膨胀。一方面本隧址区内地质构造以褶皱变形为主，受背斜构造，隧址区地下水发育，为围岩软化及膨胀提供条件；另一方面由于围岩高地应力场产生的变形，使隧道两侧部分排水沟底混凝土破坏，当隧道中心排水沟等排水设施严重堵塞，临时排水设施不完善时，隧道地下水及隧道地表水在渗透作用下通过水沟渗入仰拱底部，引起围岩软化及膨胀，当隧道仰拱底部围岩长期受水浸泡软化，地基承载力就会下降。在重载交通循环荷载与围岩地应力的不利耦合作用下隧道底板岩体强度将进一步衰减，在隧道围岩压力及二衬应力不断重新调整下，强度不足处仰拱及填充混凝土发生变形开裂进而引起二衬拱顶、拱腰、拱脚和边墙开裂，最终造成隧道沥青路面开裂、坑槽等病害及电缆槽破坏。

3.2 设计因素

路面病害路段隧道围岩主要为Ⅲ、Ⅳ级，仰拱设计无论是紧急停车带路段还是普通路段均未采用钢筋混凝土结构，均为普通素混凝土及无仰拱段，设计上对地应力较大，地下水发育丰富区软弱夹层泥岩、泥灰岩地质特性认识不足，未考虑仰拱底部围岩在地下水影响下后期强度衰减特性，导致隧道无拱段强度回填混凝土开裂，进一步反射到沥青路面。

3.3 施工因素

隧道施工未按照相关技术标准及规范作业，如仰拱底部虚碴未清除干净，超挖未严格处理，仰拱填充段落欠密实。另外高地应力区软弱围岩隧道施工时未充分考虑围岩蠕变特性导致二衬支护时机选择不当，影响围岩及衬砌结构应力调整与设计文件不匹配。

4 路面病害处治方案

4.1 病害处治原则

隧道病害整治设计要坚持“一次根治、不留后患”的治理原则[1-2]。

在设计中要充分掌握隧道衬砌、排水、路基构造，根据调查正确分析掌握病害产生的原因，针对性地提出处治措施。

综合考虑隧道运营情况及施工中的安全性、耐久性及经济性等。

4.2 综合处治方案

隧道拱脚与拱底的开裂变形病害是引起隧道路面开裂、鼓包，混凝土面板开裂、断板，电缆槽和排水边沟变形、破损等的主要原因，因此，隧道拱脚与拱底变形病害的处治对阻断隧道路面病害的发生和保证隧道运营安全尤为重要。

4.2.1 拱部处治方案

对于隧道内路面纵、横向裂缝较为密集、发育地段，采用拱底注浆法，首先在路面结构破除前对二次衬砌墙脚进行锁脚加固，锚杆长400 cm，梅花型布置@20×60。然后对路面左右侧换幅进行破除。当开挖至基底标高时先初喷混凝土，再打设基底锚杆、挂钢筋网，复喷混凝土，最后施作路面结构层，具体情况见图3。

图3 拱部注浆方案图（单位：cm）

对于隧道路面混凝土面板断板、隆起严重、拱脚变形过大、电缆槽和排水边沟严重变形破坏的情况，增设仰拱是一个最有效的处治方案。采用破除原路面及填充物，在仰拱开挖和墙脚混凝土凿除前，打设锁脚锚杆，锁脚锚杆端部须设（20×20×1）cm的垫板；仰拱开挖禁止全断面开挖，且须采用跳槽开挖，每次开挖长度不得大于3 m；仰拱增设仰拱须与原衬砌边墙顺接，厚度为50 cm，具体情况见图4。