某公路隧道衬砌病害成因分析及临时加固措施研究

刘卫平

（山西诚达公路勘察设计公司，山西 太原 030006）

通过对大量运营隧道健康评估可知，大多数隧道在建成并服役一定年限后，由于地质、设计、施工、养护等多方面的原因，总会出现或多或少不同程度的病害问题，严重时将影响隧道的正常运行，危及行车安全。其中，隧道衬砌开裂和错台是最常见的隧道病害。

在隧道病害研究方面，国内学者已结合国内实际情况开展一系列研究。刘海京等[1]通过大量实地调研，对现有隧道病害的研究方法进行了总结归纳，同时指出了现有研究方法中的不足以及展望。冯冀蒙等[2]研究了隧道病害分布规律，并对周边围岩环境进行了等级划分。李永永[3]对官道岭隧道的病害进行检测，分析了病害产生的主要原因，并提出了针对性的处置措施。

本文通过采用多种监测和物探手段，探明某公路隧道衬砌裂缝病害产生原因，并提出相应的临时加固措施，将5类隧道提升为更高级别的隧道，在最短的时间确保了隧道正常通行，经济社会效应显著。

1 工程病害情况

1.1 工程地质水文概况

依托隧道工程地质情况如图1所示，隧道为浅埋偏压短隧道，单向两车道，围岩级别主要为Ⅳ级和V级为主，地质破碎。隧道平均埋深18.6 m，上面覆盖有深厚黄土层。隧址区黄土梁呈北西向延伸，隧道进出口山谷走向近东西向，与隧道轴线近垂直相交，隧道进出口沟谷发育，地形切割强烈，多见陡坎。通过地质勘查报告可知，地层从上至下分别为黄土层、强风化泥岩、中风化泥质砂岩、中风化砂岩以及中风化泥岩层，其中泥岩层对隧道影响较大。通过现场物探揭露出区域地质构造有褶皱和断裂构造，其中断层为正断层，并与隧道轴线近似垂直相交。

隧址区属于干旱-半干旱地区，全年降雨量主要集中在6—9月份，隧道上方地表水为季节性流水，平时干枯，雨季可形成短暂的地表径流。地下水主要赋存于下部的基岩裂隙中，含水性相对较弱，主要为大气降雨补给。隧道中地下水以排水涵洞或边坡排水管形式排泄。

图1 依托隧道工程地质情况

1.2 隧道病害特征

该隧道自建成运营以来，洞内二次衬砌在拱顶、边墙以及排水沟处就出现若干细小裂缝，裂缝形态呈环向、纵向以及斜向分布，并呈逐年增多和扩大趋势。其中在2017年3月，衬砌裂缝出现了突然扩展，裂缝病害最严重处环向裂缝贯通，最大宽度达到21 mm，衬砌破损严重，隧道顶部随时有掉块的可能，存在较大安全隐患。现场隧道裂缝及其监测情况如图2所示，经过近一年的监测，目前裂缝的发展趋于稳定。该隧道经专门检测机构检测后评定为技术状况最差的5类隧道，即隧道处于危险状态，已经危及到隧道运营安全，应及时关闭交通，并采取相应措施进行维修改造[4]。

图2 隧道裂缝及监测手段

2 病害原因分析

2.1 边坡稳定性影响分析

根据现场钻探结果显示，隧址区坡体中存在两个可能导致坡体产生滑移的软弱带。其中，上层软弱带位于土石界面附近，软弱带主要为黄土和泥岩，含水量较高。岩体破碎，节理裂隙发育，岩质较软，遇水易分解，部分软弱带中土石混杂，扰动明显。下层软弱带主要位于泥岩中，主要成分为黏土矿物，节理裂隙发育，岩质较软，有扰动痕迹。可初步判断隧道上方坡体曾发生过滑移或正在蠕变中。

通过进一步的地质调绘及钻探揭示，隧道上覆边坡体为一古滑坡。该滑坡分为上、下两部分，上部为土质滑体，下部为岩质滑体。滑坡的前部变形量小、后部变形量大，上部滑体整体滑动，下部滑体整体蠕动，中前部也没有出现明显的张拉裂缝，因此可判断该滑坡为推移式滑坡。经过专家多方论证，最终认为隧道上方坡体为潜在不稳定滑坡体，对隧道变形产生一定的影响。但认为该坡体较为平缓，且坡脚前缘存在规模较大的稳定土体作为支撑，隧道设计服役期限内基本不会再产生显著滑移，可认为一定时间内边坡是处于稳定状态的，对隧道影响较小，因此可暂时不考虑坡体滑移的影响。

2.2 隧道周边围岩影响分析

通过在隧道内钻芯取样发现，隧道衬砌病害最严重地段隧道底板下部存在较厚的中风化泥岩，含水率较大，岩质较软，岩体破碎，节理裂隙发育。结合隧道排水边沟的不均匀沉降变形裂缝，可推断隧道下部软弱泥岩对隧道衬砌裂缝产生具有较大的影响。隧道周边的水通过排水通道渗入下方泥岩层中，泥岩遇水软化，不同部位基础刚度的差异导致隧道产生不均匀沉降，从而产生较大的环向裂缝。因此，隧道围岩中的软弱泥岩层是导致隧道衬砌病害产生的重要因素之一。

2.3 隧道施工质量影响分析

为探明衬砌施工质量对隧道病害产生的影响，现场采用美国劳雷公司生产的GSSI SIR30地质雷达对衬砌拱顶、左右拱腰以及左右边墙5个位置进行扫描。探测结果显示，隧道衬砌背后存在较多的空洞或脱空段，每条测线上均存在不同程度的缺陷，其中拱顶处衬砌背后空洞或脱空缺陷最多，达23处，最大脱空长度达到8 m。说明隧道混凝土施工时，多处混凝土浇筑质量不合格，衬砌背后空洞导致衬砌受力不均匀，局部地区会出现明显的应力集中，在高应力作用下，混凝土产生不同程度的开裂。

3 临时加固方案

由于该高速公路为南北向主干高速，车流量大，尤其是载重大货车往来频繁，若长时间封闭隧道必然带来较大的经济损失，同时引起严重的社会不良影响，而为了确保该隧道的正常安全运营，防止隧道可能产生的掉块对行车安全的影响，必须对隧道进行一定的临时加固措施，将5类隧道提高至较高级别的安全等级，首先尽快保证安全通车。经过多种方案的比选，最终确定如下临时加固措施。首先对衬砌背后空洞进行注浆填充密实，保证隧道均匀受力。同时对病害严重部位通过粘贴W钢带进行补强。采用W钢带可以最大限度减小对隧道行车影响，经济高效、施工速度快，在不对衬砌进行大拆大换的前提下，保证隧道整体质量。

具体方案为：a）沿隧道衬砌纵向凿除8 mm厚混凝土；b）在隧道拱顶、拱腰以及边墙处粘贴5道厚8 mm、宽250 mm的钢板；c）通过在衬砌和钢带表面涂刷胶黏剂，将钢带黏结在衬砌表面，并采用锚栓固定钢板；d）沿衬砌全断面粘贴厚5 mm，宽250 mm的W钢带，钢带纵向间距0.3 m，并采用锚栓固定钢带。

通过上述临时加固方法，将5类隧道提升至4类隧道，在最短的时间内保证了隧道的正常运行，加固效果良好。

图3 隧道临时加固方案

4 结论

运营隧道病害的产生原因往往是多方面的，有自然因素的，也有人为因素的。勘察设计缺陷以及施工过程中的偷工减料，监理不到位等都会导致隧道在设计使用年限内出现各种各样的病害问题，严重时将强制封闭道路，进行大修，这就给国家和人民带来巨大的经济损失，社会影响恶劣。本文针对该公路隧道病害实际情况，探明可能导致病害产生的多方面原因，提出了尽可能减小对隧道正常运营产生影响的临时加固措施，相关研究可为同类隧道病害处治提供借鉴和参考。