寒区隧道病害成因分析与处治措施研究

路 平

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我国寒区面积占国土面积的43.5%[1]，随着交通事业的不断发展，寒区隧道修建规模越来越大。在寒热交替和地下水的作用下寒区隧道极易产生不同程度的病害，主要表现为衬砌裂缝及渗漏水。

衬砌裂缝及其引起的渗漏水造成多方面的危害：

a）衬砌裂缝影响隧道结构安全性和耐久性，易使驾驶员产生不适感，影响安全驾驶。

b）衬砌裂缝为渗漏水提供通道，使岩层中氯盐、硫酸盐进入衬砌裂缝，造成局部衬砌结构的腐蚀破坏。

c）渗漏水会降低隧道内机电、通风、照明等设备的安全性及使用性能。

d）渗漏水会使路面积水甚至结冰，降低了轮胎与路面的摩擦力，恶化行车环境，威胁行车安全[2]。

e）拱墙上悬挂冰柱、冰溜，侵入隧道净空，威胁行车安全。

鉴于此本文针对寒区隧道病害成因与处治措施开展深入研究，旨在保证行车安全和延长道路使用寿命。

1 工程概况

山西省某隧道建成于1997 年，为分离式隧道的上行线，全长1 850 m，最大埋深203 m，穿越Ⅲ、Ⅳ、V 级围岩，单向两车道隧道，设计速度60 km/h。

隧址处为温带大陆性季风气候区，四季鲜明。年平均气温6.4℃，1 月平均气温-8.7℃，历史最低气温-27.3℃。年降水量410 mm，无霜期130 d。最大冻深1.1 m。

隧道通过地层主要为奥陶系中统马沟组，以石灰岩为主的碳酸盐系，中厚地层；其次为白云质页岩，中薄层。岩层平缓局部水平，节理的主导方向为南北向，间距为0.2～1.5 m。隧道傍山跨沟，山上有潜水层，地下水较发育。受围岩裂隙影响，地下水易聚集于隧道周边。

2 隧道病害情况

经专项检查发现衬砌裂缝138 条，其中环向88条，占裂缝总数63.8%；水平向30 条，占裂缝总数21.7%；倾斜17 条，占裂缝总数12.4%；网状有3 处，占裂缝总数2.1%。裂缝宽度介于0.15～2 mm 间，部分裂缝已经贯通。典型裂缝部位、方向、长度、宽度及深度参数见表1，K10+410 处衬砌网状裂缝见图1。

表1 典型裂缝的部位、方向、长度、宽度及深度

衬砌表面有11 处施工缝渗水，2 处面状渗水，4 处点状渗水。渗水量随雨季到来而增加，冬天渗水处产生结冰，可能在地面形成冰柱、冰溜。典型渗漏水的部位、种类及状态见表2，K9+970 处施工缝渗水见图2。

表2 典型渗漏水的部位、种类及状态描述

图2 K9+970处施工缝渗水

3 病害原因分析

3.1 衬砌裂缝

隧道衬砌裂缝的主要原因有：

a）反复的冻融循环，地下水贮存于衬砌内部时冻胀力使衬砌混凝土承受拉力而开裂；地下水贮存于衬砌和围岩之间时冻胀力使衬砌承受弯矩而开裂。

b）隧道防排水设施不完善，导致衬砌背后积水，使衬砌承受较大水压；同时积水软化围岩使衬砌结构承受较大围岩压力。

c）局部段落存在脱空、不密实等缺陷，导致围岩松动区变大，使围岩压力变大；同时脱空、不密实易产生应力集中。

d）锁脚锚杆施工不规范导致拱脚稳定性差，隧底施工不规范或没施作仰拱，使衬砌承受较大弯矩产生纵向、斜向裂缝。

e）伸缩缝、变形缝的施工质量差，是多数环向裂缝产生的主要原因[3]。

3.2 衬砌渗漏水

衬砌渗漏水的主要原因有：

a）隧道开挖后，地层的原始地应力重分部，隧道周围一定范围形成了围岩松动区，围岩变形裂隙增大，地下水沿裂隙流到隧道周边。

b）隧道防排水系统施作存在缺陷，衬砌背后存在不密实区及空洞，使地下水汇集难以排出。

c）隧道伸缩缝、变形缝施工不规范，隧道因各种原因产生裂缝，为渗漏水提供通道。

4 病害处置方案

4.1 裂缝补强设计

对于宽度小于等于0.2 mm 的裂缝，裂缝表面涂抹裂缝封闭胶进行封闭。首先沿裂缝剔除疏松混凝土，擦净表面浮尘并保持干燥，再用腻子刮刀等工具将封闭胶均匀涂刮于裂缝处，封闭胶须无气泡且表面平整。涂抹宽度大于等于5 cm，厚度大于等于3 mm，中心部位厚两边渐薄。裂缝封闭胶性能指标应符合《公路隧道加固技术规范》（JTG/T 5440—2018）的要求。

对于宽度大于0.2 mm 的裂缝，进行裂缝凿槽注浆补强。在裂缝表面骑缝钻15 cm 深、8 mm 直径的孔，间距30～40 cm，缝宽可疏缝窄宜密。裂缝最上方孔作排气孔，其他孔为注浆孔。沿裂缝凿出宽15 mm深15 mm 的V 形槽。粘贴注浆底座并用改性环氧砂浆封闭V 形槽。注入环氧树脂类裂缝修补胶进行裂缝补强，注浆顺序由下向上。排气孔在排出裂缝内的气体后喷出的浆液与注入的浆液浓度相同时，可停止注浆，在保持压力下封堵灌浆嘴。裂缝凿槽注浆补强示意图如图3。

图3 裂缝凿槽注浆补强示意图

衬砌开裂严重或存在严重缺陷时，衬砌承载力不能满足要求，须对衬砌进行加固。采用全断面粘贴幅宽 250 mm、厚 5 mm、高 25.5 mm 的 W 钢带进行加固。W 钢带各项指标须满足MT/T861—2000《矿用W 型钢带》的要求。W 钢带截面示意图如图4。两环钢带纵向中心间距100 cm。在衬砌及钢板表面涂刷胶黏剂，使衬砌与钢板黏结为一体，再采用间距40 cm 锚栓固定钢板。锚栓采用M16 化学锚固螺栓，植入深度不小于16 cm。

图4 W钢带截面示意图（单位：mm）

4.2 渗水处治设计

衬砌渗漏水处治按“宜疏不宜堵”原则进行，通过治理达到“不渗不漏”的效果[4]。

在衬砌上沿渗漏水位置凿12 cm×12 cm 的矩形槽，凿槽埋管长度向未漏水裂缝延伸长度不小于10 cm。槽内从外到内依次设置Φ100Yas 排水半管、遇水膨胀嵌缝胶、岩棉保温板和铁皮。Yas 排水半管向下延伸至排水边沟。为了对围岩深处的地下水进行引流，在槽中间施作Φ40 引水孔，深入围岩50 cm，向上倾角不小于10°。U 形导流槽结构图和裂缝渗漏水处治图如图5、图6。

图5 U形导流槽结构图

图6 裂缝渗漏水处治图

Yas 排水半管可任意弯曲，能适应各种形状裂缝的需要。遇水膨胀嵌缝胶在现场施工，且遇水膨胀，能阻断渗水路径保证防水效果。采用岩棉保温板作为填充材料，具有防火与保温效果，避免冬季水体冻胀和发生火灾对处治结构的破坏。

对于施工缝、变形缝处的环向渗漏水，沿施工缝、变形缝设置环向U 形导流槽；对集中的点状、面状渗漏水和斜向裂缝渗漏水，可沿渗漏水主要位置设置U 形导流槽并接入附近环向U 形导流槽，亦可直接将渗漏水引到拱脚处的排水边沟，U 形导流槽布置示意图如图7 所示。当渗漏水面积较大时，可间距5 m 设置多道U 形导流槽。

图7 U形导流槽布置示意图

渗漏水衬砌表面涂刷2 mm 厚高效防水材料，涂刷范围应向渗水边缘线外延伸10 cm。

5 结语

本文依托山西省某寒区隧道的病害情况，针对寒区隧道病害成因和处治措施进行了研究：

a）明确了寒区隧道衬砌裂缝和渗漏水的主要原因。

b）提出了裂缝凿槽注浆补强、W 钢带加固和U形槽导流等处治措施。实践表明该工法能很好地解决寒区隧道裂缝和渗漏水问题。该工法具有施工方便、占地小、工期短、成本低、净空损失小等优点。在寒区隧道病害处治中具有很好的应用前景，经济效益显著。