大华岭隧道病害处治方案研究
2020-05-19李亚利连增强
冯 浩 李亚利 连增强 刘 柳
(1.中铁第五勘察设计研究院有限公司公路与市政工程设计处,北京 102600;2.中交远洲交通科技集团有限公司,河北 石家庄 050035;3.石家庄铁道大学土木工程学院,河北 石家庄 050043; 4.河北交通职业技术学院土木工程系,河北 石家庄 050091)
1 概述
张承高速公路张家口段,是河北省高速公路网布局“五纵、六横、七条线”中的重要组成部分,全长163.953 km,分两期建设,均采用双向四车道高速公路标准建设,设计时速80 km/h。一期工程张家口至崇礼段全长62.078 km,2010年10月建成通车;二期崇礼至张承界段全长101.875 km,2015年12月30日竣工通车。大华岭隧道(左线K540+943~K546+118,长5 175 m;右线K540+589~K546+233,长5 284 m)为分离式双向四车道特长隧道,是一期工程中的控制性工程,位于张家口市口里东窑子村东北,走向呈西南—东北,隧址区位于冀西北山地区,属中低山区,地势总体中部高、两侧低,分别向南部盆地低山丘陵区与中北部河谷阶地区倾斜。隧道建筑限界采用单洞净宽12.50 m(0.75+0.75+3.75×2+2.75+0.75),建筑限界高度5.0 m,隧道设双侧检修道。衬砌断面内轮廓采用三心圆方案,隧道净空、横断面组成除满足行车净空要求外,还考虑到通风、照明、消防及其他营运管理设施所需空间,隧道净高7.45 m。隧道自2010年10月通车以来,部分路段陆续出现路面局部隆起和纵向开裂、衬砌发生裂缝、检修道和电缆沟挤压错台等病害,影响到安全行车,对隧道结构安全带来很大隐患。
2022年冬奥会将在张家口崇礼举行,张承高速是通往冬奥赛场的重要交通道路之一,必须保证行车安全、舒适、美观、平顺。因此,需要对大华岭隧道出现的各种病害进行彻底整治。
2 病害情况与原因分析
2.1 病害情况
1)承德方向:路面隆起、路面紧急停车带纵向开裂(见图1a));
2)张家口方向:路面拱起,电缆沟侧墙挤压变形,电缆沟拱起影响范围约20 m(见图1b));
3)隧道左幅K19+945(原设计里程)处:拱顶衬砌环向开裂破损(见图1c));
4)隧道整体范围存在环向、纵向裂缝(见图1d))。
现场初步调查得到的整座隧道的病害路段和病害情况汇总于表1。
2.2 原因分析
出现以上隧道病害的主要原因是:
1)当时限于时间紧等因素,地勘做得比较粗,没有准确了解隧道围岩情况,从而导致围岩等级划分不够准确;
I类重金属元素Zn、Pb、Cu、Co、Ni等的质量分数均高于洞庭湖元素背景值,且在沉积物中产生了明显的富集,其污染程度及生态风险水平较高,说明这类元素的沉积受人类活动的影响较大,因此I类重金属元素的来源以人为源为主,主要源自区域内矿石冶炼等工业活动;II类中重金属Ba、V和Cr并没有明显的富集,基本没有达到污染程度,生态风险水平低,因此II类重金属元素的来源主要为自然源;III类重金属Mn虽有一定的富集,但其污染程度和生态风险水平较低,故重金属Mn可能既有自然源又有人为源.
2)隧道围岩中有膨胀岩存在;
3)河北高速公路隧道发展较晚,早期隧道施工与管理经验不足,再加上经济实力有限,各项管控不够到位,隧道施工质量难以保证。
表1 大华岭隧道病害汇总
3 处治方案
3.1 补做详细地勘
有效整治隧道病害,关键是要准确掌握隧道围岩情况,根据不同围岩情况,合理划定围岩等级,据此才能提出科学合理、经济可行的处治方案。为此,对大华岭隧道补做比较详细的地质勘探工作,主要对现场调查病害段采用地质钻探取样,再结合地质调查、病害调查、雷达检测等成果进行综合判断分析。病害段地质钻孔布设原则上沿隧道纵向按照100 m间距布置一个钻孔,根据现场实际病害发育区段在前后20 m范围选定钻探位置,地质情况差异较大时可适当加密钻孔。钻探采用长沙XY-150型工程钻机,钻孔孔径89 mm,非膨胀岩段钻孔深度至线路设计高程以下不小于2.0 m,膨胀岩厚度较薄路段钻孔深度应穿过膨胀岩层至下伏非膨胀岩地层不小于2.0 m,膨胀岩厚度较厚路段钻孔深度至线路设计高程以下不小于8.0 m。
根据公路隧道设计规范有关隧道围岩分级标准的规定,参考钻探、岩土测试资料和现场工程调查,定性分析和围岩质量指标[BQ]值的定量计算,综合确定病害路段隧道围岩级别(见表2)。
从表2可以看出,隧道病害段围岩主要是Ⅳ级(承德方向770 m、张家口方向575 m,共1 345 m)、Ⅴ(承德方向330 m、张家口方向450 m,共780 m)围岩,Ⅲ级围岩只在隧道左幅有75 m。而原来这区段隧道的围岩级别都是Ⅲ级,并据此进行设计和施工,显然与实际严重不符,是造成隧道病害发生的关键所在。
表2 病害路段隧道围岩级别
3.2 处治方案
针对隧道病害情况,需要对隧道结构进行补强处理,隧道目前是按Ⅲ级围岩修建的,没有设置仰拱,需对其进行结构加强。根据以往经验和有关资料介绍,既有隧道补强的常用处治措施有隧底注浆、增设锚杆(管)、隧底换填、增设仰拱等等,其中增设仰拱补强效果最大。隧道仰拱是衬砌结构的重要组成部分,特别在软弱围岩段,仰拱对提高隧道结构的承载力、抑制围岩内塑性区的扩展、约束隧道洞周围位移的发展、提高衬砌结构的安全度等方面都具有非常重要的作用,特别是在隧道侧压力较大的软弱围岩或膨胀性岩体中这种作用尤为明显。所以决定主要采用“增设锚杆(管)、增设仰拱和隧底换填”的方案来补强隧道结构,具体各段处治方案见表3,隧道处治方案断面设计如图2所示。
表3 大华岭隧道病害处治
3.3 方案实施步骤
1)进行交通管制,考虑到隧道施工的特殊性,采用半幅断交施工、半幅通车的交通组织形式,利用K540+533隧道前贯通车道和547+873中央分隔带开口作为车辆变道行驶的通道。
2)清查隧道排水系统,通过查阅设计、竣工资料并现场标注边沟、检查井(边沟检查井、沉沙井、中心沟检查井)位置,确定横向排水管、纵向排水沟位置,制定横向排水、纵向排水的措施。由于病害治理段落位于隧道进口2 km左右,整个隧道纵断排水方向为向隧道进口排水,病害处治位置φ400中心排水沟上游约有3.3 km的隧道内部排水经过病害处治段落,为防止隧道底开挖过程中外部水影响隧道基岩,病害治理过程中需要做好中心排水管和横向排水管的保护和恢复工作。
3)对检修道电缆槽内的管线设施采取临时保护措施,防止施工过程中损坏,为防止凿除损坏的电缆槽侧墙、路面时造成管线的滑落损坏,采用临时托架进行保护,临时托架间距按照4 m计。
4)开挖前应按设计要求施作锁脚、临时支撑等措施。在隧道两侧边墙用直径×壁厚=76×6 mm注浆钢花管及直径×壁厚=108×6 mm注浆钢花管锁脚,钢花管长6 m,纵向排距100 cm,注浆压力1 MPa~2 MPa,注浆采用水泥浆液,注浆后钢管内采用M30水泥砂浆填充,以提高钢管刚度。
5)拆除现有路面、路基及路基填充,对原有岩石基底进行加深、铲平,然后喷射混凝土。a.路面及基层宜采用机械开挖;爆破开挖时,应采用小药量预裂爆破或静态爆破;b.开挖作业不得影响隧道结构安全,每次开挖长度不宜超过3 m~5 m;c.拆除过程中,应加强监测,发现异常及时采取措施。
6)拱底设置5 m长R32N自进式径向中空注浆锚杆,以控制底鼓和侧壁挤入。
7)增设仰拱,底部铺设钢拱架(纵向间距与拱部初期支护钢拱架间距一致,并尽可能与其对接起来),底部打入长5 m的R32N自进式中空注浆锚杆,布置间距100 cm×60 cm,端部与钢拱焊接在一起,第一次浇筑C25混凝土初期支护仰拱厚25 cm,再进行二衬仰拱配筋并浇筑C40混凝土,仰拱厚50 cm,最后用C15片石混凝土进行仰拱回填。
a.仰拱初期支护钢拱架施工时要设置纵向钢板与钢拱架焊接确保其两端与原有隧道结构的有效连接,增设的仰拱两端与原有隧道墙脚部位钢筋采用植筋的方式做好有效连接,仰拱浇筑前,先进行既有衬砌拱脚植筋和凿毛处理,植筋采用φ25螺纹钢筋,植入深度为40 cm,间距30 cm。植筋钻孔宜为30 mm,钻孔钻进方向应与衬砌面尽量垂直,钻孔位置位于衬砌中心。
b.仰拱混凝土宜整体模筑、振捣密实,并做好与原结构的衔接及接缝处理,仰拱填充应在仰拱混凝土强度达到70%后进行,填充用片石混凝土中片石量不应超过20%,片石间距应不大于粗集料的最大粒径,应分层摆设,浇筑混凝土后应振捣密实。
8)将拆除过程中破坏的纵、横向排水管、中心排水沟进行新旧衔接后,用C15片石混凝土进行仰拱回填。恢复横向φ100PE波纹排水管按5 m一道设置,与中心水沟连通,衔接位置处做好连接,最终将水流通过中心排水沟排出洞外。恢复由于养护施工凿除的边沟检查井、沉沙井、中心沟检查井。
9)路面基层和面层、电缆沟等按原结构层进行恢复。路面结构采用4 cm沥青混凝土抗滑层+6 cm中粒式沥青混凝土+26 cm水泥混凝土+20 cm水泥稳定级配碎石。
10)恢复路面标识、标线等交通标志。
4 结语
结合查询原始设计施工资料、现场调查和补做详细地勘所提出的以增设仰拱为主的大华岭隧道病害处治方案,经过两次专家咨询会的审查,认为处治方案补做地勘比较详细,处治方案总体合理、可行,安全性高,可以付诸实施。