基于既有隧道健康检测的小净距立体交叉新建隧道安全性分析

孟庆一

摘要：新建隧道施工前对既有隧道做病害检测既能评估既有隧道的使用性能，还可对新隧道施工的合理性和安全性提出建设性的建议。因此应用地质雷达、微观观测、混凝土回弹、激光检测等技术，结合钻芯法及室内抗压强度试验，对既有隧道病害产生原因进行全面检测旨在为下穿隧道开挖提供理论指导，既有隧道检测结果表明：①隧道发育有纵向裂缝、竖向裂缝及环向裂缝，其中纵向裂缝占比达到50%以上，最大宽度达0.35mm，最大深度达到98.82mm，对隧道结构的危害也最严重;②实测隧道内轮廓线形与设计内轮廓线形基本符合，拱顶和拱腰位置多表现为侵入设计断面的偏差，偏差最大的部位可达39mm，拱脚附近多表现为远离设计断面的偏差，偏差最大部位可达46mm，说明拱顶和拱脚是破坏最严重的区域，应作为修复的重点;③二衬均存在空洞、不密实、或脱空现象，二衬厚度82%的测点位置能达到设计要求，局部存在欠厚，最大欠厚值为19.7cm，应对二衬欠厚严重的地區进行整治。

Abstract： The disease detection of the existing tunnel before the construction of the new tunnel can not only evaluate the service performance of the existing tunnel， but also put forward constructive suggestions for the rationality and safety of the new tunnel construction. Therefore， by using geological radar， micro observation， concrete rebound， laser detection and other technologies， combined with the core drilling method and indoor compressive strength test， the comprehensive detection of the causes of the existing tunnel diseases aims to provide theoretical guidance for the excavation of the underpass tunnel. The detection results of the existing tunnel show that： ①there are longitudinal cracks， vertical cracks and circumferential cracks in the tunnel， among which the longitudinal cracks account for The ratio is more than 50%， the maximum width is 0.35mm， and the maximum depth is 98.82mm， which is also the most serious damage to the tunnel structure; ②the measured inner contour of the tunnel is basically consistent with the design inner contour. The position of the arch crown and the arch waist mostly shows the deviation of the invasion into the design section， the position with the largest deviation can reach 39mm， and the deviation near the arch foot is mostly the deviation away from the design section， and the largest deviation can reach 46mm， which indicates that the vault and arch foot are the areas with the most serious damage， which should be taken as the key point of repair; ③there are cavities， uncompacted or hollowed phenomena in the secondary lining. The measuring points with 82% of the thickness of the secondary lining can meet the design requirements， and there is partial under thickness， with the maximum under thickness of 19.7cm. The areas with serious under thickness of the secondary lining should be treated.

关键词：立体交叉;地质雷达;微观检测;小净距;加固;仰拱注浆;下穿技术

Key words： grade separation;geological radar;micro detection;small clear distance;reinforcement;invert grouting;underpass technology

中图分类号：U45                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）19-0165-07

0  引言

目前，我国的高速铁路建设发展迅速，新建铁路四通八达、纵横交错。各种隧道工程的间距也因特殊地质条件或是诸多其他因素而变得越来越接近[1-2]。新建隧道的施工必定会对既有隧道造成一应的影响，因此为使新建隧道正常施工，对既有隧道做一个全方位的病害检测即可评估老隧道的使用性能，还可对新隧道施工的合理性和安全性提出建设性的建议[3-5]。

铁路隧道下穿既有公路隧道必定会产生扰动，而扰动变形主要包括公路隧道路面的沉降与隆起、差异沉降等，因此在草莓沟2#隧道下穿盘道岭公路隧道开挖施工时，应时刻掌握立体交叉隧道中新建隧道的围岩应力分布、隧道结构内力和围岩稳定性等的规律[6-8]。对既有盘道岭公路隧道病害产生原因综合分析来评价下部草莓沟2#隧道施工开挖对既有隧道的扰动情况。对立体交叉隧道的净距、结构设计等提供参考依据，对交叉近接隧道的施工也具有指导意义[8]。

隧道的病害大致有衬砌开裂、错台、掉块等[9-11]。Inokuma A[12]等通过研究详细解释了隧道病害的原因为隧道漏水冻害、挤压、路面变形等因素;邹育麟[13]等搜集统计重庆地区现役187座高速公路营运隧道，观测并测量隧道裂缝的发育规律和闭合度，渗漏水形式和渗漏部位，并就地下水、衬砌裂缝以及渗漏水之间的关联性进行了探讨，为公路隧道渗漏水病害的防治与营运期间的维护提供参考;何川[14]等采用室内模型试验，研究隧道收到同种病害条件下，采用不同的内表面补强材料刚度并考虑补强范围对结构最终承载力的影响，为隧道的维护管理提供宝贵的意见;李又云[15]等在探地雷达检测隧道整体道床质量的基础上，运用数学模拟，对地质雷达检测隧道整体道床厚度及密实度的可靠性进行了理论的分析与总结;刘会迎[16]以宏、微观相结合的方法分析了渗漏水、冻害、衬砌裂损及衬砌腐蚀4种常见隧道病害的表现形式，并对隧道病害产生原因进行全面检测进行检测。

鉴于此，本文应用地质雷达法、微裂缝监测技术、回弹法、钻芯法、断面检测等方法详细检测并分析公路隧道的分析其产生机理和发展趋势，考虑公路隧道本身的质量问题更增加了下穿施工难度，根据检测结果提出支护方案。在下穿技术上，下穿隧道应采用先开挖上部及中部两侧形成环形受力承载拱，其次开挖核心土及仰拱部分，同时辅以围岩注浆加强、弱爆破、超前地质预报、监控量测等技术手段，从而保证了近接交叉区段的安全跨越。

1  工程概况

草莓沟2#隧道与既有盘道岭公路隧道于JDLDK158+181～JDLDK158+161里程交叉。交叉影响段为Ⅳ和Ⅴ级围岩，岩石主要为混合花岗岩，岩体破碎，节理裂隙发育或不发育，存在基岩裂隙水，极易掉块塌方，未发现大型不良地质构造。施工中防止由于掌子面前方围岩存在断裂带、破碎带造成的岩爆、突泥、涌水等地质灾害[17-18]。

本次检测时以里程桩号从小到大的方向为前进正方向，并以此为基礎确定左、右方向。

下穿铁路隧道情况简介：

盘道岭铁路隧道位于丹东市振兴区，进口位于锦江山东侧，出口位于山城一组南侧，总体呈SE 向展布[18]。隧道进口里程JDLDK0+355，出口里程JDLDK5+225，全长4870m，隧道为单线隧道[17]。

盘道岭铁路隧道于JDLDK4+015.5 里程处下穿既有丹汤公路盘道岭右线隧道，交叉里程处隧道轨面高程为21.21m，轨面至隧道结构顶高度为7.13m[17]。

草莓沟2号铁路隧道位于丹东市草莓沟村，进口位于草莓沟村东，出口位于山城1队，总体呈SN 向展布[17]。隧道进口里程TJLDK154+965，出口里程TJLDK159+227，全长4262m[17]。

本次监测的重点内容是对既有盘道岭公路隧道的断面尺寸，结构全面检测，通过对既有盘道岭公路隧道检测来指导下部草莓沟2#隧道施工开挖及支护方案。

2  既有隧道内轮廓检测

2.1 结构外观检查

对衬砌混凝土外观质量、渗漏水情况进行检测，并对其分布情况进行记录和统计。对于表层裂缝，可通过裂缝比对卡片观测或裂缝观测仪检查裂缝宽度，深度可用裂缝深度检测仪检测。

检测选取右幅K5+148～K5+268及K5+475～K5+567范围内6处裂缝进行了宽度和深度的检测，其中拱顶选取4处，边墙选取2处，裂缝深度为61.74～98.82mm。

衬砌共检测到裂缝 7 条，其中拱顶纵向裂缝3 条，最大缝宽为0.35mm，拱顶环向裂缝1 条，最大缝宽0.2mm，边墙竖向裂缝2 条，最大缝宽为0.15mm，边墙斜向裂缝1 条，最大缝宽为0.2mm;共有8 处衬砌渗水，其中拱顶3 处，拱腰5 处。

从表1统计数据来看纵向裂缝占比达到50%以上，最大宽度达0.35mm，最大深度达到98.82mm，宽度和深度均超过环向和竖向的裂缝。纵向裂缝与隧道走向一致，隧道施工完成后，受围岩变形的影响，应力重分布，衬砌不密实且有脱空的区域最易形成纵向裂缝，与其他几种裂缝相比，纵向裂缝较长，深度较深，出现次数最多，对隧道结构的危害也最严重。

竖向裂缝占比大约40%，最大宽度为0.228mm，最大深度为68.64mm，相比于纵向裂缝横向裂缝的危害要小很多，即使隧道出现开裂横向开裂区域依然有很强的支护能力，而纵向裂缝区域随着裂缝大量发育位移过大侵入净空，造成拱部脱空，更容易形成坍塌区。纵向裂缝如果出现多条相连接的情况也易形成坍塌区，因此两种裂缝对隧道的受力都会有严重影响，需谨慎处理并修补。

环向裂缝占比最少，其走向与隧道轴线基本保持垂直，大部分环向裂缝是由于不均匀受力产生的。衬砌混凝土的厚度不一，导致隧道受力不均，尤其是应力重分布以后，在横向荷载作用下，在混凝土厚度差异严重的区域更易形成环形裂缝，相较于纵向裂缝和横向裂缝，环向裂缝的危害最小。

2.2 断面尺寸测量

测量仪器采用激光隧道断面检测仪。隧道衬砌内轮廓测量采用激光断面仪，每10m测量一断面，将测量数据与设计断面对比，以确定其偏差。（图5～图8）

现场对隧道断面控制尺寸进行了测量，依据设计图纸构建了断面的理论轮廓，输入到激光断面仪进行测试。测量数据如图5显示，隧道的每个位置都出现了微小的偏差，偏差在10～46mm，实测隧道内轮廓线形与设计内轮廓线形基本符合。

拱顶和拱腰位置多表现为侵入设计断面的偏差，偏差最大的部位可达39mm。由多个检测断面来看拱顶部位侵入值较小约1～5mm左右，侵入值最大的为拱腰位置。隧道开挖后应力重分布，拱腰受围岩挤压作用，应力集中，拱顶除了受到围岩挤压还有来自上方岩土体重力作用。当隧道的赋存环境发生变化的时候（如水压力增加等），拱顶衬砌压应力将进一步增大，而拱腰内壁受拉应力会增加，这种变化的结果导致拱顶衬砌混凝土受压，弯矩增大，变形相对于其他断面更严重。

拱脚附近多表现为远离设计断面的偏差，偏差最大部位可达46mm。

2.3 整治措施

分析每个位置裂缝成因及发育规律。砼裂缝成因是多面复杂的，根据裂缝成因选择最合理的材料以及最优的加固方式。裂缝的修补方法有充填法和注入法。充填法采用固体材料，注入法采用液体材料。

对于非结构构件由于其不承受主荷载（如水沟电缆槽） ，所以即使有裂缝也无需加强，应以防水性、安全性和美观性为主来判断是否需要修补。对于结构构件除要考虑以上几点外，主要考虑的是它的受力性能。对于结构构件上的死缝可以同非结构构件同样对待。但对结构构件上的活缝就要慎重对待，应根据具体情况采用相应的加固或其它措施。

3  既有隧道结构安全性分析

3.1 二襯结构分析

使用地质雷达法检测衬砌变化情况，通过对雷达数据分析可以分辨出衬砌缺陷及衬砌厚度。

3.1.1 衬砌缺陷检测

衬砌缺陷主要包括了衬砌空洞、衬砌不密实及衬砌间脱空等。

从盘道岭隧道（右幅）检测结果来看，隧道边墙、拱腰和拱顶处的二衬均存在空洞、不密实、或脱空现象。右幅隧道出现13出脱空区以及4出不密实的区域，无空洞地区。如图9，图10所示，K5+163～K5+166出现了近3m*1m的大面积脱空区，K5+171～K5+173出现了近2m*1.1m的脱空区。

隧道交付使用后，在交通荷载和地质因素的作用下，会逐渐在衬砌和基岩之间出现空隙产生局部脱空。隧道内部的局部脱空现象较为常见且范围较广。脱空对隧道的受力极为不利，它改变了隧道的受力模式，使隧道内壁均匀支撑的受力形式不复存在，取而代之是一种简支梁受力模式，因此对二衬脱空区的整治迫在眉睫。

3.1.2 厚度检测

衬砌厚度主要包括一衬厚度及二衬厚度，因一衬厚度较小且受干扰较大，所以准确度较差，以下仅列出了二衬的厚度。（图11～图13）

盘道岭隧道二衬厚度检测共布置5条测线，路面厚度检测共布置3条测线。检测结果如下：拱顶二衬厚度78%的测点位置能达到设计要求，局部存在欠厚，最大欠厚值为9.2cm。K+157～K5+267设计厚度为400mm，90%以上二衬厚度达到设计要求。K+267～K5+580段设计厚度为800mm，本段满足设计厚度仅为51%。造成拱顶厚度不均的因素有很多，包括施工因素、地质因素等，设计厚度大的地方越不容易施工掌控。也有可能是当拱顶脱空后，隧道的整体性发生改变，严重的地方应力集中，造成隧道开裂，渗水使得隧道极易坍塌。

左腰线二衬厚度78%的测点位置能达到设计要求，局部存在欠厚，最大欠厚值为13.0cm。右腰线二衬厚度75%的测点位置能达到设计要求，局部存在欠厚，最大欠厚值为19.7cm。

左边线二衬厚度86%的测点位置能达到设计要求，局部存在欠厚，最大欠厚值为13.0cm。右边线二衬厚度94%的测点位置能达到设计要求，局部存在欠厚，最大欠厚值为10.6cm。

3.2 二衬混凝土强度分析

3.2.1 回弹法检测混凝土强度

利用回弹法对K5+148～K5+268、K5+475～K5+567 范围隧道衬砌混凝土强度进行检测，检测区域内每间隔40m 设置5 个测区。（图14）

本次检测共布置6个测区，测区强度推定值范围在40.3～58.0MPa 之间，平均值为50.9MPa。从检测结果看，混凝土强度符合设计要求，但混凝土的强度不均匀，差异起伏较大。

3.2.2 钻芯法检测混凝土强度

对K5+208、K5+505、K5+535 处衬砌混凝土钻取芯样，进行抗压强度检测。（表2）

本次检测取芯，测得混凝土强度范围在25.7～68.0MPa 之间，平均值为38.2MPa。从检测结果看，混凝土强度基本符合设计要求。

3.4 路面混凝土厚度分析

本次检测应用地质雷达技术，具有无损、高分辨率、快速等特点，对路面厚度的检测误差可以控制在3mm以内，高精度的检测结果使路面厚度不达标时可以及时发现并处理[19～20]。（图15～图18）

③该隧道路面总计仅有68%的路面厚度尺寸达到使用的要求，最小厚度仅有113mm，路面裂缝的发育与混凝土厚度起伏变化有很大关系。

④下穿隧道施工前对既有盘道岭公路隧道拱肩位置采用仰拱注浆的方式根据衬砌实际厚度以及脱空大小和位置，確定钻孔数量，注浆孔的布置形式进行加固回填压浆。

⑤开挖交叉段时制定合理的开挖方案，选用合理的支护方案，对两隧道之间岩层进行压浆改良，从而保证了近接交叉区段的安全跨越。

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