贵州某高速运营隧道病害原因分析与处治措施

潘雪峰 陈俊宇 严江勇

（贵州宏信创达工程检测咨询有限公司，贵州 贵阳550000）

1 概述

近年来，贵州省高速公路建设得到了迅猛发展，截至2019年底，贵州省高速公路总里程突破7000 公里，其中隧道总计1600 余座。数量众多隧道的建成也意味着营运隧道的安全也成为了未来高速公路养护工程的重中之重，由于隧道的种类、长度和运营条件的不同，特别贵州地区岩溶地貌发育非常典型，分布广泛，地域分异明显，导致隧道会在营运期出现了不同种类的病害，主要包括隧道衬砌病害、路面病害、洞门病害、隧底病害等。对于不同隧道病害的处治研究也逐渐深入完善。刘浩[1]针对京港澳高速公路粤境某隧道衬砌开裂和厚度不足的病害，提出病害处治的优选方法。曾宪伟[2]根据实际工程案例对西南高速公路岩溶地貌隧道渗水进行了分析，总结出了隧道渗水的原因及处理方法。胡胜强[3]针对某高速公路隧道仰拱底鼓破坏等病害，从地质及设计等因素综合分析病害的产生的原因，提出了有效的解决方法，并通过有限元软件对处治方案加以验证。综上所述，由于营运隧道的健康运行影响着行车安全及正常的交通流量，所以在不影响隧道正常运行的前提下，如何快速高效的处治隧道病害成为隧道处治的重点[4]。

本文结合具有工程实例，针对隧道出现的不同病害，通过专门的检测手段，分析研究其病害形成机理，提出有效的治理方案。为以后类似高速营运隧道病害治理提供了一定的参考。

2 工程概况

2.1 地形地貌

该隧道地貌属于构造剥蚀作用形成的中一低山地貌，为山岭重丘地形。隧道段内地形起伏大，山高坡陡，冲沟发育，冲沟走向呈南北向，冲沟及沟谷断面呈“V”字型。隧道轴线通过路段地面标高956.00～1210. 00m，相对高差约254.00m，隧道顶板上覆岩体最大厚度约230. 00m 植被发育，表层多被薄层粉质黏土覆盖，基岩零星出露。两端洞口段地处冲沟山坡，地形坡度约40°。隧道进、出口端洞轴线均与地形等高线近似正交。隧道洞身段中部埋深45～230m 左右。岩性以微风化页岩为主，洞身段围岩级别为Ⅳ～Ⅴ级。

2.2 地层岩性

隧道区地层分布简单，上部有第四系覆盖层分布，下伏基岩为寒武系下清虚洞组（ε1q）及寒武系下统杷榔组（ε1p）地层。

2.3 地质构造

隧道区位于北北东走向的洞口断层西北、东西走向的瓮哨枢纽u 断层南部及东西走向的镇远枢纽断层北侧。构造形迹主要为燕山期北北东向及东西向构造。

F1 断层与隧道轴线大角度从隧道区中部穿过，为正断层，产状350°∠70°，破碎带宽约50～55m，主要由构造角砾岩组成。

F2 断层近于垂直隧道轴线从隧道区出口端山坡穿过，为逆断层，产状320°∠60°，破碎带宽约40～45m，主要由压碎岩、碎裂岩等组成。

2.4 水文地质条件

隧道区地下水类型主要为裂隙水，赋存于下伏页岩、白云质灰岩的风化裂隙、构造裂隙及断层构造带裂隙中，其分布及水量大小受岩层节理裂隙发育情况、赋水条件及填充物的影响较大。岩石中裂隙较为发育，多呈张开状，连通性较好，但赋水条件差，裂隙水贫乏。大气降水为主要补给源。F1、F2 断层带，该断层带中充填的构造角砾岩由于母岩成分泥质含量较高，因其透水性较差，属弱透水层。

3 隧道病害概况

2019 年11 月下旬隧道出现较多明显病害，根据初步的踏勘发现，该隧道主要存在路面隆起，路面开裂，衬砌环向裂缝等病害现象。为了详细了解路面病害区域的仰拱、基岩及隧道衬砌情况，对隧道病害段进行了地质勘探和雷达物探。隧道检测结果及隧道最终病害主要如下:

3.1 隧道隧底病害

该隧道路面出现长约18m 的纵向裂缝，并有扩展的现象；在路中心线路面开裂，轻微错台；在行车道中心线附近出现路面隆起现象，行车该路段会出现跳车现象。

图1 隧道开裂隆起

通过对隧道基底的钻孔验芯可知，隧道底板以下，岩性均为武系下统杷榔组（ε1p）灰黑色碳质页岩。钻孔位置处路面以下60～75cm 为混凝土，其下为破碎状及块状的碳质页岩。隧底未设置仰拱，地下水位在1m 以下。

图2 隧道部分钻芯芯样

3.2 隧道衬砌病害

通过对隧道的外观检测及实体检测，发现该隧道衬砌病害主要存在有：衬砌裂缝、衬砌欠厚、衬砌空洞。3.2.1 衬砌裂缝:通过对隧道的外观检测，在测区内发现有多条环向衬砌裂缝及纵向衬砌裂缝，其中隧道右洞有2 条环线裂缝，1 条纵缝，2 条斜缝；隧道左洞有13 条环线裂缝，5 条纵缝，2 条斜缝。3.2.2 衬砌欠厚：通过地质雷达对隧道左右洞检测发现，在测区内部分衬砌厚度小于设计值；在隧道右洞测线范围内共计508 个测点，其中453 个测点满足要求，衬砌厚度合格率89.2%；在隧道左洞测线范围内共计568 个测点，其中384 个测点满足要求，衬砌厚度合格率67.6%，最小衬砌厚度不足12cm，通过检测发现隧道衬砌欠厚区域主要集中与隧道左右边墙位置，为证明检测的真实性，随之对隧道衬砌厚度进行了钻孔验证，钻孔验证结果与检测结果相符。3.2.3 衬砌背后空洞：在隧道右洞有2 处衬砌拱顶脱空。

图3 隧道衬砌脱空

4 病害形成机理分析

4.1 隧底病害原因分析

4.1.1 F1 断层破碎带影响：隧道隧底病害区域位于断层带附近，断层破碎带极易将地下水导入隧道围岩中，形成地下水导水通道，导致地下水富集，软化围岩。4.1.2 病害区域围岩水化效应：拱底围岩为微风化层的页岩及灰岩，属软岩，有软化性，雨水易膨胀，岩体破碎，受断层带及地下水的影响，当到雨季降雨量较大时，拱底的页岩经水浸软化膨胀后，拱底围岩强度降低，隧道承受的水平压力不断增加，此时拱底围岩刚度小于拱顶围岩刚度，当荷载强度超过隧道拱底结构的承载力时，隧道拱底就发生隆起变形病害。

4.2 隧道衬砌病害原因分析

4.2.1 衬砌裂缝形成原因。4.2.1.1 环向裂缝。环向裂缝在隧道施工缝两侧出现的频率较高，多数为贯通或者延展一定长度后截止。其病害主要成因为：a. 混凝土养护不到位或振捣不充分，使得收缩徐变应力大于混凝土的抗拉强度，导致二衬开裂。b.出现裂缝部位的二衬在浇筑收缩过程中由于受到钢拱架的约束，极易在厚度薄弱部位出现应力集中，导致裂缝产生。c.衬砌厚度偏薄部位由于受混凝土收缩、温度变化等综合作用也会形成不规则的环向裂缝。4.2.1.2 纵向裂缝。纵向裂缝一般在拱顶和边墙位置出现的频率较高，这类裂缝对隧道的稳定性影响较大。其病害主要成因为：a.隧道的不均匀沉降是纵向裂缝产生的主要原因。b. 温度应力和水平侧压力过大也会导致纵向裂缝的产生。

4.2.2 衬砌欠厚。病害主要原因是由于在施工过程中受施工条件、施工工艺影响以及后期隧道在使用过程中物理、化学等作用，导致隧洞衬砌厚度达不到设计值。

5 病害处治方案

5.1 隧底病害处治措施

综合考虑到运营隧道的结构性安全和交通压力，采用隧底注浆加固技术[5、6、8]对隧道路面病害进行快速修复。5.1.1 隧道两侧边墙脚设置φ108×6mm 锁脚钢花管，钢花管长6m，纵向间距1m，倾角70°、45°，间隔交错布设。5.1.2 边墙角采用φ108注浆钢花管锁脚加固，钢花管长6m，纵向间距1m，倾角为75°和45°交错布设，锁脚钢花管内设钢筋笼，主筋采用4 根HRB400 直径为18mm 的钢筋，固定环采用φ42×4 短管节（4cm 长），将其与主筋焊接，按1m 间距布置。5.1.3 锁脚加固后凿除路面板，凿除厚度36cm，清除废渣后于路面设竖向钢花管注浆，钢花管采用φ42×4 钢管加工而成，钢化管长4.5m，顶端1m 为止浆段。注浆孔间距1m，梅花形布置。5.1.4 锁脚及基底钢花管浆液水灰比0.4～0.5，采用超细水泥，注浆压力1.5～2.0MPa，注浆前应进行试验，水泥浆配合比及注浆压力根据试验进行调整确定，注浆后钢管内用M30 水泥砂浆填充，提高钢管强度。（注：根据现场情况，当注浆压力不够时，水泥浆可加细沙，并添加加速凝剂。)5.1.5 钢花管注浆完毕后，与路面增设横向排水盲沟，间距5m 布设一道，将路基渗水引入中心排水沟。5.1.6每根φ42×4mm 钢花管外露开挖地面10cm，钢花管外侧焊接两根HRB400 直径为22mm 的锚固钢筋，单根长40cm，并与路面板钢筋网绑扎连接，路面钢筋网布设间距为30cm×20cm，铺设路面钢筋网完毕后浇筑路面板。5.1.7 施工应按锁脚加固→开挖路面板→路面钢花管注浆→铺设路面板及沥青层→恢复标识。5.1.8 施工中应加强监控测量，要求测点布设间距不大于5m，局部变形严重底端根据实际情况进行加密，每天监测频率不小于3 次，以便掌握施工期隧道衬砌变形动态。

5.2 衬砌病害处治措施

5.2.1 衬砌裂缝。裂缝宽度＜0.1mm 的裂缝及环向施工缝不予处理；裂缝宽度≥0.1mm 的纵向、斜向裂缝进行裂缝灌缝封闭处理，灌注胶采用无溶剂型改性环氧树脂[8]。裂缝灌胶的施工要点：a.裂缝混凝土表面处理：用钢丝刷反复刷裂缝表面左右2cm的混凝土直至表面浮浆脱落，用无油压缩空气除尘,用丙酮试剂擦洗表面。b.粘贴压浆嘴：首尾各一个，中间缝宽则疏，缝窄则密，压浆嘴最大间距30～50cm 布置，在一条逢上必须有进浆嘴，排气嘴，出浆嘴。c.裂缝表面封闭：用密封胶封闭裂缝表面，胶泥厚不小于1mm，宽度2～3cm。d.密封检查：从最下或左的压浆嘴输入0.4MPa 无油压缩空气，相邻或右嘴排气时逐个关闭所有阀门，再沿缝附近涂刷肥皂水检漏；若有气泡冒出说明该处漏气，作好标记。用裂缝表面封闭胶对漏气的区域进行封闭，待达到强度后再气检，如此反复直至不漏气为止。e.配制裂缝灌注胶（修补胶），按照供应商提供的产品说明书要求的比例配制。f.缝灌胶：用0.2MPa 无油压缩空气为动力缓慢起灌，当相邻嘴不夹气冒胶时关闭该阀，逐一排气冒胶关阀，直至最后一个阀。连通缝的裂缝灌浆在内侧灌胶外侧观测出胶情况，在灌胶时外侧压浆嘴出胶后由低到高逐个关闭阀门。g.封口结束：待缝内浆液达到初凝而不外流时可拆下灌浆嘴，再用封闭胶抹平封口。5.2.2 衬砌欠厚。对于隧道衬砌欠厚段缺陷采用W250 型钢带进行加固[7、8]。将粘贴W 钢带位置进行基面处理，粘贴面应坚实平整无浮尘，然后在衬砌表面及钢带涂刷胶粘剂，用锚栓固定W 钢带后，对钢带进行封边及表面防腐处理。5.2.3衬砌脱空。衬砌存在空洞采用钻孔注浆进行回填。在衬砌拱顶空洞处采用钻机钻孔，孔径Φ50，钻孔间距不超过1m，钻孔深度为该处混凝土厚度；采用Φ42×4mm 钢管进行注浆，钢管长度为孔深，水泥砂浆水灰比1：1，注浆压力0.1～0.3MPa。钻孔时应避免破坏防水板。

6 结论

由上文可知，隧道受各种因素的影响，营运隧道的病害严重影响了隧道的运营安全，如何在保证隧道结构安全的前提下，又能最大程度的减少病害处治对隧道行车的影响，隧道病害如何快速处治已经成为重中之重。本文以各种检测手段为依据，探明了隧道的具体病害，分析其隧道病害的作用机理，最后提出隧道病害处治方案。本文的隧道病害研究对类似隧道的病害处治具有重要的指导作用和参考价值。