公路运营隧道路面起拱病害检测及成因分析技术研究

2021-06-15黄忠财熊雅文

西部交通科技 2021年3期

黄忠财熊雅文

作者简介：

黄忠财（1976—），高级工程师，主要从事高速公路建设管理等工作。

路面起拱是广西地区公路隧道常见重大病害之一。现阶段，针对公路运营隧道路面起拱病害的研究主要集中在病害形成机理的理论分析方面，而针对路面起拱的病害检测技术研究较少，结合数值分析手段进行路面起拱病害演变过程的研究几乎没有。文章依托工程实践，对公路运营隧道路面起拱病害的检测技术进行了系统研究，初步推测金龙岩隧道路面起拱存在围岩偏压、基岩软化等多方面影响因素，并借助MIDAS GTS NX有限元数值分析软件，模拟了偏压隧道基岩逐渐软化引起路面起拱病害的演变过程。

公路隧道;路面起拱;数值分析;检测技术;成因分析

U457+.2A501795

0 引言

随着西部大开发持续推进，广西地区的高速公路隧道运营里程逐年增加。桂西地区岩溶地质发育，地下水丰富，隧道在长期运营过程中，病害逐渐增加，诸如衬砌开裂、破损、渗漏水等病害层出不穷。近年来，广西地区隧道发生多起隧道路面起拱、衬砌突泥涌水、衬砌掉块等严重病害，其中隧道路面起拱病害发展过程较长，便于及时发现并处治。现阶段，有关公路运营隧道路面起拱病害的研究较少，主要集中在路面病害成因的理论分析方面[1-3]，或检测和处治技术研究方面[4]，专门针对运营隧道路面起拱病害成因数值分析技术的研究几乎没有。

本文依托靖西至那坡高速公路（下文简称“靖那路”）金龙岩隧道上行线路面起拱病害专项检测项目，对公路隧道路面起拱病害的检测手段和检测技术进行了系统研究，同时借助MIDAS GTS NX有限元数值分析软件，模拟了偏压隧道基岩逐渐软化引起路面起拱病害的演变过程，为类似隧道病害检测和成因分析技术提供了借鉴。

1 工程概况

靖那路金龙岩隧道位于广西百色市那坡县，建成于2014年12月，为上下分离式隧道。隧道管养单位在日常养护中发现，隧道上行线YK488+380～YK488+430区段存在路面起拱、开裂病害。隧道竣工资料显示，金龙岩隧道上行线YK488+380～YK488+430位于洞身段，岩性为石灰岩，中-厚层状结构，岩体微风化，岩体较完整，产生较大规模涌水的可能性小，但洞室地处岩溶发育区，洞身段可能发育有溶洞，地质剖面如下页图1所示，地质平面如下页图2所示。YK488+380～YK488+430区段隧道设计为Ⅲ级围岩，

采用Ⅲ型衬砌结构（见图3），路面下方未设置仰拱。

2 检测结果

为准确探明金龙岩隧道路面起拱范围及成因，计划从外观检查、衬砌背后空洞、路面下方基岩密实度、断面尺寸等四个方面进行专项检测。

2.1 外观检查结果

金龙岩隧道病害主要分布在YK488+350～YK488+450和ZK488+350～ZK488+450区段。该区段的病害对隧道结构安全或行车舒适性影响较大的病害为衬砌裂缝、渗漏水和路面起拱、开裂，如图4、图5所示。

2.2 衬砌背后空洞检测结果

金龙岩隧道衬砌背后缺陷主要为局部二衬脱空或胶结不密实，个别位置存在围岩节理裂隙发育或不密实，缺陷主要发生在拱腰位置。详细缺陷雷达检测结果如图6所示。

图6 金龙岩隧道上行线衬砌雷达检测结果图

2.3 500 m雷达路面探测结果

（1）上行线右车道路面下方基岩缺陷主要分布在YK488+380～YK488+456区段，其中YK488+380～YK488+384范围浅部可能存在小型孔洞发育;YK488+384～YK488+432范围内浅部基岩松散、节理裂隙发育，如图7所示。

（2）上行线左车道路面下方基岩缺陷主要分布在YK488+382～YK488+460区段，其中YK488+382～YK488+430范围内缺陷主要表现为基岩松散，节理裂隙发育，局部可能存在小型空洞发育;YK488+430～YK488+460范围内缺陷主要表现为路面基层与基岩粘结不密实，如图8所示。

2.4 100 m雷达路面检测结果：

（1）上行线右车道路面下方基岩缺陷主要分布在YK488+380～YK488+405区段，缺陷主要表现为基岩松散，节理裂隙发育，深度范围约1～4 m，如图9所示。

（2）上行线左车道路面下方基岩缺陷主要分布在YK488+369～YK488+426区段，其中YK488+369～YK488+397范围内缺陷主要表现为基岩松散，节理裂隙发育，深度范围约1～13 m，如图10所示。

2.5 断面尺寸检测结果

本次针对上行线YK488+327～YK488+447区段抽检25个斷面。经检测，金龙岩隧道上行线YK488+327～YK488+447衬砌断面均未侵入隧道建筑限界，衬砌结构未发生明显变形。

综合上述检测结果可知，路面起拱主要发生在上行线YK488+380～YK488+430区段，且右车道起拱比左车道更加严重。该区段衬砌背后局部存在脱空，断面尺寸未发生明显侵限和收敛变形，路面下方浅层基岩松散，深层基岩节理裂隙发育。初步推测路面起拱病害主要由两方面因素引起：（1）起拱段浅层基岩（0～5 m范围内）围岩松散、富水，且左车道路面下方（2～13 m范围内）、右车道路面下方（2～4 m范围内）基岩溶蚀裂隙明显发育，基岩明显软化，强度降低，从而引起路面起拱;（2）隧道路面起拱段所处地层存在较明显的偏压特点，3倍洞径范围内地表相对高差最大约120 m，衬砌结构受力不均匀，导致隧道上行线右车道路面起拱比左车道更加严重。

3 病害成因数值分析

3.1 数值模型建立

本文采用MIDAS GTS NX软件对路面起拱的衍化过程进行分析，选取雷达检测中基底围岩软化破碎最严重的断面进行二维数值模拟。为节省计算空间，隧道左、右两侧及下部基岩边界按3倍洞径范围建模。由于隧道存在偏压作用，上部围岩根据实际埋深建模，模型整体尺寸为宽115 m×高188 m，右洞拱顶埋深为76 m，左洞埋深为31 m。整体数值模型见图11，局部模型见图12。

围岩软化区设置为右洞衬砌两侧4 m和路面下方5 m范围，根据《公路隧道设计规范第一册土建工程》[5]中的围岩参数推荐值，结合现场实际情况，通过折减围岩软化区的弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角来模拟围岩软化过程，分别考虑围岩由Ⅲ级围岩软化为Ⅳ级围岩、Ⅴ级、Ⅵ级围岩等三种工况。采用地层-结构法建立模型，其中采用二维平面应变单元模拟隧道围岩、初期支护及二次衬砌结构，采用桁架单元模拟锚杆。模型参数取值见表1。

3.2 分析工况

本次分析，通过设置三种工况模拟围岩软化过程，由于本次主要考虑运营阶段的病害发展，故不考虑施工过程的影响，直接生成隧道结构模型。各工况如下：

（1）工况一：围岩软化区由Ⅲ级围岩软化为Ⅳ级围岩。

（2）工况二：围岩软化区由Ⅳ级围岩软化为Ⅴ级围岩。

（3）工况三：围岩软化区由Ⅴ级围岩软化为Ⅵ级围岩。

3.3 数值模拟结果

在隧道上行线路面布置5个监测点，各监测点位置及竖向位移情况见表2，各工况下衬砌结构和围岩软化区的竖向位移云图见图13～15。

（1）根据数值分析结果可知，围岩竖向位移最大值发生在测点1的位置，距右拱脚0.27 m。

（2）数值模拟结果显示，右车道路面竖向位移明显高于左车道，中间部位的路面竖向位移相对较小。可见隧道所处位置的偏压现象明显，基岩软化后，衬砌结构整体下沉，两侧拱脚均向内侧挤压，偏压作用导致右侧拱脚挤压更加严重。

（3）当基岩软化为Ⅴ级围岩时，测点1竖向位移达到18.4 cm，测点3竖向位移仅0.5 cm，测点5位移为15.58 cm。该工况数值模拟结果与现场检测情况接近，由此推断基底围岩软化区的围岩级别接近Ⅴ级围岩。

（4）随着基地围岩逐步软化，路面竖向位移明显增加。当基地软化区由Ⅴ级围岩软化为Ⅵ级围岩时，各监测点竖向位移均有较大增长，测点3的竖向位移由0.5 cm增长到10.61 cm，沿路面横断面的竖向位移不均匀度逐渐减小，但偏压作用依然存在。

（5）随着路面下方基岩的进一步软化，路面整体竖向位移将继续增大，存在路面整体起拱、开裂的可能，最终将引起衬砌结构失稳。