暴雨灾害后隧道病害检测及隧道健康状况综合评价

何维启

(湖南致力工程科技有限公司 长沙 410018)

0 引言

工程水毁指的是因暴雨、洪水造成路基、路面、桥涵及其他设施的损毁，随着山区高速公路里程的日益增加，水毁灾害在雨季日益增多[1-3]。隧道洞口水毁病害主要是因为隧道进出口段边仰坡受洪水冲刷引起垮塌，封堵隧道影响车辆正常通行，严重时边坡的垮塌会冲击隧道结构引起衬砌开裂甚至洞口段失稳[4-6]。本文从隧道结构、地质条件、水文条件等方面对隧道水毁病害成因进行了分析，提出了相应的处治建议[7-10]。

1 概况

1.1 工程概况

本隧道为双洞单向公路隧道，左右洞测设线间距18.95～21.58m，思南段和剑河段都属于分离式隧道，设计参数如表1[11]，隧道洞的设计见图1，隧道平面见图2。

图1 隧道洞门设计图

图2 隧道平面图

表1 隧道设计参数

隧道剑河端出口处位于一区域性逆断层(古楼坪断层)，地处冲沟边缘，受古楼坪断层影响，周围岩体较破碎，且该地段埋深浅，围岩成分主要为碎石类土、块石夹土、压碎岩组成，无自稳能力。因地处冲沟，受降雨及径流影响显著，下层岩体遇水软化，强度降低迅速。经几次降雨，2010年11月12日ZK124+674(YK124+689)～ZK124+684(YK124+699)段隧道仰坡面在开挖过程中出现大规模坍塌，并在ZK124+621(YK124+636.5)处出现约2m深度错台，垮塌量约有7000多立方米。为保证运营期车辆通行安全，彻底消除高仰坡可能存在的垮塌对隧道的不利影响，经对比分析：对垮塌体进行反压回填，并将大坡梁隧道剑河端ZK124+690(YK124+705)～ZK124+705(YK124+720)段由路基改为隧道，明洞减少2m，增加17m隧道暗洞。

2017年6月29日17时许，隧道出口YK124+900右侧边坡因强降雨出现滑坡现象，大量泥土冲落至高速公路上，隧道右侧排水边沟严重堵塞，导致道路中断。隧道右侧二衬开裂严重，明显可见，贯穿至拱顶，边沟附近路面出现明显凹陷(图3)。

图3 水毁后隧道现场情况

1.2 工程地质

1.2.1 地形地貌

隧道进口端洞门位于一冲沟左侧斜坡地段，边坡陡峭，自然坡度为48°左右，最大可达62°，斜坡地形等高线与路线近垂直相交，坡体主要由薄层块石、强-中风化炭质页岩组成，浅层裂隙发育，岩体较破碎。

隧道出口端洞门位于一冲沟左侧斜坡地段，地形等高线与路线近垂直分布，在ZK123+640(YK123+660)处之前，斜坡陡峭，自然坡度在45°左右，坡体主要由碎石类土、强-中风化炭质页岩组成，浅层裂隙发育，岩体较破碎。

1.2.2 地层岩性

根据地质调查及钻孔资料显示，勘察场地发育的地层主要为第四系覆盖层，寒武系下统明心寺—金顶山组的炭质页岩、杷榔组的页岩。

1.2.3 隧道区地质构造

隧道场地属于洞口断层西北侧的扬子准地台，在隧道出口处发育一区域性逆断层(古楼坪断层)，该断层走向为40°左右，倾向南东，倾角在42°左右，为一逆断层，断层带周围岩体破碎，多具挤压现象。断层上盘为寒武系下统杷榔组的页岩，岩体破碎，多呈散体状，以压碎岩为主;断层下盘为寒武系下统明心寺—金顶山组的页岩，岩体受挤压现象严重，局部挠曲，岩体较破碎(图4)。该断层沿路线分布于ZK124+680(YK124+700)～ZK124+760(YK124+770)段，与路线呈40°左右交角。

图4 隧道纵断面图

隧道主要分布于受构造影响的寒武系下统明心寺-金顶山组的炭质页岩中，受古楼坪断层控制，隧道进口地段岩层产状为260°～272°∠20°，出口地段岩层产状为279°∠42°。

2 检测内容及方法

确定裂缝的分布及变化情况，查明衬砌开裂原因，为隧道加固处治提供依据，依据相关要求结合现场实际情况，确定检测内容及检测方法如表2。

表2 大坡梁隧道检测内容及方法

3 检测结果

3.1 路面检查结果

隧道内路面采用沥青混凝土铺装，未发现明显渗水及开裂现象，检查结果为YK124+700～YK124+705右侧路面破损凹陷S=10m2。

3.2 断面变形检测结果

激光断面仪扫描结果显示，大坡梁隧道断面在检测期间未发生较大变形，但与设计标准断面相比拱顶下沉约1cm，两侧拱脚外扩3cm。

3.3 裂缝检测结果

裂缝情况如表3，详见病害展示如图5。

表3 裂缝检测汇总

续表

图5 衬砌病害展示图

由图可见,隧道洞口段左侧YK124+708～YK124+302边墙位置，施工斜线裂缝交错发育,YK124+702～YK124+714右侧渗水较严重，网纹状裂缝发育。YK124+693～YK124+699段拱顶裂缝发育，裂缝贯通，并将拱顶二衬切割成大块状。依据监测结果，在病害发生前期衬砌裂缝宽度增速较快，7月8日后日趋稳定，但YK124+700.2右边墙仍在缓慢增长，如图6和图7。

图6 裂缝宽度监测变化趋势图

图7 典型雷达数据

3.4 衬砌质量检测结果

初衬厚度要满足“平均厚度不小于设计厚度，60%的检查点厚度不小于设计厚度，最小厚度不小于0.5倍设计厚度且不小于50mm”。初衬厚度扫描共检测150m，共250点，其中246点厚度大于26cm。

二衬厚度为主控项目，依据《铁路隧道工程施工质量验收标准》主控项目，规范要求合格率为100%。二衬厚度扫描测线长为3086m，共3086点，其中3081点厚度大于50cm。

二衬配筋采用地质雷达(美国GSSI SIR-3000，天线频率900MHz)，测线布置：沿隧道纵向拱顶、拱部设5条测线。由表4可见部分位置隧道二衬钢筋缺失，不满足设计要求。

表4 隧道二衬内钢筋检测结果汇总表

3.5 二衬混凝土强度检测结果

本次采用回弹法检测隧道二衬混凝土的强度，检测结果见表5。依据设计文件，该段二衬为C25钢筋混凝土，混凝土强度达到设计要求。

表5 隧道二衬混凝土回弹强度检测结果

3.6 仰拱质量及承载力检测结果

仰拱钻芯检测及地基承载力检测共抽检3个位置钻取芯样，对其中2个钻孔取岩芯进行点荷载试验确定基岩承载力，另外1个钻孔通过重型动力触探确定地基承载力(杆长3m，打入10cm的锤击数N63.5)[12-15]。

3.6.1 重型动力触探检测结果

钻孔ZK0-2(YK124+711.2距右边墙2.8m)钻穿路面层、仰拱及二衬后(共2.1m)揭露为灰黑色碎石土，角砾状，密实、潮湿。采用重型动力触探测试地基承载力，打入10cm的锤击数N63.5=24(杆长3m)，依据《铁路工程地质原位测试规程》(TB 10018-2003)，α=0.952。

依据规范，确定碎石土的承载力基本值为0.8MPa。

3.6.2 岩石的饱和单轴抗压强度(Rc)

由于取得的芯样较破碎无法获得实测的Rc值，只能岩石点荷载强度指数(Is(50))通过公式换算[16-19]：

依据《建筑地基基础设计规范》 (GB 50007-2011)，确定地基承载力特征值，检测结果如表6，地基承载力大于设计要求的0.25MPa。

表6 仰拱钻芯检测结果

3.6.3 仰拱及仰拱以下衬砌质量检测

(1)钻芯检测结果

ZK0-3(YK124+700.5距右边墙2.57m)所钻取的路面、仰拱及衬砌厚度之和为1.3m。ZK0-1芯样在42cm、147cm处见两根直径16mm的钢筋，ZK0-2芯样在41cm处见一根直径16mm的钢筋，三个钻孔取芯结果均未见初衬喷射混凝土。

(2)混凝土强度

通过取芯进行抗压强度试验确定混凝土强度，取样位置为：ZK0-1深度为1.07～1.4m，ZK0-2 深度为1.08～1.4m，ZK0-3深度为0.38～0.76m。试验日期为2017年7月18日，实验结果如表7。

表7 仰拱混凝土钻芯强度试验结果

3.7 存在的主要缺陷

通过现场检测，隧道主要存在如下缺陷：

①大坡梁隧道YK124+650～YK124+720存在多条主要裂缝，大部分裂缝趋于稳定，只有YK124+700.2右边墙仍在缓慢增长；

②YK124+690～YK124+720段局部二衬厚度小于50cm；

③受检断面在检测期间未发生明显变形，但与设计标准断面相比拱顶下沉约1cm，两侧拱脚外扩3cm；

④YK124+670～YK124+691段雷达图像为单层钢筋反射，YK124+691～ YK124+700段、YK124+708～ YK124+709段无明显钢筋反射；

⑤YK124+708处施工缝位置钢筋完全断开；

⑥仰拱钻芯揭示：仰拱以下未见初期支护。

表8为检测结果汇总表。

表8 检测结果汇总表

4 技术状况评价

4.1 总体评价

结合检测结果及《公路隧道养护技术规范》(JTG H12-2015)(附录B 土建结构技术状况评定标准)，其中本次检测未涉及的分项取状况值为0，各分项的状况值如表9所示。

表9 土建结构各分项状况值

根据规范进行计算，大坡梁隧道的土建结构评分JGCI为40。

依据(JTG H12-2015)(表4.5.4-2 土建结构技术状况评定分类界限值)，当JGCI值不小于40且小于55时，对应土建结构技术状况评定为4类。

因此，综合上述情况，YK124+650～YK124+720土建结构技术状况评定为4类。根据规范要求，应尽快实施结构病害处治措施，实施交通管制。

4.2 隧道洞口及仰坡稳定性评价

隧道思南端洞门处为浅埋地段，覆盖层主要为块石，下伏基岩为强—中风化炭质页岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，可测岩层产状为270°∠20°。

隧道剑河端出口段位于大坡梁山体东侧斜坡上，其洞门处位于一斜坡上的冲沟左侧缓坡地段，覆盖层主要由碎石类土、块石夹土及薄层黏土组成，下部基岩为薄层的压碎岩及中—微风化炭质页岩，受构造影响，岩体裂隙、劈理较发育，岩层产状为279°∠49°。

出口段ZK124+650(YK124+660)～ZK124+690(YK123+705)段位于冲沟边缘，受古楼坪断层影响，周围岩体较破碎，且该地段埋深浅，围岩成分主要为碎石类土、块石夹土、压碎岩，无自稳能力。

5 开裂原因分析及处治建议

5.1 衬砌开裂原因分析

依据检测结果，大坡梁隧道病害主要为施工缝变形、衬砌开裂、局部路面凹陷、边仰坡垮塌等。从检测结果分析，大坡梁开裂产生的原因是多方面的，主要从以下两个方面进行分析：

5.1.1 地质情况复杂

①2017年6月份以来,贵州全省发生较大范围的强降雨天气过程，全省平均降水量为349.9mm，为1961年以来历史同期首位。受连续暴雨影响隧道洞口断层地质受超量雨水劣化，土的力学性质与四五年前施工发生了变化，导致隧道衬砌局部区域应力集中。

②隧道洞口段YK124+696～YK124+720处于鼓楼坪逆断层处，隧道洞口右侧存在一冲沟，隧道处浅层偏压区段。

③隧道建设期，YK124+689～YK124+699段隧道仰坡面在开挖过程中出现大规模坍塌，并在ZK124+621(K124+636.5)处出现约2m深度错台，垮塌量约有7000余立方米，洞口段隧道顶部主要为经加固处理的塌方体及回填土。

④受本轮暴雨影响,剑河段出现了严重的地质灾害，6月29日下午5时，大坡梁隧道右洞边坡滑坡灾害，对隧道结构产生一定影响。

5.1.2 隧道质量状况

①YK124+691～YK124+700、YK124+708～YK124+709段雷达图像无钢筋反射，YK124+670～YK124+691 段雷达图像为单层钢筋反射。

②通过钻芯揭示：隧道仰拱以下未见初衬喷射混凝土。

5.2 处治建议

针对衬砌厚度不足，开裂严重、钢筋缺失的情况，一般采用凿除二衬重新施工模筑混凝土或粘贴钢板加强刚度的方法，对未施工初期支护的需采用换拱措施。依据检测、监测及计算成果，结合工程特点，建议如下[20-25]：

(1)衬砌裂缝处理。沿着裂缝凿出“V”型槽，深度一般为50～80mm，外口宽80～150mm，把槽内浮尘及杂物清理干净，要求缝面牢固、清洁、平整，不平整处可先用水泥砂浆找平，并使其表面充分湿润至饱和。

(2)因仰拱以下未见初期支护，钢支撑未形成闭环，对YK124+650～YK124+720段拱脚处进行注浆加固，提高钢支撑的稳定性。

(3)因衬砌开裂严重，局部衬砌厚度不足，钢筋缺失，通过计算及监测，衬砌整体稳定性欠佳，采用粘贴钢板法进行二衬加固，加强二衬刚度。

(4)建议对变形较大的施工缝、裂缝处理完成后，应进行变形观测。对裂缝的宽度及长度是否延伸进行观测。裂缝宽度变化观测，采用在裂缝两侧各5cm位置打设钢钉，采用游标卡尺定期对钢钉间距进行测量，以确定裂缝是否稳定，裂缝长度延伸观测，用固定钢尺定期测量。

(5)建议进行专项加固设计及加固处治。