某隧道二衬混凝土掉块病害检测及应急处治

徐洪彬,宋文超,周 明,李 鹏

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

随着我国公路交通事业的大力发展，公路隧道工程不断增加。但隧道地质条件复杂多变，受设计和施工技术条件的限制，以及运营期养护管理不合理等因素的影响，隧道病害不断出现，甚至发生二衬混凝土掉块现象，直接威胁到隧道内行人和行车安全。目前我国相当比例的公路隧道处于病害发育的亚健康状态，隧道养护维修的任务相当繁重。公路隧道病害应急检测和养护处治技术对于保障隧道运营安全、降低社会影响意义重大。

1 二衬混凝土掉块事故简介

我国某公路隧道在运营过程中拱顶二衬混凝土发生掉块，面积约33 m2，环向最长约为5.8 m，纵向最长约为7 m，掉落混凝土体积估约13.2 m3，砸落在隧道沥青路面上。事故发生后，运营管养单位立即委托专业检测单位对二衬混凝土掉块区段进行应急检测，并根据检测结果进行应急处治设计。

2 二衬混凝土掉块段病害检测

2.1 检测方案

根据混凝土掉块段病害情况及相关规范[1]要求，对发生衬砌混凝土掉块位置一模衬砌（里程桩号为K5+981～K5+990）纵向9 m 长度范围进行应急检测，检测项目及内容如表1 所示。

表1 检测项目及内容

2.2 混凝土掉块处特征调查结果

（1）掉块区域位于拱顶，面积约33 m2，环向最长约为5.8 m，纵向最长约为7 m，掉落混凝土估约13.2 m3，位于一模混凝土内。

（2）已掉块混凝土厚度约为30～50 cm，断裂面有明显颜色分界，为土黄色和灰白色（灰白色为新断裂混凝土颜色）。

（3）掉块区域肉眼可见单层钢筋，位于衬砌内侧（靠围岩侧），裸露环向钢筋17 根，纵向构造钢筋11 根，其中3 根纵筋被拉断。

2.3 衬砌内钢筋检测结果

掉块段落原设计为Ⅴ级围岩，二衬采用双层钢筋，环向主筋直径B22，间距20 cm；纵向构造筋直径B14，间距25 cm。钢筋间距实测结果为：

（1）环向主筋最小间距22.0 cm，最大间距41.5 cm，平均间距33.1 cm。

（2）纵向构造钢筋最小间距40.5 cm，最大间距71.8 cm，平均间距54.03 cm。

2.4 二衬厚度及背后空洞检测结果

原设计二衬厚度为50 cm，检测结果显示，共有7 个厚度代表值不满足设计要求，最小衬砌厚度为39 cm。检测结果见表2。

表2 二次衬砌掉块段厚度检测结果

经敲击拱顶残留混凝土发现背后存在空洞，位于两模混凝土施工缝处。在三处防水板露出部位验证，防水板后空洞深度最大为16.0 cm。

2.5 衬砌强度

该次在衬砌边墙及掉块混凝土分别进行取芯抗压检测，2处混凝土强度均满足设计要求，检测结果如表3所示。

表3 衬砌混凝土强度检测数据表

2.6 净空断面检测

混凝土掉块段共检测3 个净空断面。检测结果显示：实测断面均未侵入设计内轮廓。检测结果见图1～3。

图1 K5+985 净空断面图

3 病害原因综合分析

根据衬砌掉块段应急检测结果，现将病害产生原因总结如下：

3.1 衬砌混凝土存在施工界面

衬砌掉块段二衬混凝土断裂面有明显颜色分界，为土黄色和灰白色（灰白色为新断裂混凝土颜色），二次衬砌混凝土存在不连续浇筑施工界面。可能为施工过程中二衬浇筑完后脱模过早，造成衬砌混凝土局部掉块，单层钢筋位置形成脱离面，施工单位未进行有效结构修补，衬砌整体性差。

3.2 衬砌施工质量缺陷

衬砌掉块段衬砌内钢筋设计为双层钢筋，混凝土掉块区域为单层钢筋，且位于衬砌内侧（靠围岩侧）。环向、纵向主筋间距过大，不满足设计要求。该段衬砌拱顶背后存在空洞。二次衬砌钢筋布设不规范以及衬砌拱顶背后空洞，不利于隧道结构受力。

3.3 地形、地质条件

该段围岩为粉砂质泥岩，岩质软弱，且该段地面地形陡缓交界，地下水易沿层面渗入隧道，不利的地形、地质条件以及地下水的作用对衬砌结构具有一定影响。

3.4 多次地震对隧道结构影响

该项目完工后周边地区曾发生多次地震，如2013 年4 月20 日芦山地震（7.0 级）、2019 年6 月17 日宜宾长宁地震（6.0 级）等，频繁发生的地震对隧道结构会造成一定影响，进一步削弱了该处二次衬砌的整体性。

图2 K5+988 净空断面图

图3 K5+989 实测净空断面图

综合以上因素分析，衬砌混凝土施工质量是导致衬砌掉块的主要原因。二次衬砌混凝土由于存在上下不连续的浇筑施工界面，且该界面位于单层钢筋网附近，上下部分混凝土结合差，在地下水、围岩的长期反复作用及地震的诱导作用下，衬砌承受荷载增大，上部混凝土无法提供足够的连接力，下部混凝土连接边缘破裂，导致衬砌混凝土掉块。

4 二衬混凝土掉块段病害处治措施

根据隧道掉块成因和特征，考虑技术、经济及安全、公路隧道运营压力及工期要求，通过多方沟通及综合比选，本着“安全经济、方案合理、施工便捷”的原则，决定采用轻轨+喷射混凝土套衬+边墙钢管桩加固，衬砌掉块位置采用单层钢筋网+喷射混凝土嵌补方案。

衬砌混凝土掉块段的主要处治方案及措施详见表4及图4、图5，各处治措施施工工艺及质量要求如下：

表4 二衬混凝土掉块段处治措施

图4 衬砌嵌补设计图

图5 套衬设计图

4.1 套拱加固

（1）套拱加固段处治工序必须按“防火涂料凿除→二衬表面清洁与凿毛→对局部内空富余不足的位置，适当凿除→布设轻轨→铺设钢筋网→喷C30 混凝土形成套衬”的施工顺序，逐步逐项完成。

（2）原二衬表面凿毛并涂刷混凝土界面剂，凿毛面积5×5 cm 的范围内不少于1 点，保证新旧混凝土的良好结合。

（3）套衬拱脚必须严格按设计施作，确保轻轨落脚牢固可靠。

4.2 边墙钢管桩

（1）钢管桩施工工序：钻孔→清孔（清除积水和虚碴等）→插入钢管、钢筋笼（居中）→振动密实灌入细骨料混凝土。应作试验桩检查以上工序的有效性和桩的质量。

（2）钢管应先在管壁上开孔，开孔直径为A20，竖向间距20 cm，120°螺旋布设。确保灌浆时水泥砂浆能填充管壁与孔壁的间隙。

（3）钢管下放成功后采用C30 细骨料混凝土（最大粒径＜1.5 cm）进行灌注，孔口采用注浆胶球或编织袋封闭。

4.3 衬砌掉块嵌补

（1）施工工序为：架设18 kg/m 轻轨→清除原衬砌有掉块风险混凝土→掉块处植入单层钢筋网→分层喷混凝土修补原衬砌→边墙处施作A42 泄水孔→预埋A50 半剖PVC 软管将地下水引排至电缆沟内→进行下一步套衬结构施作。

（2）衬砌掉块嵌补前应先清除原衬砌有掉块风险衬砌混凝土，并采用阶梯切割方式使既有衬砌与喷射混凝土接缝面垂直于衬砌结构轴线。

（3）钢筋网应插入原衬砌混凝土中30 cm，采用植筋胶连接。靠围岩内侧既有钢筋间距过大或钢筋掉落位置应加密布设钢筋并与原钢筋采用A10 箍筋绑扎连接，保证两层钢筋间距。

4.4 背后注浆填充

（1）注浆管长度以穿过套拱和二衬厚度适当长度进入脱空部位为准，应避免破坏原有防水系统；

（2）采用水泥砂浆填充空洞，水灰比0.8 ∶1～1 ∶1，水泥和砂的比率为1 ∶0.5。

（3）采取低压注浆充填方式，当注浆压力达到0.1 MPa并稳定5 min 以上即可结束该孔注浆。

5 结语

该处治工程在大量收集隧道原设计、施工、运营资料的基础上，对结构开展了全面的应急检测，对衬砌混凝土掉块原因进行了有效分析，并及时制定了切实可行的处治方案，保证处治工程快速有效实施，迅速恢复交通，减小了社会影响，经处治施工后围岩及隧道结构恢复稳定，处治效果良好。