缓倾岩层隧道衬砌掉块病害分析及处治研究

吴铭芳

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

分析高速公路隧道运营现状，发现既有高速公路隧道的病害主要表现为渗漏水、衬砌裂损、仰拱开裂隆起等[1-3]。其中，掉块病害发生概率较低，但一旦发生，往往会造成严重的安全事故，并影响隧道结构稳定和正常运营。究其原因，衬砌掉块通常为厚度不足、衬砌裂缝、混凝土劣化、水压力突然增大、衬砌背后空洞落石冲击荷载等所致[4-5]。目前学者对隧道衬砌欠厚掉块进行了大量研究。张良山[6]以某隧道衬砌背后空洞上方落石为研究对象，重点分析了该隧道衬砌背后空洞上方落石对衬砌结构的破坏机理，提出了预制拼装波纹板的整治技术。刘海京等[7]以西南某高速公路隧道因防水板原因导致二衬厚度不足最终发生掉块病害为研究对象，结合公路运营压力及工期要求，提出了锚网喷+镀锌钢带的快速处治措施。陈望祺等[8]以某隧道衬砌混凝土起层剥落为背景，提出使用波纹钢板套衬的衬砌加固方法。上述研究内容多是针对外力因素导致衬砌掉块这一病害提出的加固处治方案，而对缓倾岩层隧道，结合自身围岩地质特点及施工变更情况，分析衬砌欠厚、掉块的原因，从而提出针对性处治方案的研究较少。鉴于不同隧道围岩岩性、岩体结构等边界条件的差异性，其欠厚掉块病害处治方案应因地制宜。

本文针对缓倾岩层隧道衬砌欠厚、掉块这一病害，以某隧道为工程背景，结合检测结果及竣工资料研究不同的处治方案，进行对比分析，提出推荐方案。

1 工程概况

1.1 隧道概况

某双向四车道高速公路分离式中隧道，设计车速80 km/h。左幅隧道起讫桩号为ZK18+893-ZK19+742，长849 m，右幅隧道起讫桩号YK18+920-YK19+750，长830 m，最大埋深约103 m。隧道区下伏基岩为二叠系上统龙潭组(P2l)泥质粉砂岩、泥岩及砂岩。岩层倾向南东，呈单斜产出，倾向155°～175°，倾角9°～14°，综合产状165°∠10°。岩石节理裂隙较发育。隧址区水文地质条件较简单，地下水不发育。

隧道采用复合式衬砌，施工图设计以系统锚杆(或注浆钢花管)、钢筋网、喷射混凝土、工字型钢拱架或格栅拱架作为初期支护，并根据不同围岩级别辅以大管棚、超前小导管等超前支护措施，二次衬砌采用C35模筑混凝土或钢筋混凝土，在初期支护与二次衬砌之间敷设1.5 mm厚防水板及350 g/m2无纺土工布作为防水层。隧道于2011年开工建设，2013年9月建成通车运营。

2020年12月在进行定检过程中，发现左幅隧道出现2处衬砌剥落掉块，所幸当时隧道由于封闭检测，未造成安全事故，随后即对隧道进行了专项检测。

1.2 隧道专项检测情况

本次主要针对衬砌厚度进行专项检测。左幅隧道布置13条测线共分析10 780个二次衬砌厚度测点，1.82%的检查点厚度<1/2设计厚度。

右幅隧道布置13条测线共分析10 562个二次衬砌厚度测点，3.55%的检查点厚度<1/2设计厚度。

根据本次隧道专项检测结果及现场调查，左幅隧道主要表观病害为2处衬砌剥落掉块(ZK19+202-ZK19+200拱顶、ZK19+302-ZK19+301左拱腰，剥落掉块面积分别为1.0、1.45 m2)。ZK19+202处掉块情况见图1，ZK19+301处掉块情况见图2。

图1 ZK19+202处拱顶掉块现场照片

图2 ZK19+301处左拱腰掉块现场照片

ZK19+202-ZK19+200处掉块发生在拱顶位置，并伴有纵向裂缝，防水板外露，掉块面积约1 m2，衬砌最薄处仅2 cm。

ZK19+302-ZK19+301处掉块发生在左拱肩靠近拱顶区域，防水板外露，掉块面积约1.4 m2，衬砌最薄处仅4 cm。

隧道掉块具体位置、地质条件、岩层产状，以及施工情况等相关信息见图3。

图3 左幅隧道地质纵断面图

2 剥落掉块原因分析

隧道原施工图设计及竣工资料显示，隧道围岩为二叠系上统龙潭组粉砂质泥岩、砂岩，产状平缓，近水平层。这是一套软硬不均的复合地层，砂岩强度高、脆性好、延展性较低，而泥岩强度低、延展性和压缩性较大，加之产状平缓，隧道开挖破坏范围主要集中在拱顶部位[9-10]，施工过程中的沉降、变形控制与支护参数、工法及二衬跟进有很大关系。部分段落在施工过程中发生了拱部初支变形较大的情况，并进行了变更设计。ZK19+202掉块处所在区段就曾因变形大，在ZK19+137-ZK19+215段78 m范围增设了I18型钢拱架临时护拱。

结合竣工资料、本次专项检测结果及现场情况分析，掉块原因主要有：

1) 隧道围岩为二叠系上统龙潭组粉砂质泥岩、砂岩，产状平缓，近水平层，部分段落在施工过程中发生了拱部初支变形较大的情况。ZK19+202处应为施工过程中变更段设置临时护拱未拆除，ZK19+301处应为存在欠挖或初支变形侵限等原因导致二次衬砌厚度严重不足。

2) 拱顶混凝土骨料较少，强度偏低，二次衬砌施工存在质量缺陷。

3) 二次衬砌存在严重欠厚质量缺陷，薄弱部位受混凝土收缩、温度变化等作用产生裂缝，结构耐久性降低，目前隧道已运营8年多，在重力作用、长期过往车辆振动及环境等作用下发生剥落掉块。

3 隧道病害处治

3.1 处治方案研究比选

结合隧道病害现状、专项检测报告、竣工资料及病害原因分析，本次主要针对衬砌剥落掉块区段及拱部衬砌严重欠厚(衬砌厚度<1/2设计厚度，即D

因既有结构为单层初支，在衬砌厚度严重不足的情况，多数衬砌厚度仅为15～20 cm，局部甚至不到5 cm，而背后未显示有空洞，表明多为欠挖或初支侵限严重，故首先考虑对拱部欠厚严重的段落进行初支及二衬结构整体拆换，即方案一。但考虑到整体拆换工序复杂、工期长，故在方案一的基础上进行优化，提出了凿除欠厚二衬及初支喷射混凝土部分，再重新施做30 cm厚的钢筋混凝土二衬，即方案二。

因既有结构为双层初支，在衬砌厚度严重不足的情况，结构自身稳定性基本不存在问题，故考虑尽量减少对既有结构的扰动，在衬砌表面增设钢板，并通过设置锚杆锚固钢板，以期达到预防掉块的目的，即方案三。考虑到钢板耐久性问题，又提出了凿除欠厚二衬，并充分利用隧道净空富余，设置格栅拱架，进行锚网喷的方式重构喷射混凝土二衬，即方案四。具体处治措施见表1。

表1 处治措施表

结合隧道水文地质环境特点及原施工情况，对4个方案优缺点进行对比分析，结果见表2。

表2 掉块及严重欠厚段处治方案比选表

3.2 处治方案采用

结合上述分析比选，最终根据隧道既有初支情况，采用处治措施为方案一和方案四。

3.2.1针对既有结构为单层初支

衬砌剥落掉块及拱部衬砌严重欠厚(D

图4 结构拆换示意图

1) 主要技术参数。系统锚杆采用直径×壁厚=2 mm×4 mm钢花管，单根长4.5 m，间距100 cm×100 cm，梅花形布置；钢筋网采用直径8 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm；钢架为I18型钢拱架，间距80 cm；二衬采用40 cm厚喷射C30钢筋混凝土。

2) 主要施工流程。对隧道电缆桥架及灯具等附属设施进行改移保护→设置I18钢架作为临时支撑→采用直径×壁厚=42 mm×4 mm环向注浆钢花管进行围岩预加固→拆除既有二衬及初支→重新施作初期支护→施作防水板→喷射40 cm厚C30钢筋混凝土二衬→复测衬砌内轮廓→表面喷涂混凝土面漆→恢复检修道电缆槽及路侧边沟，图5为现场施工情况。

3.2.2针对既有结构为双层初支

衬砌剥落掉块及拱部衬砌严重欠厚(D

图5 现场施工情况

图6 格栅拱架锚网喷示意图

1) 主要技术参数。围岩预加固采用25型低预应力锚杆，单根长4.5 m，间距100 cm×100 cm，梅花形布置；钢拱架采用120四肢格栅拱架，纵向间距1 m，设置于既有初支钢架之间；钢筋网采用直径8 mm钢筋网，间距20 cm×20 cm；喷射C30纤维混凝土。

2) 主要施工流程。对隧道电缆桥架及灯具等附属设施进行改移保护→施做25型低预应力锚杆→拆除既有二衬混凝土和防水层→施设锚杆的锚垫板并用扭力扳手拧紧螺母和施加预应力→核实格栅拱架安装空间→喷涂防水材料→初喷混凝土架立格栅钢架并设钢花管锁脚→格栅钢架外侧铺设钢筋网→锚杆外露端用套筒弯曲呈L形后勾住附近钢筋网并与之焊接牢固→喷射混凝土至设计轮廓→复测衬砌内轮廓→表面喷涂混凝土面漆，图7为现场完成情况。

图7 现场完成情况

目前，该隧道衬砌掉块及欠厚缺陷处治已全部结束，通过对施工期间及近段运营期间的观测情况来看，治理效果良好，且最大限度地保证了该高速公路的正常行车，未发生一起行车安全事故，达到了预期的效果。

4 结语

本文结合隧道专项检测、水文地质情况、原设计、施工资料，详细分析了隧道欠厚掉块产生的原因，并根据不同段落的既有情况针对性给出了掉块、欠厚严重缺陷的处治方案，在保证结构稳定的基础上尽量减少对既有结构的破坏及扰动。同时提出，针对缓倾岩层隧道，施工过程中应严格满足设计支护参数要求，特别重视超前支护及系统锚杆的作用，针对性地加强拱部支护，二衬及时跟进，控制好沉降变形，从源头上避免因沉降、变形原因导致初支侵限净空不足，产生衬砌欠厚掉块病害隐患。