山岭岩质隧道建设耐久性问题及加固措施

许乃良

山岭岩质隧道建设耐久性问题及加固措施

许乃良

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001）

文章讨论了地下结构的一些严重耐久性问题，针对这些问题提出了一些建议。通过对隧道岩体变形数据进行测量、采集和分析，测量数据可用于开挖结果的反馈，及时指导施工。隧道监测包括监测方法、监测设备、数据处理分析，并通过数据分析反馈来指导施工。为隧道施工的改进提供了一些合理的建议。研究将为今后类似工程项目的设计、施工和监测提供有益的参考和指导。

岩质隧道；耐久性；加固措施；监控量测

引言

地下结构的耐久性和使用寿命因材料特性、施工质量、腐蚀环境等的不同而显著不同。从建造之日起，所有地下结构都存在耐久性和使用寿命问题。然而，由于涉及许多复杂的因素和长期的测试周期，在中国还没有系统的研究报告。如果耐久性和使用寿命问题仍未解决，可能会在不可预测的时间发生严重的不安全运行事故，危及安全[1]。

在众多隧道施工方法中，新奥地利隧道法（NATM）是公路隧道施工中最常用的方法，已被证明是一种非常经济和灵活的施工方式。NATM是一种采用钻爆法在岩石中开挖隧道的技术，采用喷射混凝土衬砌和岩石锚杆作为主要支撑系统。最重要的是，基于“竣工或开挖中分类系统”的概念，NATM要求对开挖面的地质条件和衬砌等地下支撑结构的性能进行动态观测。最常见的岩体分类系统RMR和Q系统用于转换这些观察到的数据，以提供对隧道掘进过程中所需开挖方法和支撑系统组件的估计[2]。可见，现场监测是新奥法掘进的核心，在判断围岩稳定性、评价支护结构的合理性和安全性方面具有不可替代的作用。

近年来，人们对地上混凝土结构的耐久性和使用寿命进行了大量研究。相关研究的核心问题包括多因素耦合腐蚀、加速试验结果的准确性、降解分析的有效方法等。为此，应将加速腐蚀试验与理论分析相结合，对地下结构在不同运行条件、腐蚀环境和耦合条件下的耐久性和使用寿命进行系统深入的研究[3]。

在传统的施工工艺和方法中，地下结构基本上包括用于临时支护的螺栓和电缆支撑结构，以及用于永久支护的二次衬砌钢筋混凝土结构。前者主要考虑承受静态和动态载荷，后者则提供必要的安全储备。有两种情况可以表示如下[4]：（1）螺栓支撑结构通常暴露在更严重的腐蚀环境中；（2）螺栓和电缆支撑结构均由相同或相似的材料组成，即：地下喷射混凝土、钢筋混凝土、锚杆、内表面钢筋或衬砌结构钢筋。因此，两种加固结构的研究成果可以相互借鉴。如果一方找到了好的解决方案，另一方遇到的问题也可能得到解决。因此，螺栓和电缆支撑结构的耐久性问题是研究的重点。

加固效果和机理、耦合腐蚀的相关数学公式以及地下结构的退化分析方法是主要的技术瓶颈。根据我国现行设计规范对锚索的要求，如果主要作为承重结构的锚杆和锚索支撑结构的耐久性、使用寿命和加固措施问题得到纠正，用于安全储备的二次永久衬砌结构的相应问题将很容易得到解决。因此，有可能为中国地下结构的使用寿命提供可靠的预测和建议。

1 工程概况

弄麻隧道设计为单洞双向行车的两车道二级公路隧道，纵坡为-3/576.59，净空9 m×5 m，洞身围岩级别主要为Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级，Ⅴ、Ⅳ级属于强、中风化石灰岩、白云岩，Ⅲ级属于微风化石灰岩、白云岩，其中Ⅴ级共141 m为强风化石灰岩、白云岩，占围岩比例为43.4%，Ⅳ级共99 m为中风化石灰岩、白云岩，占围岩比例为30.5%，Ⅲ级共85 m为微风化石灰岩、白云岩，占围岩比例较大为26.2%，如图1所示。

图1 隧道洞身横断面图（普通段）

2 地下结构的耐久性问题及加固措施

自1963年新奥法（NATM）提出以来，新奥法已广泛应用于各个工程领域。与此同时，许多铁路和公路隧道、地下厂房、高岩石边坡、港口岸坡、桥墩和涵洞等都采用了螺栓和电缆支撑结构。自1980年以来，采用新奥法修建的铁路隧道已占中国隧道总长度的10%左右。此外，地下工程中的这些支撑结构（甚至在复合隧道衬砌中）均被设计为主要承重结构。螺栓和电缆支撑结构设计用于承受施工期间和施工后的动荷载和静荷载，而二次永久衬砌结构基本上提供安全储备。显然，螺栓和电缆支撑结构的故障将导致整个项目的失败[5]。

在20世纪80年代末和20世纪90年代初，水工钢闸门的防腐和水工工程中环氧树脂防腐涂层的应用被采用。近年来，我国土木工程领域的学者对工程中的安全性和耐久性问题给予了高度重视。由于土木结构耐久性不足导致的结构事故比例远高于设计安全性不足导致的结构事故比例，因此迫切需要这些预测和警告。

如果一个项目在没有正确设计和安装螺栓和电缆支架的情况下进行施工，可能会产生潜在缺陷。安装后，锚定螺栓和电缆通常用水泥砂浆或纯水泥浆灌浆。与混凝土相比，这种凝胶介质的水泥含量高（尤其是高早强水泥或超早强水泥），砂含量低（或不含砂），耐腐蚀性较差。此外，涂层薄，水灰比高（0.6～0.7）。在某些情况下，为了便于灌浆，可采用任意水灰比。无压（重力）或低压灌浆导致锚索和螺栓灌浆不足和严重的空气收缩。因此，无法保证最小保护层厚度，一些局部位置无法完全用砂浆覆盖。

在中国，对于螺栓和电缆支撑结构地对准支架，钢筋支架（锚定螺栓、土钉）或支撑环（锚定电缆）已被用于解决螺栓对准问题，以增加握力。在重力作用下，支架（或支撑环）外部的锚定电缆和螺栓可能部分接触锚定孔壁，这表明在灌浆砂浆后，这些位置的保护层厚度可能会大大减少，有时甚至降至零。研究表明，在这种条件下，孔壁接触面积越大，腐蚀面积和深度越大。

影响锚固电缆和螺栓耐久性的另一个因素是不同的地质条件。螺栓和电缆支撑结构可在封闭潮湿环境中使用，或永久浸入或在湿/干替代环境中使用。由于螺栓和电缆支撑结构是地下工程，准确预测其寿命比地面混凝土结构更困难。

3 地下结构耐久性问题分析

由于螺栓和电缆支撑结构的安全性和耐久性仍有许多问题需要解决，因此应进行科学的调查和分析。在此基础上，对锚索支护结构的使用寿命和加固措施进行研究，寻求有利的解决方案。我国对锚索支护结构的安全性和耐久性的研究尚处于起步阶段，远远落后于其他国家或地区。存在的主要问题如下[6]：

（1）预应力锚索和锚杆的吨位设计存在误解。预应力对于最小化大坝、洞穴、斜坡等的变形至关重要，以保持其整体稳定性。因此，在中国，锚索和锚栓的直径增加，预应力锚杆的吨位增加。20世纪70年代，普通隧道锚索（如膨胀壳锚索）的预应力荷载仅为200 kN～300 kN，二次灌浆锚索的预应力荷载仅为500 kN、600 kN或900 kN。20世纪70年代，普通隧道锚索（如膨胀壳锚索）的预应力荷载仅为200 kN～300 kN，二次灌浆锚索的预应力荷载仅为500 kN、600 kN或900 kN。

（2）较高的预应力荷载并不总是产生有利的结果。研究表明，在相同条件下，较大的预应力荷载会导致较高的应力腐蚀速率。结构变形应控制在合理范围内，应力腐蚀速率也应控制在可接受范围内。最佳点应在范围内保持平衡。

4 施工测量方案

4.1 监测目的

隧道开挖后，收敛性是反映在围岩和支护结构力学形态变化中最直接、最明显的论据。通过监测数据，可以从数据图表中了解围岩和支撑结构的稳定性，及反映横截面的变化。可以决定拱顶的稳定性，以防止隧道围岩发生滑坡或其他大变形[7]。

4.2 监测仪器

手钻用于布置监测点演练。激光定位器用于确定钻孔位置并确保钻孔位置在同一截面上。膨胀钩安装在钻孔中，并用水泥固定。喷漆标记，方便下次测量。收敛用于测量数据，然后写下数据。

4.3 测点布置原则

测点布置原则。周边位移测点与冠部沉降测点在同一断面上。在同一断面内，收敛铺设基线应根据断面开挖方式选择不同尺寸排列。用风钻或冲击钻机将测点安装在被测断面上时，孔径40 mm～80 mm，深20 cm，在孔内填满水泥砂浆后插入预埋件的衔接处，尽量使两个预埋件基线轴线方向和销轴与孔的轴线处于垂直位置，有良好的保护帽，可以砂浆凝固后进行监测。

4.4 洞外控制测量

必须保证施工期间稳固耐用，并注意对控制点进行保护，使其不发生参数变动。平面控制网和高程控制网必须按照施工规范要求定期复测，确保符合精度要求。

4.5 洞内控制测量

4.5.1 洞内平面控制点的选点、埋石

洞内导线应布置成多边形导线点，控制点应选在通视良好，顶板或底板岩石坚固的地方，以使工作安全和控制点便于保存。洞内导线点兼作水准点使用，埋石方法、要求与洞外导线点相同。

4.5.2 洞内导线测量

用于向洞内传算方向的洞外联系边长度：洞内导线测量的目的是以必要的精度，按照洞外控制测量的坐标系统。

计算时再将所测角度统一归算为左角或右角，然后取平均值。观测右角时，仍以左角起始方向配置度盘位置。在左角和右角分别取平均值后，应计算改点的圆周角闭合差。

4.5.3 贯通测量

横向贯通的精度至关重要。倘若横向贯通误差过大，就会引起隧道中线几何形状的改变，严重者会使衬砌部分侵入到建筑界限内，影响施工质量，造成经济损失。

高程误差要在两端同时向洞内测量，在贯通前200 m进行比对，及时调整开挖方向使两个掘进面可以顺利贯通。

4.6 观察的收敛方法

根据以下步骤观察收敛：（1）百分表读数升高2.5 cm～3.0 cm；（2）会聚米尺钩挂在两个测量点上，拧紧尺子，用钩子将销钉插入尺子上相应的孔中固定；（3）转动调节螺母拧紧标尺，使观察窗与面板成一直线；（4）读取刻度尺中的数值，两者加起来就是测点之间的距离；（5）每次测量完成后，松开调节螺母，然后退出挂钩，将尺子取下，擦好收好，并定期涂上防锈油；（6）每条测线前后的相对位移量减去测点间距的两倍（隧道收敛位移值）即可计算。

5 数据处理与分析

在隧道开挖期间，测量站被安置在近距离，并进行了3D位移测量。结合隧道推进数据对测量结果进行了评估。所呈现的图表来自位于50 m覆盖层下距离入口45 m的第一管中的测量站。它给出了垂直位移，右肩是离第二根管最近的位置。在顶部掘进和支护应用之后，位移曲线在第一阶段测量时遵循预期趋势。然后它加速表明不稳定。设计师建议使用平面或弯曲的临时内底来实现顶部艏象足应用的稳定性。

现场监理优先采用快速闭合支撑环，缩短顶部掘进－台倒置之间的距离。支撑环闭合后位移曲线变为水平。然而，尽管隧道掌子面距离测量站40 m，但可能会随着隧道推进的影响而增加。

随着另一根管子接近相关隧道部分，位移加速。除了喷射混凝土的裂缝外，在右墙下部还观察到锚杆承受过大载荷的迹象。检查了喷射混凝土倒置，并观察到倒置墙交叉处的裂缝和底部的起伏。

测得的位移随时间变化曲线可以更直观地看出围岩位移情况，通过观察特征曲线可以初步判断围岩是稳定还是异常情况。隧道测量时，由于环境影响或人为因素，测量数据可能会出现一些意外误差，使数据具有离散性。

对于和等级岩石，可以根据测量结果确定合适的二次衬砌时间，由于二衬施工过早，可能会施加过多的荷载。

如果在间隙位移过程中发现收敛速度趋于稳定，则应据此确定隧道结构的初始支护和二次衬砌极限荷载对结构安全性的影响，以便做出正确判断。如果实测数据通过多种联合反分析后发现支护或二次衬砌结构的安全系数比早期大，经设计者同意后，可对类似地质类型的支护参数进行适当调整。围岩支护水平参数的变化和调整是必要的，得到相应的测量数据，并得到设计者的认可。

在监测过程中，如果间隙位移过大或收敛速度没有稳定的趋势，则应采取结构加固措施。根据现行公路隧道施工技术规范要求，结构加固的主要措施如下：增加喷射混凝土的厚度，或加密锚，或加钢筋网；先期配套二次衬砌，要求通过反演检验二次衬砌强度；先进设施倒置。

为了稳定隧道内位移的发展和支护的缺陷，采取了一些措施：用钢梁和附加喷射混凝土层加固倒底；拆除喷射混凝土倒置，额外开挖并应用钢梁和喷射混凝土倒置以获得圆形和深的倒置；用钢筋网－钢筋修复和加固倒墙连接，并在倒墙和隧道墙底部附加螺栓。现场在底架和隧道墙底部加装锚杆锚固，使隧道段位移变平缓。

6 结论

（1）螺栓和电缆支撑结构在地下工程中的应用在中国已有几十年的历史。这些结构被广泛使用，主要设计为主要承重结构。目前，对这些结构的使用寿命、剩余寿命和设计寿命的研究还不够。许多问题没有得到明确的回答，或者没有得到足够的重视，在这些问题中，各种类型的工程项目可能会遇到潜在的危险。当支撑结构的寿命结束时，它们将带来意想不到的灾难。

（2）我国地下结构的安全性和耐久性研究尚处于起步阶段，保护对策和加固措施的有效性研究仍在进行中，中国缺乏防腐对策的原始标准。与其他发达国家或地区相比，中国还有很长的路要走。

（3）螺栓和电缆中的缺陷对其耐久性有显著的负面影响，这涉及两个方面：加工技术导致的材料缺陷和施工管理相对较差导致的施工质量差。例如，水灰比（0.45～0.5）基本上不能满足规定的要求，但一些重大项目执行了严格的要求。根据实验，日本标准规定的下限值更合理。

此外，灌浆压力、锚头保护、地下腐蚀环境的测试和评估以及最小隐蔽厚度在现行标准中没有明确规定，或没有合理规定。例如，德国和中国规范中的最小保护层厚度为5 mm，这可能不合理。但在大多数情况下，5 mm的最小保护层厚度是可以满足的。如果相关研究未能针对主要缺陷提出有效的预测方法，则很难评估结构的剩余使用寿命。

[1]向宝山，吴枋胤，白皓，等. 松散堆积体隧道围岩变形特征及围岩加固技术研究[J]. 公路，2021，66(12): 403-409.

[2]苏兴矩，丘仁科，邱礼球，等. 富水全风化花岗岩隧道注浆加固技术研究[J]. 地下空间与工程学报，2021，17(S2): 788-792，813.

[3]郑英俊. 含填充型溶洞高速公路隧道突泥灾害机制及加固技术研究[J]. 西部交通科技，2021(10): 85-88.

[4]柯文汇，黄正新. 浅埋扁平排水隧道侧穿高压杆塔加固技术研究[J]. 地下空间与工程学报，2021，17(S1): 253-260，290.

[5]张晓东，赵明喆，王学博，等. 深埋隧道补强加固技术理论分析与模拟研究[J]. 公路，2019，64(7): 330-338.

[6]刘斌. 软弱围岩隧道洞口段预加固技术研究[D]. 西安: 长安大学，2014.

[7]陈豪雄，朱永全. 风积砂地层隧道加固技术实验研究[J].岩石力学与工程学报，1993(3): 206-213.

Durability Problems and Reinforcement Measures of Mountain Rock Tunnel Construction

In this paper, some serious durability problems of underground structures are discussed and some suggestions are put forward. By measuring, collecting and analyzing the deformation data of tunnel rock mass, the measured data can be used to feedback the excavation results and guide the construction in time. Tunnel monitoring includes monitoring methods, monitoring equipment, data processing analysis, and data analysis feedback to guide the construction. Some reasonable suggestions are provided for the improvement of tunnel construction. This study will provide useful reference and guidance for the design, construction and monitoring of similar projects in the future.

rock tunnel; durability; reinforcement measures; monitoring and measurement

U45

A

1008-1151(2022)10-0036-04

2022-07-05

许乃良（1987－），男，广西路建工程集团有限公司工程师，从事交通工程建设与技术管理工作。