劉君，謝蒙均，黃 丹，滿 銀，韋培富（.貴州省交通科學(xué)研究院股份有限公司，貴州貴陽 550008；.中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司，貴州貴陽 550008）

季節(jié)性暴雨后某高速公路隧道病害及整治

摘要：為了解決長時間季節(jié)性暴雨后，運營隧道易出現(xiàn)病害的問題，對長時間季節(jié)性暴雨后高速公路某運營隧道發(fā)生的病害進(jìn)行調(diào)查、監(jiān)控、數(shù)值模擬及分析。研究結(jié)果表明：1）長時間大暴雨后，隧道病害關(guān)聯(lián)性存在，表現(xiàn)為滲漏水、基底隆起、翻漿冒泥、中央排水溝堵塞以及襯砌變形破壞；2）排水系統(tǒng)堵塞后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)上水壓力和內(nèi)力急劇增大，隧道率先在仰拱和墻腳處出現(xiàn)破壞；3）隧道滲漏水病害采用鑿槽引排，變形破壞段采用分段逐步換拱和仰拱施作，整個隧道采用中央排水溝擴挖、沉沙井和排水系統(tǒng)疏導(dǎo)的方法；4）病害整治期間隧道結(jié)構(gòu)變形較小、收斂，結(jié)構(gòu)安全，整治措施合理可靠。

關(guān)鍵詞：高速公路隧道；季節(jié)性暴雨；隧道病害；病害整治

Case Study on Diseases of a Highway Tunnel Occurring after Seasonal Rainstorm and Their Treatment

LIU Yunjun1，XIE Mengjun1，HUANG Dan2，MAN Yin1，WEI Peifu1
（1.Guizhou Transport Science Research Institute Shares Co.，Ltd.，Guiyang 550008，Guizhou，China；
2.The Building Construction Co.，Ltd.under China Railway Wuju Group，Guiyang 550008，Guizhou，China）

Abstract：When longduration seasonal rainstorms happen，diseases are easy to occur to operating tunnels.In the paper，the diseases that occurred to a highway tunnel after longduration seasonal rainstorms are investigated，monitored，numerically simulated and analyzed.Conclusions drawn are as follows：1）After longduration rainstorms，interrelated diseases，such as water leakage，floor uplift，mud pumping，central drainage ditch blocking and lining deformation，occur to the tunnel；2）When the drainage system is blocked，the water pressure on the tunnel lining and the internal force of the tunnel lining increase rapidly，which leads to the damage to the invert and the side wall feet；3）The following treatment measures are taken：Channels are cut to guide the ground water out so as to eliminate the water leakage disease；the damaged lining is removed section by section，new lining is installed and the invert is reconstructed；the existing central drainage ditch is widened，new sand collection shafts are installed and the drainage system is improved；4）During the treatment of the tunnel diseases，the deformation of the tunnel structure is small，which demonstrates that the tunnel structure is safe and that the treatment measures taken are reasonable and reliable.Key words：highway tunnel；seasonal rain storm；tunnel disease；disease treatment

0　引言

21世紀(jì)是隧道和地下工程迅速發(fā)展的時期，作為經(jīng)濟發(fā)展最快的國家之一，我國對交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求量越來越多，尤其是高速公路，而隧道因其自身的優(yōu)越性，在高速公路中的運用日趨廣泛［1］。在我國西南山區(qū)，由于復(fù)雜的地質(zhì)條件，設(shè)計、施工、運營、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，使得既有高速公路隧道出現(xiàn)滲漏水、襯砌損壞開裂、侵蝕銹蝕以及凍害等病害，且有些病害已經(jīng)嚴(yán)重影響了隧道的正常運營［2－3］。國內(nèi)外許多專家學(xué)者對現(xiàn)有隧道病害進(jìn)行了大量的研究。如劉海京［4］和馮冀蒙等［5］分析了隧道病害分布規(guī)律和隧道健康診斷計算模型；張智遠(yuǎn)［6］研究了隧道主要病害，總結(jié)了病害防治方法；盧穎明等［7］對隧道病害進(jìn)行了分類，并對其原因進(jìn)行了研究；萬利等［8］和鈄逢光等［9］針對隧道

滲漏水病害，提出了合理的治理措施。但對于由于季節(jié)性長時間強大暴雨引發(fā)的重大隧道災(zāi)害成因的分析、整治措施的采取以及隧道整治過程中的結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的研究和分析有所欠缺。

為此，本文以季節(jié)性長時間強大暴雨后某高速公路隧道病害成因及治理措施為研究分析對象，對病害整治過程中隧道結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)控，其研究成果有一定的實際意義。

1　隧道病害工程概況

隧道病害往往不是以某一種形式單獨存在的，一般以幾種病害一起出現(xiàn)［1，10］。2014年7月，季節(jié)性長時間強大暴雨后，高速公路某隧道出現(xiàn)了嚴(yán)重的病害。其主要表現(xiàn)為：

1）隧道出現(xiàn)裂縫和滲漏水。隧道裂縫病害相對較輕，主要以縱橫向細(xì)微裂縫（寬度小于0.2 mm）為主。隧道滲漏水病害根據(jù)壓力和流量可分為噴射、涌流、點滴和浸潤狀。該隧道滲漏水較為嚴(yán)重，在拱頂、拱腰、邊墻以及施工縫等處均有出現(xiàn)，共有14處，大部分呈點滴至涌流，部分區(qū)段隧道施工縫及裂縫處呈噴射涌流狀，最大涌水量達(dá)到100 L／min，且泥沙含量多，襯砌內(nèi)表面出現(xiàn)白色結(jié)晶物及泛黃現(xiàn)象。隧道滲漏水病害如圖1所示。

圖1　隧道滲漏水病害Fig.1 Leakage disease of tunnel

2）中央排水溝的排導(dǎo)能力不足以排走滲入隧道排水系統(tǒng)的大量泥沙，使得大量水涌出路面，局部嚴(yán)重翻漿冒泥，最大泥沙量達(dá)到每日數(shù)方，嚴(yán)重影響了行車和隧道結(jié)構(gòu)的安全。路面翻漿冒泥如圖2所示。

圖2　路面翻漿冒泥Fig.2 Pavement damage

3）隧道內(nèi)有近30 m區(qū)段的邊墻和墻腳出現(xiàn)嚴(yán)重的擠出變形、開裂和路面隆起，隆起量最大達(dá)到20 cm左右，邊溝擠出破壞，并有大量水和泥沙涌到路面，嚴(yán)重威脅隧道的運營安全，急需整治處理，如圖3所示。

圖3　隧道破壞Fig.3 Destruction of tunnel

2　隧道病害成因分析

隧道病害往往是由多因素綜合導(dǎo)致的。分析該隧道病害成因，主要是由于惡劣的氣候條件和復(fù)雜的地質(zhì)條件所引起。該隧道埋深較大，以灰?guī)r、白云巖等可溶性巖為主，工程水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，巖溶和節(jié)理裂隙發(fā)育并與地表連通，且節(jié)理裂隙面夾泥嚴(yán)重，隧道施工期間曾遇到溶洞。季節(jié)性長時間強大暴雨后，該隧道滲漏水水源以地表水為主，泥沙通過節(jié)理裂隙或溶洞進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)，而幾十年一遇的暴雨使泥沙量超出隧道排水系統(tǒng)的疏導(dǎo)能力，大量泥沙在中央排水溝中積累，并且使盲管等排水系統(tǒng)部分堵塞，從而導(dǎo)致進(jìn)入盲管等排水系統(tǒng)中的水無法及時排出，在隧道襯砌上形成高水壓作用，且地表下凹地貌加劇水壓的增大［11］，因而導(dǎo)致隧道出現(xiàn)滲漏水，部分水壓較大區(qū)段出現(xiàn)隧道嚴(yán)重變形、襯砌開裂和路基隆起等。

2.1數(shù)值力學(xué)模型與參數(shù)

為了分析排水系統(tǒng)堵塞導(dǎo)致水無法排出對隧道的影響，采用FLAC3D有限差分軟件，建立高速公路2車道基本斷面三維模型。模擬隧道軸線為Y軸，豎直方向為Z軸，橫向為X軸，XYZ的尺寸為100 m×20 m× 60 m，二次襯砌采用C3O混凝土。計算模型見圖4，圍巖和支護(hù)參數(shù)見表1。

圖4　三維計算模型Fig.4 Threedimensional calculation model

表1　圍巖和支護(hù)物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and support

2.2計算結(jié)果

分別計算埋深50 m（大于Ⅳ級圍巖深淺埋分界線）、水深50 m工況下，隧道盲管封堵（工況1）和排水（工況2）條件下，作用在隧道結(jié)構(gòu)上的水壓力以及隧道主體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，如圖5—7所示。

圖5　襯砌上水壓力（單位：Pa）Fig.5 Water pressure on lining（Pa）

從襯砌上水壓力可以看出：當(dāng)隧道排水系統(tǒng)堵塞時，地下水無法及時排出，作用在隧道襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓力近似為隧道未開挖時相應(yīng)地層的靜水壓力，水壓

從隧道拱頂至墻腳依次遞增，最大水壓力為0.5 MPa；當(dāng)隧道排水系統(tǒng)通暢時，環(huán)向盲管和縱向排水管形成臨空面（水壓力為0），而作用在隧道襯砌上的水壓從遠(yuǎn)離環(huán)向盲管和縱向排水管部分到排水系統(tǒng)遞減，局部最大水壓力為0.185 MPa，降低了63%。因此，當(dāng)排水系統(tǒng)堵塞時，使隧道結(jié)構(gòu)上的水壓力急劇增大約63%。

圖7　工況2襯砌主應(yīng)力（單位：Pa）Fig.7 Principal stress on lining in Case II（Pa）

對比工況1和工況2隧道結(jié)構(gòu)上最大和最小主應(yīng)力可以得出：排水系統(tǒng)通暢（工況2）時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)上最大壓應(yīng)力位于邊墻至墻腳內(nèi)側(cè)，為17.85 MPa，最大拉應(yīng)力位于拱頂和仰拱內(nèi)側(cè)，為0.58 MPa，均未達(dá)到C30混凝土的極限強度，隧道結(jié)構(gòu)安全；排水系統(tǒng)堵塞（工況1）時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)上最大主應(yīng)力位于墻腳內(nèi)側(cè)，為21.6 MPa（與C30混凝土極限抗壓強度22 MPa基本相當(dāng)），增加17.36%，最大拉應(yīng)力位于仰拱內(nèi)側(cè)和墻腳外側(cè)，為2.38 MPa（大于C30混凝土極限抗拉強度2.2 MPa），增加75.63%，隧道結(jié)構(gòu)率先出現(xiàn)破壞。因此，以地表水為主要水源的滲漏水，排水系統(tǒng)易堵塞，會使隧道二次襯砌的應(yīng)力急劇增加，最大增加75.63%。其中，墻腳和仰拱為襯砌的最不利位置，率先達(dá)到極限承載狀態(tài)，出現(xiàn)破壞，危害嚴(yán)重［11］。

3　隧道病害整治

3.1隧道病害整治措施

分析已出現(xiàn)的隧道病害，其整治主要分為滲漏水病害整治、路面損壞整治和高水壓整治3方面。

1）對于施工縫和0.2 mm寬的縱橫向裂縫滲漏水，一般采用鑿槽、埋半圓管、引排、封堵的方法。對襯砌結(jié)構(gòu)有一定損壞的裂紋滲漏水先按上面措施處理，再采用噴射聚丙烯纖維混凝土補強結(jié)構(gòu)或涂刷防水材料［12］。

2）隧道近30 m范圍邊墻、墻腳嚴(yán)重破壞，路基隆起，處于不安全狀態(tài)，一般的注漿加固措施已不能滿足要求，需要施作套拱或換拱，路基需要重新開挖澆筑，而施作套拱會侵犯界限，只能換拱。具體步驟如下：

①對于隧道破損區(qū)段，在隧道內(nèi)緊貼二次襯砌（縱向每延米），架設(shè)工字鋼（可用工24），鋼架支撐，保證病害整治過程中的安全性，如圖8所示。

圖8　工字鋼支撐Fig.8 Ishaped steel support

②在路基隆起段，約10 m／段間隔進(jìn)行路基開挖、排水系統(tǒng)疏導(dǎo)、淤泥清除、襯砌背后水引導(dǎo)、沉沙井施作和仰拱重筑等，如圖9所示。

圖9　仰拱重筑Fig.9 Reconstruction of invert

③分區(qū)段采用非鉆爆法進(jìn)行二次襯砌鑿除，采用地質(zhì)雷達(dá)等手段檢查襯砌背后空洞情況，并采用滿堂支架法進(jìn)行二次襯砌澆筑，如圖10所示。

3）高水壓整治。該隧道襯砌形成高水壓是在長時間強大暴雨后，地表水?dāng)y帶的淤泥堵塞中央排水溝

引起，整治措施有3種。

圖10　二次襯砌鑿除及施作Fig.10 Removal of existing secondary lining and reconstruction of new lining

①地表截水＋排水系統(tǒng)疏導(dǎo)。重點病害區(qū)段地表為下凹地貌，采用地表截水具有一定的盲目性，且圍巖裂縫復(fù)雜，措施的有效性較差，不可取。

②開挖泄水洞＋排水系統(tǒng)疏導(dǎo)。從高程較低的洞口，在兩隧道的中下部沿著隧道縱向開挖泄水洞至隧道病害處，或者從重點病害處開始開挖橫向泄水洞。根據(jù)地形條件，隧道病害處橫向泄水洞較長，且泄水具有局部性，不可??；縱向泄水洞泄水效果最好，但是在2條隧道中下部開挖泄水洞，技術(shù)難度大，原有隧道結(jié)構(gòu)的安全性難以得到保證，且施工周期長，不可取。

③中央排水溝擴挖、沉沙井＋排水系統(tǒng)疏導(dǎo)。從高程較低的洞口開始沿隧道縱向?qū)⒃械闹醒肱潘疁蠑U挖成寬1.2 m、深1 m的矩形溝，每隔一定距離挖設(shè)沉沙井，并檢查排水系統(tǒng)的堵塞情況，進(jìn)行疏導(dǎo)。運營期間，定期對中央排水溝和沉沙井進(jìn)行清理和疏導(dǎo)，尤其是汛期前后，該方法效果較好，工期合理，可以采用。中央排水溝擴挖如圖11所示。

3.2隧道病害整治過程結(jié)構(gòu)監(jiān)測

為了確保病害整治施工過程中隧道結(jié)構(gòu)的安全，在中央排水溝擴挖段路面沿縱向每10 m兩側(cè)分別布置一個路面豎向變形監(jiān)測點，兩側(cè)邊墻布置一對收斂位移監(jiān)測點，監(jiān)測中央排水溝擴挖到澆筑過程隧道結(jié)構(gòu)位移的變化；需重新澆筑仰拱和換拱段，在仰拱重新澆筑期間縱向兩側(cè)邊墻每10 m布置一對收斂位移監(jiān)測點，監(jiān)控其施工過程中的變化，而換拱期間由于場地限制，無法進(jìn)行路面豎向變形監(jiān)測。監(jiān)測測量見圖12。

圖11　中央排水溝擴挖Fig.11 Widening of existing central drainage ditch

圖12　監(jiān)測測量Fig.12 Monitoring measurement

監(jiān)測表明：施工過程中，路面最大豎向變形均小于1 mm，最大收斂位移小于0.8 mm，均呈收斂趨勢，隧道病害整治期間，隧道結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。其中，區(qū)段內(nèi)某100 m路面豎向變形和收斂變形累計時程曲線如圖13所示。

重新澆筑仰拱和換拱段，在仰拱重新澆筑期間，隧道收斂變形較大，最大達(dá)到4 mm，但整體呈收斂趨勢，隧道結(jié)構(gòu)安全，病害整治措施合理。換拱段收斂變形累計時程曲線如圖14所示。

圖13　變形累計時程曲線Fig.13 Timedependent curves of accumulative deformation

圖14　換拱段收斂變形累計時程曲線Fig.14 Timedependent curves of accumulative convergence deformation of archreconstructing section

4　結(jié)論與建議

基于對季節(jié)性長時間強大暴雨后某高速公路隧道病害成因的分析、治理措施的研究及病害整治過程的監(jiān)控，得出：

1）季節(jié)性長時間強大暴雨會使地質(zhì)條件惡劣的隧道出現(xiàn)病害，以地表水為主要水源的隧道病害表現(xiàn)為滲漏水、泥沙堵塞排水系統(tǒng)、路面積泥、路面隆起和襯砌變形破壞。

2）通過數(shù)值計算和分析發(fā)現(xiàn)，隧道排水系統(tǒng)通暢時，離盲管和縱向排水管越近，襯砌結(jié)構(gòu)上水壓力越??；而中央排水溝堵塞使得排水系統(tǒng)中的水無法排出，使隧道襯砌上水壓劇增，最大增加63%，且二次襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)力增大。其中，最大拉應(yīng)力位于仰拱內(nèi)側(cè)和墻腳外側(cè)，增加75.63%，大于C30混凝土的極限拉應(yīng)力，率先出現(xiàn)破壞。

3）根據(jù)流固耦合三維數(shù)值模擬結(jié)果，水壓引起的隧道襯砌仰拱內(nèi)側(cè)和墻腳外側(cè)彎矩較大，成為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的關(guān)鍵控制部位，應(yīng)該引起重視，建議加強該部位的配筋，以提高隧道的整體穩(wěn)定性。

4）隧道滲漏水病害一般采用鑿槽、埋半圓管、引排和封堵的方法，在路基隆起、襯砌變形破壞段，由于隧道襯砌已無法承載，且襯砌已侵限，采用分段逐步換拱和仰拱施作措施，并且整個隧道采用中央排水溝擴挖、沉沙井和排水系統(tǒng)疏導(dǎo)的方法。

5）隧道病害整治過程中，對病害整治段進(jìn)行監(jiān)控量測，發(fā)現(xiàn)路面豎直方向和邊墻收斂變形值較小且呈收斂趨勢，隧道主體結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，病害整治措施合理可靠。

文章對季節(jié)性暴雨后隧道病害特征、成因、整治和監(jiān)測進(jìn)行了研究，研究結(jié)果可為季節(jié)性暴雨期間隧道病害的整治設(shè)計和施工提供參考與借鑒，而對季節(jié)性暴雨后隧道病害的分級值則需要進(jìn)行進(jìn)一步的深入研究。

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作者簡介：劉君（1988—），男，湖南益陽人，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，橋梁與隧道工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事橋梁隧道試驗檢測和維修加固研究工作。

收稿日期：2015－01－20；修回日期：2015－02－12

中圖分類號：U 457＋.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1672－741X（2015）05－0484－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.016