唐連權(quán)，劉傳新（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.江蘇省地下空間探測技術(shù)工程實驗室，江蘇 南京 211112）

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膨脹巖引起的隧道路面病害檢測、成因分析與處治

唐連權(quán)1，2，劉傳新1，2
（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.江蘇省地下空間探測技術(shù)工程實驗室，江蘇 南京 211112）

通過工程實例，闡述了槽箐頭隧道膨脹巖引起的路面病害檢測手段、病害成因及分析方法，介紹各種方法在工程實際過程中的具體運用，并依據(jù)巖土勘探理論計算、數(shù)值模擬分析、檢測結(jié)果，有針對性地提出一些處治措施和建議。

隧道工程；膨脹巖；路面變形；病害檢測；處治措施

1　概述

國外對公路隧道水害的研究較早，已取得了一些較為成熟的方法和案例，并有一套規(guī)范的隧道養(yǎng)護和病害治理方法。特別是在北歐、日本和美國等，近十幾年來進步很快，控制設(shè)計和施工趨于規(guī)范化，新材料、新工藝不斷涌現(xiàn)［1］。

近年來，我國工程領(lǐng)域的科研工作者針對公路隧道的病害問題，開展了大量的研究。但從整體上看，對地下結(jié)構(gòu)物耐用期間的研究不充分?？偨Y(jié)現(xiàn)有研究成果后發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段針對隧道病害的詳細(xì)檢查并不“詳細(xì)”，多是從形式、范圍等方面作簡單的描述，無法對病害作全面準(zhǔn)確的評價；研究主要針對運營的某一隧道（群）或者某種原因?qū)е虏『?，大都停留在外因分析、?jīng)驗定性判斷的基礎(chǔ)上，沒有深入到本質(zhì)，不能對隧道病害的成因作全面的分析。隧道所處環(huán)境的特殊性，特別是土體與隧道結(jié)構(gòu)相互作用的特殊性和復(fù)雜性，決定了隧道病害的研究必須打破原有的框框，系統(tǒng)地考察隧道病害的量測技術(shù)、成因和危害機理，建立更全面的隧道健康診斷和治理方法。

本文通過對槽箐頭隧道主要由膨脹巖引起的路面病害檢測、處治工程的設(shè)計施工實例， 基于對膨脹巖引起的公路隧道路面病害調(diào)查檢測方法、處治措施、材料以及工藝的系統(tǒng)研究，提出一套系統(tǒng)的針對運營期膨脹巖引起的公路隧道路面病害檢測和維修治理方案，利用工程學(xué)的方法，有效地解決、防治和減輕公路隧道主要由膨脹巖引起的路面病害。

2　工程概況

2.1隧道工程地質(zhì)概況

槽箐頭隧道隧址區(qū)地貌類型為溶蝕、侵蝕為主的中山或低中山地貌。進口處為巖溶沖溝邊緣的緩坡臺地，出口處為一陡崖過度至緩坡地形，洞身段地形起伏不大，所經(jīng)地段高程1 912.36～2 190.45 m，相對高差約178 m。

構(gòu)造單元屬揚子淮地臺、上揚子臺褶帶之曲靖臺褶束上。場區(qū)地處普安旋鈕構(gòu)造變形區(qū)，隧道區(qū)主要發(fā)育有水塘子斷層、白沙地斷層和槽箐頭向斜。

隧址區(qū)地層主要有第四系崩積層（Qe）和殘坡積層（Qe1+d1）；二疊系下茅口組（Plm）淺灰、灰白厚層白云巖化生物屑泥晶灰?guī)r夾亮晶生物屑灰?guī)r；二疊系棲霞組（Plq）泥灰?guī)r與泥巖互層地層；三疊系飛仙關(guān)組（Tlf2）第一段紫紅～灰綠色粉砂巖、砂質(zhì)泥頁巖互層；此外，新第三系（N）為山麓洪積相的灰?guī)ё丶t色礫巖及褐紅色含礫砂質(zhì)鈣質(zhì)巖組成間斷旋回，角度不整合于二疊系或三疊系地層上。

2.2隧道水文地質(zhì)概況

隧址區(qū)未見比較大的地表水體。地下水主要為巖溶裂隙水和基巖裂隙水，地下水活動方式主要是大氣降水沿斜坡向溝谷、洼地匯集，由落水洞或裂隙潛入地下補給地下水，地下水再沿巖溶巖管道或斷裂破碎帶向更低處匯集，以泉水方式出露地表或以地下河方式向低處聚集。隧道地板大部分在常年地下水位以上，但雨季大氣降水入滲沿裂隙或巖溶管道運動過程中對隧道地板圍巖影響較大，特別是隧道底板泥巖等粘土巖中的粘粒成分含有較多的親水礦物，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形特點，其獨特的水理性，在與地下水接觸時由于親水礦物的水理作用引起隧道底板圍巖軟化和體積膨脹。

2.3隧道路面及仰拱設(shè)計

隧道洞內(nèi)左幅（ZK187+115.2～ZK189+413）、右幅（YK187+105.14～YK189+396.671）路面為水泥混凝土路面，面層為26 cm厚C35水泥混凝土，其余段為16 cm厚水泥混凝土墊層，10 cm厚瀝青混凝土面層。整平層為15 cm厚C10混凝土，車行橫洞路面為16 cm厚的C35混凝土，人行橫洞路面為10 cm厚的C10混凝土。隧道仰拱設(shè)計如表1所示。

表1　槽箐頭隧道各級圍巖仰拱設(shè)計支護參數(shù)表

2.4隧道路面病害現(xiàn)狀

自2007年通車以來，隧道路面出現(xiàn)多處明顯底鼓、路面破損較嚴(yán)重，接縫處存在錯臺現(xiàn)象，底鼓段兩側(cè)排水溝蓋板發(fā)生傾斜，影響行車安全；同時出現(xiàn)多處邊墻防水涂層明顯空鼓，局部脫開剝落，表明工后水平收斂變形量較大；局部路面積水，嚴(yán)重影響行車安全。

根據(jù)資料和現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)槽箐頭隧道路面病害主要表現(xiàn)為：

（1）隧道工程地質(zhì)情況復(fù)雜，在該隧道的施工中遇到了溶洞、坍塌、涌水等很多地質(zhì)災(zāi)害；

（2）施工中曾出現(xiàn)過底板上鼓現(xiàn)象，修復(fù)開挖可見黃色粘土巖、黑色炭質(zhì)頁巖等，遇水軟化泥化，強度降低較快；

（3）2008-12～2009-05，YK2140+195附近出現(xiàn)過道板開裂鼓起現(xiàn)象（4塊半），2009-09后進行過換板修復(fù)；

（4）左洞ZK2139+055附近路段，2011年發(fā)現(xiàn)路面裂縫明顯，有4塊路面板呈貫穿性裂縫，且裂縫不斷增大。2012-03以來，左洞ZK2139+055附近路段鼓起顯著，隆起量達15 cm；右洞YK2140+195附近路段隆起30 cm以上；右洞YK2139+040附近路段出現(xiàn)貫穿性縱向裂縫；上述病害征兆有持續(xù)發(fā)展趨勢。

3　隧道路面病害檢測

3.1檢測方法和內(nèi)容［1］

3.1.1隧道路面檢測

檢測方法為目測和相機拍照；檢測儀包括鋼尺、游標(biāo)卡尺等。隧道路面檢測內(nèi)容主要有路面有無油污、拱起、坑洞、開裂及錯臺等。

3.1.2隧道仰拱無損檢測

隧道仰拱主要檢測仰拱混凝土的強度和厚度是否達到設(shè)計要求，基底圍巖完整性等。在路面病害嚴(yán)重的路段進行鉆孔取芯，然后將試樣進行室內(nèi)混凝土強度試驗并測量混凝土芯樣長度，最后將其與設(shè)計要求進行比較。檢測儀器主要包括XY-1型鉆機、WA-1000B型電液式萬能材料試驗機和拍照等。

3.1.3隧道仰拱強度和厚度檢測

采用SIR-20型地質(zhì)雷達。檢測各測線仰拱混凝土缺陷（裂隙、空洞）分布情況；仰拱密實情況，是否存在脫空現(xiàn)象等。

3.1.4隧道基底圍巖膨脹性檢測

隧道基底圍巖主要檢測隧道圍巖破碎程度，是否具有膨脹性，并確定巖石中親水礦物的含量。采用XY-1型鉆機在路面病害段對仰拱附近圍巖鉆孔取芯，并對巖樣進行自由膨脹率和X射線衍射試驗。檢測儀器主要包括XY-1型鉆機、X，PERT PRO X射線衍射儀和WA-1000B型電液式萬能材料試驗機。

3.2檢測結(jié)果

根據(jù)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果，隧道路面鼓起、破損及裂縫病害較為嚴(yán)重，判定為2A，將會危及行人、行車安全，應(yīng)盡早采取對策措施。

本次檢測針對隧道路面嚴(yán)重鼓起、破損及裂縫路段進行了鉆孔取芯、室內(nèi)試驗和雷達掃描等，并對其成因進行分析。根據(jù)鉆孔資料可以看出，底板處泥巖均較為破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水極易軟化，風(fēng)化劇烈，局部呈粘性土狀。室內(nèi)試驗資料顯示，仰拱混凝土強度符合設(shè)計要求，而底板處粘土巖多具有膨脹性。根據(jù)雷達掃描分析成果，路面下多處脫空。

綜上，隧道路面底鼓、破損及裂縫病害是循環(huán)重車載、隧道底板圍巖較為破碎、泥巖具有膨脹性和高水頭壓力等多種因素綜合作用的結(jié)果。

4　隧道路面病害成因分析［2］

施工記錄資料表明，隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，巖性種類多，圍巖體較為破碎。基底圍巖中灰?guī)r和白云巖占隧道路面總約60%；其余粉砂巖、砂質(zhì)泥頁巖互層及礫巖、泥巖約占40%。施工過程中曾塌方多次；雨季時出現(xiàn)過涌水、噴水現(xiàn)象；施工中曾出現(xiàn)過底板上鼓現(xiàn)象，修復(fù)開挖可見黃色粘土巖、黑色炭質(zhì)頁巖等，遇水軟化泥化，強度降低較快。通車一年后YK2140+195附近出現(xiàn)過道板開裂鼓起現(xiàn)象，進行過斷續(xù)換板修復(fù)。

4.1隧道仰拱強度和厚度與設(shè)計比對結(jié)果

左幅ZK2139+030處的鉆孔ZK2揭露的混凝土厚度僅0.3 m，且未見仰拱，與設(shè)計方案出入較大。其余鉆孔揭露的混凝土厚度與設(shè)計方案較為相符，但下部泥巖均較為破碎，遇水極易軟化，風(fēng)化劇烈，局部呈粘性土狀。對路面和仰拱取芯試樣進行單軸抗壓強度試驗，其強度滿足設(shè)計要求。

4.2路面基底圍巖膨脹性試驗結(jié)果

對隧道路面底鼓、裂損及裂縫病害嚴(yán)重路段進行現(xiàn)場鉆孔取芯檢查，共計完成6個鉆孔。鉆孔巖芯表明：拱底圍巖多為泥巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，遇水極易軟化，風(fēng)化劇烈，局部呈粘性土狀。

對取芯試樣進行單軸抗壓強度，X射線衍射和自由膨脹率等室內(nèi)試驗，試驗數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2　隧道圍巖X射線衍射試驗結(jié)果

表3　隧道圍巖膨脹性試驗結(jié)果

對于膨脹巖的判定尚無統(tǒng)一指標(biāo)，作為地基時，可參照膨脹土的判定方法進行判定。根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GB50112—2013）膨脹土分類標(biāo)準(zhǔn)，蒙脫石含量7%～14%為弱膨脹土；根據(jù)《中國隧道及地下工程修建技術(shù)》膨脹巖土分類標(biāo)準(zhǔn)，蒙脫石含量≥10%，自由膨脹率≥25%為一般膨脹性軟巖。由此可以判定該路段泥巖多具有膨脹性。

4.3地質(zhì)雷達檢測結(jié)果

對隧道路面底鼓、破損及裂縫嚴(yán)重路段進行地質(zhì)雷達掃描，根據(jù)雷達圖譜分析，結(jié)果表明隧道仰拱局部有脫空層，混凝土不密實，局部仰拱混凝土覆蓋層厚度不均勻或缺失。

4.4成因分析

隧道路段灰?guī)r和白云巖相對完整。而泥巖等粘土巖相對破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水易沿節(jié)理裂隙活動。試驗資料表明：泥巖等粘土巖中的粘粒成分含有較多的親水礦物，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形特點，其獨特的水理性，在與水基介質(zhì)接觸時由于親水礦物的水理作用引起隧道底板圍巖軟化和體積膨脹，具有明顯軟化性和較強的膨脹性，致使圍巖產(chǎn)生較大的塑性變形及膨脹壓力。

由于隧道底板部分地段泥巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，給地下水提供了較好的活動空間，而泥巖中含有大量的親水礦物，具有遇水軟化和吸水膨脹性特點，加之大氣降水通過地表滲入隧底引起的高水頭上揚壓力等原因，在隧道底板剛性基礎(chǔ)約束條件下，對仰拱部位產(chǎn)生較高的向上次生應(yīng)力荷載。該荷載效應(yīng)累積到一定程度，當(dāng)超過底板結(jié)構(gòu)抗力時，在底拱薄弱部位（兩側(cè)排水溝）將產(chǎn)生破壞。后期在重載交通循環(huán)荷載的耦合作用下，底板破壞變形日趨加重，由此造成隧道路面嚴(yán)重上鼓、錯臺、破損及裂縫等病害現(xiàn)象。另外，局部路段未施作仰拱或仰拱厚度不足，減小了對底板膨脹巖土的約束力，更加重了此類現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述，造成槽箐頭隧道局部底鼓、破損及裂縫現(xiàn)象的原因是：仰拱下較破碎軟弱圍巖、泥巖的膨脹性、地下水高水頭壓力、重載交通循環(huán)荷載等多種因素綜合作用的結(jié)果。

5　膨脹巖引起的隧道路面病害處治

5.1處治措施［3］

隧道路面底鼓、破損及裂縫病害原因查明為：仰拱局部脫空、缺失或厚度不足；拱底圍巖破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育；地下水活動頻繁和高水頭上揚壓力；拱底圍巖為具有膨脹性的軟弱圍巖。采取一般性措施難以滿足治理要求，因此針對病害的不同嚴(yán)重程度及仰拱破損程度，設(shè)計處治措施為：注漿+錨桿加固。

（1）首先破除原有路面，然后在填充層頂部進行錨桿及注漿管作業(yè)，并在填充層頂面開槽，以設(shè)置錨桿墊板。在錨桿布設(shè)和注漿結(jié)束后，用C20混凝土抹平填充層頂面，然后進行路面恢復(fù)。

（2）錨桿采用R51N自進式錨桿，長10 m，間距2 m，采用矩形布置；注漿管采用型Φ42注漿管，長6 m，間距1 m，采用梅花形布置；墊板材料為長2.4 m 的20號槽鋼。自進式錨桿的施工程序如下：切槽→鉆孔→安裝止?jié){塞→連接注漿機→注漿→安裝墊板和螺母。

（3）路面采用C40鋼纖維混凝土，厚26 cm。建議通過試驗確定合理的鋼纖維摻入量。

5.2處治措施評價與數(shù)值模擬驗算［4］

運用數(shù)值模擬手段對病害處治效果進行評價，以供參考。采用彈塑平面有限元對隧道圍巖進行了模擬分析。邊界模擬四邊均為單向約束。約束邊至洞中心的距離為隧道半徑的5倍以上。初始應(yīng)力只考慮自重的影響，水平應(yīng)力為垂直應(yīng)力與側(cè)壓力系數(shù)的乘積。視圍巖為理想彈塑性材料，服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)測［3］。通過理正巖土軟件分析軟弱膨脹性圍巖對隧道結(jié)構(gòu)的不利影響，進而指出其是引起隧道底鼓病害的重要原因，因此要根治底鼓病害必須對拱底圍巖進行加固處理。利用大型有限元軟件ANSYS針對病害處治方案進行分析。通過理正巖土軟件計算得出的軟巖和較硬巖不同仰拱圍巖彈抗系數(shù)下襯砌結(jié)構(gòu)彎矩圖（設(shè)計值，不含地震作用）如圖1所示。可以看出仰拱圍巖為泥巖等軟巖時，彈抗系數(shù)小，拱底彎矩較大，易產(chǎn)生上鼓現(xiàn)象。

使用大型有限元軟件ANSYS模擬槽菁頭隧道拱底圍巖加固前與加固后的襯砌受力情況，如圖2～圖4 所示。

圖1　圍巖彎矩圖（單位：kN·m）

圖2　隧道數(shù)值模型圖

圖3　Y向應(yīng)力圖

由圖可知：按照方案中病害處治措施對仰拱進行修復(fù)及拱底加固后，隧道襯砌結(jié)構(gòu)仰拱底部受力明顯得到改善，剪力、彎矩及Y向應(yīng)力明顯小于未加固前。基本消除了軟弱圍巖膨脹性引起的膨脹應(yīng)力，同時隔斷了圍巖地下水的侵入，滿足了徹底整治、不留后患的整治要求。

5.3處治效果

采用上述方案對隧道路面部分地段進行修復(fù)，并對修復(fù)地段進行長期監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明：隧底加固處理后，修復(fù)地段未出現(xiàn)新的路面底鼓、裂損及裂縫等病害。

圖4　圍巖剪力圖（單位：N）

對于膨脹巖，膨脹率與時間的關(guān)系曲線以及在一定壓力下膨脹率與膨脹力的關(guān)系，對隧道設(shè)計和施工具有重要的意義。對于膨脹巖地區(qū)的隧道設(shè)計和修復(fù)需經(jīng)過長期監(jiān)測，積累經(jīng)驗。

6　結(jié)論［5］

（1）隧道路面底板鼓起、破損及裂縫病害屬于襯砌裂損，是運營線較常見的一種病害，當(dāng)隧底圍巖為有膨脹性的粘土巖時較易發(fā)生。易風(fēng)化泥化的泥質(zhì)巖類隧底，宜增設(shè)仰拱，以防止邊墻下沉和隧底隆起。

（2）槽箐頭隧道底板鼓起病害產(chǎn)生的主要原因是隧道底部圍巖為具有膨脹性的泥巖，拱底圍巖破碎，病害區(qū)部分地段未設(shè)置仰拱或仰拱厚度不足、脫空和破損。

（3）處治襯砌裂損病害，首先要消滅已有的襯砌裂損對結(jié)構(gòu)及運營的一切危害，并防止裂損擴大。其次是采取以穩(wěn)固圍巖為主，穩(wěn)固巖體與加固村砌相結(jié)合的綜合治理措施。處治隧道底板鼓起、破損及裂縫的一般性措施為：加深排水溝，疏干地下水，消除底板軟化。對已軟化的底板可采取置換或注漿加固。

膨脹巖性質(zhì)復(fù)雜，不少問題尚未解決。因此對膨脹巖的測試和評價，不宜采用單一方法，應(yīng)根據(jù)實際情況和工程經(jīng)驗綜合分析和評價。膨脹巖是否可能造成工程損害以及損害的方式和程度，通過對已有工程的調(diào)查研究來確定，是最直接最可靠的方法。

［1］羅鑫.公路隧道健康狀態(tài)診斷方法及系統(tǒng)的研究［D］.上海：同濟大學(xué)，2007.

［2］向曉軍.龍泉山隧道病害治理［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2005，42 （2）：65-71.

［3］司徒麗新，鄒友泉.軟弱圍巖隧道施工方法及病害防治［J］.山西建筑，2007（32）：326-327.

［4］王文鐸.某城市公路隧道病害治理方法［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2002（8），35-39.

［5］JTG H12—2003公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范［S］.

Detection，Analysis and Treatment of Tunnel Pavement Diseases Caused by Swelling Rock

Tang Lianquan1，2， Liu Chuanxin1，2
（1. JSTI Group， Nanjing 211112， China； 2. Jiangsu Underground Space Exploration Technology Engineering Laboratory， Nanjing 211112， China）

Based on a practical engineering case， this paper described the detectived methods， disease causes and analytical methods of pavement diseases caused by swelling rock in Caoqing tunnel. Various of methods in practical application were introduced. Combining with the calculation of geotechnical exploration theory， numerical simulation and test results， relevant measures and suggestions were put forward.

tunnel engineering； swelling rock； pavement deformation； disease detection； treatment measures

U457+.2

A

1672-9889（2016）02-0069-05

唐連權(quán)（1967-），男，湖南邵東人，高級工程師，主要從事巖土工程勘察、設(shè)計、檢測和施工方面的工作。

（2015-06-14）