王培劍

（山西省交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督局，山西 太原 030006）

1 隧道概況

某隧道為上下行分離的四車道高速公路隧道，設(shè)計行車速度80 km/h；其中左線樁號K33+226—K35+700，全長2 474 m，洞體最大埋深221 m；右線樁號YK33+227—YK35+742，全長2 515 m，洞體最大埋深231 m。設(shè)計縱坡2.65%～2.90%，左右洞中線距離30～40 m；隧道總體走向264°。

1.1 地形地貌

該隧道穿越區(qū)地形起伏較大，最大相對高差300 m；隧道上部山體大部分基巖裸露，植被稀少；地貌單元屬低中山地貌。

1.2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

該隧道穿越區(qū)地層巖性主要由第四系全新統(tǒng)坡洪積黃土狀粉質(zhì)黏土、第四系上更新統(tǒng)坡洪積碎石、馬蘭黃土和奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組泥灰?guī)r、灰?guī)r組成。隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)斷裂構(gòu)造，但褶皺、裂隙發(fā)育。

1.3 水文地質(zhì)

隧址區(qū)地下水類型主要為上層滯水。上層滯水是局部隔水，主要接受大氣降水補給，具有分布隨地而異、季節(jié)性變化大的特點，特別是在雨季，隧道內(nèi)滲出的地下水會較多，對隧道穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

1.4 氣象條件

隧址所在地屬溫帶半干旱大陸性氣候，全年冬無嚴寒，夏無酷暑，雨熱同季，晝夜溫差較大，年平均溫度9.7℃，年平均降水549.2 mm，每年6、7、8、9四個月的降水量占到全年降水量的70%。年均無霜期150 d，最大凍土深度約1.0 m。

2 主要病害類型

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，該隧道病害主要表現(xiàn)形式為二襯開裂、局部滲水、底板隆起、路面開裂及電纜溝破損等。

2.1 襯砌裂縫

隧道襯砌裂縫共384條，其中環(huán)向裂縫181條、縱向裂縫108條、斜向裂縫95條，分布位置以邊墻居多，拱腰、拱頂較少，多分布在距邊墻底上0～2 m范圍內(nèi)，最大裂縫寬度約8 mm，局部有環(huán)向和斜向裂縫，另外個別段落拱頂也存在縱向裂縫。裂縫類型多為貫通型，部分裂縫有錯臺[1]。襯砌裂縫具體情況如圖1～圖3所示。

圖1 二襯環(huán)向裂縫

圖2 二襯斜向裂縫

圖3 拱頂裂縫

2.2 襯砌局部崩裂

襯砌局部崩裂共13處，主要發(fā)生在邊墻與電纜溝交界位置及預留設(shè)備洞室周圍，如圖4所示。

圖4 二襯崩裂

2.3 隧道滲漏水

隧道襯砌表面存在濕漬10處，浸滲12處，主要分布在施工縫、邊墻與電纜溝交界處上方約0～1 m的位置。如圖5所示。

圖5滲水點處滲水情況

2.4 底板隆起、路面開裂

該隧道局部段落底板隆起、路面開裂，最大隆起高度達22 cm；左右線路面裂縫共計29條，裂縫最大長度25 m，最大寬度20 mm。開裂隆起區(qū)域襯砌結(jié)構(gòu)絕大部分有仰拱，且路面以下均不同程度地存在混凝土面層與墊層、墊層與回填層、墊層與圍巖之間脫空現(xiàn)象[2]，見圖 6、圖 7。

圖6 路面隆起

圖7 ZK35+375位置路面中心開槽檢測

2.5 電纜溝變位

部分段落電纜溝嚴重變位、破損，左線變形段主要集中在路線前進方向左側(cè)，共34段523.5 m，右線變形段主要集中在路線前進方向右側(cè)，共26段384 m，電纜溝變形相對于路面最大傾角達20°，見圖8。

圖8 電纜溝破損

3 隧道病害成因分析

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及監(jiān)測結(jié)果，綜合考慮其設(shè)計、施工技術(shù)文件，對該隧道的病害成因進行全面分析，其具體原因如下。

3.1 地下水作用

隧址區(qū)近兩年降雨量比往年明顯增多，據(jù)1980—2013年氣象統(tǒng)計資料顯示，年總降水總量在380.6～784.3 mm之間，2013年總降水量達719.2 mm，在可統(tǒng)計的33年間排名第二。

隧道側(cè)墻部圍巖存在上層滯水，含水層巖性為石灰?guī)r，隔水層巖性為泥灰?guī)r。大氣降水是上層滯水的唯一補給來源，隧道右洞側(cè)上方27個采礦坑的集中分布，為地表水的入滲提供了良好通道，據(jù)估算，大氣降水經(jīng)采礦坑直接入滲量為31 m3/d；且隧道病害段位于隧道2.65%～2.90%縱坡的中下游段落，正位于圍巖賦存水的下行和匯集位置。

強降水及隧頂?shù)V坑形成的匯水通道導致隧道圍巖中裂隙水儲量增大，造成泥灰?guī)r遇水軟化及石膏巖軟化膨脹，強度降低，圍巖壓力增大，導致隧道襯砌承載力不足，出現(xiàn)襯砌開裂、邊溝及電纜溝變形、底板隆起等病害現(xiàn)象。

施工期間和運營初期先后3次病害的發(fā)生和發(fā)展時間均出現(xiàn)在雨季后和春融期。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造作用

根據(jù)隧址區(qū)地質(zhì)調(diào)繪成果，上馬家溝組二段普遍發(fā)育開闊的（輕微）背（向）斜，構(gòu)造較發(fā)育。隧道左線K34+637和右線YK34+648位置發(fā)現(xiàn)逆斷層。該斷層改變了隧道洞身的圍巖巖性，斷層以東洞身圍巖主要為上馬家溝組一段灰?guī)r，圍巖整體情況較好；斷層以西（隧道病害區(qū)域）洞身圍巖主要為上馬家溝組一段局部不規(guī)則發(fā)育石膏與硬石膏的泥灰?guī)r，圍巖具有遇水軟化膨脹的性質(zhì)。

從隧道地質(zhì)縱剖面圖可以看出，隧址區(qū)地層總體為一向西緩傾的單斜，其傾角與隧道設(shè)計縱坡相差較小，導致隧道圍巖大范圍處于斷層以西上馬家溝組一段局部不規(guī)則發(fā)育石膏與硬石膏的泥灰?guī)r地層中，致使隧道結(jié)構(gòu)變形破壞區(qū)域較大。

隧道專項地勘和專項檢測均表明隧道圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，且具貫通性。分水嶺西段（病害發(fā)生區(qū)域）較東段節(jié)理、裂縫發(fā)育。據(jù)統(tǒng)計，節(jié)理在病害段發(fā)育密度達2～3條/m，高于非病害段。部分水平鉆孔有較大的氣流，說明裂隙與外界連通，且受隧址區(qū)溫差影響。發(fā)育且連通的節(jié)理裂隙為大氣降水進入圍巖并產(chǎn)生影響提供了天然通道，且由于發(fā)育連通的節(jié)理裂隙內(nèi)壓力小于隧道排水系統(tǒng)中的壓力，大部分的圍巖賦存水由裂隙向外排出，部分進入底板圍巖。

隧址區(qū)褶皺為多個和緩的背向斜組成的復式開闊褶曲，規(guī)模不大但對巖體完整性影響較大，山體透水性增強。加之向斜為儲水構(gòu)造，使上層滯水在隧道局部長時間匯集（如隧道左線K34+950位置），為隧道圍巖中的石膏和泥灰?guī)r的膨脹軟化提供了條件。

該隧址區(qū)存在多個小規(guī)模背向斜組成的復式開闊褶曲、泥灰?guī)r伴生石膏巖、巖體節(jié)理、裂隙極為發(fā)育且和外界連通的地質(zhì)構(gòu)造是一種較為特殊的地質(zhì)構(gòu)造，在省內(nèi)公路隧道工程中未見，因而設(shè)計、施工和工程管理方面均未有充分認識。

3.3 泥灰?guī)r軟化作用

隧道周邊分布有奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組一段泥灰?guī)r，泥灰?guī)r具有遇水膨脹軟化、失水崩解、強度降低的工程特性。

本次工作在采取的邊墻孔采集的10組泥灰?guī)r樣品中，有4組極軟巖和軟巖，其中極軟巖軟化系數(shù)僅為0.064，軟巖軟化系數(shù)達0.23～0.55，泥灰?guī)r軟化特征較為明顯。

目前國內(nèi)公路隧道設(shè)計的基本原理是采用新奧法，即隧道襯砌和周邊圍巖密貼而形成整體，共同承受外力和抵抗變形，而該隧道側(cè)墻后泥灰?guī)r的軟化和變形，其不僅嚴重削弱隧道承載能力和抵抗變形能力，而且增加了作用于隧道襯砌的荷載。

當泥灰?guī)r位于隧道拱底上方時，圍巖遇水軟化后強度降低，導致作用在襯砌結(jié)構(gòu)上的荷載增加，進而加劇隧道病害的發(fā)展。當泥灰?guī)r位于隧道拱底時，由于地下水在隧道縱向分布的不均勻性，隧底圍巖強度高低不一，導致隧道在縱向上發(fā)生不均勻受力變形，從而使隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生環(huán)向與斜向裂縫。

可以認為，泥灰?guī)r遇水易軟化是造成隧道病害的主要原因之一。

3.4 石膏、硬石膏軟化及溶蝕作用

華北地區(qū)奧陶系主要由灰?guī)r、白云巖組成，其中夾有多層石膏層。奧陶系中統(tǒng)的主要含膏層位為下馬家溝一段、上馬家溝一段、峰峰一段。上馬家溝組在長治地區(qū)位于Ⅱ區(qū)，區(qū)內(nèi)上馬家溝組地層巖性為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、石膏，據(jù)此可以判斷該隧址區(qū)發(fā)育石膏層。

隧道棄渣檢驗和地勘水平鉆孔巖芯取樣檢驗表明，洞身圍巖分布有石膏、硬石膏，尤以底板以上分布居多。石膏在水的作用下溶蝕會形成一定規(guī)模的溶洞，使洞體圍巖強度顯著降低。

硬石膏巖體吸水后膨脹軟化，圍巖自承載能力降低，并產(chǎn)生側(cè)向變形，從而增強對隧道襯砌結(jié)構(gòu)側(cè)向擠壓作用，使圍巖壓力超出了隧道結(jié)構(gòu)的剛度和強度，導致襯砌結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中，最終造成襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生向隧道內(nèi)側(cè)的變形及開裂，路面及回填層在受到襯砌結(jié)構(gòu)的擠壓變形下隆起及脫空。

硬石膏巖層地下水中硫酸根離子濃度增加，加劇了對混凝土材料表面的腐蝕作用，長期作用會使混凝土表面剝蝕，結(jié)構(gòu)逐漸松散。硫酸鹽溶液侵入襯砌裂隙，生成具有膨脹性的二水硫酸鈣，在孔隙中積聚，并與水泥水化產(chǎn)物鋁酸鈣及水化單硫鋁酸鈣反應(yīng)生成鈣礬石，導致混凝土結(jié)構(gòu)劣化，膨脹破壞。

可以認為石膏和硬石膏遇水溶蝕和軟化膨脹是造成該隧道病害的又一主要原因。

4 結(jié)論

根據(jù)《某隧道病害地質(zhì)勘察報告》、《某隧道專項檢測報告》中的一系列數(shù)據(jù)和結(jié)論，結(jié)合查閱設(shè)計文件及施工和管理全過程的技術(shù)文件，并借鑒省內(nèi)外類似工程經(jīng)驗，綜合分析后形成如下結(jié)論。

a）直接原因 該隧道穿越的中奧陶統(tǒng)上馬家溝組地層中發(fā)育的硬石膏巖和泥灰?guī)r水化膨脹和軟化后變形增大、強度降低，產(chǎn)生的圍巖壓力超出了隧道支護結(jié)構(gòu)的強度和剛度，進而引發(fā)了隧道變形、開裂和底板隆起等病害。

b）重要誘因 大氣降水及山體匯水通道的貫通，導致該隧道圍巖中裂隙水儲量增大。地下水的富集，一方面使得硬石膏巖具備了水化作用的條件，泥灰?guī)r和石膏巖遇水軟化和膨脹，產(chǎn)生側(cè)向擠壓力，導致隧道拱腳及側(cè)墻產(chǎn)生變形，邊墻縱向密集開裂，電纜溝傾覆，仰拱受到兩側(cè)強大的擠壓后，中央排水管被擠裂、填平層混凝土和仰拱分離隆起，致路面開裂；另一方面泥灰?guī)r、石膏遇水軟化和膨脹，導致隧底圍巖承載能力大幅降低并由于在縱向與橫向上的不均勻性，從而使隧道結(jié)構(gòu)部分段落產(chǎn)生大量的環(huán)向與斜向開裂。

c）其他誘因 地下水通道的變化。伴隨著隧道的施工建設(shè)，隧道圍巖應(yīng)力重分布，圍巖的變形形態(tài)發(fā)生了調(diào)整，使地下水原有的補給、徑流、排泄途徑改變。地下水的富集，使得硬石膏巖、泥灰?guī)r具備水化條件，并使圍巖產(chǎn)生塑性變形進而作用于隧道結(jié)構(gòu)。