吳銘芳

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

分析高速公路隧道運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)既有高速公路隧道的病害主要表現(xiàn)為滲漏水、襯砌裂損、仰拱開裂隆起等[1-3]。其中，掉塊病害發(fā)生概率較低，但一旦發(fā)生，往往會(huì)造成嚴(yán)重的安全事故，并影響隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和正常運(yùn)營(yíng)。究其原因，襯砌掉塊通常為厚度不足、襯砌裂縫、混凝土劣化、水壓力突然增大、襯砌背后空洞落石沖擊荷載等所致[4-5]。目前學(xué)者對(duì)隧道襯砌欠厚掉塊進(jìn)行了大量研究。張良山[6]以某隧道襯砌背后空洞上方落石為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析了該隧道襯砌背后空洞上方落石對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，提出了預(yù)制拼裝波紋板的整治技術(shù)。劉海京等[7]以西南某高速公路隧道因防水板原因?qū)е露r厚度不足最終發(fā)生掉塊病害為研究對(duì)象，結(jié)合公路運(yùn)營(yíng)壓力及工期要求，提出了錨網(wǎng)噴+鍍鋅鋼帶的快速處治措施。陳望祺等[8]以某隧道襯砌混凝土起層剝落為背景，提出使用波紋鋼板套襯的襯砌加固方法。上述研究?jī)?nèi)容多是針對(duì)外力因素導(dǎo)致襯砌掉塊這一病害提出的加固處治方案，而對(duì)緩傾巖層隧道，結(jié)合自身圍巖地質(zhì)特點(diǎn)及施工變更情況，分析襯砌欠厚、掉塊的原因，從而提出針對(duì)性處治方案的研究較少。鑒于不同隧道圍巖巖性、巖體結(jié)構(gòu)等邊界條件的差異性，其欠厚掉塊病害處治方案應(yīng)因地制宜。

本文針對(duì)緩傾巖層隧道襯砌欠厚、掉塊這一病害，以某隧道為工程背景，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果及竣工資料研究不同的處治方案，進(jìn)行對(duì)比分析，提出推薦方案。

1 工程概況

1.1 隧道概況

某雙向四車道高速公路分離式中隧道，設(shè)計(jì)車速80 km/h。左幅隧道起訖樁號(hào)為ZK18+893-ZK19+742，長(zhǎng)849 m，右幅隧道起訖樁號(hào)YK18+920-YK19+750，長(zhǎng)830 m，最大埋深約103 m。隧道區(qū)下伏基巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)泥質(zhì)粉砂巖、泥巖及砂巖。巖層傾向南東，呈單斜產(chǎn)出，傾向155°～175°，傾角9°～14°，綜合產(chǎn)狀165°∠10°。巖石節(jié)理裂隙較發(fā)育。隧址區(qū)水文地質(zhì)條件較簡(jiǎn)單，地下水不發(fā)育。

隧道采用復(fù)合式襯砌，施工圖設(shè)計(jì)以系統(tǒng)錨桿(或注漿鋼花管)、鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土、工字型鋼拱架或格柵拱架作為初期支護(hù)，并根據(jù)不同圍巖級(jí)別輔以大管棚、超前小導(dǎo)管等超前支護(hù)措施，二次襯砌采用C35模筑混凝土或鋼筋混凝土，在初期支護(hù)與二次襯砌之間敷設(shè)1.5 mm厚防水板及350 g/m2無(wú)紡?fù)凉げ甲鳛榉浪畬?。隧道?011年開工建設(shè)，2013年9月建成通車運(yùn)營(yíng)。

2020年12月在進(jìn)行定檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)左幅隧道出現(xiàn)2處襯砌剝落掉塊，所幸當(dāng)時(shí)隧道由于封閉檢測(cè)，未造成安全事故，隨后即對(duì)隧道進(jìn)行了專項(xiàng)檢測(cè)。

1.2 隧道專項(xiàng)檢測(cè)情況

本次主要針對(duì)襯砌厚度進(jìn)行專項(xiàng)檢測(cè)。左幅隧道布置13條測(cè)線共分析10 780個(gè)二次襯砌厚度測(cè)點(diǎn)，1.82%的檢查點(diǎn)厚度<1/2設(shè)計(jì)厚度。

右幅隧道布置13條測(cè)線共分析10 562個(gè)二次襯砌厚度測(cè)點(diǎn)，3.55%的檢查點(diǎn)厚度<1/2設(shè)計(jì)厚度。

根據(jù)本次隧道專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，左幅隧道主要表觀病害為2處襯砌剝落掉塊(ZK19+202-ZK19+200拱頂、ZK19+302-ZK19+301左拱腰，剝落掉塊面積分別為1.0、1.45 m2)。ZK19+202處掉塊情況見(jiàn)圖1，ZK19+301處掉塊情況見(jiàn)圖2。

圖1 ZK19+202處拱頂?shù)魤K現(xiàn)場(chǎng)照片

圖2 ZK19+301處左拱腰掉塊現(xiàn)場(chǎng)照片

ZK19+202-ZK19+200處掉塊發(fā)生在拱頂位置，并伴有縱向裂縫，防水板外露，掉塊面積約1 m2，襯砌最薄處僅2 cm。

ZK19+302-ZK19+301處掉塊發(fā)生在左拱肩靠近拱頂區(qū)域，防水板外露，掉塊面積約1.4 m2，襯砌最薄處僅4 cm。

隧道掉塊具體位置、地質(zhì)條件、巖層產(chǎn)狀，以及施工情況等相關(guān)信息見(jiàn)圖3。

圖3 左幅隧道地質(zhì)縱斷面圖

2 剝落掉塊原因分析

隧道原施工圖設(shè)計(jì)及竣工資料顯示，隧道圍巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，產(chǎn)狀平緩，近水平層。這是一套軟硬不均的復(fù)合地層，砂巖強(qiáng)度高、脆性好、延展性較低，而泥巖強(qiáng)度低、延展性和壓縮性較大，加之產(chǎn)狀平緩，隧道開挖破壞范圍主要集中在拱頂部位[9-10]，施工過(guò)程中的沉降、變形控制與支護(hù)參數(shù)、工法及二襯跟進(jìn)有很大關(guān)系。部分段落在施工過(guò)程中發(fā)生了拱部初支變形較大的情況，并進(jìn)行了變更設(shè)計(jì)。ZK19+202掉塊處所在區(qū)段就曾因變形大，在ZK19+137-ZK19+215段78 m范圍增設(shè)了I18型鋼拱架臨時(shí)護(hù)拱。

結(jié)合竣工資料、本次專項(xiàng)檢測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)情況分析，掉塊原因主要有：

1) 隧道圍巖為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M粉砂質(zhì)泥巖、砂巖，產(chǎn)狀平緩，近水平層，部分段落在施工過(guò)程中發(fā)生了拱部初支變形較大的情況。ZK19+202處應(yīng)為施工過(guò)程中變更段設(shè)置臨時(shí)護(hù)拱未拆除，ZK19+301處應(yīng)為存在欠挖或初支變形侵限等原因?qū)е露我r砌厚度嚴(yán)重不足。

2) 拱頂混凝土骨料較少，強(qiáng)度偏低，二次襯砌施工存在質(zhì)量缺陷。

3) 二次襯砌存在嚴(yán)重欠厚質(zhì)量缺陷，薄弱部位受混凝土收縮、溫度變化等作用產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)耐久性降低，目前隧道已運(yùn)營(yíng)8年多，在重力作用、長(zhǎng)期過(guò)往車輛振動(dòng)及環(huán)境等作用下發(fā)生剝落掉塊。

3 隧道病害處治

3.1 處治方案研究比選

結(jié)合隧道病害現(xiàn)狀、專項(xiàng)檢測(cè)報(bào)告、竣工資料及病害原因分析，本次主要針對(duì)襯砌剝落掉塊區(qū)段及拱部襯砌嚴(yán)重欠厚(襯砌厚度<1/2設(shè)計(jì)厚度，即D

因既有結(jié)構(gòu)為單層初支，在襯砌厚度嚴(yán)重不足的情況，多數(shù)襯砌厚度僅為15～20 cm，局部甚至不到5 cm，而背后未顯示有空洞，表明多為欠挖或初支侵限嚴(yán)重，故首先考慮對(duì)拱部欠厚嚴(yán)重的段落進(jìn)行初支及二襯結(jié)構(gòu)整體拆換，即方案一。但考慮到整體拆換工序復(fù)雜、工期長(zhǎng)，故在方案一的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，提出了鑿除欠厚二襯及初支噴射混凝土部分，再重新施做30 cm厚的鋼筋混凝土二襯，即方案二。

因既有結(jié)構(gòu)為雙層初支，在襯砌厚度嚴(yán)重不足的情況，結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性基本不存在問(wèn)題，故考慮盡量減少對(duì)既有結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，在襯砌表面增設(shè)鋼板，并通過(guò)設(shè)置錨桿錨固鋼板，以期達(dá)到預(yù)防掉塊的目的，即方案三?？紤]到鋼板耐久性問(wèn)題，又提出了鑿除欠厚二襯，并充分利用隧道凈空富余，設(shè)置格柵拱架，進(jìn)行錨網(wǎng)噴的方式重構(gòu)噴射混凝土二襯，即方案四。具體處治措施見(jiàn)表1。

表1 處治措施表

結(jié)合隧道水文地質(zhì)環(huán)境特點(diǎn)及原施工情況，對(duì)4個(gè)方案優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 掉塊及嚴(yán)重欠厚段處治方案比選表

3.2 處治方案采用

結(jié)合上述分析比選，最終根據(jù)隧道既有初支情況，采用處治措施為方案一和方案四。

3.2.1針對(duì)既有結(jié)構(gòu)為單層初支

襯砌剝落掉塊及拱部襯砌嚴(yán)重欠厚(D

圖4 結(jié)構(gòu)拆換示意圖

1) 主要技術(shù)參數(shù)。系統(tǒng)錨桿采用直徑×壁厚=2 mm×4 mm鋼花管，單根長(zhǎng)4.5 m，間距100 cm×100 cm，梅花形布置；鋼筋網(wǎng)采用直徑8 mm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm；鋼架為I18型鋼拱架，間距80 cm；二襯采用40 cm厚噴射C30鋼筋混凝土。

2) 主要施工流程。對(duì)隧道電纜橋架及燈具等附屬設(shè)施進(jìn)行改移保護(hù)→設(shè)置I18鋼架作為臨時(shí)支撐→采用直徑×壁厚=42 mm×4 mm環(huán)向注漿鋼花管進(jìn)行圍巖預(yù)加固→拆除既有二襯及初支→重新施作初期支護(hù)→施作防水板→噴射40 cm厚C30鋼筋混凝土二襯→復(fù)測(cè)襯砌內(nèi)輪廓→表面噴涂混凝土面漆→恢復(fù)檢修道電纜槽及路側(cè)邊溝，圖5為現(xiàn)場(chǎng)施工情況。

3.2.2針對(duì)既有結(jié)構(gòu)為雙層初支

襯砌剝落掉塊及拱部襯砌嚴(yán)重欠厚(D

圖5 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

圖6 格柵拱架錨網(wǎng)噴示意圖

1) 主要技術(shù)參數(shù)。圍巖預(yù)加固采用25型低預(yù)應(yīng)力錨桿，單根長(zhǎng)4.5 m，間距100 cm×100 cm，梅花形布置；鋼拱架采用120四肢格柵拱架，縱向間距1 m，設(shè)置于既有初支鋼架之間；鋼筋網(wǎng)采用直徑8 mm鋼筋網(wǎng)，間距20 cm×20 cm；噴射C30纖維混凝土。

2) 主要施工流程。對(duì)隧道電纜橋架及燈具等附屬設(shè)施進(jìn)行改移保護(hù)→施做25型低預(yù)應(yīng)力錨桿→拆除既有二襯混凝土和防水層→施設(shè)錨桿的錨墊板并用扭力扳手?jǐn)Q緊螺母和施加預(yù)應(yīng)力→核實(shí)格柵拱架安裝空間→噴涂防水材料→初噴混凝土架立格柵鋼架并設(shè)鋼花管鎖腳→格柵鋼架外側(cè)鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)→錨桿外露端用套筒彎曲呈L形后勾住附近鋼筋網(wǎng)并與之焊接牢固→噴射混凝土至設(shè)計(jì)輪廓→復(fù)測(cè)襯砌內(nèi)輪廓→表面噴涂混凝土面漆，圖7為現(xiàn)場(chǎng)完成情況。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)完成情況

目前，該隧道襯砌掉塊及欠厚缺陷處治已全部結(jié)束，通過(guò)對(duì)施工期間及近段運(yùn)營(yíng)期間的觀測(cè)情況來(lái)看，治理效果良好，且最大限度地保證了該高速公路的正常行車，未發(fā)生一起行車安全事故，達(dá)到了預(yù)期的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合隧道專項(xiàng)檢測(cè)、水文地質(zhì)情況、原設(shè)計(jì)、施工資料，詳細(xì)分析了隧道欠厚掉塊產(chǎn)生的原因，并根據(jù)不同段落的既有情況針對(duì)性給出了掉塊、欠厚嚴(yán)重缺陷的處治方案，在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上盡量減少對(duì)既有結(jié)構(gòu)的破壞及擾動(dòng)。同時(shí)提出，針對(duì)緩傾巖層隧道，施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)支護(hù)參數(shù)要求，特別重視超前支護(hù)及系統(tǒng)錨桿的作用，針對(duì)性地加強(qiáng)拱部支護(hù)，二襯及時(shí)跟進(jìn)，控制好沉降變形，從源頭上避免因沉降、變形原因?qū)е鲁踔窒迌艨詹蛔悖a(chǎn)生襯砌欠厚掉塊病害隱患。