許乃良

山嶺巖質(zhì)隧道建設(shè)耐久性問題及加固措施

許乃良

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001）

文章討論了地下結(jié)構(gòu)的一些嚴(yán)重耐久性問題，針對這些問題提出了一些建議。通過對隧道巖體變形數(shù)據(jù)進行測量、采集和分析，測量數(shù)據(jù)可用于開挖結(jié)果的反饋，及時指導(dǎo)施工。隧道監(jiān)測包括監(jiān)測方法、監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)處理分析，并通過數(shù)據(jù)分析反饋來指導(dǎo)施工。為隧道施工的改進提供了一些合理的建議。研究將為今后類似工程項目的設(shè)計、施工和監(jiān)測提供有益的參考和指導(dǎo)。

巖質(zhì)隧道；耐久性；加固措施；監(jiān)控量測

引言

地下結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命因材料特性、施工質(zhì)量、腐蝕環(huán)境等的不同而顯著不同。從建造之日起，所有地下結(jié)構(gòu)都存在耐久性和使用壽命問題。然而，由于涉及許多復(fù)雜的因素和長期的測試周期，在中國還沒有系統(tǒng)的研究報告。如果耐久性和使用壽命問題仍未解決，可能會在不可預(yù)測的時間發(fā)生嚴(yán)重的不安全運行事故，危及安全[1]。

在眾多隧道施工方法中，新奧地利隧道法（NATM）是公路隧道施工中最常用的方法，已被證明是一種非常經(jīng)濟和靈活的施工方式。NATM是一種采用鉆爆法在巖石中開挖隧道的技術(shù)，采用噴射混凝土襯砌和巖石錨桿作為主要支撐系統(tǒng)。最重要的是，基于“竣工或開挖中分類系統(tǒng)”的概念，NATM要求對開挖面的地質(zhì)條件和襯砌等地下支撐結(jié)構(gòu)的性能進行動態(tài)觀測。最常見的巖體分類系統(tǒng)RMR和Q系統(tǒng)用于轉(zhuǎn)換這些觀察到的數(shù)據(jù)，以提供對隧道掘進過程中所需開挖方法和支撐系統(tǒng)組件的估計[2]。可見，現(xiàn)場監(jiān)測是新奧法掘進的核心，在判斷圍巖穩(wěn)定性、評價支護結(jié)構(gòu)的合理性和安全性方面具有不可替代的作用。

近年來，人們對地上混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命進行了大量研究。相關(guān)研究的核心問題包括多因素耦合腐蝕、加速試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性、降解分析的有效方法等。為此，應(yīng)將加速腐蝕試驗與理論分析相結(jié)合，對地下結(jié)構(gòu)在不同運行條件、腐蝕環(huán)境和耦合條件下的耐久性和使用壽命進行系統(tǒng)深入的研究[3]。

在傳統(tǒng)的施工工藝和方法中，地下結(jié)構(gòu)基本上包括用于臨時支護的螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)，以及用于永久支護的二次襯砌鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。前者主要考慮承受靜態(tài)和動態(tài)載荷，后者則提供必要的安全儲備。有兩種情況可以表示如下[4]：（1）螺栓支撐結(jié)構(gòu)通常暴露在更嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中；（2）螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)均由相同或相似的材料組成，即：地下噴射混凝土、鋼筋混凝土、錨桿、內(nèi)表面鋼筋或襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋。因此，兩種加固結(jié)構(gòu)的研究成果可以相互借鑒。如果一方找到了好的解決方案，另一方遇到的問題也可能得到解決。因此，螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)的耐久性問題是研究的重點。

加固效果和機理、耦合腐蝕的相關(guān)數(shù)學(xué)公式以及地下結(jié)構(gòu)的退化分析方法是主要的技術(shù)瓶頸。根據(jù)我國現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對錨索的要求，如果主要作為承重結(jié)構(gòu)的錨桿和錨索支撐結(jié)構(gòu)的耐久性、使用壽命和加固措施問題得到糾正，用于安全儲備的二次永久襯砌結(jié)構(gòu)的相應(yīng)問題將很容易得到解決。因此，有可能為中國地下結(jié)構(gòu)的使用壽命提供可靠的預(yù)測和建議。

1 工程概況

弄麻隧道設(shè)計為單洞雙向行車的兩車道二級公路隧道，縱坡為-3/576.59，凈空9 m×5 m，洞身圍巖級別主要為Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級，Ⅴ、Ⅳ級屬于強、中風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖，Ⅲ級屬于微風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖，其中Ⅴ級共141 m為強風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖，占圍巖比例為43.4%，Ⅳ級共99 m為中風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖，占圍巖比例為30.5%，Ⅲ級共85 m為微風(fēng)化石灰?guī)r、白云巖，占圍巖比例較大為26.2%，如圖1所示。

圖1 隧道洞身橫斷面圖（普通段）

2 地下結(jié)構(gòu)的耐久性問題及加固措施

自1963年新奧法（NATM）提出以來，新奧法已廣泛應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域。與此同時，許多鐵路和公路隧道、地下廠房、高巖石邊坡、港口岸坡、橋墩和涵洞等都采用了螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)。自1980年以來，采用新奧法修建的鐵路隧道已占中國隧道總長度的10%左右。此外，地下工程中的這些支撐結(jié)構(gòu)（甚至在復(fù)合隧道襯砌中）均被設(shè)計為主要承重結(jié)構(gòu)。螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計用于承受施工期間和施工后的動荷載和靜荷載，而二次永久襯砌結(jié)構(gòu)基本上提供安全儲備。顯然，螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)的故障將導(dǎo)致整個項目的失敗[5]。

在20世紀(jì)80年代末和20世紀(jì)90年代初，水工鋼閘門的防腐和水工工程中環(huán)氧樹脂防腐涂層的應(yīng)用被采用。近年來，我國土木工程領(lǐng)域的學(xué)者對工程中的安全性和耐久性問題給予了高度重視。由于土木結(jié)構(gòu)耐久性不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)事故比例遠高于設(shè)計安全性不足導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)事故比例，因此迫切需要這些預(yù)測和警告。

如果一個項目在沒有正確設(shè)計和安裝螺栓和電纜支架的情況下進行施工，可能會產(chǎn)生潛在缺陷。安裝后，錨定螺栓和電纜通常用水泥砂漿或純水泥漿灌漿。與混凝土相比，這種凝膠介質(zhì)的水泥含量高（尤其是高早強水泥或超早強水泥），砂含量低（或不含砂），耐腐蝕性較差。此外，涂層薄，水灰比高（0.6～0.7）。在某些情況下，為了便于灌漿，可采用任意水灰比。無壓（重力）或低壓灌漿導(dǎo)致錨索和螺栓灌漿不足和嚴(yán)重的空氣收縮。因此，無法保證最小保護層厚度，一些局部位置無法完全用砂漿覆蓋。

在中國，對于螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)地對準(zhǔn)支架，鋼筋支架（錨定螺栓、土釘）或支撐環(huán)（錨定電纜）已被用于解決螺栓對準(zhǔn)問題，以增加握力。在重力作用下，支架（或支撐環(huán)）外部的錨定電纜和螺栓可能部分接觸錨定孔壁，這表明在灌漿砂漿后，這些位置的保護層厚度可能會大大減少，有時甚至降至零。研究表明，在這種條件下，孔壁接觸面積越大，腐蝕面積和深度越大。

影響錨固電纜和螺栓耐久性的另一個因素是不同的地質(zhì)條件。螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)可在封閉潮濕環(huán)境中使用，或永久浸入或在濕/干替代環(huán)境中使用。由于螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)是地下工程，準(zhǔn)確預(yù)測其壽命比地面混凝土結(jié)構(gòu)更困難。

3 地下結(jié)構(gòu)耐久性問題分析

由于螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性仍有許多問題需要解決，因此應(yīng)進行科學(xué)的調(diào)查和分析。在此基礎(chǔ)上，對錨索支護結(jié)構(gòu)的使用壽命和加固措施進行研究，尋求有利的解決方案。我國對錨索支護結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性的研究尚處于起步階段，遠遠落后于其他國家或地區(qū)。存在的主要問題如下[6]：

（1）預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿的噸位設(shè)計存在誤解。預(yù)應(yīng)力對于最小化大壩、洞穴、斜坡等的變形至關(guān)重要，以保持其整體穩(wěn)定性。因此，在中國，錨索和錨栓的直徑增加，預(yù)應(yīng)力錨桿的噸位增加。20世紀(jì)70年代，普通隧道錨索（如膨脹殼錨索）的預(yù)應(yīng)力荷載僅為200 kN～300 kN，二次灌漿錨索的預(yù)應(yīng)力荷載僅為500 kN、600 kN或900 kN。20世紀(jì)70年代，普通隧道錨索（如膨脹殼錨索）的預(yù)應(yīng)力荷載僅為200 kN～300 kN，二次灌漿錨索的預(yù)應(yīng)力荷載僅為500 kN、600 kN或900 kN。

（2）較高的預(yù)應(yīng)力荷載并不總是產(chǎn)生有利的結(jié)果。研究表明，在相同條件下，較大的預(yù)應(yīng)力荷載會導(dǎo)致較高的應(yīng)力腐蝕速率。結(jié)構(gòu)變形應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)，應(yīng)力腐蝕速率也應(yīng)控制在可接受范圍內(nèi)。最佳點應(yīng)在范圍內(nèi)保持平衡。

4 施工測量方案

4.1 監(jiān)測目的

隧道開挖后，收斂性是反映在圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)形態(tài)變化中最直接、最明顯的論據(jù)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以從數(shù)據(jù)圖表中了解圍巖和支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，及反映橫截面的變化?？梢詻Q定拱頂?shù)姆€(wěn)定性，以防止隧道圍巖發(fā)生滑坡或其他大變形[7]。

4.2 監(jiān)測儀器

手鉆用于布置監(jiān)測點演練。激光定位器用于確定鉆孔位置并確保鉆孔位置在同一截面上。膨脹鉤安裝在鉆孔中，并用水泥固定。噴漆標(biāo)記，方便下次測量。收斂用于測量數(shù)據(jù)，然后寫下數(shù)據(jù)。

4.3 測點布置原則

測點布置原則。周邊位移測點與冠部沉降測點在同一斷面上。在同一斷面內(nèi)，收斂鋪設(shè)基線應(yīng)根據(jù)斷面開挖方式選擇不同尺寸排列。用風(fēng)鉆或沖擊鉆機將測點安裝在被測斷面上時，孔徑40 mm～80 mm，深20 cm，在孔內(nèi)填滿水泥砂漿后插入預(yù)埋件的銜接處，盡量使兩個預(yù)埋件基線軸線方向和銷軸與孔的軸線處于垂直位置，有良好的保護帽，可以砂漿凝固后進行監(jiān)測。

4.4 洞外控制測量

必須保證施工期間穩(wěn)固耐用，并注意對控制點進行保護，使其不發(fā)生參數(shù)變動。平面控制網(wǎng)和高程控制網(wǎng)必須按照施工規(guī)范要求定期復(fù)測，確保符合精度要求。

4.5 洞內(nèi)控制測量

4.5.1 洞內(nèi)平面控制點的選點、埋石

洞內(nèi)導(dǎo)線應(yīng)布置成多邊形導(dǎo)線點，控制點應(yīng)選在通視良好，頂板或底板巖石堅固的地方，以使工作安全和控制點便于保存。洞內(nèi)導(dǎo)線點兼作水準(zhǔn)點使用，埋石方法、要求與洞外導(dǎo)線點相同。

4.5.2 洞內(nèi)導(dǎo)線測量

用于向洞內(nèi)傳算方向的洞外聯(lián)系邊長度：洞內(nèi)導(dǎo)線測量的目的是以必要的精度，按照洞外控制測量的坐標(biāo)系統(tǒng)。

計算時再將所測角度統(tǒng)一歸算為左角或右角，然后取平均值。觀測右角時，仍以左角起始方向配置度盤位置。在左角和右角分別取平均值后，應(yīng)計算改點的圓周角閉合差。

4.5.3 貫通測量

橫向貫通的精度至關(guān)重要。倘若橫向貫通誤差過大，就會引起隧道中線幾何形狀的改變，嚴(yán)重者會使襯砌部分侵入到建筑界限內(nèi)，影響施工質(zhì)量，造成經(jīng)濟損失。

高程誤差要在兩端同時向洞內(nèi)測量，在貫通前200 m進行比對，及時調(diào)整開挖方向使兩個掘進面可以順利貫通。

4.6 觀察的收斂方法

根據(jù)以下步驟觀察收斂：（1）百分表讀數(shù)升高2.5 cm～3.0 cm；（2）會聚米尺鉤掛在兩個測量點上，擰緊尺子，用鉤子將銷釘插入尺子上相應(yīng)的孔中固定；（3）轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺母擰緊標(biāo)尺，使觀察窗與面板成一直線；（4）讀取刻度尺中的數(shù)值，兩者加起來就是測點之間的距離；（5）每次測量完成后，松開調(diào)節(jié)螺母，然后退出掛鉤，將尺子取下，擦好收好，并定期涂上防銹油；（6）每條測線前后的相對位移量減去測點間距的兩倍（隧道收斂位移值）即可計算。

5 數(shù)據(jù)處理與分析

在隧道開挖期間，測量站被安置在近距離，并進行了3D位移測量。結(jié)合隧道推進數(shù)據(jù)對測量結(jié)果進行了評估。所呈現(xiàn)的圖表來自位于50 m覆蓋層下距離入口45 m的第一管中的測量站。它給出了垂直位移，右肩是離第二根管最近的位置。在頂部掘進和支護應(yīng)用之后，位移曲線在第一階段測量時遵循預(yù)期趨勢。然后它加速表明不穩(wěn)定。設(shè)計師建議使用平面或彎曲的臨時內(nèi)底來實現(xiàn)頂部艏象足應(yīng)用的穩(wěn)定性。

現(xiàn)場監(jiān)理優(yōu)先采用快速閉合支撐環(huán)，縮短頂部掘進－臺倒置之間的距離。支撐環(huán)閉合后位移曲線變?yōu)樗?。然而，盡管隧道掌子面距離測量站40 m，但可能會隨著隧道推進的影響而增加。

隨著另一根管子接近相關(guān)隧道部分，位移加速。除了噴射混凝土的裂縫外，在右墻下部還觀察到錨桿承受過大載荷的跡象。檢查了噴射混凝土倒置，并觀察到倒置墻交叉處的裂縫和底部的起伏。

測得的位移隨時間變化曲線可以更直觀地看出圍巖位移情況，通過觀察特征曲線可以初步判斷圍巖是穩(wěn)定還是異常情況。隧道測量時，由于環(huán)境影響或人為因素，測量數(shù)據(jù)可能會出現(xiàn)一些意外誤差，使數(shù)據(jù)具有離散性。

對于和等級巖石，可以根據(jù)測量結(jié)果確定合適的二次襯砌時間，由于二襯施工過早，可能會施加過多的荷載。

如果在間隙位移過程中發(fā)現(xiàn)收斂速度趨于穩(wěn)定，則應(yīng)據(jù)此確定隧道結(jié)構(gòu)的初始支護和二次襯砌極限荷載對結(jié)構(gòu)安全性的影響，以便做出正確判斷。如果實測數(shù)據(jù)通過多種聯(lián)合反分析后發(fā)現(xiàn)支護或二次襯砌結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)比早期大，經(jīng)設(shè)計者同意后，可對類似地質(zhì)類型的支護參數(shù)進行適當(dāng)調(diào)整。圍巖支護水平參數(shù)的變化和調(diào)整是必要的，得到相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)，并得到設(shè)計者的認(rèn)可。

在監(jiān)測過程中，如果間隙位移過大或收斂速度沒有穩(wěn)定的趨勢，則應(yīng)采取結(jié)構(gòu)加固措施。根據(jù)現(xiàn)行公路隧道施工技術(shù)規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)加固的主要措施如下：增加噴射混凝土的厚度，或加密錨，或加鋼筋網(wǎng)；先期配套二次襯砌，要求通過反演檢驗二次襯砌強度；先進設(shè)施倒置。

為了穩(wěn)定隧道內(nèi)位移的發(fā)展和支護的缺陷，采取了一些措施：用鋼梁和附加噴射混凝土層加固倒底；拆除噴射混凝土倒置，額外開挖并應(yīng)用鋼梁和噴射混凝土倒置以獲得圓形和深的倒置；用鋼筋網(wǎng)－鋼筋修復(fù)和加固倒墻連接，并在倒墻和隧道墻底部附加螺栓?，F(xiàn)場在底架和隧道墻底部加裝錨桿錨固，使隧道段位移變平緩。

6 結(jié)論

（1）螺栓和電纜支撐結(jié)構(gòu)在地下工程中的應(yīng)用在中國已有幾十年的歷史。這些結(jié)構(gòu)被廣泛使用，主要設(shè)計為主要承重結(jié)構(gòu)。目前，對這些結(jié)構(gòu)的使用壽命、剩余壽命和設(shè)計壽命的研究還不夠。許多問題沒有得到明確的回答，或者沒有得到足夠的重視，在這些問題中，各種類型的工程項目可能會遇到潛在的危險。當(dāng)支撐結(jié)構(gòu)的壽命結(jié)束時，它們將帶來意想不到的災(zāi)難。

（2）我國地下結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性研究尚處于起步階段，保護對策和加固措施的有效性研究仍在進行中，中國缺乏防腐對策的原始標(biāo)準(zhǔn)。與其他發(fā)達國家或地區(qū)相比，中國還有很長的路要走。

（3）螺栓和電纜中的缺陷對其耐久性有顯著的負面影響，這涉及兩個方面：加工技術(shù)導(dǎo)致的材料缺陷和施工管理相對較差導(dǎo)致的施工質(zhì)量差。例如，水灰比（0.45～0.5）基本上不能滿足規(guī)定的要求，但一些重大項目執(zhí)行了嚴(yán)格的要求。根據(jù)實驗，日本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限值更合理。

此外，灌漿壓力、錨頭保護、地下腐蝕環(huán)境的測試和評估以及最小隱蔽厚度在現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確規(guī)定，或沒有合理規(guī)定。例如，德國和中國規(guī)范中的最小保護層厚度為5 mm，這可能不合理。但在大多數(shù)情況下，5 mm的最小保護層厚度是可以滿足的。如果相關(guān)研究未能針對主要缺陷提出有效的預(yù)測方法，則很難評估結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命。

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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

許乃良（1987－），男，廣西路建工程集團有限公司工程師，從事交通工程建設(shè)與技術(shù)管理工作。