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        隧道路面拱起病害成因分析及治理措施研究

        2024-12-31 00:00:00廖江林王頒法
        西部交通科技 2024年8期
        關(guān)鍵詞:仰拱龍巖偏壓

        文章依托靖西至那坡高速公路金龍巖隧道工程實例,分析了公路隧道路面拱起變形的原因和設(shè)計及施工中存在的問題,并提出“加固襯砌拱腳+仰拱基礎(chǔ)開挖+注漿加固仰拱基礎(chǔ)+增加鋼筋混凝土仰拱+仰拱與原二襯連接+恢復(fù)路面和排水設(shè)施”的解決方案,為以后公路隧道路面拱起病害的預(yù)防與處治提供參考。

        運營隧道;仰拱;路面拱起;原因分析;技術(shù)方法

        U457+.2A270882

        作者簡介:

        廖江林(1978—),碩士,高級工程師,主要從事高速公路建設(shè)及養(yǎng)護管理工作。

        0" 引言

        隧道路面拱起病害是隧道常見的病害之一,國內(nèi)很多學(xué)者對隧道仰拱隆起病害的成因及處治方式進行了一定的研究。代仲宇等[1]針對高地應(yīng)力軟弱泥巖地層的仰拱隆起病害進行了研究,分析了仰拱隆起的原因,并提出了拱腳加固+拆除重置的處治方案;周旭東[2]依據(jù)工程實際案例分析了北方地區(qū)隧道路面拱起的原因及處治措施;黃忠財[3]利用有限元軟件模擬了隧道圍巖軟化時,路面拱起的變化情況;崔穎[4]采用FLAC 3D軟件,分析了寒區(qū)隧道路面隆起與斷層破碎帶、凍融作用、附加行車荷載的關(guān)系,并通過數(shù)值模擬對比權(quán)重分析出了病害產(chǎn)生的主控因素。

        目前,針對無仰拱隧道路面拱起的研究還比較少,本文針對這種情況,結(jié)合靖西至那坡高速公路金龍巖隧道病害處治工程,分析無仰拱隧道路面拱起病害產(chǎn)生的原因,并提出了相應(yīng)的處治方案,可以為今后類似工程提供參考。

        1" 金龍巖隧道概況

        金龍巖隧道位于靖西至那坡高速公路那坡縣城廂鎮(zhèn)境內(nèi)東南側(cè),隧道右洞長946 m,左洞長890 m,隧道位于廣西那坡縣城廂鎮(zhèn)境內(nèi),屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性高原氣候,雨熱同季、干濕分明,氣溫垂直變化比較明顯,春夏秋長,冬寒甚短。年平均氣溫18.4 ℃,極端最低氣溫-4.4 ℃,極端最高氣溫35.5 ℃,年降雨量為1 533.4 mm,降雨量季節(jié)分配不均,總體為夏秋多、春冬少,全年降雨量的80%集中在5~10月。隧道區(qū)穿越山脊或斜坡地帶,無地表水體分布。

        根據(jù)地質(zhì)測繪及鉆探揭示,隧道區(qū)穿越地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)和石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h),各地層巖性特征自上而下分述如下:

        (1)第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl):巖性為雜色碎石土,稍密狀,碎石成分為灰?guī)r、頁巖,粒徑一般為2~10 cm,最大15 cm,次棱角狀,含量約占70%,少量黏土充填,表層0.40 m為耕植土。該地層主要分布于隧道淺表層,厚7.5~19.0 m。

        (2)石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h):巖性為淺灰色石灰?guī)r,微晶結(jié)構(gòu),中厚層狀構(gòu),溶蝕裂隙較發(fā)育,局部裂隙面附泥膜,巖石微風(fēng)化,巖芯為短柱-柱狀,RQD=62%。該地層廣泛分布于整個隧道區(qū)域。

        2" 金龍巖隧道病害狀況

        為探明隧道路面拱起的內(nèi)在原因,對金龍巖隧道進行了專項檢查。通過現(xiàn)場情況與靖西至那坡高速公路金龍巖隧道檢驗檢測報告相關(guān)結(jié)果進行對比驗證,進一步判斷病害成因。

        2.1" 路面拱起段表觀情況和地質(zhì)雷達(dá)檢測情況

        金龍巖隧道YK488+361~K488+412段路面出現(xiàn)明顯起拱,該段的地質(zhì)雷達(dá)圖顯示該段確實存在基巖松散,節(jié)理裂隙發(fā)育,深度約為1~14 m。

        2.2" 隧道邊墻瓷磚破裂情況和地質(zhì)雷達(dá)檢測情況

        金龍巖隧道YK488+394~K488+420段邊墻瓷磚破裂,該段的地質(zhì)雷達(dá)圖顯示該段及附近局部二襯脫空或圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育。

        2.3" 金龍巖隧道病害位置情況

        金龍巖隧道右線路面起拱段,襯砌結(jié)構(gòu)右側(cè)病害明顯比左側(cè)多,且右側(cè)變形、開裂更嚴(yán)重,推測襯砌結(jié)構(gòu)受力存在偏壓現(xiàn)象(按小樁號到大樁號前進方向,右側(cè)圍巖壓力大于左側(cè)圍巖壓力)。YK488+390~YK488+440段襯砌結(jié)構(gòu)右側(cè)存在襯砌裂縫,右側(cè)邊墻墻角瓷磚存在擠壓破損,而左側(cè)襯砌病害較少,可見下行線也在一定程度上受到偏壓作用。

        3" 金龍巖隧道路面起拱產(chǎn)生的原因分析

        根據(jù)金龍巖隧道地質(zhì)報告、設(shè)計圖紙、施工日志、專項檢測報告、結(jié)合病害的發(fā)展歷史及發(fā)展趨勢分析,金龍巖隧道病害受多方面因素影響。

        3.1" 地形原因

        金龍巖隧道出現(xiàn)病害段位于隧道出口端,隧道左洞埋深淺,右線埋深大,隧道處地勢是右高左低,病害位置正上方地表相對高差最大約45 m,隧道3倍洞徑范圍內(nèi)地表相對高差最大約120 m,隧道洞身存在較大偏壓。偏壓位于隧道洞口的附近,山坡本身具有不穩(wěn)定性,而且壓力過大,加上地質(zhì)本身的不均勻性,斷裂的狀況相繼出現(xiàn)。在后期的運營中受雨水、振動的影響,隧道的偏壓逐漸增大,導(dǎo)致隧道襯砌開裂變形[5]。

        隧道路面拱起病害成因分析及治理措施研究/廖江林,王頒法

        3.2" 地質(zhì)原因

        隧址區(qū)穿越地層主要為第四系全新統(tǒng)殘坡積層(Q4el+dl)碎石土和石炭系上統(tǒng)黃龍組(C2h)灰?guī)r,溶蝕現(xiàn)象較發(fā)育,巖層產(chǎn)狀250°∠75°,節(jié)理裂隙發(fā)育,金龍巖隧道開挖暴露出來的圍巖屬于弱風(fēng)化或者強風(fēng)化炭質(zhì)巖,比較破碎,屬于軟巖層,強度和硬度值都較低,在次級結(jié)構(gòu)面的影響下易破碎。圍巖的強度和硬度較低,其力學(xué)的特征表現(xiàn)為流變性及可塑性等。在有豐富的地下水時,巖層結(jié)構(gòu)下沉,以致超出二襯基礎(chǔ)承載的范圍,結(jié)構(gòu)開始下沉,出現(xiàn)路面向上翹起的起拱現(xiàn)象。

        3.3" 地下水的原因

        金龍巖隧道附近降雨豐富,地下水活躍,下部基巖在長期的溶蝕作用下生成溶蝕裂隙,形成地下水通道,同時引起淺部基巖松散,軟化、節(jié)理裂隙發(fā)育,在偏壓圍巖的作用下引起路面起拱。

        3.4" 結(jié)構(gòu)原因

        金龍巖隧道設(shè)計過程中針對結(jié)構(gòu)受力、地基的總體承載力等問題的考慮,設(shè)計跟實際情況相差較大,在施工的過程中沒有針對性變更。隧道路面起拱段襯砌結(jié)構(gòu)未設(shè)置仰拱,主體結(jié)構(gòu)沒有成環(huán),襯砌結(jié)構(gòu)拱腳部位應(yīng)力集中,隧道內(nèi)側(cè)擠壓變形,結(jié)構(gòu)下沉導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生松動,隨即圍巖壓力增大,引起路面起拱。同時隧道出現(xiàn)不均勻沉降,導(dǎo)致襯砌開裂。

        金龍巖隧道開挖之后,應(yīng)力重新分布,整個過程十分復(fù)雜,短期內(nèi)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)暫時穩(wěn)定的假象,長時間后應(yīng)力慢慢釋放,路面開始拱起,進而引起一系列病害。

        3.5" 養(yǎng)護原因

        2016年底,金龍巖隧道路面有輕微隆起現(xiàn)象,但未作處理,致使病害繼續(xù)發(fā)展。2018年初發(fā)現(xiàn)隧道隆起病害加劇且局部出現(xiàn)裂縫時,將其作為重要工作進行跟蹤觀測。直至2019年發(fā)現(xiàn)隧道隆起變形加快,存在重大安全隱患,嚴(yán)重影響行車安全,才進行交通管制,減輕車輛動載對隧道的影響,減緩病害發(fā)展。

        3.6" 監(jiān)理原因

        建設(shè)施工期,金龍巖隧道開挖后,實際圍巖與隧道設(shè)計圍巖不符,監(jiān)理未嚴(yán)格執(zhí)行隧道動態(tài)設(shè)計及動態(tài)施工的要求,沒有做好監(jiān)控量測,為金龍巖隧道后期運營埋下了隱患。

        4" 金龍巖隧道路面起拱病害治理方案

        依據(jù)病害原因分析,結(jié)合巖溶地區(qū)巖溶裂隙、溶洞發(fā)育及降雨豐富等因素的影響,該項目按照根治病害的理念進行處治。即對金龍巖隧道左線ZK488+318~ZK488+440段和右線K488+310~ZK488+427段采用“加固襯砌拱腳+仰拱基礎(chǔ)開挖+注漿加固仰拱基礎(chǔ)+增加鋼筋混凝土仰拱+仰拱與原二襯連接+恢復(fù)路面和排水設(shè)施”的方案,從根本上解決隧道病害問題。見圖1~2。

        4.1" 鎖腳導(dǎo)管注漿加固襯砌拱腳

        仰拱開挖后,會導(dǎo)致二襯拱腳地基承載力降低,出現(xiàn)二襯變形收斂[6]。為此,仰拱開挖前需要對二襯拱腳進行鎖腳導(dǎo)管注漿加固。加固方式為:在隧道拱腳處兩側(cè),按縱向間距100 cm,布置單根長600 cm的89 mm×8 mm注漿鋼管,然后進行注漿加固。

        4.2" 仰拱開挖

        先鑿除現(xiàn)有路面及電纜溝,然后采用馬口跳槽方式開挖仰拱,仰拱單次開挖長度應(yīng)控制在2 m以內(nèi)。仰拱開挖宜采用人工或機械開挖,施工過程中應(yīng)查看原施工日志,充分了解隧道原來的施工情況,嚴(yán)控施工質(zhì)量,避免引起隧道襯砌開裂。

        4.3" 注漿加固仰拱基礎(chǔ)

        由于病害段基巖松散,節(jié)理裂隙發(fā)育,深度約為1~14 m,為此需要對仰拱基礎(chǔ)進行注漿加固。本工程的加固方案為采用單根長450 cm的50 mm×4 mm注漿鋼管,按100 cm×200 cm間距布置(環(huán)×縱),然后采用水泥漿注漿加固,以確保仰拱基礎(chǔ)的承載力滿足要求。

        4.4" 增加鋼筋混凝土仰拱

        (1)鋼筋混凝土仰拱環(huán)向采用22 mm主筋,間距25 cm布設(shè);縱向采用10 mm鋼筋,間距30 cm布設(shè);采用8 mm鉤筋滿掛,用鐵絲將主筋、分布筋、及鉤筋綁扎形成鋼筋骨架,鋼筋的搭接方式、搭接長度及保護層厚度應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范要求。

        (2)仰拱混凝土采用50 cm厚C30混凝土,仰拱填充采用C20混凝土。仰拱施工前應(yīng)查清原二襯混凝土沉降縫的位置,確保新建仰拱與原二襯混凝土在同一豎直面斷開,并且按規(guī)范要求做好沉降縫施工,保證工程質(zhì)量。

        4.5" 仰拱與原二襯的連接

        在澆筑仰拱混凝土前,在仰拱與原二襯的連接處鉆孔植入22 mm鋼筋,鋼筋長80 cm,間距25 cm×25 cm,并與仰拱主筋焊接。

        4.6" 防排水

        采用中央排水溝與開口式路基邊溝組合方式,中央排水溝為寬40 cm、高50 cm的矩形溝,現(xiàn)澆隧道中心排水溝溝身時預(yù)留直徑100 mm泄水孔;兩側(cè)采用預(yù)制開口式路基邊溝,邊溝內(nèi)徑為15 cm;橫向排水管采用100 mm的PVC管,每隔10 m設(shè)置一道。

        4.7" 路面混凝土

        路面采用瀝青混凝土路面,路面結(jié)構(gòu)從下至上為:20 cm厚C20混凝土基層,28 cm厚C40混凝土面層,6 cmAC-20C改性瀝青混凝土下面層,4 cmAC-13C阻燃改性瀝青混凝土表面層。在混凝土基層與面層之間施做防水隔離層,在混凝土面層與瀝青混凝土面層之間鋪設(shè)改性瀝青粘結(jié)防水層,在瀝青混凝土面層之間鋪設(shè)A級70#熱瀝青黏層。

        4.8" 監(jiān)控量測

        施工過程中做好監(jiān)控量測,重點監(jiān)控施工期間拱頂是否下沉,拱腳是否收斂,每天至少檢測一次。

        5" 處治效果

        金龍巖隧道路面拱起病害處治工程于2020年12月完工,經(jīng)過三年的通車運營,路面平整度為95.10,未出現(xiàn)跳車、路面拱起、檢修道開裂、二襯裂縫等問題,通過該方案很好地解決了未設(shè)仰拱隧道路面拱起的問題。

        6" 結(jié)語

        (1)由于金龍隧道的病害段處于偏壓洞口附近,地質(zhì)復(fù)雜,后期雨水較多,排水不暢,致使隧道底部基巖松散、軟化節(jié)理裂隙發(fā)育,隧道底部承載力不足,二襯結(jié)構(gòu)受力發(fā)生變化,并且病害段未設(shè)置仰拱,隧道上部受力不能很好地分散到隧道地下層,最后出現(xiàn)路面拱起變形。

        (2)增做仰拱+拱底注漿加固可以很好地解決未設(shè)仰拱隧道運營期因洞身偏壓或基巖松散、軟化節(jié)理裂隙發(fā)育引起的路面拱起病害。

        (3)建設(shè)期設(shè)計單位應(yīng)充分考慮桂西地區(qū)巖溶地質(zhì)的特殊性,考慮到后期圍巖等級變化的因素,適當(dāng)提高設(shè)計要求。

        [1]代仲宇,寇" 昊,扶親強,等.高地應(yīng)力軟巖隧道仰拱隆起處治措施研究[J].施工技術(shù)(中英文),2023(1):69-73.

        [2]周旭東.某隧道路面隆起病害成因分析及整治措施[J].北方交通,2020(12):77-81.

        [3]黃忠財,熊雅文.公路運營隧道路面起拱病害檢測及成因分析[J].西部交通科技,2021(3):179-183.

        [4]崔" 穎.寒區(qū)長大隧道路面變形病害形成機制與防治措施研究[D].石家莊:石家莊鐵道大學(xué),2022.

        [5]張" 濤,夏述光,譚顯坤,等.斷裂構(gòu)造對山區(qū)公路隧道選線與施工的影響研究[J].巖土力學(xué),2005,2(增2):275-278.

        [6]朱合華,劉學(xué)增.仰拱施工工序?qū)λ淼雷冃渭敖Y(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響分析[C].第六次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會論文集,2000.

        20240420

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