公路隧道襯砌病害分析與處治方案研究

張超，吳華

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088）

0 引言

隨著安徽省高速公路建設的蓬勃發展，高速公路隧道數量逐漸增多，對我省隧道綜合養護技術也提出了更高的要求。根據近年來安徽省高速公路隧道定期檢查過程中陸續發現的運營期隧道存在不同程度的襯砌裂縫、滲漏水等病害問題，部分嚴重的已經影響到隧道結構耐久性及行車安全。

目前，國內外學者針對隧道病害分類、原因分析及處治技術等方面做了較多研究，為隧道養護提供了參考。李治國、王亞瓊等[1-2]利用斷裂力學方法分析了隧道襯砌裂縫的穩定性。劉庭金等[3]基于連拱隧道病害調查結果初步分類了襯砌開裂和滲漏水的原因。佘健等[4]根據隧道病害產生的環境和結構條件將病害劃分為4 個等級，給出了隧道病害的通用處治方法。吳夢軍等[5]在全面分析各類型隧道病害原因的基礎上提出了相應的處治技術。劉海京等[6]在系統分析了隧道病害特點的基礎上，提出了病害研究的總體思路。楊明舉等[7]針對隧道二襯大面積開裂的情況提出了采用環氧樹脂充填裂縫、環向鋼板箍貼二襯的處治方案。劉燕鵬等[8]探討了隧道運營期襯砌病害的處治方法。張民慶等[9]分析研究了3 座特殊條件下鐵路隧道二次襯砌嚴重開裂的原因與處理方案。袁飛[10]對隧道襯砌結構性的開裂，改進了傳統的套拱加固方法。高斌等[11]通過采用綜合檢測方法，研究確定了隧道技術狀況，并采取了有效的處置對策。楊春平等[12]針對隧道二次襯砌邊墻嚴重開裂變形段落，采用了重新澆筑二襯與低預應力錨桿及粘貼鋼帶加固的方法。

本文以G35濟廣高速公路安徽段桃墅嶺隧道襯砌病害問題為背景，針對隧道定期檢查過程中發現的襯砌病害問題，通過外觀檢查、雷達檢測等手段，系統分析了隧道襯砌病害產生的原因，研究制定了隧道襯砌病害處治方案，取得了良好的效果。

1 工程概況

1.1 地質概況

桃墅嶺隧道是安徽省池州市境內G35 濟廣高速公路上的一座分離式特長隧道，隧道采用雙向四車道標準，設計時速80km/h，桃墅嶺隧道于2008 年建成通車。隧道左洞長3032m，隧道右洞長3014m。隧道建筑限界凈寬10.25m，凈高5.0m。根據詳勘地質資料顯示，隧址區進、出洞口表層主要為第四系殘坡積層（Qel+dl），下伏基巖主要為薊縣-長城紀地層牛屋組（Pt2n）變質粉砂巖，局部基巖裸露，隧址區無區域斷裂通過，圍巖級別以Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ級為主。地下水類型主要為基巖風化裂隙水，受大氣降水補給，地下水對鋼筋、混凝土均無腐蝕性。

1.2 隧道襯砌支護參數

隧道按新奧法原理設計，采用柔性支護體系結構的復合式襯砌，即以系統錨桿、噴射混凝土、鋼筋網、工字鋼、格柵拱架等為初期支護，模筑混凝土或鋼筋混凝土為二次襯砌。根據本隧道圍巖級別確定的襯砌類型劃分為F5a、F5b、F4a、F4b 以及F3b 型襯砌，各類型襯砌支護參數如表1所示。

表1 隧道支護參數表

2 襯砌病害情況及原因分析

2.1 隧道襯砌病害狀況

桃墅嶺隧道在2021 年定期檢查過程中發現隧道右線K937+760～K937+772 段襯砌出現開裂、背后空洞及脫空現象（圖1），洞頂處裂縫沿隧道中線呈不規則變化，最大縫寬2cm，裂縫最長達11.8m，該段距進洞口約200m，圍巖級別為Ⅲ級，二次襯砌采用35cm 厚C25素混凝土。

圖1 隧道襯砌縱向、環向裂縫

2.2 雷達檢測情況

2.2.1 雷達測線布置

針對桃墅嶺隧道二襯開裂及脫空范圍較大，為了進一步查明隧道病害成因，檢測單位對隧道右洞K937+760～K93 7+772段二次襯砌開裂及脫空部位進行襯砌缺陷檢測，在隧道拱腰-拱頂共布設了6 條雷達測線，測線根據行車方向沿隧道縱向布置。其中，1#、6#測線距拱頂4.5m，2#、5#測線距拱頂2.5m，3#、4#測線距拱頂1.0m，雷達測線布置如圖2所示。

圖2 雷達測線立面布置示意圖

2.2.2 雷達檢測結果

根據雷達檢測結果顯示（如圖3～6所示），2#、3#、4#測線位置處襯砌開裂、表層脫空及背后空洞較為嚴重，且裂縫、表層脫空及背后空洞均集中于拱頂部位。隧道K937+760～K937+772 段襯砌病害檢測結果如表2所示。

圖3 1#測線波譜圖

表2 隧道襯砌病害檢測結果

根據現場調查、定期檢查報告及雷達檢測結果，K937+760～K937+772 段襯砌存在多處開裂、背后空洞現象，導致襯砌厚度嚴重不足，該段屬于結構性損壞。

2.3 襯砌病害成因分析

根據桃墅嶺隧道病害情況，結合定期檢測及雷達檢測報告，初步分析隧道襯砌病害成因主要分為以下幾種。

①襯砌周圍圍巖壓力及地下水共同作用影響的結果。隧址區圍巖主要為變質粉砂巖，節理裂隙較發育，巖體較破碎，強降雨后地下水水壓增大，容易導致襯砌開裂。

②襯砌施工質量較差。襯砌施工控制不規范，降低了襯砌承載能力，導致襯砌開裂。二次襯砌澆筑過程中，混凝土充填不密實或二襯臺車澆筑支座發生偏移，造成拱頂混凝土脫空。邊墻或隧底施工不規范，導致拱腳位置基礎穩定性差，邊墻應力集中產生縱向、斜向裂縫。

③圍巖和襯砌支護參數總體偏弱。圍巖級別為Ⅲ級，設計采用F3b 型襯砌，初由12cm 厚C20 噴射混凝土、φ22 砂漿 錨 桿（L=2.5m，間 距 120cm×120cm）、φ8 鋼筋網（25cm×25cm）組成，二次襯砌采用35cm 厚C25 素混凝土，無仰拱。

④結構受力不均。襯砌背后存在空洞、脫空現象，結構受力不均勻，產生應力集中現象，導致襯砌產生縱向結構性裂縫。

⑤受溫度等周圍環境的影響。部分微小裂縫有可能是混凝土施工時產生的塑性收縮裂縫，或者是混凝土水化熱導致的溫度裂縫。

3 病害處治方案

3.1 隧道襯砌裂縫補強設計

桃墅嶺隧道襯砌裂縫補強設計，根據裂縫寬度大小不同，針對性地提出了3種補強方案。

①對于寬度≤0.2mm 的裂縫，裂縫表面涂抹裂縫修補膠進行結構補強。

②對于0.2mm＜寬度＜0.5mm 的裂縫，裂縫封閉后，灌注裂縫修補膠進行結構補強。

③對于寬度≥0.5mm 的裂縫，鑿槽填充封閉后，灌注裂縫修補膠進行結構補強（如圖4所示）。

圖4 2#測線波譜圖

圖5 3#測線波譜圖

圖6 4#測線波譜圖

圖7 5#測線波譜圖

圖8 6#測線波譜圖

圖9 裂縫鑿槽注膠補強示意圖

裂縫處治前，應沿裂縫走向鏟除裂縫兩側各不小于5cm 范圍防火涂料及瓷磚。裂縫處治完成后，對鏟除的防火涂料及瓷磚進行恢復，防火砂漿及瓷磚的厚度、顏色應與既有內裝保持一致，保證處治后的美觀。

3.2 隧道襯砌加固設計

根據桃墅嶺隧道病害情況現場調查、定期檢查報告及雷達檢測結果，結合近年來國內公路隧道襯砌病害處治的成功經驗，總結了六種襯砌加固方法，分別為粘貼纖維復合材料法、粘貼W 鋼帶（板）法、噴射混凝土加固法、嵌入鋼架加固法、錨桿加固法、套拱加固法等。

本次病害處治方案設計在綜合考慮了隧道二次襯砌病害的嚴重程度、隧道內輪廓富余情況、資金投入、交通干擾等因素，對以上六種加固方案的適用條件、優缺點進行比選分析后（如表3 所示），推薦采用粘貼W 鋼帶（板）法，粘貼W 鋼帶加固設計方案如圖10所示。

圖10 W鋼帶加固設計示意圖

表3 隧道襯砌加固方案比選分析

①材料參數

根據桃墅嶺隧道定期檢查報告，本次襯砌強度驗算選擇二次襯砌最不利情況下的h=12cm 進行計算，原設計隧道襯砌混凝土強度等級為C25，則fcd1=13.5N/mm2，f′cd1=1.33N/mm2。

根據《礦用W 型鋼帶》（MT/T 861-2000）及處治方案對W 鋼帶型號的要求，確定鋼帶的厚度為5mm，寬度為25cm，單片鋼帶有效截面積A=1500 mm2，截面高度為25.5mm，fsp=315N/mm2，取αr=1，b=1000mm，若兩環鋼帶中心間距為50cm，則Asp=3000mm2。

②襯砌抗彎承載能力計算

由公式（1）、（2）計算可得：

x=10.76mm，Md1≤16.65kN·m。

③處治后襯砌承載力計算

由公式（3）、（4）計算可得

x=70.0mm，Md1≤80.32kN·m。

經計算，拱部的抗彎承載能力為加固前的4.82 倍，足以抵抗拱部襯砌厚度不足時內側受彎拉變形發生的開裂破壞。計算結果表明，采取粘貼W 鋼帶法可較大提高襯砌結構內側抗彎拉承載能力。

3.3 隧道襯砌背后空洞處治

襯砌背后空洞注漿是襯砌與圍巖或圍巖與二次襯砌跟初期支護不密貼，導致結構受力不均勻，采用壓注回填材料改善結構受力狀態的方法。采用襯砌背后空洞注漿加固應符合以下要求。

①注漿孔布設應根據襯砌背后空洞規模、位置及施工條件等綜合確定，宜采用梅花形布設，間距1.5～2.0m，鉆孔位置及間距可根據空洞檢測情況進行適當調整。

②注漿管采用φ42mm 鋼管，注漿管宜深入空洞不小于1/3 處（如圖11），注漿漿液采用1:1水泥漿。

圖11 襯砌背后空洞注漿加固示意圖

圖12 處治完成后的桃墅嶺隧道

③注漿壓力應根據混凝土襯砌厚度和配筋等情況確定。素混凝土襯砌注漿壓力不宜大于0.1MPa，鋼筋混凝土襯砌注漿壓力宜為0.2MPa，注漿壓力具體可根據現場試驗確定。

④注漿宜采用先下后上的施工順序。

⑤有水壓條件下，宜先設置排水孔排水，再進行注漿。

⑥鉆孔打設φ42mm注漿鋼管時應

小心施作，鉆孔位置應避開W 鋼帶及裂縫處，避免刺破防水板影響隧道的防水能力，進漿外端應設置與注漿泵相適應的注漿接頭。

⑦襯砌背后空洞注漿加固應在襯砌裂縫注膠封閉及W 鋼帶加固完成后進行。

目前，處治完成后的桃墅嶺隧道運營正常（如圖7），K937+760～K937+772 段襯砌未出現任何異常，也未發現其他病害，表明處治效果良好。

4 結論

本文以桃墅嶺隧道襯砌病害為背景，結合定期檢查報告及檢查結果，系統分析了桃墅嶺隧道病害成因，針對隧道襯砌病害情況研究制定了合理的處治方案。

①隧道襯砌病害是由地質條件、水文條件、施工質量、周圍環境等多種因素共同作用的結果。

②隧道襯砌裂縫補強設計，根據裂縫寬度大小的不同，針對性地給出了表面涂膠、灌縫補膠、鑿槽注膠等三種裂縫補強方案。不僅補強了襯砌結構，也提升了隧道襯砌的美觀性。

③針對隧道襯砌病害，結合以往隧道襯砌病害處治的成功經驗，總結了六種襯砌加固方法，并對該六種加固方案在隧道襯砌病害的嚴重程度、隧道內輪廓富余情況、資金投入、交通干擾等方面進行綜合比選分析后，推薦采用粘貼W鋼帶（板）法。

④在隧道襯砌背后空洞處采用注漿加固的方法進處治，注漿漿液為1:1 水泥漿，注漿壓力應根據混凝土襯砌厚度和配筋等情況確定，其中素混凝土襯砌注漿壓力不宜大于0.1MPa，鋼筋混凝土襯砌注漿壓力宜為0.2MPa。