公路隧道襯砌病害分析與處治方案研究

吳文龍

摘 要：公路隧道襯砌病害降低隧道結構承載能力的同時，也對行車安全造成了較大不利影響。大部分襯砌病害的表現形式為襯砌變形脫落、襯砌裂縫以及隧道路面出現波浪形鼓包等。文章以某高速公路分離式隧道為研究背景，對公路隧道襯砌病害成因及治理方案進行了系統性的研究。在分析該公路隧道地質結構特點、圍巖等級、地下水來源以及襯砌支護參數的基礎上，以隧道病害區域表觀病害特點和專項病害檢測結論為依據，分析了襯砌病害出現的原因，并提出了切實可行的治理方案。

關鍵詞：公路隧道 襯砌病害 表觀病害 專項病害 質量方案

1 工程概況

某高速公路分離式隧道，隧道設計形式為雙向四車道，設計最高時速為80km/h。該高速公路隧道左洞設計全長1.28km，隧道右洞設計全長1.15km。為保證隧道內交通運行安全，將隧道限界凈寬和限界凈高分別設計為10.3m和5.2m，隧道于2016年建成通車。隧道建設區域地質結構以砂質灰巖和砂巖為主，還包括少于的石英砂和泥巖，分布狀態多為互層狀態，隧道建設區域地下水來源為孔隙水和基巖中的裂隙水，屬于重力滲入水范疇，大氣水補給是隧道建設區域地下水的主要來源，補給方式以滲透排泄為主，建設區域地下水受當地降水條件影響較大，無過大儲存量。隧道穿越區地層圍巖主要是Ⅳ級和Ⅴ級，隧道設計借鑒新奧法原理，隧道設計結構為復合式襯砌結構，該結構設計下的初期支護采用錨桿施工掛鋼筋網并噴射混凝土護壁，二次支護采用模板混凝土結構，Ⅳ級圍巖處二次襯砌直接采用C25素混凝土結構進行設計施工，Ⅴ級圍巖處二次襯砌采用鋼筋混凝土結構結構進行設計施工，混凝土等級為C25。根據襯砌位置地層巖性差異，Ⅳ級圍巖初期支護施工中，按照錨桿長度和錨桿間距的不同，將Ⅳ級圍巖初期支護分為分Ⅳa和Ⅳb兩種支護類型；Ⅴ級圍巖初期支護施工中，按照工字鋼型號的不同，將Ⅴ級圍巖初期支護分為Ⅴa和Ⅴb兩種支護類型。該隧道項目不同類型襯砌支護參數如表1所示。

2 公路隧道病害情況

2.1 隧道表觀病害

通過對隧道現場環境的多次勘測和定期檢測報告數據，可以確定該隧道的左洞ZK1602+249～ZK1602+476段、ZK1602+249～ZK1602+556段存在路面車輛跳車的問題；隧道的右洞YK1602+229～YK1602+375段、YK1602+151～YK1602+455段同樣存在路面車輛跳車的質量問題。該隧道的表觀病害如表2所示。

2.2 隧道病害專項檢測

2.2.1 襯砌厚度檢測

在該公路隧道左洞ZK1602+199～ZK1602 +606 段 ，共計407m范圍內的二次初襯拱頂處、左側洞口拱腰處以及左側洞口的左右邊墻處共計布設了5條檢測線，共計布設了411個二次襯砌厚度檢測點；在該公路隧道右洞YK1602+151～YK1602+555 段 ，共計404m范圍內的二次初襯拱頂處、左側洞口拱腰處以及左側洞口的左右邊墻處共計布設了5條檢測線，共計布設了411個二次襯砌厚度檢測點。隧道左洞襯砌厚度檢測結果如下：有33處檢測點測得襯砌厚度小于設計值，有2處檢測點測得襯砌厚度小于設計厚度的一半；隧道右洞襯砌厚度檢測結果如下：有24處檢測點測得襯砌厚度小于設計值，有3處檢測點測得襯砌厚度小于設計厚度的一半。

2.2.2 襯砌強度檢測

該公路隧道左洞、右洞襯砌強度檢測均采用鉆探取芯法進行檢測。在隧道左洞ZK1602+315～ZK1602 +598.5范圍內，做了3組（Za，Zb，Zc）鉆探取芯，每組3件芯樣，共計9件芯樣；在隧道右洞YK1602+245.5～YK1602 +572.4范圍內做了3組（Ya，Yb，Yc）鉆探取芯，每組3件芯樣，共計9件芯樣。所有芯樣的抗壓檢測結果如表3所示。

從表3中可以看出，隧道左洞三組鉆探取芯試驗中平均值最高的一組是Zc組，平均值為15.4Mpa，隧道右洞三組鉆探取芯試驗中平均值最高的一組是Ya組，平均值為19.4Mpa，而設計采用混凝土的極限抗壓值是29.5Mpa，由此可見，9件取芯樣品的抗壓強度均小于設計值。

2.2.3 隧道凈空檢測

隧道左洞出現病害區域共布設了27個凈空斷面輪廓線監測點，其中有6個凈空斷面形狀與二次初砌設計的輪廓線相比出現較大變形，最大的變形位置出現在ZK1602+335處的邊墻位置。ZK1602+335處輪廓線與二次初砌設計的輪廓差異為22.7cm。隧道有洞出現病害區域共布設了27個凈空斷面輪廓線監測點，其中有22個凈空斷面輪廓線與二次初砌設計的輪廓線有較大差異，最大變輪廓線形處為YK1602+257處的拱腰位置。YK1602+257處拱腰位置的輪廓線與二次初砌設計的輪廓線差異為12.3cm。

2.2.4 隧道仰拱的厚度檢測

在該公路隧道左洞病害區域仰拱出共進行了17處鉆孔取樣，通過對這17個鉆的路面到仰拱底部混凝土厚度進行測量。發現這17個鉆孔中，路面到仰拱底部混凝土厚度最大值為1.1m，最小值僅為0.4m，即便是最大值也沒有達到設計厚度值，欠厚的范圍為0.6m到1.4m。在該公路隧道右洞病害區域仰拱出共進行了17處鉆孔取樣，通過對這17個鉆的路面到仰拱底部混凝土厚度進行測量。發現這17個鉆孔中，路面到仰拱底部混凝土厚度最大值為1.1m，最小值僅為0.7m，即便是最大值也沒有達到設計厚度值，欠厚的范圍為0.7m到1.8m。此外，仰拱鉆孔內的水位偏高。

3 公路隧道病害成因分析

通過以上公路隧道表觀病害和專項病害的檢測后鎖定該公路隧道出現病害的原因主要有以下三點[1]。第一點原因，隧道穿越區域的地質結構復雜。該公路隧道出現病害區域的地質結構巖性以泥質砂巖為主，局部伴有石英砂和泥巖，隧道圍巖巖性較弱，整體強度較低，而且隧道建設區域地下水來源為孔隙水和基巖中的裂隙水，屬于重力滲入水范疇，當軟弱圍巖需要重力滲水時會出現軟化的情形。第二點原因，隧道建設過程中沒有優化排水結構設計，導致隧道排水系統運行不暢。隧道在常年使用運行過程中，雨季降水加上孔隙水和基巖中的裂隙水逐步累積，運行不暢的排水系統無法及時將過多的積水排除隧道，導致積水逐漸在隧道仰拱部位累積，且根據地質情況可以確定積累過多積水的仰拱部位屬于軟弱圍巖區域，軟弱圍巖遇水會導致地基承載能力達到折扣，導致軟弱圍巖所受到的水平側向壓力逐漸增大，再加上仰拱厚度檢測得出的仰拱欠厚嚴重的事實，導致隧道襯砌結構無法按照初期設計要求進行封閉成環。隧道運行過程中，過往車輛形成的動荷載與軟弱圍巖所受到的壓力共同作用，導致仰拱拱腳下沉、隧道照明通風用電纜槽檢修管道出現裂縫變形、隧道內部行車道出現局部鼓起直至地面出現波浪形病害[2]。第三點原因，該公路隧道左洞和右洞襯砌出現裂縫病害的主要原因是隧道施工中沒有完全按照設計規范要求進行施工，一次初襯和二次初襯過程中，混凝土噴射用量不足，導致隧道沒有達到設計規定厚度，繼而導致襯砌整體強度無法滿足設計規范要求，使得襯砌整體厚度和整體強度無法承受隧道結構設計承載能力。

4 隧道病害區域的處治方案

在提出該公路隧道病害區域治理方案之前，緊密查閱公路隧道施工的原始設計資料和施工資料、施工現場所有變更索賠資料、施工日志以及本文之前分析的隧道病害區域的表觀病害質量曲線和隧道專項病害檢測數據等情況進行綜合分析，再對相同地質條件下的隧道病害防治措施進行橫向對比，初步給出了該公路隧道病害治理的基本方案，方案具體內容如下：

4.1 公路隧道路面結構病害治理方案

通過對公路隧道路面結構病害進行鉆芯取樣檢測后確定，該公路隧道路面結構的病害的關鍵因素是隧道仰拱結果部分缺失以及仰拱填充層部分缺失，再充分考慮該公路隧道仰拱厚度局部偏低、隧道基底圍巖相對較為軟弱以及軟弱圍巖部分區域出現破碎的現狀，針對隧道局部仰拱厚度比設計厚度小的病害采取鎖腳+仰拱拆換的治理方案；針對隧道仰拱厚度比設計厚度值小得多的情況采取鎖腳+基底注漿加固+鋼筋混凝土底板的綜合治理方案。

4.2 襯砌裂損病害治理方案

通過本文的分析可以確定，該公路隧道襯砌損害較為嚴重的根本原因是襯砌厚度和襯砌強度不足而導致隧道支撐結構承載能力下降導致的，此類病害也是公路隧道常見的病害，針對此類病害通常采用的治理方案主要有兩種，一種方案是在原有套拱數量保持不變的情況下，增加額外套拱來增加結構的承載能力，另外一種方案就是直接對原隧道支撐體系的套拱進行拆換。該公路隧道病害區域的圍巖屬軟弱圍巖，而且隧道左洞和右洞均存在局部初砌欠厚的問題，如果采用對原隧道支撐體系的套拱進行拆換的治理方案，拆除二次初襯后很可能因為施工空間不足無法進行新襯施工，繼而為了獲取更大施工空間，可能要對一次支護系統進行拆除，這就增加了隧道既有結構的額外擾動，增加了對軟弱圍巖的額外擾動，給治理施工增加了較大的不確定性，增加了施工安全風險?；诖?，結合該公路隧道的實際情況和專項病害檢測結果，襯砌裂損治理方案主要采取鋼架混凝土套拱對病害區域進行結構加固的治理方案。

4.3 隧道襯砌裂縫治理方案

該公路隧道襯砌裂縫的治理方案以裂縫寬度為基準進行設計施工。當襯砌裂縫寬度小于或者等于0.2mm時，在裂縫表面抹裂縫修補膠來加強結構強度；當襯砌裂縫寬度在0.2mm到0.5mm之間時候，通過灌裂縫修補膠進行結構加強處理；當襯砌裂縫寬度大于等于0.5mm時，通過在裂縫區域進行鑿槽填充并封閉后，再灌入裂縫修補膠來加強結構強度。

5 結語

本文以某高速公路分離式隧道為研究對象，對其襯砌病害成因及病害治理方案就行了分析研究。確定地質結構復雜、隧道排水結構不合理以及施工原因造成的隧道襯砌厚度不足是造成病害形成的關鍵因素，并根據現場檢測結果和施工經驗給出了治理方案。

參考文獻：

[1]于婷婷.某高速公路隧道專項病害檢測與加固處治分析[J].四川水泥.2024（02）：264-267.

[2]龍騰，李清海.隧道襯砌與圍巖松散接觸對隧道結構安全的影響研究[J].西部交通科技. 2023（12）：138-141.