某运营黄土公路隧道病害成因与处治技术研究

朱 江

(山西省交通新技术交通发展有限公司，山西 太原 030012)

0 引言

山西省黄土隧道主要分布在中西部地区，其中运营高速公路黄土隧道总里程356 490 m，其中纯黄土隧道186 910 m/231座，部分段落为黄土的隧道169 580 m/57座；在建各类黄土隧道39 634 m，其中高速公路黄土隧道20 422 m/14座。黄土隧道在运营过程中出现衬砌开裂、渗漏水、仰拱底鼓隆起、路面翻浆冒泥等病害，严重影响行车安全。出现病害的原因复杂，是一个极其复杂的物理、力学过程，是多种因素共同作用的结果，其与隧道围岩性质、应力状态、支护参数、施工质量和运营养护等密切相关。本文结合山西省某运营高速公路黄土隧道，通过现场调查和检测手段针对该隧道出现的病害进行系统研究，从洞内外两个方面分析了隧道出现病害的原因，并提出了有针对性的处治措施，对类似运营黄土公路隧道具有借鉴和指导作用。

1 工程概况

2 病害现状调查

运营过程中，该隧道主要病害表现为局部段落衬砌破损、开裂剥落，衬砌拱脚下沉，路面隆起、纵向开裂错台，电缆槽扭曲变形、倾斜反翘等现象。边墙裂缝宽度达3 cm，且沿裂缝出现错动，最大错动量达5 cm，出现掉块现象如图2所示；路面纵向开裂宽度1 cm～3 cm，裂缝沿隧道纵向呈鱼尾状，可见1 cm～2 cm的路面隆起如图3所示；人行横通道底板开裂隆起，裂缝宽度达1 cm，底板隆起高度达20 cm,如图4所示；电缆沟盖板呈明显倾斜现象，边沟与沥青路面结合部发生明显的开裂和下沉，最大缝宽3 cm，最大下沉错动达10 cm,如图5所示。

3 病害成因分析

为查明病害原因，消除隐患，防止隧道病害进一步发展，根据该隧道病害特征，本文从洞内外两个方面开展病害原因分析。

3.1 隧顶地表缺陷

至隧顶地表实地调查，地表植被以荒草灌木为主，发现该隧道洞身地表发育多条深切冲沟，局部存在陷穴和落水洞见图6，图7。由于建设期并未对其进行处理，隧道运营后，地表雨水汇集至冲沟底部并下渗至隧道结构，降低黄土围岩的物理力学性质，导致围岩承载能力降低，继而诱发隧道病害的产生和发展，并直接侵蚀隧道支护结构，附加应力增大，降低隧道结构的安全性和可靠性。

3.2 施工质量缺陷

技术人员对该隧道洞内病害段主要开展了净空测量、衬砌及仰拱状况检测、衬砌强度检测和隧道变形监测等，结果表明施工质量较差是导致该隧道运营期出现如此病害的另一个原因。

采用隧道激光断面仪对隧道净空进行测量，将当前断面形状和设计断面形状进行比对，可反映出隧道支护结构的现状。经数据分析，该隧道上行K482+687～K482+867段落左拱腰和拱顶部位存在较大偏差，偏差值介于9.6 cm～15.7 cm之间；下行ZK482+498～ZK482+858段落拱顶部位存在较大偏差，偏差值介于9.5 cm～33.1 cm之间，未发现各检测断面存在建筑限界受侵现象。隧道激光断面仪测量结果表明，该隧道病害段拱部存在较大的竖向围岩压力，是导致衬砌结构出现纵向裂缝、环向裂缝的直接诱因，导致衬砌混凝土破损甚至剥落现象的发生。

采用地质雷达对衬砌缺陷进行检测，检测结果表明，该隧道检测范围内局部初期支护与二次衬砌间存在脱空和不密实现象，缺陷段长度占比达2.6%；隧道二次衬砌厚度离散性较大，最薄处仅有6 cm，抽样合格率仅为65.2%；上行隧底结构层厚度介于100 cm～190 cm之间，下行隧底结构层厚度介于105 cm～210 cm之间，并且隧底结构层与基底围岩局部存在脱空和不密实现象。该隧道病害段存在路面结构层及仰拱与其填充层厚度不满足设计要求的情况，造成隧底结构强度不足，同时隧道路面结构层与仰拱填充层之间存在轻微脱空现象。

采用回弹仪对衬砌混凝土强度进行检测，并考虑混凝土碳化影响后，该隧道上下行衬砌混凝土强度均满足设计要求。通过隧道路面沉降监测，监测周期内的数据分析结果表明，该隧道上行路面沉降监测点之值为4.6 mm，而下行路面呈整体下沉现象，其值高达13.56 mm，监测过程中偶遇衬砌掉块，说明该隧道在运营过程中变形明显，安全风险大，影响行车安全，需及时关闭隧道并实施病害处治。

雨水沿隧顶落水洞和陷穴下渗，围岩压力尤其是侧向围岩压力增大的情况下，隧底地基承载力降低和隧底结构刚度不足导致衬砌结构出现拱脚向内收缩，路面结构挤压隆起等现象的发生；隧道病害段衬砌厚度薄厚不均，导致衬砌局部产生应力集中，加剧了隧道衬砌结构开裂和破损现象的发生。

4 病害处治方案

本着“安全第一，经济可行，节约成本”的基本原则，经分析研究，拟从洞内外两个方面对该运营高速公路黄土隧道进行病害处治。

4.1 地表处治措施

隧顶地表缺陷采用回填灰土和注浆的方法进行处治。使用3∶7灰土对冲沟裂缝、陷穴等进行回填夯实，同时加强地表水的疏排管理。采取注浆方法时，为获得良好的注浆堵水效果和经济性，需选取合适的注浆试验地点进行现场注浆试验，并对注浆后的效果进行检查，取得注浆施工中的孔位布置、压力、浆液注入量、注浆材料等参数的控制方法，确保隧顶覆盖层密实且无潜在的空洞和裂缝。

4.2 洞内处治措施

由于该隧道不同段落原支护结构设计参数不同，根据不同段落的病害特征和严重程度采用不同的处治措施。

4.2.1洞身病害段处治措施

1)粘贴W钢带。针对该隧道衬砌局部脱落，厚度不足的段落，采用胶黏剂粘贴环向布置的宽度200 mm、厚度5 mm的W钢带，其纵向间距为100 cm，相邻两环的接头应错开，间距不低于500 mm；通过宽度200 mm、厚度8 mm的纵向钢板连接W钢带，每环设纵向连接钢板4片；并通过化学锚栓固定W钢带和纵向连接钢板。

2)隧底地基加固设计。该隧道衬砌开裂严重并掉块段落，原设计方案中初期支护仰拱和二次衬砌仰拱均闭合成环，但初期支护无钢架，二次衬砌也为素混凝土结构。由于运营隧道仰拱开挖对隧道整体结构的稳定性影响较大，隧底地基加固时不拆除原支护结构，仅将路面结构层和局部仰拱填充层破挖。具体方案分两步：a.拆除既有电缆槽和边沟，然后在衬砌墙脚位置打设DN80，L=6 m@100 cm的注浆锁脚锚管，防止破挖隧底时拱墙部位产生较大位移；再在病害段隧底设φ120 mm@100 cm钢管桩，梅花形布置，并在管身钻梅花形注浆孔，钢管桩就位并成型后注入水泥浆填充；b.通过M20@100 cm高强度螺栓沿隧道两侧墙脚位置处固定纵向布设的[25a槽钢，并与Ⅰ20a@100 cm横向支撑焊接牢固。各Ⅰ20a型钢横撑中央处和1/4位置处采用Ⅰ14a通过焊接方式加强连接，形成型钢框架，并与钢管桩管顶焊接，然后再恢复路面。复合式路面厚51 cm，其中基层采用15 cm厚贫混凝土，混凝土面板厚26 cm并配Φ16HRB335钢筋网，面层分别是4 cm厚细粒式改性沥青玛脂(AC-13)和6 cm厚中粒式改性沥青混凝土(AC-20)。

4.2.2人行横洞处治措施

首先采用DN80，L=4.5 m的注浆锁脚锚管加固人行横洞拱脚，然后再分两步开展有针对性地处治：首先将原衬砌开槽后埋入Ⅰ14@100 cm的钢拱架，相邻钢拱架通过在原衬砌表面刻槽埋入Φ25HRB335钢筋连接，再通过C25自密实补偿收缩混凝土填充间隙；然后通过M20-20×200@100 cm高强度螺栓沿人行横洞拱脚两侧固定纵向布设的[25a槽钢，并与Ⅰ20a@100 cm横向支撑焊接牢固。各Ⅰ20a横向支撑中央处再采用[14a槽钢通过焊接方式加强连接，形成型钢框架，并采用30 cm厚C30混凝土恢复人行横洞路面。

5 结论与建议

引起运营隧道出现病害的原因是多方面的，是综合因素导致的结果。本文对某运营高速公路黄土隧道出现病害的原因从洞内外两个方面开展研究，并提出了针对性的处治措施：

1)运营过程中，该隧道地表存在的冲沟裂缝、陷穴和落水洞为雨水汇集提供了便利条件。雨水沿隧顶地表缺陷下渗，围岩压力尤其是侧向围岩压力增大的情况下，隧底地基承载力降低和隧底结构刚度不足导致衬砌结构出现拱脚向内收缩，路面结构挤压隆起等现象的发生；

2)该隧道建设期间，施工质量较差是导致该隧道在运营期出现病害的另一个原因。隧道病害段衬砌厚度薄厚不均，导致衬砌局部产生应力集中，加剧了隧道衬砌结构开裂和破损现象的发生；

3)该隧道在运营过程中变形明显，安全风险大，影响行车安全，需及时关闭隧道并实施病害处治，并根据病害程度，提出了分段处治的建议。建议在该隧道衬砌局部脱落，厚度不足的段落，采用粘贴W钢带的方案；在衬砌开裂严重并掉块的段落以及人行横洞病害段，采用锁脚锚管、钢管桩和型钢框架梁的方案。