公路隧道衬砌病害分析与处治方案研究

2024-03-01张超吴华

安徽建筑 2024年2期

张超，吴华

（1.安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥 230088；2.公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽合肥 230088）

0 引言

随着安徽省高速公路建设的蓬勃发展，高速公路隧道数量逐渐增多，对我省隧道综合养护技术也提出了更高的要求。根据近年来安徽省高速公路隧道定期检查过程中陆续发现的运营期隧道存在不同程度的衬砌裂缝、渗漏水等病害问题，部分严重的已经影响到隧道结构耐久性及行车安全。

目前，国内外学者针对隧道病害分类、原因分析及处治技术等方面做了较多研究，为隧道养护提供了参考。李治国、王亚琼等[1-2]利用断裂力学方法分析了隧道衬砌裂缝的稳定性。刘庭金等[3]基于连拱隧道病害调查结果初步分类了衬砌开裂和渗漏水的原因。佘健等[4]根据隧道病害产生的环境和结构条件将病害划分为4 个等级，给出了隧道病害的通用处治方法。吴梦军等[5]在全面分析各类型隧道病害原因的基础上提出了相应的处治技术。刘海京等[6]在系统分析了隧道病害特点的基础上，提出了病害研究的总体思路。杨明举等[7]针对隧道二衬大面积开裂的情况提出了采用环氧树脂充填裂缝、环向钢板箍贴二衬的处治方案。刘燕鹏等[8]探讨了隧道运营期衬砌病害的处治方法。张民庆等[9]分析研究了3 座特殊条件下铁路隧道二次衬砌严重开裂的原因与处理方案。袁飞[10]对隧道衬砌结构性的开裂，改进了传统的套拱加固方法。高斌等[11]通过采用综合检测方法，研究确定了隧道技术状况，并采取了有效的处置对策。杨春平等[12]针对隧道二次衬砌边墙严重开裂变形段落，采用了重新浇筑二衬与低预应力锚杆及粘贴钢带加固的方法。

本文以G35济广高速公路安徽段桃墅岭隧道衬砌病害问题为背景，针对隧道定期检查过程中发现的衬砌病害问题，通过外观检查、雷达检测等手段，系统分析了隧道衬砌病害产生的原因，研究制定了隧道衬砌病害处治方案，取得了良好的效果。

1 工程概况

1.1 地质概况

桃墅岭隧道是安徽省池州市境内G35 济广高速公路上的一座分离式特长隧道，隧道采用双向四车道标准，设计时速80km/h，桃墅岭隧道于2008 年建成通车。隧道左洞长3032m，隧道右洞长3014m。隧道建筑限界净宽10.25m，净高5.0m。根据详勘地质资料显示，隧址区进、出洞口表层主要为第四系残坡积层（Qel+dl），下伏基岩主要为蓟县-长城纪地层牛屋组（Pt2n）变质粉砂岩，局部基岩裸露，隧址区无区域断裂通过，围岩级别以Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ级为主。地下水类型主要为基岩风化裂隙水，受大气降水补给，地下水对钢筋、混凝土均无腐蚀性。

1.2 隧道衬砌支护参数

隧道按新奥法原理设计，采用柔性支护体系结构的复合式衬砌，即以系统锚杆、喷射混凝土、钢筋网、工字钢、格栅拱架等为初期支护，模筑混凝土或钢筋混凝土为二次衬砌。根据本隧道围岩级别确定的衬砌类型划分为F5a、F5b、F4a、F4b 以及F3b 型衬砌，各类型衬砌支护参数如表1所示。

表1 隧道支护参数表

2 衬砌病害情况及原因分析

2.1 隧道衬砌病害状况

桃墅岭隧道在2021 年定期检查过程中发现隧道右线K937+760～K937+772 段衬砌出现开裂、背后空洞及脱空现象（图1），洞顶处裂缝沿隧道中线呈不规则变化，最大缝宽2cm，裂缝最长达11.8m，该段距进洞口约200m，围岩级别为Ⅲ级，二次衬砌采用35cm 厚C25素混凝土。

图1 隧道衬砌纵向、环向裂缝

2.2 雷达检测情况

2.2.1 雷达测线布置

针对桃墅岭隧道二衬开裂及脱空范围较大，为了进一步查明隧道病害成因，检测单位对隧道右洞K937+760～K93 7+772段二次衬砌开裂及脱空部位进行衬砌缺陷检测，在隧道拱腰-拱顶共布设了6 条雷达测线，测线根据行车方向沿隧道纵向布置。其中，1#、6#测线距拱顶4.5m，2#、5#测线距拱顶2.5m，3#、4#测线距拱顶1.0m，雷达测线布置如图2所示。

图2 雷达测线立面布置示意图

2.2.2 雷达检测结果

根据雷达检测结果显示（如图3～6所示），2#、3#、4#测线位置处衬砌开裂、表层脱空及背后空洞较为严重，且裂缝、表层脱空及背后空洞均集中于拱顶部位。隧道K937+760～K937+772 段衬砌病害检测结果如表2所示。

图3 1#测线波谱图

表2 隧道衬砌病害检测结果

根据现场调查、定期检查报告及雷达检测结果，K937+760～K937+772 段衬砌存在多处开裂、背后空洞现象，导致衬砌厚度严重不足，该段属于结构性损坏。

2.3 衬砌病害成因分析

根据桃墅岭隧道病害情况，结合定期检测及雷达检测报告，初步分析隧道衬砌病害成因主要分为以下几种。

①衬砌周围围岩压力及地下水共同作用影响的结果。隧址区围岩主要为变质粉砂岩，节理裂隙较发育，岩体较破碎，强降雨后地下水水压增大，容易导致衬砌开裂。

②衬砌施工质量较差。衬砌施工控制不规范，降低了衬砌承载能力，导致衬砌开裂。二次衬砌浇筑过程中，混凝土充填不密实或二衬台车浇筑支座发生偏移，造成拱顶混凝土脱空。边墙或隧底施工不规范，导致拱脚位置基础稳定性差，边墙应力集中产生纵向、斜向裂缝。

③围岩和衬砌支护参数总体偏弱。围岩级别为Ⅲ级，设计采用F3b 型衬砌，初由12cm 厚C20 喷射混凝土、φ22 砂浆锚杆（L=2.5m，间距 120cm×120cm）、φ8 钢筋网（25cm×25cm）组成，二次衬砌采用35cm 厚C25 素混凝土，无仰拱。

④结构受力不均。衬砌背后存在空洞、脱空现象，结构受力不均匀，产生应力集中现象，导致衬砌产生纵向结构性裂缝。

⑤受温度等周围环境的影响。部分微小裂缝有可能是混凝土施工时产生的塑性收缩裂缝，或者是混凝土水化热导致的温度裂缝。

3 病害处治方案

3.1 隧道衬砌裂缝补强设计

桃墅岭隧道衬砌裂缝补强设计，根据裂缝宽度大小不同，针对性地提出了3种补强方案。

①对于宽度≤0.2mm 的裂缝，裂缝表面涂抹裂缝修补胶进行结构补强。

②对于0.2mm＜宽度＜0.5mm 的裂缝，裂缝封闭后，灌注裂缝修补胶进行结构补强。

③对于宽度≥0.5mm 的裂缝，凿槽填充封闭后，灌注裂缝修补胶进行结构补强（如图4所示）。

图4 2#测线波谱图

图5 3#测线波谱图

图6 4#测线波谱图

图7 5#测线波谱图

图8 6#测线波谱图

图9 裂缝凿槽注胶补强示意图

裂缝处治前，应沿裂缝走向铲除裂缝两侧各不小于5cm 范围防火涂料及瓷砖。裂缝处治完成后，对铲除的防火涂料及瓷砖进行恢复，防火砂浆及瓷砖的厚度、颜色应与既有内装保持一致，保证处治后的美观。

3.2 隧道衬砌加固设计

根据桃墅岭隧道病害情况现场调查、定期检查报告及雷达检测结果，结合近年来国内公路隧道衬砌病害处治的成功经验，总结了六种衬砌加固方法，分别为粘贴纤维复合材料法、粘贴W 钢带（板）法、喷射混凝土加固法、嵌入钢架加固法、锚杆加固法、套拱加固法等。

本次病害处治方案设计在综合考虑了隧道二次衬砌病害的严重程度、隧道内轮廓富余情况、资金投入、交通干扰等因素，对以上六种加固方案的适用条件、优缺点进行比选分析后（如表3 所示），推荐采用粘贴W 钢带（板）法，粘贴W 钢带加固设计方案如图10所示。

图10 W钢带加固设计示意图

表3 隧道衬砌加固方案比选分析

①材料参数

根据桃墅岭隧道定期检查报告，本次衬砌强度验算选择二次衬砌最不利情况下的h=12cm 进行计算，原设计隧道衬砌混凝土强度等级为C25，则fcd1=13.5N/mm2，f´cd1=1.33N/mm2。

根据《矿用W 型钢带》（MT/T 861-2000）及处治方案对W 钢带型号的要求，确定钢带的厚度为5mm，宽度为25cm，单片钢带有效截面积A=1500 mm2，截面高度为25.5mm，fsp=315N/mm2，取αr=1，b=1000mm，若两环钢带中心间距为50cm，则Asp=3000mm2。

②衬砌抗弯承载能力计算

由公式（1）、（2）计算可得：

x=10.76mm，Md1≤16.65kN·m。

③处治后衬砌承载力计算

由公式（3）、（4）计算可得

x=70.0mm，Md1≤80.32kN·m。

经计算，拱部的抗弯承载能力为加固前的4.82 倍，足以抵抗拱部衬砌厚度不足时内侧受弯拉变形发生的开裂破坏。计算结果表明，采取粘贴W 钢带法可较大提高衬砌结构内侧抗弯拉承载能力。