刘君，谢蒙均，黄 丹，满 银，韦培富（.贵州省交通科学研究院股份有限公司，贵州贵阳 550008；.中铁五局集团建筑工程有限责任公司，贵州贵阳 550008）

季节性暴雨后某高速公路隧道病害及整治

摘要：为了解决长时间季节性暴雨后，运营隧道易出现病害的问题，对长时间季节性暴雨后高速公路某运营隧道发生的病害进行调查、监控、数值模拟及分析。研究结果表明：1）长时间大暴雨后，隧道病害关联性存在，表现为渗漏水、基底隆起、翻浆冒泥、中央排水沟堵塞以及衬砌变形破坏；2）排水系统堵塞后，隧道衬砌结构上水压力和内力急剧增大，隧道率先在仰拱和墙脚处出现破坏；3）隧道渗漏水病害采用凿槽引排，变形破坏段采用分段逐步换拱和仰拱施作，整个隧道采用中央排水沟扩挖、沉沙井和排水系统疏导的方法；4）病害整治期间隧道结构变形较小、收敛，结构安全，整治措施合理可靠。

关键词：高速公路隧道；季节性暴雨；隧道病害；病害整治

Case Study on Diseases of a Highway Tunnel Occurring after Seasonal Rainstorm and Their Treatment

LIU Yunjun1，XIE Mengjun1，HUANG Dan2，MAN Yin1，WEI Peifu1
（1.Guizhou Transport Science Research Institute Shares Co.，Ltd.，Guiyang 550008，Guizhou，China；
2.The Building Construction Co.，Ltd.under China Railway Wuju Group，Guiyang 550008，Guizhou，China）

Abstract：When longduration seasonal rainstorms happen，diseases are easy to occur to operating tunnels.In the paper，the diseases that occurred to a highway tunnel after longduration seasonal rainstorms are investigated，monitored，numerically simulated and analyzed.Conclusions drawn are as follows：1）After longduration rainstorms，interrelated diseases，such as water leakage，floor uplift，mud pumping，central drainage ditch blocking and lining deformation，occur to the tunnel；2）When the drainage system is blocked，the water pressure on the tunnel lining and the internal force of the tunnel lining increase rapidly，which leads to the damage to the invert and the side wall feet；3）The following treatment measures are taken：Channels are cut to guide the ground water out so as to eliminate the water leakage disease；the damaged lining is removed section by section，new lining is installed and the invert is reconstructed；the existing central drainage ditch is widened，new sand collection shafts are installed and the drainage system is improved；4）During the treatment of the tunnel diseases，the deformation of the tunnel structure is small，which demonstrates that the tunnel structure is safe and that the treatment measures taken are reasonable and reliable.Key words：highway tunnel；seasonal rain storm；tunnel disease；disease treatment

0　引言

21世纪是隧道和地下工程迅速发展的时期，作为经济发展最快的国家之一，我国对交通基础设施的需求量越来越多，尤其是高速公路，而隧道因其自身的优越性，在高速公路中的运用日趋广泛［1］。在我国西南山区，由于复杂的地质条件，设计、施工、运营、养护不当，使得既有高速公路隧道出现渗漏水、衬砌损坏开裂、侵蚀锈蚀以及冻害等病害，且有些病害已经严重影响了隧道的正常运营［2－3］。国内外许多专家学者对现有隧道病害进行了大量的研究。如刘海京［4］和冯冀蒙等［5］分析了隧道病害分布规律和隧道健康诊断计算模型；张智远［6］研究了隧道主要病害，总结了病害防治方法；卢颖明等［7］对隧道病害进行了分类，并对其原因进行了研究；万利等［8］和钭逢光等［9］针对隧道

渗漏水病害，提出了合理的治理措施。但对于由于季节性长时间强大暴雨引发的重大隧道灾害成因的分析、整治措施的采取以及隧道整治过程中的结构安全稳定性的研究和分析有所欠缺。

为此，本文以季节性长时间强大暴雨后某高速公路隧道病害成因及治理措施为研究分析对象，对病害整治过程中隧道结构的安全稳定性进行了监控，其研究成果有一定的实际意义。

1　隧道病害工程概况

隧道病害往往不是以某一种形式单独存在的，一般以几种病害一起出现［1，10］。2014年7月，季节性长时间强大暴雨后，高速公路某隧道出现了严重的病害。其主要表现为：

1）隧道出现裂缝和渗漏水。隧道裂缝病害相对较轻，主要以纵横向细微裂缝（宽度小于0.2 mm）为主。隧道渗漏水病害根据压力和流量可分为喷射、涌流、点滴和浸润状。该隧道渗漏水较为严重，在拱顶、拱腰、边墙以及施工缝等处均有出现，共有14处，大部分呈点滴至涌流，部分区段隧道施工缝及裂缝处呈喷射涌流状，最大涌水量达到100 L／min，且泥沙含量多，衬砌内表面出现白色结晶物及泛黄现象。隧道渗漏水病害如图1所示。

图1　隧道渗漏水病害Fig.1 Leakage disease of tunnel

2）中央排水沟的排导能力不足以排走渗入隧道排水系统的大量泥沙，使得大量水涌出路面，局部严重翻浆冒泥，最大泥沙量达到每日数方，严重影响了行车和隧道结构的安全。路面翻浆冒泥如图2所示。

图2　路面翻浆冒泥Fig.2 Pavement damage

3）隧道内有近30 m区段的边墙和墙脚出现严重的挤出变形、开裂和路面隆起，隆起量最大达到20 cm左右，边沟挤出破坏，并有大量水和泥沙涌到路面，严重威胁隧道的运营安全，急需整治处理，如图3所示。

图3　隧道破坏Fig.3 Destruction of tunnel

2　隧道病害成因分析

隧道病害往往是由多因素综合导致的。分析该隧道病害成因，主要是由于恶劣的气候条件和复杂的地质条件所引起。该隧道埋深较大，以灰岩、白云岩等可溶性岩为主，工程水文地质条件极为复杂，岩溶和节理裂隙发育并与地表连通，且节理裂隙面夹泥严重，隧道施工期间曾遇到溶洞。季节性长时间强大暴雨后，该隧道渗漏水水源以地表水为主，泥沙通过节理裂隙或溶洞进入隧道排水系统，而几十年一遇的暴雨使泥沙量超出隧道排水系统的疏导能力，大量泥沙在中央排水沟中积累，并且使盲管等排水系统部分堵塞，从而导致进入盲管等排水系统中的水无法及时排出，在隧道衬砌上形成高水压作用，且地表下凹地貌加剧水压的增大［11］，因而导致隧道出现渗漏水，部分水压较大区段出现隧道严重变形、衬砌开裂和路基隆起等。

2.1数值力学模型与参数

为了分析排水系统堵塞导致水无法排出对隧道的影响，采用FLAC3D有限差分软件，建立高速公路2车道基本断面三维模型。模拟隧道轴线为Y轴，竖直方向为Z轴，横向为X轴，XYZ的尺寸为100 m×20 m× 60 m，二次衬砌采用C3O混凝土。计算模型见图4，围岩和支护参数见表1。

图4　三维计算模型Fig.4 Threedimensional calculation model

表1　围岩和支护物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock and support

2.2计算结果

分别计算埋深50 m（大于Ⅳ级围岩深浅埋分界线）、水深50 m工况下，隧道盲管封堵（工况1）和排水（工况2）条件下，作用在隧道结构上的水压力以及隧道主体结构的应力，如图5—7所示。

图5　衬砌上水压力（单位：Pa）Fig.5 Water pressure on lining（Pa）

从衬砌上水压力可以看出：当隧道排水系统堵塞时，地下水无法及时排出，作用在隧道衬砌结构上的水压力近似为隧道未开挖时相应地层的静水压力，水压

从隧道拱顶至墙脚依次递增，最大水压力为0.5 MPa；当隧道排水系统通畅时，环向盲管和纵向排水管形成临空面（水压力为0），而作用在隧道衬砌上的水压从远离环向盲管和纵向排水管部分到排水系统递减，局部最大水压力为0.185 MPa，降低了63%。因此，当排水系统堵塞时，使隧道结构上的水压力急剧增大约63%。

图7　工况2衬砌主应力（单位：Pa）Fig.7 Principal stress on lining in Case II（Pa）

对比工况1和工况2隧道结构上最大和最小主应力可以得出：排水系统通畅（工况2）时，隧道衬砌结构上最大压应力位于边墙至墙脚内侧，为17.85 MPa，最大拉应力位于拱顶和仰拱内侧，为0.58 MPa，均未达到C30混凝土的极限强度，隧道结构安全；排水系统堵塞（工况1）时，隧道衬砌结构上最大主应力位于墙脚内侧，为21.6 MPa（与C30混凝土极限抗压强度22 MPa基本相当），增加17.36%，最大拉应力位于仰拱内侧和墙脚外侧，为2.38 MPa（大于C30混凝土极限抗拉强度2.2 MPa），增加75.63%，隧道结构率先出现破坏。因此，以地表水为主要水源的渗漏水，排水系统易堵塞，会使隧道二次衬砌的应力急剧增加，最大增加75.63%。其中，墙脚和仰拱为衬砌的最不利位置，率先达到极限承载状态，出现破坏，危害严重［11］。

3　隧道病害整治

3.1隧道病害整治措施

分析已出现的隧道病害，其整治主要分为渗漏水病害整治、路面损坏整治和高水压整治3方面。

1）对于施工缝和0.2 mm宽的纵横向裂缝渗漏水，一般采用凿槽、埋半圆管、引排、封堵的方法。对衬砌结构有一定损坏的裂纹渗漏水先按上面措施处理，再采用喷射聚丙烯纤维混凝土补强结构或涂刷防水材料［12］。

2）隧道近30 m范围边墙、墙脚严重破坏，路基隆起，处于不安全状态，一般的注浆加固措施已不能满足要求，需要施作套拱或换拱，路基需要重新开挖浇筑，而施作套拱会侵犯界限，只能换拱。具体步骤如下：

①对于隧道破损区段，在隧道内紧贴二次衬砌（纵向每延米），架设工字钢（可用工24），钢架支撑，保证病害整治过程中的安全性，如图8所示。

图8　工字钢支撑Fig.8 Ishaped steel support

②在路基隆起段，约10 m／段间隔进行路基开挖、排水系统疏导、淤泥清除、衬砌背后水引导、沉沙井施作和仰拱重筑等，如图9所示。

图9　仰拱重筑Fig.9 Reconstruction of invert

③分区段采用非钻爆法进行二次衬砌凿除，采用地质雷达等手段检查衬砌背后空洞情况，并采用满堂支架法进行二次衬砌浇筑，如图10所示。

3）高水压整治。该隧道衬砌形成高水压是在长时间强大暴雨后，地表水携带的淤泥堵塞中央排水沟

引起，整治措施有3种。

图10　二次衬砌凿除及施作Fig.10 Removal of existing secondary lining and reconstruction of new lining

①地表截水＋排水系统疏导。重点病害区段地表为下凹地貌，采用地表截水具有一定的盲目性，且围岩裂缝复杂，措施的有效性较差，不可取。

②开挖泄水洞＋排水系统疏导。从高程较低的洞口，在两隧道的中下部沿着隧道纵向开挖泄水洞至隧道病害处，或者从重点病害处开始开挖横向泄水洞。根据地形条件，隧道病害处横向泄水洞较长，且泄水具有局部性，不可取；纵向泄水洞泄水效果最好，但是在2条隧道中下部开挖泄水洞，技术难度大，原有隧道结构的安全性难以得到保证，且施工周期长，不可取。

③中央排水沟扩挖、沉沙井＋排水系统疏导。从高程较低的洞口开始沿隧道纵向将原有的中央排水沟扩挖成宽1.2 m、深1 m的矩形沟，每隔一定距离挖设沉沙井，并检查排水系统的堵塞情况，进行疏导。运营期间，定期对中央排水沟和沉沙井进行清理和疏导，尤其是汛期前后，该方法效果较好，工期合理，可以采用。中央排水沟扩挖如图11所示。

3.2隧道病害整治过程结构监测

为了确保病害整治施工过程中隧道结构的安全，在中央排水沟扩挖段路面沿纵向每10 m两侧分别布置一个路面竖向变形监测点，两侧边墙布置一对收敛位移监测点，监测中央排水沟扩挖到浇筑过程隧道结构位移的变化；需重新浇筑仰拱和换拱段，在仰拱重新浇筑期间纵向两侧边墙每10 m布置一对收敛位移监测点，监控其施工过程中的变化，而换拱期间由于场地限制，无法进行路面竖向变形监测。监测测量见图12。

图11　中央排水沟扩挖Fig.11 Widening of existing central drainage ditch

图12　监测测量Fig.12 Monitoring measurement

监测表明：施工过程中，路面最大竖向变形均小于1 mm，最大收敛位移小于0.8 mm，均呈收敛趋势，隧道病害整治期间，隧道结构安全稳定。其中，区段内某100 m路面竖向变形和收敛变形累计时程曲线如图13所示。

重新浇筑仰拱和换拱段，在仰拱重新浇筑期间，隧道收敛变形较大，最大达到4 mm，但整体呈收敛趋势，隧道结构安全，病害整治措施合理。换拱段收敛变形累计时程曲线如图14所示。

图13　变形累计时程曲线Fig.13 Timedependent curves of accumulative deformation

图14　换拱段收敛变形累计时程曲线Fig.14 Timedependent curves of accumulative convergence deformation of archreconstructing section

4　结论与建议

基于对季节性长时间强大暴雨后某高速公路隧道病害成因的分析、治理措施的研究及病害整治过程的监控，得出：

1）季节性长时间强大暴雨会使地质条件恶劣的隧道出现病害，以地表水为主要水源的隧道病害表现为渗漏水、泥沙堵塞排水系统、路面积泥、路面隆起和衬砌变形破坏。

2）通过数值计算和分析发现，隧道排水系统通畅时，离盲管和纵向排水管越近，衬砌结构上水压力越小；而中央排水沟堵塞使得排水系统中的水无法排出，使隧道衬砌上水压剧增，最大增加63%，且二次衬砌结构应力增大。其中，最大拉应力位于仰拱内侧和墙脚外侧，增加75.63%，大于C30混凝土的极限拉应力，率先出现破坏。

3）根据流固耦合三维数值模拟结果，水压引起的隧道衬砌仰拱内侧和墙脚外侧弯矩较大，成为结构失稳的关键控制部位，应该引起重视，建议加强该部位的配筋，以提高隧道的整体稳定性。

4）隧道渗漏水病害一般采用凿槽、埋半圆管、引排和封堵的方法，在路基隆起、衬砌变形破坏段，由于隧道衬砌已无法承载，且衬砌已侵限，采用分段逐步换拱和仰拱施作措施，并且整个隧道采用中央排水沟扩挖、沉沙井和排水系统疏导的方法。

5）隧道病害整治过程中，对病害整治段进行监控量测，发现路面竖直方向和边墙收敛变形值较小且呈收敛趋势，隧道主体结构安全稳定，病害整治措施合理可靠。

文章对季节性暴雨后隧道病害特征、成因、整治和监测进行了研究，研究结果可为季节性暴雨期间隧道病害的整治设计和施工提供参考与借鉴，而对季节性暴雨后隧道病害的分级值则需要进行进一步的深入研究。

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作者简介：刘君（1988—），男，湖南益阳人，2014年毕业于西南交通大学，桥梁与隧道工程专业，硕士，助理工程师，主要从事桥梁隧道试验检测和维修加固研究工作。

收稿日期：2015－01－20；修回日期：2015－02－12

中图分类号：U 457＋.2

文献标志码：B

文章编号：1672－741X（2015）05－0484－07

DOI：10.3973／j.issn.1672－741X.2015.05.016