侯豪斌

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

近10年来，中国公路隧道每年新增里程1 100 km以上，是目前世界上公路隧道规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、发展速度最快的国家[1]。在如此大的体量下，隧道病害在近年也呈现出较大的增长趋势，位于临汾至吉县（壶口）高速公路的高家河隧道就产生过多次病害。临汾至吉县（壶口）高速公路是国家高速公路网青岛至兰州公路的重要组成部分，全线采用双向四车道高速公路标准建设，设计行车速度80 km/h。高家河隧道位于临汾至吉县（壶口）高速公路 K994+187.26—K994+638.74，光华镇高家河村南侧，隧道左线长473.75 m，右线长451.48 m，建筑限界宽度10.25 m，高度5.0 m。

1 隧道工程地质条件

隧址区属低中山地貌，地形起伏较大。隧道范围中线高程1 033.4～1 121.4 m，最大高差约88 m。山体自然坡度5°～40°，植被发育，进、出口均处于陡斜坡地带。地表覆盖第四系马兰组黄土（Q3m），下伏中风化白云质灰岩、泥云岩，节理裂隙发育，岩体破碎，岩层产状50°～80°∠22°～31°，呈单斜构造。

2 隧道病害概况

2.1 病害发展及处治过程

临汾至吉县（壶口）高速公路于2009年8月开工建设，2012年8月通车。2013年7月巡查发现高家河隧道右线K994+411—K994+416路面发育一条横向裂缝，最大缝宽达1.0 cm，隧道二衬发育斜交于行车道的环向细小裂缝。

2014年 7月管养部门组织对 K994+385—K994+430.5段45.5 m范围采用更换路面结构层方式进行处治，即：平均下挖160 cm，施作130 cm厚C20混凝土基层+30 cm厚C35钢筋混凝土面层。2015年5月，发现该处治段混凝土路面隆起、开裂严重。2015年7月经论证形成增设平拱方案，即：拱脚采用φ108钢管进行锁脚处治并注浆；基底采用I20a工字钢、I28a槽钢进行支撑补强（槽钢紧贴二衬根部纵向布设，与φ108钢管焊接；工字钢纵横布设，纵、横向间距分别为2 m、2.56 m），工字钢交叉处布设6 m长小导管并注浆；在工字钢上下两处及路面顶部以下5 cm处各铺设一层φ12的15×15 cm的钢筋网片；浇筑C35混凝土路面，恢复电缆槽等设施。

2016年12月，高家河隧道处治段再次出现路面开裂和隆起现象，左洞ZK994+402—ZK994+462也出现了衬砌开裂、路面隆起现象。

2.2 病害现状

2016年12月—2017年12月对高家河隧道进行了沉降监测，结果显示隧道右线、左线病害段整体仍在不均匀下沉，最大值达36.16 mm，右洞左拱脚大于右拱脚约9 mm，6月、7月沉降值明显大于其他月份。

高家河隧道自2013年发现路面裂缝至今，已先后处治两次，目前该隧道仍处于较大变形阶段且未明显收敛。原处治段路面隆起、开裂、路面板裂缝宽30 mm，错台达 25 mm，隧道右线 K994+268—K994+549、左线ZK994+330—ZK994+472段衬砌分布纵向、斜向及环向裂缝；路面隆起并分布纵向、斜向及横向裂缝，裂缝呈张开状；隧道电缆槽因为拱脚下沉被挤出，盖板反翘且部分长度已不足，表明电缆槽变形严重。

图1 电缆槽破坏

图2 路面板错台

3 病害专项地质勘察

3.1 地层结构

综合隧址区地表6处及洞内8处钻探成果，上部坡积物覆盖于强风化灰岩斜坡体上，整体呈北西向并与路线沿吉县方向呈20°角相交，坡积物厚度0-15.4 m，其下为强风化灰岩破碎体，隧道路面高程附近为强风化-中风化岩体，路面结构以下岩体较破碎，钻进过程中均有漏水现象。隧道围岩为O2m强风化、中风化白云质灰岩、泥云岩，岩层产状50°∠30°，呈单斜构造。钻进过程中局部见完整岩芯，一般呈碎块状，取芯长度小于10 cm；隧址区岩体产状变化较大、山体较陡，受吉县方向2.18 km处F1-1区域断层的响岩体较为破碎。隧址区未见常年地表水体及成层地下水，详见图3。

图3 病害处地质剖面图

隧道洞内钻探揭露：路面下0～0.9 m为水泥混凝土，0.8～1.6 m存在回填的混凝土、较破碎，路面下0.8～3.3 m为强风化、较破碎、节理裂隙发育的白云质石灰岩，再以下为中风化白云质石灰岩。

3.2 地质条件下的病害机理

a）隧道位于上部黄土覆盖的强风化破碎白云质灰岩、泥云岩构成的斜坡体上，斜坡体斜向路面，土石分界面及风化层分界面整体倾向西北、总体与右线方向呈20°角的斜坡体，岩层产状为50°∠30°，岩层倾角大，在岩层结构遭到破坏、出现临空面时，局部易产生滑动力。

b）分析路面、衬砌、墙体张拉裂缝发育情况，张拉方向近北西向，与岩层倾向基本接近，洞体开挖后，因岩层倾角大、围岩较破碎，围岩体对两侧洞壁产生不均匀压力，隧道结构存在围岩压力大和偏压状态。

c）汇聚入病害段上方冲沟的雨水补给会加剧围岩侵蚀、降低围岩强度致使围岩松动隧道稳定性降低，隧道变形检测发现6月、7月份变形加大也印证了这一点。

d）受F1-1断裂构造影响，隧址区岩石总体较破碎。钻探揭露山体岩石总体为强风化状，层状、条带结构发育，路面结构以下岩石亦以强风化状破碎灰岩为主，在隧道无仰拱的情况下，拱脚处易产生较大沉降。

4 病害专项检查

4.1 衬砌裂缝调查

高家河隧道右线共发现衬砌裂缝125条，主要分布于K994+300—K994+480段；左线共发现衬砌裂缝110条，主要分布于ZK994+380—ZK994+530、ZK994+580—ZK994+680段，详见表1。

表1 隧道裂缝统计表

4.2 隧道衬砌检测

4.2.1 衬砌内部缺陷及背后空洞

高家河隧道在本次检测范围内局部初支与二衬之间存在脱空及不密实现象，缺陷段长度占本次检测段总长的2.1%。

4.2.2 二次衬砌厚度

本次高家河隧道检测段内共设2 157个二次衬砌厚度抽样点，合格的抽样点数为2 023个，合格率为93.8%，抽样点未发现衬砌实测厚度小于1/2设计厚度。

4.2.3 二次衬砌钢筋分布情况

根据地质雷达检测结果，高家河隧道右线K994+367—K994+410、左线 ZK994+398—ZK994+468段衬砌连续无配筋，在部分施工缝处也存在小范围缺失钢筋的情况。

4.2.4 衬砌混凝土强度检测

高家河隧道抽检部位衬砌混凝土强度均满足设计要求。

4.3 隧道仰拱及基底情况检测

4.3.1 仰拱内部及基底异常

根据地质雷达检测结果，高家河隧道在本次检测范围内基底结构层内部及基底围岩局部存在脱空、不密实等异常现象，主要集中在K944+420—K994+467和 ZK994+413—ZK994+453。

4.3.2 隧道基底结构层厚度

根据地质雷达检测结果，高家河隧道在本次检测范围内除原设计无仰拱段外，基底结构层实测厚度均小于设计厚度，高家河隧道右线基底结构层厚度在73～129 cm之间，左线基底结构层厚度在75～121 cm之间，与原设计存在70～100 cm的差距。

4.4 隧道净空检测

高家河隧道右线K994+372—K994+412段实测断面与设计断面比较，隧道内轮廓左侧45°拱肩至拱部120°范围呈较大内倾趋势，断面最大内侵值右线为131～209 mm，左线为64～94 mm，详见图4。

图4 隧道净空检测（单位：m）

4.5 隧道高程检查

通过对高家河隧道拱顶的测量，计算隧道结构的绝对下沉值。右线最大沉降位于K994+452.4—K994+473.1段，左线最大沉降位于ZK994+490—ZK994+507.6段。

表2 隧道右线拱顶沉降表

4.6 衬砌（路面）变形监测

本监测周期（2019年11月8日—2020年1月10日）内，高家河隧道各路面沉降监测点均存在一定程度隆起，高家河隧道右线最大位移值2.01 mm，位于K994+460断面；高家河隧道左线最大位移值2.16 mm，位于ZK994+420断面。

4.7 主要病害统计图

将隧道病害专项检查主要数据绘制成图发现，高家河隧道发生结构内侵、拱脚外张，电缆槽与二衬剥离、槽体断裂、检修道扭曲，路面开裂、隆起、错台，路面下存在空腔、二衬裂缝密集、路面下结构厚度不足等主要病害的段落集中在右线K994+308—K994+467，左线 ZK994+408—ZK994+454，详见图 5、图 6。

图5 隧道裂缝分布图

图6 结构缺陷分布图(单位：m)

5 隧道病害机理分析

5.1 围岩岩层层间力

隧道在不同产状的岩层中开挖，其稳定性取决于隧道的截面尺寸和岩层产状两方面的因素[2]。本隧道区岩层产状为50°∠31°，隧道走向与岩层走向基本一致，从横断面来看，围岩岩层与隧道呈50°的较大夹角。根据地勘资料揭示隧道围岩为强风化和中风化石灰岩，并存在破碎夹层，隧道山体右侧低且陡，同时隧道病害严重段右侧山体存在较大山沟，山体围岩有向右侧滑动的可能。隧道施工开挖导致山体内部平衡破坏，围岩在自重作用下顺层向右下方变形，同时右侧存在山沟薄弱点，故推断隧道围岩存在较大的层间力。

5.2 破碎岩层滑动力

隧道位于上部黄土覆盖的强风化破碎白云质灰岩、泥云岩构成的斜坡体上，岩层产状为50°∠30°，岩层倾角大、围岩较破碎，在隧道开挖后岩层结构遭到破坏，出现临空面时，局部易产生滑动。滑动力作用在隧道结构上产生结构性破坏。

5.3 隧道结构受力状况

根据隧道内轮廓变形测量并与设计对比发现，隧道二衬结构左侧45°拱肩至拱部120°范围呈较大内倾趋势，最大值达209 mm，隧道拱脚呈向两侧外张的趋势，最大值达109 mm，综合拱脚围岩破碎、电缆槽与二衬之间脱节错落、隧道拱部下沉、路面隆起等现象，表明隧洞开挖造成左侧层状围岩临空，隧道结构靠山侧洞璧压力过高，发生偏压现象，产生自山体侧向沟谷侧的剪切变形，剪切变形、破碎岩体荷载及隧道底板破碎岩体承载力不足导致洞体山体侧隧道结构内侵、拱脚下沉外张、路基受挤压隆起产生张拉裂缝、结构破坏等病害。隧道结构左上方承受较大斜向下压力的表现与岩层产状相适配。

5.4 隧道结构缺陷

原隧道竣工图在病害段K994+275—K994+370，ZK994+340—ZK994+400段设有仰拱，经钻孔揭露，混凝土岩芯长度为80～160 cm，上部0～90 cm为灰白色水泥混凝土，下层为杂色回填混凝土，岩芯较破碎，同时检测数据显示路面以下结构厚度与设计值存在70～100 cm的差距。由此可见，病害段隧道仰拱存在混凝土强度不足、半径过大、拱脚应力集中明显、衬砌结构未成环等结构性缺陷，在较大围岩压力的作用下，仰拱部位不能将隧道上部的地层压力有效地传递到地下，导致承受过大应力的拱脚在较为破碎的岩层中过大下沉，同时导致隧道结构、路面、电缆槽等部位的破坏。

5.5 原病害处治深度不足

高家河隧道自2014年7月经过了两次较大规模的处治，但处治后一年左右就再次发生较大变形、处治结构段破坏；专项检查显示隧道变形仍未收敛，尤其是右线K994+371.3—K994+413.3及其对应的左线ZK994+403.2—ZK994+458.2段，两段均按Ⅳ级深埋硬岩进行设计，无仰拱，二衬为素混凝土。该段出现的结构内侵严重、拱脚外张、路面隆起开裂、电缆槽侧墙断裂、路面下回填混凝土较破碎、仰拱下岩芯较破碎等表明：隧道仰拱结构缺失、二衬为素混凝土、拱脚围岩破碎为隧道结构主要薄弱点。因处治深度不足、隧道结构仍未能有效成环，当较大应力由隧道拱部结构传递下来后，拱脚产生沉降，隧道路面随之产生隆起、开裂、错台病害，电缆槽产生大变形错位和断裂。

6 病害处治建议

高家河隧道病害的产生是因为隧道围岩存在较大的水平应力，隧道结构无仰拱或仰拱结构薄弱、应对较大围岩应力的能力弱，经过近8年的变形、围岩压力虽得到了一定的释放，但仍未收敛。在制定处治方案的过程中，既要对现有病害情况进行修复，又要对出现此类病害的根源进行根除，真正做到标本兼治[3]。高家河隧道病害处治须从加固围岩破碎层和加强自身结构着手。因此，对于高家河隧道病害较严重段落的处治，应先打设注浆管对拱脚和仰拱下部进行注浆加固，再开挖仰拱重筑隧道仰拱的初支和二衬，待强度达到设计强度70%后，将原素混凝土二衬段落拆除施做钢筋混凝土二衬。施工时须控制好仰拱与边墙之间的初支、二衬的衔接、施工进尺和拱脚的落空处理，防止对拱墙结构造成较大的干扰并使之成为整体抵抗围岩压力。施工期和运营期还应做好隧道变形的监控量测，为施工安全和运营评价提供有效数据。

7 结语

隧道病害是在山体地形、围岩结构、地层岩性、地下水、空洞、断层、软弱夹层、隧道结构等不利条件综合作用下产生的，随着隧道病害的发展，围岩可能存在过大的松动圈，病害处治甚至涉及深层围岩加固。因此，病害分析是一个系统的工程，技术人员须结合工程实际，在进行必要的勘察、检测的基础上，全面地分析隧道病害产生的原因，采取针对性的、有效的处治措施是治理隧道病害的关键。设计和施工中还须严格保护隧道原结构、减少对结构和围岩的扰动、保护防排水体系，建立长期监测体系，并对处治效果进行评价、总结。