公路運(yùn)營隧道路面起拱病害檢測及成因分析技術(shù)研究

黃忠財(cái) 熊雅文

作者簡介：

黃忠財(cái)（1976—），高級工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理等工作。

路面起拱是廣西地區(qū)公路隧道常見重大病害之一。現(xiàn)階段，針對公路運(yùn)營隧道路面起拱病害的研究主要集中在病害形成機(jī)理的理論分析方面，而針對路面起拱的病害檢測技術(shù)研究較少，結(jié)合數(shù)值分析手段進(jìn)行路面起拱病害演變過程的研究幾乎沒有。文章依托工程實(shí)踐，對公路運(yùn)營隧道路面起拱病害的檢測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，初步推測金龍巖隧道路面起拱存在圍巖偏壓、基巖軟化等多方面影響因素，并借助MIDAS GTS NX有限元數(shù)值分析軟件，模擬了偏壓隧道基巖逐漸軟化引起路面起拱病害的演變過程。

公路隧道;路面起拱;數(shù)值分析;檢測技術(shù);成因分析

U457+.2A501795

0 引言

隨著西部大開發(fā)持續(xù)推進(jìn)，廣西地區(qū)的高速公路隧道運(yùn)營里程逐年增加。桂西地區(qū)巖溶地質(zhì)發(fā)育，地下水豐富，隧道在長期運(yùn)營過程中，病害逐漸增加，諸如襯砌開裂、破損、滲漏水等病害層出不窮。近年來，廣西地區(qū)隧道發(fā)生多起隧道路面起拱、襯砌突泥涌水、襯砌掉塊等嚴(yán)重病害，其中隧道路面起拱病害發(fā)展過程較長，便于及時發(fā)現(xiàn)并處治?，F(xiàn)階段，有關(guān)公路運(yùn)營隧道路面起拱病害的研究較少，主要集中在路面病害成因的理論分析方面[1-3]，或檢測和處治技術(shù)研究方面[4]，專門針對運(yùn)營隧道路面起拱病害成因數(shù)值分析技術(shù)的研究幾乎沒有。

本文依托靖西至那坡高速公路（下文簡稱“靖那路”）金龍巖隧道上行線路面起拱病害專項(xiàng)檢測項(xiàng)目，對公路隧道路面起拱病害的檢測手段和檢測技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，同時借助MIDAS GTS NX有限元數(shù)值分析軟件，模擬了偏壓隧道基巖逐漸軟化引起路面起拱病害的演變過程，為類似隧道病害檢測和成因分析技術(shù)提供了借鑒。

1 工程概況

靖那路金龍巖隧道位于廣西百色市那坡縣，建成于2014年12月，為上下分離式隧道。隧道管養(yǎng)單位在日常養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)，隧道上行線YK488+380～YK488+430區(qū)段存在路面起拱、開裂病害。隧道竣工資料顯示，金龍巖隧道上行線YK488+380～YK488+430位于洞身段，巖性為石灰?guī)r，中-厚層狀結(jié)構(gòu)，巖體微風(fēng)化，巖體較完整，產(chǎn)生較大規(guī)模涌水的可能性小，但洞室地處巖溶發(fā)育區(qū)，洞身段可能發(fā)育有溶洞，地質(zhì)剖面如下頁圖1所示，地質(zhì)平面如下頁圖2所示。YK488+380～YK488+430區(qū)段隧道設(shè)計(jì)為Ⅲ級圍巖，

采用Ⅲ型襯砌結(jié)構(gòu)（見圖3），路面下方未設(shè)置仰拱。

2 檢測結(jié)果

為準(zhǔn)確探明金龍巖隧道路面起拱范圍及成因，計(jì)劃從外觀檢查、襯砌背后空洞、路面下方基巖密實(shí)度、斷面尺寸等四個方面進(jìn)行專項(xiàng)檢測。

2.1 外觀檢查結(jié)果

金龍巖隧道病害主要分布在YK488+350～YK488+450和ZK488+350～ZK488+450區(qū)段。該區(qū)段的病害對隧道結(jié)構(gòu)安全或行車舒適性影響較大的病害為襯砌裂縫、滲漏水和路面起拱、開裂，如圖4、圖5所示。

2.2 襯砌背后空洞檢測結(jié)果

金龍巖隧道襯砌背后缺陷主要為局部二襯脫空或膠結(jié)不密實(shí)，個別位置存在圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育或不密實(shí)，缺陷主要發(fā)生在拱腰位置。詳細(xì)缺陷雷達(dá)檢測結(jié)果如圖6所示。

圖6 金龍巖隧道上行線襯砌雷達(dá)檢測結(jié)果圖

2.3 500 m雷達(dá)路面探測結(jié)果

（1）上行線右車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+380～YK488+456區(qū)段，其中YK488+380～YK488+384范圍淺部可能存在小型孔洞發(fā)育;YK488+384～YK488+432范圍內(nèi)淺部基巖松散、節(jié)理裂隙發(fā)育，如圖7所示。

（2）上行線左車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+382～YK488+460區(qū)段，其中YK488+382～YK488+430范圍內(nèi)缺陷主要表現(xiàn)為基巖松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部可能存在小型空洞發(fā)育;YK488+430～YK488+460范圍內(nèi)缺陷主要表現(xiàn)為路面基層與基巖粘結(jié)不密實(shí)，如圖8所示。

2.4 100 m雷達(dá)路面檢測結(jié)果：

（1）上行線右車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+380～YK488+405區(qū)段，缺陷主要表現(xiàn)為基巖松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，深度范圍約1～4 m，如圖9所示。

（2）上行線左車道路面下方基巖缺陷主要分布在YK488+369～YK488+426區(qū)段，其中YK488+369～YK488+397范圍內(nèi)缺陷主要表現(xiàn)為基巖松散，節(jié)理裂隙發(fā)育，深度范圍約1～13 m，如圖10所示。

2.5 斷面尺寸檢測結(jié)果

本次針對上行線YK488+327～YK488+447區(qū)段抽檢25個斷面。經(jīng)檢測，金龍巖隧道上行線YK488+327～YK488+447襯砌斷面均未侵入隧道建筑限界，襯砌結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變形。

綜合上述檢測結(jié)果可知，路面起拱主要發(fā)生在上行線YK488+380～YK488+430區(qū)段，且右車道起拱比左車道更加嚴(yán)重。該區(qū)段襯砌背后局部存在脫空，斷面尺寸未發(fā)生明顯侵限和收斂變形，路面下方淺層基巖松散，深層基巖節(jié)理裂隙發(fā)育。初步推測路面起拱病害主要由兩方面因素引起：（1）起拱段淺層基巖（0～5 m范圍內(nèi)）圍巖松散、富水，且左車道路面下方（2～13 m范圍內(nèi)）、右車道路面下方（2～4 m范圍內(nèi)）基巖溶蝕裂隙明顯發(fā)育，基巖明顯軟化，強(qiáng)度降低，從而引起路面起拱;（2）隧道路面起拱段所處地層存在較明顯的偏壓特點(diǎn)，3倍洞徑范圍內(nèi)地表相對高差最大約120 m，襯砌結(jié)構(gòu)受力不均勻，導(dǎo)致隧道上行線右車道路面起拱比左車道更加嚴(yán)重。

3 病害成因數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模型建立

本文采用MIDAS GTS NX軟件對路面起拱的衍化過程進(jìn)行分析，選取雷達(dá)檢測中基底圍巖軟化破碎最嚴(yán)重的斷面進(jìn)行二維數(shù)值模擬。為節(jié)省計(jì)算空間，隧道左、右兩側(cè)及下部基巖邊界按3倍洞徑范圍建模。由于隧道存在偏壓作用，上部圍巖根據(jù)實(shí)際埋深建模，模型整體尺寸為寬115 m×高188 m，右洞拱頂埋深為76 m，左洞埋深為31 m。整體數(shù)值模型見圖11，局部模型見圖12。

圍巖軟化區(qū)設(shè)置為右洞襯砌兩側(cè)4 m和路面下方5 m范圍，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程》[5]中的圍巖參數(shù)推薦值，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，通過折減圍巖軟化區(qū)的彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角來模擬圍巖軟化過程，分別考慮圍巖由Ⅲ級圍巖軟化為Ⅳ級圍巖、Ⅴ級、Ⅵ級圍巖等三種工況。采用地層-結(jié)構(gòu)法建立模型，其中采用二維平面應(yīng)變單元模擬隧道圍巖、初期支護(hù)及二次襯砌結(jié)構(gòu)，采用桁架單元模擬錨桿。模型參數(shù)取值見表1。

3.2 分析工況

本次分析，通過設(shè)置三種工況模擬圍巖軟化過程，由于本次主要考慮運(yùn)營階段的病害發(fā)展，故不考慮施工過程的影響，直接生成隧道結(jié)構(gòu)模型。各工況如下：

（1）工況一：圍巖軟化區(qū)由Ⅲ級圍巖軟化為Ⅳ級圍巖。

（2）工況二：圍巖軟化區(qū)由Ⅳ級圍巖軟化為Ⅴ級圍巖。

（3）工況三：圍巖軟化區(qū)由Ⅴ級圍巖軟化為Ⅵ級圍巖。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果

在隧道上行線路面布置5個監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)位置及豎向位移情況見表2，各工況下襯砌結(jié)構(gòu)和圍巖軟化區(qū)的豎向位移云圖見圖13～15。

（1）根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可知，圍巖豎向位移最大值發(fā)生在測點(diǎn)1的位置，距右拱腳0.27 m。

（2）數(shù)值模擬結(jié)果顯示，右車道路面豎向位移明顯高于左車道，中間部位的路面豎向位移相對較小?？梢娝淼浪幬恢玫钠珘含F(xiàn)象明顯，基巖軟化后，襯砌結(jié)構(gòu)整體下沉，兩側(cè)拱腳均向內(nèi)側(cè)擠壓，偏壓作用導(dǎo)致右側(cè)拱腳擠壓更加嚴(yán)重。

（3）當(dāng)基巖軟化為Ⅴ級圍巖時，測點(diǎn)1豎向位移達(dá)到18.4 cm，測點(diǎn)3豎向位移僅0.5 cm，測點(diǎn)5位移為15.58 cm。該工況數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場檢測情況接近，由此推斷基底圍巖軟化區(qū)的圍巖級別接近Ⅴ級圍巖。

（4）隨著基地圍巖逐步軟化，路面豎向位移明顯增加。當(dāng)基地軟化區(qū)由Ⅴ級圍巖軟化為Ⅵ級圍巖時，各監(jiān)測點(diǎn)豎向位移均有較大增長，測點(diǎn)3的豎向位移由0.5 cm增長到10.61 cm，沿路面橫斷面的豎向位移不均勻度逐漸減小，但偏壓作用依然存在。

（5）隨著路面下方基巖的進(jìn)一步軟化，路面整體豎向位移將繼續(xù)增大，存在路面整體起拱、開裂的可能，最終將引起襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

4 結(jié)語

本文通過結(jié)合綜合檢測手段和數(shù)值分析方法，對靖那路金龍巖隧道路面起拱病害的檢測和成因分析技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）隧道路面起拱病害的檢測應(yīng)在綜合分析隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行全方位的檢測，檢測內(nèi)容可包括外觀、斷面尺寸、襯砌脫空情況、基巖密實(shí)度等多個方面。

（2）金龍巖隧道路面起拱病害主要是由于基底圍巖軟化引起的襯砌拱腳下沉并向內(nèi)側(cè)擠壓所致。由于圍巖偏壓作用，導(dǎo)致隧道上行線右車道路面起拱程度比左車道更嚴(yán)重。

（3）有限元數(shù)值分析方法可為隧道病害成因的演變過程提供有效解決方案。

（4）綜合檢測法和數(shù)值分析相結(jié)合的手段，在隧道病害檢測及成因分析中是行之有效的，為今后類似病害的檢測提供了工程借鑒，

[1]楊 樹.高速公路隧道病害成因機(jī)理及防治方案[J].工程技術(shù)研究，2019（2）：227-228.

[2]張標(biāo)東.漢鄂高速巴家灣隧道路面病害分析與處治方案[J].交通世界（運(yùn)輸.車輛），2015（4）：132-134.

[3]盧 嘯.季家坡隧道路面起拱病害處治施工管理探析[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（24）：142-143.

[4]肖 博，秦 峰.隧道路面病害檢測及處治設(shè)計(jì)[J].公路交通技術(shù).2012（3）：105-109.

[5]JTG 3370.1-2018，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范 第一冊 土建工程[S].