高家河隧道結(jié)構(gòu)病害處治設(shè)計(jì)

李 靈

（山西交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

引言

臨汾至吉縣（壺口）高速公路是國(guó)家高速公路網(wǎng)青島至蘭州公路和山西省“三縱十一橫十一環(huán)”高速公路網(wǎng)第九橫（黎城至吉縣壺口段）的重要組成部分，也是山西省“十一五”規(guī)劃重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目之一，于2009年8月開(kāi)工建設(shè)，2012年8月通車(chē)，全線采用雙向四車(chē)道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)行車(chē)速度80 km/h。高家河隧道位于臨汾至吉縣（壺口）高速公路高家河村附近，隧道全長(zhǎng)474 m，建筑限界寬10.25 m，凈高5.0 m。

1 隧道病害概況

1.1 工程地質(zhì)條件

隧址區(qū)為中低山地貌，山體自然坡度5°～40°，地表覆蓋第四系馬蘭組黃土（Q3m），下伏中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r、泥云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，巖層產(chǎn)狀50°～80°∠22°～31°，呈單斜構(gòu)造。隧道圍巖總體為強(qiáng)風(fēng)化巖體，巖芯呈碎塊狀，巖芯長(zhǎng)度一般低于10 cm，見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)剖面

1.2 隧道病害發(fā)展過(guò)程

2013年7月，高家河隧道右線發(fā)育最大縫寬1.0 cm 的路面橫向裂縫，襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)育斜向細(xì)小裂縫，次年7月原臨吉建管處對(duì)段內(nèi)45.5 m范圍采用更換路面結(jié)構(gòu)層方式進(jìn)行處治。2015年5月，已處治段的混凝土路面開(kāi)始隆起并伴生裂縫，采取的處治措施：拱腳打縮腳鋼管并注漿，隧底采用工字鋼、槽鋼做骨架的鋼筋網(wǎng)片混凝土加強(qiáng)。2016年12月，左洞對(duì)應(yīng)段出現(xiàn)襯砌變形、開(kāi)裂，路面隆起、開(kāi)裂現(xiàn)象，同時(shí)處治過(guò)的路面又出現(xiàn)開(kāi)裂并伴生路面拱起、襯砌結(jié)構(gòu)變形開(kāi)裂增大的現(xiàn)象。

1.3 隧道病害專(zhuān)項(xiàng)勘察

為查明隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)、巖性特征巖土結(jié)構(gòu)及覆蓋層情況，主要采用鉆探的方法勘察，鉆探采用 HT-130 型鉆機(jī)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆探工藝，回轉(zhuǎn)式采取土樣，取樣規(guī)格Φ91×150 mm，洞內(nèi)鉆孔位置為行車(chē)道距中線約1.5 m處。經(jīng)鉆探揭露：路面下0～0.9 m 為水泥混凝土，0.8～1.6 m為破碎狀強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r或較破碎的回填混凝土，路面下1.2～3.3 m為強(qiáng)風(fēng)化、較破碎、節(jié)理裂隙發(fā)育的白云質(zhì)石灰?guī)r，再以下為中風(fēng)化白云質(zhì)石灰?guī)r。

1.4 隧道病害專(zhuān)項(xiàng)檢查

2019年10月開(kāi)始對(duì)高家河隧道進(jìn)行了為期四個(gè)月的隧道病害專(zhuān)項(xiàng)檢查，檢查內(nèi)容主要為隧道裂縫、襯砌厚度、襯砌背后的空洞、仰拱厚度、仰拱填充質(zhì)量、混凝土強(qiáng)度、斷面尺寸、隧道沉降等，主要儀器設(shè)備有地質(zhì)雷達(dá)（81599）、激光斷面儀（81610）、裂縫綜合測(cè)試儀（YD-LFCKY-001）、回彈儀（YDHTY-001）。

1.5 隧道病害表現(xiàn)

（1）①高家河隧道ZK994+380—ZK994+530和ZK994+580—ZK994+680段落發(fā)展大量縱向、環(huán)向和橫向裂縫，初支與二襯之間存在脫空及不密實(shí)的情況；②K944+420—K944+467和ZK994+413—ZK994+453段落隧道路面基底結(jié)構(gòu)層內(nèi)部及基底圍巖局部存在較嚴(yán)重的脫空、不密實(shí)等異?，F(xiàn)象；③隧道基底結(jié)構(gòu)層實(shí)測(cè)厚度較大范圍小于設(shè)計(jì)厚度，隧道路面至仰拱底的設(shè)計(jì)值為2.00～2.29 m，實(shí)測(cè)值為73～129 cm，與原設(shè)計(jì)存在100～127 cm的差值；④經(jīng)激光斷面儀監(jiān)測(cè)，隧道內(nèi)輪廓左側(cè)拱肩至拱頂范圍存在較大向內(nèi)變形的趨勢(shì)，經(jīng)實(shí)測(cè)斷面與設(shè)計(jì)斷面對(duì)比，隧道右線K994+372—K994+412段隧道內(nèi)輪廓最大內(nèi)侵值為131～209 mm，左線為64～94 mm， 典型斷面見(jiàn)圖2。

圖2 隧道凈空檢測(cè)典型斷面/m

（2）高家河隧道拱頂沉降明顯，沉降值見(jiàn)表2。

表2 隧道右線拱頂沉降

（3）監(jiān)測(cè)周期（2019年11月—2020年1月）內(nèi)，隧道路面沉降值變化明顯，右線最大位移值位于K994+460斷面，為2.01 mm，左線最大位移值位于ZK994+420斷面，為2.16 mm。

2 隧道病害機(jī)理分析

隧道病害是在山體地形、圍巖結(jié)構(gòu)、地層巖性、地下水、空洞、斷層、軟弱夾層、隧道結(jié)構(gòu)等不利條件綜合作用下產(chǎn)生的，隨著隧道病害的發(fā)展，圍巖可能存在過(guò)大的松動(dòng)圈，病害處治甚至涉及深層圍巖加固[1]。高家河隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化石灰?guī)r，存在破碎夾層，隧道橫斷面圍巖巖層與路面呈50°夾角，隧道右側(cè)山體低且陡，山體圍巖存在向右滑動(dòng)的趨勢(shì)。隧道二襯結(jié)構(gòu)左側(cè)45°拱肩至拱部120°范圍呈較大內(nèi)傾趨勢(shì)，表明隧洞開(kāi)挖造成左側(cè)層狀圍巖臨空，隧道結(jié)構(gòu)靠山側(cè)洞璧壓力過(guò)高，發(fā)生偏壓現(xiàn)象，產(chǎn)生自山體側(cè)向溝谷側(cè)的剪切變形，隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)侵、拱腳下沉外張、路基受擠壓隆起產(chǎn)生張拉裂縫、結(jié)構(gòu)破壞等病害。隧道結(jié)構(gòu)左上方發(fā)生的變形與巖層產(chǎn)狀、壓力趨勢(shì)相適配。

由此可推斷，高家河隧道病害產(chǎn)生的主要原因?yàn)榈刭|(zhì)偏壓，地層壓力過(guò)大導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)二襯內(nèi)侵。同時(shí)拱腳圍巖破碎、仰拱存在結(jié)構(gòu)缺陷等原因最終導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)二襯內(nèi)侵、二襯結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、變形，拱腳沉降、外擴(kuò)，電纜槽拉裂，路面開(kāi)裂、隆起等結(jié)構(gòu)性病害。

3 隧道病害處治措施

由于隧道病害產(chǎn)生原因的復(fù)雜性和巖土工程的不確定性，相同病害可能產(chǎn)生的原因有所不同，在處置方法的選擇上應(yīng)該充分掌握各種常用方法的技術(shù)要點(diǎn)、適用范圍和處置效果，靈活選擇處置方法，相互配合，發(fā)揮各類(lèi)常規(guī)處治方法優(yōu)勢(shì)[2]。高家河隧道病害產(chǎn)生的主要原因?yàn)榈刭|(zhì)偏壓，地層壓力過(guò)大導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)性破壞，處治設(shè)計(jì)主要針對(duì)隧道病害的產(chǎn)生原因、受力特點(diǎn)和病害深度進(jìn)行分段處治。

3.1 重筑隧道仰拱

針對(duì)高家河隧道仰拱下部圍巖較破碎、地質(zhì)條件差，拱腳外張明顯、結(jié)構(gòu)下沉較大，路面隆起、開(kāi)裂嚴(yán)重，路面下存在脫空或不密實(shí)的段落，采用重筑隧道仰拱的方式進(jìn)行處治。待隧道封閉后，采用跳槽法施工。隧道拱腳處打設(shè)6 m長(zhǎng)Φ89×6 mm注漿管、路面以下打設(shè)6 m長(zhǎng)Φ50×4 mm注漿小導(dǎo)管至中風(fēng)化巖層進(jìn)行注漿加固，注漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%且注漿完成超過(guò)7 d后再進(jìn)行開(kāi)挖；開(kāi)挖前鑿槽做好拱腳臨時(shí)支頂措施，開(kāi)挖后及時(shí)施做初支、二襯和拱底回填見(jiàn)圖3。

圖3 重筑隧道仰拱

3.2 重筑二襯

高家河隧道右線K994+371.3—K994413.3段巖層產(chǎn)狀為50°∠31°,圍巖巖層與隧道呈較大傾角。隧道圍巖為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化石灰?guī)r，并存在破碎夾層，隧道山體右側(cè)低且陡，路面下部圍巖較破碎、隧道結(jié)構(gòu)下沉明顯，斷面變形大、開(kāi)裂嚴(yán)重，拱腳外張明顯，路面隆起等嚴(yán)重病害，經(jīng)2013年、2015年多次處治，且加設(shè)型鋼骨架的鋼筋混凝土平拱后，仍發(fā)生嚴(yán)重病害。本段二次襯砌為素混凝土、未設(shè)置仰拱，開(kāi)裂變形嚴(yán)重，采用重筑二襯+重筑仰拱進(jìn)行處治。處治措施為按照重筑隧道仰拱的方式做好隧道仰拱，待仰拱施工完成后，鑿除二襯拱部和邊墻混凝土，做鋼筋混凝土二襯，見(jiàn)圖4。

圖4 重筑二襯

3.3 W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土加固

高家河隧道左線ZK994+403.2—ZK994+458.2段，為病害最為嚴(yán)重右線K994+371.3—K994413.3的對(duì)應(yīng)段，受山體壓力大、變形開(kāi)裂較為嚴(yán)重，二次襯砌為素混凝土、未設(shè)置仰拱，本段采用黏貼W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土的加固措施。處治措施為按照重筑隧道仰拱的方式做好隧道仰拱，待仰拱施工完成后施做W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土。W鋼帶施做流程為鉆孔植埋全螺紋錨栓—配制植筋膠—襯砌表面及鋼帶（鋼板）涂刷膠黏劑—安裝W鋼帶（及縱向鋼板），見(jiàn)圖5。

圖5 W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土加固

3.4 W鋼帶加固

高家河隧道左線ZK994+590.0—ZK994+680段，隧道左側(cè)拱肩存在3～5 mm縱向通長(zhǎng)裂縫，裂縫基本貫通，同時(shí)分布有其他縱、斜、環(huán)向裂縫。襯砌為鋼筋混凝土二襯、設(shè)置仰拱。本段采用黏貼W鋼帶的加固措施。處治措施：（1）沿襯砌縱向鑿除 6 mm深混凝土、黏貼5道幅寬250 mm縱向鋼板，鋼材厚度6 mm，在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼帶黏結(jié)為一體，再采用錨栓進(jìn)行固定鋼板。錨栓采用M16化學(xué)錨固螺栓，植入深度≥16 cm。 （2）在襯砌全斷面黏貼幅寬250 mm W鋼帶，鋼材厚度6 mm，兩環(huán)鋼帶縱向中心間距75 cm。在襯砌及鋼帶表面涂刷膠黏劑，使襯砌與鋼帶黏結(jié)為一體，再采用錨栓和錨桿進(jìn)行固定鋼帶。普通錨栓采用M16化學(xué)錨固螺栓，植入深度≥16 cm，見(jiàn)圖6。

圖6 W鋼帶加固

4 主要施工方法及技術(shù)要求

隧道病害處治工程施工工藝和質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)，除設(shè)計(jì)有特殊要求外，必須按《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F80/1—2012）、《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn) 第一冊(cè) 土建工程》（JTG F80/1）、《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F60—2009）和《公路隧道加固技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 5440—2018）有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，并從嚴(yán)控制。

4.1 隧道重筑仰拱施工

先按施做注漿管，灌注漿液為水泥漿液；注漿參數(shù)為水灰比0.8～1.1；注漿壓力初壓0.5～1.0 MPa，終壓2.0 MPa，注漿時(shí)采用跳孔注漿，并做好封孔。鎖腳鋼管注漿結(jié)束后填塞M30水泥砂漿、插入加固鋼筋增強(qiáng)抗剪能力，其余鋼管注漿需設(shè)止?jié){塞。做好拱腳處注漿管與隧道拱腳的銜接，加強(qiáng)其對(duì)拱腳的穩(wěn)固作用。注漿管采用梅花型布設(shè)，并與仰拱型鋼焊接。

隧道仰拱開(kāi)挖后不得積水和長(zhǎng)時(shí)間暴露，應(yīng)及時(shí)回填并施做仰拱。隧道仰拱部分開(kāi)挖時(shí)，隧道拱腳處須預(yù)留1 m以上基巖保證拱腳穩(wěn)定。仰拱底部開(kāi)挖完成后，先鑿槽施做拱腳支撐和仰拱型鋼鋼架，待支頂牢固、做好焊接后，方能開(kāi)挖預(yù)留基巖并及時(shí)澆筑仰拱初支C40早強(qiáng)混凝土。及時(shí)施做仰拱二襯，待仰拱二襯施做完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度70%后進(jìn)行仰拱回填。

仰拱二襯在拱腳處須振搗密實(shí)，并布設(shè)Φ42注漿管在仰拱混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%注漿填充密實(shí)。注漿管布設(shè)在橫向排水管中間，注漿漿液應(yīng)采用水泥砂漿，注漿壓力≤0.1 MPa，不得將漿液注入橫向排水管。

4.2 W鋼帶施工

4.2.1 基面的處理

基面應(yīng)保證平整圓順，平整度＜1.5 mm/m。清除襯砌表面范圍應(yīng)滿(mǎn)足鋼帶（鋼板）固定范圍。

4.2.2 W鋼帶（縱向鋼板）制作

（1）鋼帶（鋼板）黏結(jié)面用噴砂或除銹機(jī)打磨直至露出金屬光澤，打磨紋路應(yīng)與鋼帶（鋼板）受力方向垂直，鋼帶（鋼板）黏結(jié)面應(yīng)有一定的粗糙度；用脫脂棉沾丙酮將鋼帶（鋼板）表面擦拭干凈。 （2）依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)植埋的錨栓位置、間距，對(duì)待固定的鋼帶（鋼板）進(jìn)行配套打孔。

4.2.3 黏貼W鋼帶（縱向鋼板）工藝流程

鉆孔植埋全螺紋錨栓—配制植筋膠—襯砌表面及鋼帶（鋼板）涂刷膠黏劑—安裝W鋼帶（及縱向鋼板）。

4.3 隧道全斷面加強(qiáng)施工

先施工仰拱部分，仰拱部分施工與增設(shè)仰拱施工方式相同，待仰拱完成后對(duì)隧道拱部二襯進(jìn)行加固（即拱部二襯整體換拱）。

二襯宜先拆除拱部后邊墻，每次拆除縱向長(zhǎng)度不宜＞2 m，拱部二襯進(jìn)行整體換拱應(yīng)滿(mǎn)足襯砌表面平整度要求。二襯鑿除后檢查隧道初支的侵限情況，須保證二襯施做完成的實(shí)際最薄處厚度≥35 cm，且范圍不得＞30%，不能滿(mǎn)足時(shí)須根據(jù)實(shí)際情況確定是否鑿除初支來(lái)保證二襯厚度。

滿(mǎn)足條件時(shí)，打設(shè)初支加固錨桿，施做完成并對(duì)錨固段處理后，及時(shí)鋪設(shè)防水板、綁扎二襯鋼筋，模筑二襯混凝土。要求二襯混凝土振搗密實(shí)，并對(duì)拱頂空腔注漿。二襯鋼筋須與仰拱鋼筋搭接成為一體，并滿(mǎn)足搭接要求。二襯鑿除后，發(fā)現(xiàn)初支結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重、初支侵限嚴(yán)重等情況，需要改造初支時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際結(jié)合初支加固預(yù)案進(jìn)行施工。

5 結(jié)語(yǔ)

高家河隧道病害產(chǎn)生的主要原因?yàn)榈刭|(zhì)偏壓，地層壓力過(guò)大導(dǎo)致隧道二襯結(jié)構(gòu)發(fā)生病害甚至破壞，同時(shí)隧道路面下方拱腳圍巖破碎、仰拱存在結(jié)構(gòu)缺陷等原因?qū)е滤淼啦『觿　Ｌ幹卧O(shè)計(jì)中，有針對(duì)性地對(duì)隧道仰拱進(jìn)行換拱加強(qiáng)，對(duì)隧道二次襯砌進(jìn)行W鋼帶和W鋼帶+噴射鋼纖維混凝土加固，對(duì)于特別嚴(yán)重段落采用重筑二襯進(jìn)行處治，消除了隧道病害根源、增加了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。施工完成后，從隧道表觀和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，隧道結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，原隧道病害得到了較好地處治。