南阳山隧道路面底鼓病害原因及整治措施

冯 勇，朱小明，蒲建军

(1.甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030；2.甘肃畅陇公路养护技术研究院有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 引 言

截至2017年底，甘肃省公路隧道共计435座(单洞)，运营里程总计566 790 m。受地质条件、建设质量、运营管养等因素的影响，部分隧道在投入运营后都存在不同程度的病害[1]。路面底鼓为最常见的隧底结构病害，对行车安全、舒适度造成严重影响。如何对隧道既有病害进行分析、预测，并提出可靠有效的整治措施，是隧道养护技术发展的重要方向[2]。

针对路面底鼓病害，国内多采用注浆(锁脚)钢管桩[3]、树根桩进行局部控制[4]，抑制病害的进一步发展；或采用仰拱拆换方案进行结构重建[5]，但是对既有结构扰动较大[6]。本文针对南阳山隧道既有路面底鼓病害，通过检测、监测分析，查明病害主因，为最大限度降低交通影响，提出了微型钢管桩与型钢混凝土底板的仰拱加固整治措施，可靠、有效地解决隧道病害。

1 工程概况

南阳山隧道位于G1816乌玛高速甘肃省和政县境内，隧道按照山岭区高速公路分离式断面设计，双向四车道，设计行车速度为80 km·h-1，建筑限界净宽10.25 m，净高5 m。隧道上行线全长3 290 m，下行线全长3 328 m，于2010年建成通车。

南阳山隧道海拔约2 150～2 438 m，为侵蚀构造中低山地貌。地层岩性主要为出露第四系全新统和更新统地层，下伏上第三系棕红色泥岩，近水平沉积，泥岩纵波速度为1 800～2 400 m·s-1，单轴饱和抗压强度为2.18～4.81 MPa，软化系数0.37～0.48，属极软岩，地质条件较差，除进出口为Ⅵ级围岩外，其余段落均为V级围岩。地下水主要为第四系松散岩类孔隙潜水及第三系碎屑岩类层间水，呈弱碱性，对钢筋混凝土无腐蚀性。

隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩采用矿山法原理设计，一次拱圈衬砌、仰拱采用45～50 cm厚模筑C25型钢混凝土，二次拱圈衬砌、仰拱采用35 cm厚模筑C25素混凝土或钢筋混凝土，共同组成永久性承载结构，见图1。两次衬砌之间设复合式防水板、环向透水软管，二次模筑外拱脚设纵向排水盲沟，通过横向排水盲沟将水经中心水沟排出隧道。

图1 隧道V级围岩段衬砌结构设计

2 路面底鼓病害状况

经过数年运营，南阳山隧道上、下行线部分段落路面出现底鼓、开裂，检修道错台，结构存在隐患，影响行车安全。根据《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015)，南阳山隧道上、下行线土建技术状况等级评定为4类，需要对交通进行管制，尽快维修整治。

2.1 外观病害

经现场详查，隧道上、下行线共6处(560 m)路面出现底鼓(其中4处严重，2处中等)，主要表现为：路面多条纵向裂缝，中线隆起拉裂，最大隆起高度达32 cm，电缆槽倾斜变形，见图2、3。

图2 隧道路面底鼓典型现场照1

图3 隧道路面底鼓典型现场照2

2.2 专项检测

(1)地质雷达隧底检测。采用地质雷达对全线隧底进行了扫描，沿行车道、超车道各布设一条测线，检测结果表明，南阳山隧道仰拱埋置深度普遍偏浅，平均比设计埋深浅23.5 cm。

(2)隧底取芯。本次南阳山隧道取芯共计14处，取芯位置均在路面病害处。芯样观测表明：病害区个别芯样总厚度满足设计要求，但是大部分芯样未见仰拱结构层或仰拱结构层厚度不足，部分有仰拱芯样埋置深度偏浅，与地质雷达揭示深度基本一致；大部分芯样多呈短柱状，破碎较严重，混凝土胶结质量较差，不密实，底部多为大块石，普遍含有虚渣；隧底均为第三系泥岩，潮湿状。

(3)净空断面。采用激光断面仪对隧道病害段23个断面进行了检测，结果表明，部分断面已侵入隧道内轮廓，未侵入建筑限界，结构存在变形，但是满足使用要求，应按照规范加强监测。

2.3 变形监测

在隧道6处路面底鼓位置各布设1个监测点，为方便对比分析，在检测结果揭示有隧底缺陷无病害段(参照点1)、无隧底缺陷无病害段(参照点2)也各布设1个相同的参照点。测点布设在行车道中线路面以下1.5 m处，测试传感器采用光纤光栅单点式位移计(自带温补)，最大量程300 mm，精度小于0.3%FS，见图4。

图4 隧底单点式位移计安装

通过3个月(2018年3月～6月)的数据采集和分析，得到以下结论：底鼓严重段SK50+500、SK51+360两个断面的病害继续发展，累计变形量分别为20.5、14.9 mm；底鼓严重段XK50+145、XK50+050断面的病害发展缓慢，累计变形量分别为6.3、5.6 mm；底鼓中等段SK49+655、SK50+540病害发展迅速，累计变形量达27.6、30.8 mm；参照点1处断面病害发展缓慢，累计变形量仅4.6 mm；参照点2处断面变形量存在波动，累计变形量为-1.19 mm；推测隧底变形呈阶梯增长。

底鼓严重段由于前期(传感器布设前)变形量大，已经释放了该段时间内的大部分聚集应力，目前(传感器布设期间)处于放缓变形阶段；而底鼓中等段由于既有结构缺陷，隧底大部分的聚集应力正在释放，路面变形量相对较大，推测累积一定变形量以后又会进入相对放缓的阶段；部分监测数据波动、异常可能与过往重车扰动有关，需要进一步监测分析。监测数据折线分析见图5。

图5 变形监测折线分析

3 主要病因分析及预测

通过现场调查、专项检测、变形监测，分析南阳山隧道路面底鼓病害的主因为基底围岩遇水劣化、隧底结构缺陷2个因素共同作用、影响。

南阳山隧道洞身段主要为第三系泥岩，局部段穿越砂岩、砾岩层。该段地表水容易下渗，若隧底排水不畅存在滞水，则基底泥岩遇水容易软化、膨胀，成为路面底鼓的外力条件。

地质雷达检测、取芯揭示隧道既有仰拱存在埋置偏浅、厚度不足、无明显结构层等缺陷，既有仰拱结构与拱圈衬砌成环受力较差，局部位置容易应力集中，在上述膨胀外力的作用下，隧底结构最终拉裂、错台，表现为路面底鼓、开裂。

监测数据表明：既有隧底结构存在缺陷的段落，路面底鼓病害随着时间的推移将会逐渐显现为表观病害；已经凸显的表观病害，将会呈阶梯形阶段发展的趋势，收敛的可能性极小，故需要采取措施进行整治，确保隧道运营安全。

4 整治措施

根据路面底鼓病害主因分析及预测，本着“对症下药、彻底根治”的原则，采用微型钢管桩与型钢混凝土底板加固隧底围岩、既有仰拱的方案进行整治，见图6。

图6 微型钢管桩与型钢混凝土底板整治设计

4.1 整治方案

(1)先拆除两侧电缆槽盖板及电缆槽，采用临时托架将电缆槽内通信、电缆线等挂于两侧边墙，拆除该段消防管道。

(2)在两侧墙脚打设Φ108中空注浆锁脚钢管，钢管长6 m，纵向间距75～100 cm，每侧1根，角度以30°～45°为宜；注浆孔径20 mm，浆液采用水泥砂浆，注浆压力建议值为0.5～1.0 MPa，钢管端头设150 mm×150 mm×10 mm Q235锚垫板。

(3)分段跳槽破除路面板及部分填充层，根据实际开挖基底虚渣情况，下挖至中心水沟底标高，开挖成弧形，要求全面清除隧底虚渣，新建型钢混凝土底板以下采用C20混凝土换填浇筑并找平。

(4)拱脚打设Φ108锁脚钢管，长6 m，每侧1根；隧底打设Φ108×6注浆钢管竖桩，纵横向间距100、120 cm，注浆参数同两侧墙角，钢管端口开口焊接纵向钢带，隧道中线不布设，防止注浆堵塞原排水系统。

(5)架设[32槽钢纵梁与I22b型钢横向支撑，槽钢与型钢采用钢板与高强螺栓连接，形成整体受力的钢结构框架；拱脚锁脚钢管端头采用钢垫板钻孔与槽钢焊接牢靠；要求槽钢密贴开挖断面，提前钻孔，纵梁在原隧道施工缝处断开，确保隧道协调变形。

(6)布设横撑纵向连接筋，环向间距50 cm，上敷设单层抗裂钢筋网片，两侧通过植筋与既有衬砌可靠连接。

(7)现浇C30混凝土底板，顶部确保横坡，恢复混凝土路面、电缆槽及排水边沟等其他附属设施。

(8)疏通全隧纵向排水，确保排水通畅；对于无法疏通的段落，应进行排水恢复。

(9)在砂、砾岩地质段上设防渗引排措施，防止地表水下渗；并对隧址区地表排水设施进行完善恢复。

4.2 施工注意事项

(1)为保证施工安全及质量，维修隧道必须封闭施工。

(2)隧底加固前应该辅以必要的临时支撑，确保隧道施工安全。临时支撑可采用型钢与锁脚锚杆组合体系，型钢采用I20b，纵向间距1 m，榀间设Φ22纵向连接筋，环向间距1 m，型钢拱脚采用钢垫板、螺栓坐落在可靠的基础上；锁脚锚杆采用Φ22螺纹钢，长3 m，竖直角度30°～45°，每榀临时支撑拱架左右拱脚各设2根，共4根。临时支撑型钢拱架可根据施工需要拆除安装，重复使用。

(3)锁脚锚管施工前先标识出钻孔的位置，以孔角30°/45°进行钻孔，钻孔深度大于锚管锚固长度的95%，但超长值不大于10 cm。

(4)必须清理干净现场钻孔排渣与注浆的散流浆液，不得遗留在型钢混凝土支撑板的下方及板体范围，以免破坏混凝土的完整性，并影响基底受力传递。

(5)跳槽开挖每次不得大于1板(5 m左右)，并根据二衬施工缝进行适当调整；底板施工缝与二衬施工缝一致。施工过程中加强监控、量测、观察，确保结构稳定及施工安全。

5 结 语

G1816乌玛高速南阳山隧道是一个由围岩劣化、结构缺陷引起路面底鼓病害的典型案例。本文结合现场调查、专项检测、变形监测等方法，对病害原因进行了分析，对病害发展趋势进行了判断，最后提出了针对性的整治方案，为同类病害隧道维修整治提供了重要的参考。