公路隧道衬砌病害分析与处治方案研究

吴文龙

摘 要：公路隧道衬砌病害降低隧道结构承载能力的同时，也对行车安全造成了较大不利影响。大部分衬砌病害的表现形式为衬砌变形脱落、衬砌裂缝以及隧道路面出现波浪形鼓包等。文章以某高速公路分离式隧道为研究背景，对公路隧道衬砌病害成因及治理方案进行了系统性的研究。在分析该公路隧道地质结构特点、围岩等级、地下水来源以及衬砌支护参数的基础上，以隧道病害区域表观病害特点和专项病害检测结论为依据，分析了衬砌病害出现的原因，并提出了切实可行的治理方案。

关键词：公路隧道 衬砌病害 表观病害 专项病害 质量方案

1 工程概况

某高速公路分离式隧道，隧道设计形式为双向四车道，设计最高时速为80km/h。该高速公路隧道左洞设计全长1.28km，隧道右洞设计全长1.15km。为保证隧道内交通运行安全，将隧道限界净宽和限界净高分别设计为10.3m和5.2m，隧道于2016年建成通车。隧道建设区域地质结构以砂质灰岩和砂岩为主，还包括少于的石英砂和泥岩，分布状态多为互层状态，隧道建设区域地下水来源为孔隙水和基岩中的裂隙水，属于重力渗入水范畴，大气水补给是隧道建设区域地下水的主要来源，补给方式以渗透排泄为主，建设区域地下水受当地降水条件影响较大，无过大储存量。隧道穿越区地层围岩主要是Ⅳ级和Ⅴ级，隧道设计借鉴新奥法原理，隧道设计结构为复合式衬砌结构，该结构设计下的初期支护采用锚杆施工挂钢筋网并喷射混凝土护壁，二次支护采用模板混凝土结构，Ⅳ级围岩处二次衬砌直接采用C25素混凝土结构进行设计施工，Ⅴ级围岩处二次衬砌采用钢筋混凝土结构结构进行设计施工，混凝土等级为C25。根据衬砌位置地层岩性差异，Ⅳ级围岩初期支护施工中，按照锚杆长度和锚杆间距的不同，将Ⅳ级围岩初期支护分为分Ⅳa和Ⅳb两种支护类型；Ⅴ级围岩初期支护施工中，按照工字钢型号的不同，将Ⅴ级围岩初期支护分为Ⅴa和Ⅴb两种支护类型。该隧道项目不同类型衬砌支护参数如表1所示。

2 公路隧道病害情况

2.1 隧道表观病害

通过对隧道现场环境的多次勘测和定期检测报告数据，可以确定该隧道的左洞ZK1602+249～ZK1602+476段、ZK1602+249～ZK1602+556段存在路面车辆跳车的问题；隧道的右洞YK1602+229～YK1602+375段、YK1602+151～YK1602+455段同样存在路面车辆跳车的质量问题。该隧道的表观病害如表2所示。

2.2 隧道病害专项检测

2.2.1 衬砌厚度检测

在该公路隧道左洞ZK1602+199～ZK1602 +606 段 ，共计407m范围内的二次初衬拱顶处、左侧洞口拱腰处以及左侧洞口的左右边墙处共计布设了5条检测线，共计布设了411个二次衬砌厚度檢测点；在该公路隧道右洞YK1602+151～YK1602+555 段 ，共计404m范围内的二次初衬拱顶处、左侧洞口拱腰处以及左侧洞口的左右边墙处共计布设了5条检测线，共计布设了411个二次衬砌厚度检测点。隧道左洞衬砌厚度检测结果如下：有33处检测点测得衬砌厚度小于设计值，有2处检测点测得衬砌厚度小于设计厚度的一半；隧道右洞衬砌厚度检测结果如下：有24处检测点测得衬砌厚度小于设计值，有3处检测点测得衬砌厚度小于设计厚度的一半。

2.2.2 衬砌强度检测

该公路隧道左洞、右洞衬砌强度检测均采用钻探取芯法进行检测。在隧道左洞ZK1602+315～ZK1602 +598.5范围内，做了3组（Za，Zb，Zc）钻探取芯，每组3件芯样，共计9件芯样；在隧道右洞YK1602+245.5～YK1602 +572.4范围内做了3组（Ya，Yb，Yc）钻探取芯，每组3件芯样，共计9件芯样。所有芯样的抗压检测结果如表3所示。

从表3中可以看出，隧道左洞三组钻探取芯试验中平均值最高的一组是Zc组，平均值为15.4Mpa，隧道右洞三组钻探取芯试验中平均值最高的一组是Ya组，平均值为19.4Mpa，而设计采用混凝土的极限抗压值是29.5Mpa，由此可见，9件取芯样品的抗压强度均小于设计值。

2.2.3 隧道净空检测

隧道左洞出现病害区域共布设了27个净空断面轮廓线监测点，其中有6个净空断面形状与二次初砌设计的轮廓线相比出现较大变形，最大的变形位置出现在ZK1602+335处的边墙位置。ZK1602+335处轮廓线与二次初砌设计的轮廓差异为22.7cm。隧道有洞出现病害区域共布设了27个净空断面轮廓线监测点，其中有22个净空断面轮廓线与二次初砌设计的轮廓线有较大差异，最大变轮廓线形处为YK1602+257处的拱腰位置。YK1602+257处拱腰位置的轮廓线与二次初砌设计的轮廓线差异为12.3cm。

2.2.4 隧道仰拱的厚度检测

在该公路隧道左洞病害区域仰拱出共进行了17处钻孔取样，通过对这17个钻的路面到仰拱底部混凝土厚度进行测量。发现这17个钻孔中，路面到仰拱底部混凝土厚度最大值为1.1m，最小值仅为0.4m，即便是最大值也没有达到设计厚度值，欠厚的范围为0.6m到1.4m。在该公路隧道右洞病害区域仰拱出共进行了17处钻孔取样，通过对这17个钻的路面到仰拱底部混凝土厚度进行测量。发现这17个钻孔中，路面到仰拱底部混凝土厚度最大值为1.1m，最小值仅为0.7m，即便是最大值也没有达到设计厚度值，欠厚的范围为0.7m到1.8m。此外，仰拱钻孔内的水位偏高。

3 公路隧道病害成因分析

通过以上公路隧道表观病害和专项病害的检测后锁定该公路隧道出现病害的原因主要有以下三点[1]。第一点原因，隧道穿越区域的地质结构复杂。该公路隧道出现病害区域的地质结构岩性以泥质砂岩为主，局部伴有石英砂和泥岩，隧道围岩岩性较弱，整体强度较低，而且隧道建设区域地下水来源为孔隙水和基岩中的裂隙水，属于重力渗入水范畴，当软弱围岩需要重力渗水时会出现软化的情形。第二点原因，隧道建设过程中没有优化排水结构设计，导致隧道排水系统运行不畅。隧道在常年使用运行过程中，雨季降水加上孔隙水和基岩中的裂隙水逐步累积，运行不畅的排水系统无法及时将过多的积水排除隧道，导致积水逐渐在隧道仰拱部位累积，且根据地质情况可以确定积累过多积水的仰拱部位属于软弱围岩区域，软弱围岩遇水会导致地基承载能力达到折扣，导致软弱围岩所受到的水平侧向压力逐渐增大，再加上仰拱厚度检测得出的仰拱欠厚严重的事实，导致隧道衬砌结构无法按照初期设计要求进行封闭成环。隧道运行过程中，过往车辆形成的动荷载与软弱围岩所受到的压力共同作用，导致仰拱拱脚下沉、隧道照明通风用电缆槽检修管道出现裂缝变形、隧道内部行车道出现局部鼓起直至地面出现波浪形病害[2]。第三点原因，该公路隧道左洞和右洞衬砌出现裂缝病害的主要原因是隧道施工中没有完全按照设计规范要求进行施工，一次初衬和二次初衬过程中，混凝土喷射用量不足，导致隧道没有达到设计规定厚度，继而导致衬砌整体强度无法满足设计规范要求，使得衬砌整体厚度和整体强度无法承受隧道结构设计承载能力。

4 隧道病害区域的处治方案

在提出该公路隧道病害区域治理方案之前，紧密查阅公路隧道施工的原始設计资料和施工资料、施工现场所有变更索赔资料、施工日志以及本文之前分析的隧道病害区域的表观病害质量曲线和隧道专项病害检测数据等情况进行综合分析，再对相同地质条件下的隧道病害防治措施进行横向对比，初步给出了该公路隧道病害治理的基本方案，方案具体内容如下：

4.1 公路隧道路面结构病害治理方案

通过对公路隧道路面结构病害进行钻芯取样检测后确定，该公路隧道路面结构的病害的关键因素是隧道仰拱结果部分缺失以及仰拱填充层部分缺失，再充分考虑该公路隧道仰拱厚度局部偏低、隧道基底围岩相对较为软弱以及软弱围岩部分区域出现破碎的现状，针对隧道局部仰拱厚度比设计厚度小的病害采取锁脚+仰拱拆换的治理方案；针对隧道仰拱厚度比设计厚度值小得多的情况采取锁脚+基底注浆加固+钢筋混凝土底板的综合治理方案。

4.2 衬砌裂损病害治理方案

通过本文的分析可以确定，该公路隧道衬砌损害较为严重的根本原因是衬砌厚度和衬砌强度不足而导致隧道支撑结构承载能力下降导致的，此类病害也是公路隧道常见的病害，针对此类病害通常采用的治理方案主要有两种，一种方案是在原有套拱数量保持不变的情况下，增加额外套拱来增加结构的承载能力，另外一种方案就是直接对原隧道支撑体系的套拱进行拆换。该公路隧道病害区域的围岩属软弱围岩，而且隧道左洞和右洞均存在局部初砌欠厚的问题，如果采用对原隧道支撑体系的套拱进行拆换的治理方案，拆除二次初衬后很可能因为施工空间不足无法进行新衬施工，继而为了获取更大施工空间，可能要对一次支护系统进行拆除，这就增加了隧道既有结构的额外扰动，增加了对软弱围岩的额外扰动，给治理施工增加了较大的不确定性，增加了施工安全风险。基于此，结合该公路隧道的实际情况和专项病害检测结果，衬砌裂损治理方案主要采取钢架混凝土套拱对病害区域进行结构加固的治理方案。

4.3 隧道衬砌裂缝治理方案

该公路隧道衬砌裂缝的治理方案以裂缝宽度为基准进行设计施工。当衬砌裂缝宽度小于或者等于0.2mm时，在裂缝表面抹裂缝修补胶来加强结构强度；当衬砌裂缝宽度在0.2mm到0.5mm之间时候，通过灌裂缝修补胶进行结构加强处理；当衬砌裂缝宽度大于等于0.5mm时，通过在裂缝区域进行凿槽填充并封闭后，再灌入裂缝修补胶来加强结构强度。

5 结语

本文以某高速公路分离式隧道为研究对象，对其衬砌病害成因及病害治理方案就行了分析研究。确定地质结构复杂、隧道排水结构不合理以及施工原因造成的隧道衬砌厚度不足是造成病害形成的关键因素，并根据现场检测结果和施工经验给出了治理方案。

参考文献：

[1]于婷婷.某高速公路隧道专项病害检测与加固处治分析[J].四川水泥.2024（02）：264-267.

[2]龙腾，李清海.隧道衬砌与围岩松散接触对隧道结构安全的影响研究[J].西部交通科技. 2023（12）：138-141.