[资料] 屈家坡隧道病害整治方法与措施

屈家坡隧道病害整治方法与措施
摘要屈家坡隧道为独立双洞山岭高速公路隧道，主体工程完工后，衬砌产生了裂缝（严重处甚至掉块）、渗漏水、拱背空洞等病害状况，本文简要分析了病害成因，并根据病害程度，按分类治理原则，因地制宜，采取了相应的整治方法与措施。
关键词屈家坡隧道病害整治方法措施

1. 工程概况
屈家坡隧道位于国道108线广元南段，系山岭重丘区高速公路隧道。
屈家坡隧道为分离式双线隧道，隧道中线相距40m。隧道左、右线起讫里程分别为ZK29+390~ZK29+960、YK29+355~yk29+960，长度分别为570m、605m。隧道采用单心圆曲边墙结构。洞身结构按矿山法（洞口浅埋段）和新奥法（洞身深埋段）施工原理进行设计。工程自1997年9月10日兴建，隧道主体工程于1998年10月23日完成，耗时13个月。
2. 工程地质条件
2.1 地质构造和地层岩性
测区西北部为龙门山断褶带所制约，东南方受巴中莲花状构造影响，构造形迹为自北东逐渐向东偏转的短轴状弧形褶皱，总趋势为北东东向。构造上，该区位于北东向构造带走马岭向斜南翼，河湾场背斜元北东倾伏端。隧道依次穿越第四系全新统坡残积层（Q4el+d1）、中侏罗统沙溪庙上亚组（J2S2），洞身段岩性为粉砂岩、泥质粉砂夹细砂岩，中7厚层状，粉砂岩及泥质粉砂岩具饱、脱水风化特征。
2.2 水文地质条件
隧道区位于嘉陵江北西侧，设计高程高于江水多年平均最高洪水位。区内地下水主要以基岩裂隙水为主，次为第四系全新统残、坡积上层滞水。区内岩层产状平缓，相对隔水层覆盖面积较大，含水层补给条件差，径流短，排泄快，地下水贫乏。
3. 隧道病害状况
隧道土建结构施工完成后，各段落出现不同程度的病害，严重影响隧道的结构安全。
3.1 实际衬砌厚度不足
据隧道拱部钻孔资料统计，屈家坡隧道钻孔共19个，仅3孔合格，最小厚度13cm（设计厚度为35cm），最大厚度70cm（设计厚度为60cm）。
据雷达检测技术报告资料统计，隧道衬砌实际厚度大部分未达到设计值，衬砌层厚度变化趋势普遍为从墙脚至拱腰到拱顶逐渐变薄。屈家坡隧道左洞ZK29+486~ZK29+517，右洞YK29+829~YK29+832等段落拱顶衬砌厚度小于20cm。
3.2 部分衬砌混凝土强度不够
据隧道衬砌混凝土强度检测报告统计：屈家坡隧道左洞强度不合格测区超过40.3%，右洞不合格测区高于140cm。
3.3 拱背普遍存在空洞
据隧道钻孔资料显示，屈家坡隧道共钻孔19个，仅4个孔拱背回填密实，其余钻孔拱背均有空洞，空洞最大高度达140cm。
据雷达检测技术报告，屈家坡隧道左洞ZK29+390~+395、ZK29+940~+960，右洞YK29+355~+365、YK29+955~+960段回填密实，其余超挖和塌方均未回填，存在不同程度的空洞，其高度范围为10~210cm，一般为40~90cm。
3.4 衬砌表面出现裂缝或裂纹
左线隧道：左、右边墙共29条竖向裂纹，均为沿施工缝开裂，最宽为0.35mm处），拱部环向裂纹3条，最宽0.8mm（ZK29+728）；纵向裂缝11条，最宽1.5mm（ZK29+430）；斜向裂缝4条，最宽2.0mm（ZK29+711~+727）；ZK29+425~+464段39m范围为各种裂纹集中地段，有4条纵向裂纹，分布在左右拱脚及拱顶，裂纹宽达1~1.5mm；ZK29+711~+736段集中了各种裂缝5条，其中ZK29+711~+727斜向裂缝长达17m，最大宽度为2.0mm；ZK29+756拱顶衬砌掉块达2m×1.0m。
右线隧道：左、右边墙共有20条竖向裂纹，拱部22条环向裂纹，均发生在施工缝处，拱部纵向裂纹发生在拱脚附近，共13条，最大宽度1mm（YK29+524）；YK29+355~+38段多为沿施工缝环向裂纹，YK29+500~+544段为本洞裂纹集中地段，有7条环向和5条纵向裂纹，裂纹的最大宽度达1.0mm，最长的纵向裂纹为30m；YK29+712~740段在左拱脚处分布着几乎相连的三条纵向裂纹，最大宽度为0.4mm。
3.5 隧道内空局部侵限
根据隧道断面净空检测报告，隧道实际施工内空断面和原设计断面有差别，局部有侵限情况。
3.6 隧道出现渗漏水情况
屈家坡隧道左洞左边墙共有15处渗水痕迹，其中ZK29+710~+760段比较集中，该段50m范围内共有9处渗水痕迹，右边墙共有19处渗水痕迹，其中ZK29+710~760范围内有7处，ZK29+782~+836范围内共有9处，拱部渗水较少，仅有4处。右洞左边墙有4处渗水痕迹，右边墙有5处渗水痕迹，渗漏水主要集中在侧墙部。
4. 隧道病害原因分析
结合现场勘察成果，并根据理论及经验分析，我们认为造成这些病害的原因主要有如下几个方面。
4.1 衬砌裂缝产生原因
1）衬砌厚度、强度偏低及地质原因所致
因为采用矿山法施工，操作难度较大，稍有不慎，便很难达到设计要求。实际施工中，因人为因素，未严格按设计进行。衬砌厚度、强度普遍低于设计值。屈家坡隧道左洞ZK29+440~432
、ZK29+660~+845、ZK29+865~+920，右洞YK29+365~+432、YK29+503~+885等段拱部实际衬砌厚度均低于30cm，而设计厚度为35cm及60cm；隧道衬砌强度大部分段落未达到设计强度。在衬砌荷载增大或应力集中的情况下，因强度、厚度偏低，便形成拉裂或压裂性裂缝，导致隧道衬砌开裂。特别是局部段落的地质原因，拱部围岩较为破碎，加之衬砌强度厚度不够，个别地段甚至严重压碎，如左洞ZK29+720~+785段。
2）拱背空洞所致
拱背超挖大，隧道通长除洞口段，基本未回填，以致留下较大空洞，使衬砌受力不均匀，产生横向拉裂。由于拱背普遍存在空洞，在围岩较破碎地带，随时可能垮塌，对衬砌造成潜在威胁，同时，计算中所考虑的对衬砌有利的围岩弹性抗力实际不存在，使衬砌受力更为不利。
3）先拱后墙施工方法导致拱部开裂
采用先拱后墙法施工，在大断面隧道中，由于刹肩质量难以保证，从而导致拱部衬砌在外载和自身静载作用下发生拱脚位移，导致拱部开裂，这类现象已在多个工程中验证，也是本隧道拱部开裂的重要原因。
4）不均匀沉降导致侧墙开裂
隧道边墙基底部分地段未清理虚渣或基础较薄弱，在围岩压力或自重作用下，导致侧墙衬砌出现不均匀沉降，侧墙出现较密集的竖向裂纹。屈家坡隧道侧墙部裂纹较少，边墙基底不均匀下沉不严重。
5）衬砌收缩变形所致
因温度或养护等原因，衬砌产生收缩变形，导致拱部或侧墙出现较多环向裂纹。施工中衬砌拆模时间过早及养护时间不够，衬砌产生较大收缩变形，同时又因强度不能充分发挥，承载及抵抗变形能力差，很容易造成混凝土衬砌垂直轴向的收缩性裂缝。
4.2 隧道渗漏水原因
施工中防排水系统未严格按设计施工，屈家坡隧道部分地段未施作防水层，两隧道防水板间搭接不符合要求。所设置的盲沟、排水沟又部分堵塞，造成水路不通畅。因此，在衬砌开裂的裂缝处，出现渗漏水。另外，地下水在侧墙处无法排到排水沟，因此侧墙渗水处较多。
4.3 隧道内空侵限
施工采用模板浇筑衬砌，在振捣混凝土时，模板产生跑模或变形。
5. 病害处治方案
根据病害现状、发展趋势及潜在隐患，针对具体病害成因，立足于彻底整治、不留后患、不得降低隧道结构的安全度、设计标准和使用功能的前提，拟定以下处治方案。
5.1 结构病害处治
衬砌强度、厚度不足，有荷载裂缝段，根据病害严重程度确定分类治理原则，采取补强加固措施。其中，裂缝按其成因及危害性确定处理原则，拱部及侧墙环、竖向裂缝大多因施工缝处收缩变形所致，对结构安全影响较小，可不进行针对性加固处理，拱部纵斜向裂缝为荷载裂缝，必须进行处理。同时，考虑到屈家坡属山岭重丘区高速公路隧道，根据其使用功能及内净空富余量，并针对隧道具体病害情况，因地制宜，各段落采取了不同的补强加固措施。
按分类治理原则，病害分类及相应处治方案如下。
（1）A类病害段
分类原则：a.拱部严重压裂破碎、龟裂、剥落掉块，裂缝密集或交错割裂，衬砌处于基本或临近失稳状态；b.衬砌混凝土强度不足；c.衬砌厚度偏离设计值较多，并低于30cm；d.拱背存在空洞。此类地段存在严重隐患，应彻底整治。此段共长75m，具体里程桩号略。
处治方案：a.在安全临时支撑及防护的前提下，拆除原衬砌拱圈混凝土。拆除混凝土时必须采用微差控制爆破或静态爆破。每次拆除长度不得大于1m，并严格控制每段起爆装药量，防止对围岩产生破坏以致掉块坍方；b.补作锚喷网初期支护，加固围岩并增强围岩整体承载能力。锚杆采用Φ22全粘约卷锚杆，长3.0m。间距1.5m×1.5m，梅花形布置，锚杆端部设置垫板。钢筋网采用Φ6.5钢筋，网格间距25m×25mm，C20喷射混凝土15cm；c.按原设计补作防排水系统；d. 浇注套拱衬砌混凝土（套拱中设置钢筋），厚度25cm；e.拱背回填：浇筑衬砌的同时，采用衬砌同级混凝土回填拱背空洞。A类病害段整治断面见图1。
（2）B类病害段
分类原则：衬砌表面有纵斜向拉裂性裂缝，不密集，均为荷载裂缝，此类地段因应力集中，拱背有空洞。结构安全存在较大隐患。此段共长210m。
处治方案：a.压浆充填拱背空洞：形成护拱，减轻拱顶、拱腰冲击荷载，并使拱背受力均匀；b.原二衬表面施作锚杆，使围岩及衬砌形成整体承载系统：采用Φ22全粘结药卷锚杆（加垫板），长3.50m，间距1.5m×1.5m，端头外露10cm，新旧衬砌可结合良好；c.现浇C25混凝土套拱25cm，设置钢筋，主筋Φ22。
（3）C类病害段
分类原则：裂缝较少或衬砌较完整，这些地段仍有存载能力，不至于马上失稳，但因衬砌强度、厚度不足，拱背存在空洞，裂缝仍有发展的可能，隧道安全有潜在危险。
处治方案：a.压浆充填拱背空洞；b.打设钎钉（40cm长），间距1.0m×1.0m，以使新旧混凝土结合良好，防止衬砌开裂；c.现浇C25混凝土套拱25cm：套拱中设置钢筋，主筋Φ22，形成整体钢构。防止后期增长的围岩压力及衬砌开裂。

图1 A类病害段整治断面
（4）特殊加固段
分类原则：已套拱（厚20cm）段衬砌强度普遍偏低，未套拱前原衬砌及围岩已临近失稳，拆除危险性大，难以保证施工安全。同时，原有套拱衬砌及钢轨仍可利用。此段共长71m。
处治方案：a.打设锚杆并压注30号水泥浆，间距1.5m×1.5m，固结围岩及加固衬砌。锚杆采用R25中空注浆锚杆，长3.0m；b.凿除侧墙部分侵限衬砌，喷射钢纤维混凝土8cm，补强套拱及原衬砌强度。
5.2 拱背空洞充填
屈家坡隧道空洞高度较大。为了空洞充填密实同时节约造价，对空洞高度小于1.0m的地段压注20号水泥砂浆；而对空洞高度大于1.0m的地段，为避免压浆对原有较薄弱衬砌造成损坏，同时也为了降低造价，采用先灌注C20细石混凝土后压注20号水泥砂浆的方法充填。
注浆采用20号水泥砂浆，施工时根据具体情况分几次压入，为防止拱顶坍塌，注浆压力控制为0.1~0.4MPa,。拱顶压浆时考虑了相应安全措施，一是注浆压力严格控制，发现问题及时停止压浆，二是施作临时支撑，以防拱顶坍塌。注浆时先边墙后拱顶。
鉴于注浆效果在病害处治中至关重要，业主、监理、设计单位、承包商均非常重视注浆效果的检查。某一段落注浆完毕后，均进行了注浆效果检查和评定，当不符合要求时，须补孔注浆。
具体检查办法为：
（1）对注浆过程中的各种记录资料综合分析，注浆压力和注浆量是否合理。
（2）每段按纵距20m在拱顶布设检查孔，检查孔应钻取岩芯，观察浆液充填情况。
（3）施工单位严格进行病害地段的监控量测工作，做好原始记录并及时反馈分析，以便研制下一步的处理措施及报警。
（4）业主邀请有经验的单位对病害段进行地质雷达探测，检查拱背空洞是否充填密实。
经过以上严格的注浆控制及要求，竣工检测时拱背空洞充填合格率达100%，注浆效果显著。
5.3 边墙基底加固
因边墙基底不均匀沉降，导致侧墙形成较密集竖向裂缝地段（非施工缝处裂纹），设置Φ100树根桩，树根桩为Φ100桩孔，每孔中插入2根Φ22单根钢筋，树根桩纵向间距50cm，压浆采用20号水泥砂浆，其水灰比为0.5:1~0.6:1：注浆压力为0.3~0.5MPa。
5.4 渗漏水处治
隧道处治已不可能采用内层防水，最切实可行的措施为通过点堵、线堵和面涂堵漏相结合的防水方式，并“防、排”结合，施作全面的外层防排水系统。
（1）衬砌表面裂缝处有滴漏水或渗水较严重时，必须采用凿槽埋管方式引水至边沟。埋管采用Φ50半圆胶管，质软可顺应裂缝方向。
（2）衬砌表面裂缝处有轻微渗水时，先将裂缝凿成“V”形槽，后采用901速效堵漏剂止水。
（3）边墙脚渗水较严重处，加密设置横向排水管，排水管采用软式透水管。
（4）锚杆端部防水：先在端部凿槽，后压抹901速效堵漏剂防水。
（5）原衬砌表面或喷射钢纤维混凝土表面有轻微渗水处分层抹压903防渗堵漏胶与901速效堵漏剂配浆3mm，拱部钢纤维喷射混凝土表面找平后涂抹黑色JS复合防水涂料1mm（同时作为拱部装饰材料），以达到外层防水作用。
得益于完善的防排水系统处治，隧道竣工检测验收时几乎是滴水不漏，达到了彻底处治的目的。
5.5 隧道侧墙内空侵限处理
屈家坡隧道侧墙侵限超过8cm地段应凿除，从而保证隧道套拱衬砌满足最小厚度20cm的要求；右洞YK29+432~YK29+503段已套拱20cm，作特殊加固设计，须保证8cm厚钢纤维喷射混凝土及内空断面与其余套拱段统一，因此，侵限17cm的地段必须凿除。
6. 结语
屈家坡隧道病害处治工程于2001年6月28日竣工，经过业主、监理、设计、施工等各方的共同努力，基于不得降低隧道结构安全度、使用功能的前提，达到了彻底整治、不留后患的目的。
随着中国高速公路的迅速发展，山岭隧道工程也越来越多。但由于设计、施工、工程地质等方面的自然及人为因素，已建及在建山岭隧道衬砌裂缝、渗漏水等病害现象时有发生，给隧道施工、安全运营均带来较大隐患。为防患于未然，隧道病害整治问题已经不容忽视。通过屈家坡隧道病害处治工程的设计施工实例，对山岭公路隧道病害整治方法与措施获得了相应的经验，并以期为相似工程提供参考、借鉴。