隧道病害诊断分析与维修加固

邱成虎，刘泾堂，胡金鑫

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030)

0 引言

随着我国公路建设蓬勃发展，为改善线形、克服高程障碍，隧道的作用日益凸显，其规模持续增长。然而隧道病害，诸如衬砌厚度不足、衬砌裂缝、衬砌脱空及渗漏水会严重降低衬砌结构耐久性，甚至危及隧道安全性。因此，隧道病害分析、力学计算及维修加固技术成为隧道建设的研究热点。如从施工、设计及地质因素等方面分析隧道产生病害的原因，并研究治理预防措施[1-3]。从现场裂缝调查统计出发，结合施工资料及数值模拟分析结果，系统分析裂缝产生的原因，选择典型裂缝跟踪监测，并提出裂缝处治建议[4]。利用数值模拟计算，系统分析产生病害衬砌的刚度、稳定性和结构受力规律[5-8]。通过室内模型试验和理论分析研究套拱加固后结构的受力规律、破坏模式及承载力变化等力学特性[9-10]。根据病害形式和等级采取不同的处治措施，提出预防和控制措施，并将成果推广应用[11-14]。

本文以我国西部地区某运营高速公路隧道为例，进行外观观察、检测和钻芯取样，统计隧道衬砌厚度不足、衬砌裂缝、衬砌脱空及渗漏水情况，分析原因，并对土建结构技术状况进行评定。在此基础上针对不同病害严重程度进行分类，提出维修加固方案，以提高隧道安全性、耐久性和功能性。

1 工程概况

西部某高速公路已通车运营3年。按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80km/h，隧道净宽10.25m，净高5.0m。左线全长2 233m，右线全长2 216m。左线纵坡为2.35%，右线纵坡为1.85%。

隧道进出口段地层为白垩系东河群上亚群粉砂岩、砾岩、砂砾岩夹泥岩。洞身段地层为白垩系东河群上亚群粉砂岩、砾岩、砂砾岩夹泥岩及中-上志留系白水江群千枚状板岩、炭质板岩夹中薄层砂质板岩、薄层-中厚层灰岩。根据围岩地质和施工条件，隧道衬砌结构采用新奥法施工，以锚杆、喷射混凝土、钢筋网、钢拱架或格栅钢架为初期支护，模筑混凝土或钢筋混凝土为二次衬砌。隧道以水泥混凝土路面为主，进出口段300m范围采用复合式路面。

2 病害检测及分析

2.1 测线布置

在拱顶左、右1m处，左、右拱腰处，左、右起拱线处，左、右电缆槽处共布置8条测线，仰拱取芯钻孔线距电缆槽边线0.5m。全断面采用多维隧道智能检测法对隧道裂缝、渗水、剥落等外观病害进行数据采集，采用地质雷达复测二次衬砌厚度。

2.2 外观分析

1)洞顶截水沟和局部排水边沟堵塞，洞门装饰瓷砖局部剥落，保温板局部开裂，衬砌局部涂装剥落。部分检修道盖板缺失、翘起、塌陷。

2)衬砌环向裂缝454条，纵向裂缝205条，斜向裂缝55条，渗水(干)10处，渗水(湿)10处。

3)吊顶及预埋件未见明显病害，未发现标志、标线、轮廓标缺损等明显病害，未见隧道沥青路面明显病害。

2.3 检测结果及分析

2.3.1衬砌裂缝

衬砌裂缝714条，裂缝宽度≥0.3mm共计2 019.88m， 宽度<0.3mm共计335.73m。其中环向裂缝454条，占63.59%，长0.66～19.59m，宽0.2～2.0mm；纵向裂缝205条，占28.71%，长1.0～17.08m，宽0.20～0.55mm；斜向裂缝55条，占7.70%，长0.83～14.27m，宽0.20～0.55mm。

环向裂缝为主要裂缝类型，主要分布在拱脚(起拱线)范围内。随着裂缝的发展，混凝土碳化深度不断增加，影响混凝土衬砌耐久性，严重时造成隧道边墙断裂、掉拱，甚至引起塌方；同时裂缝贯通为地下水提供渗流通道，进一步劣化钢筋混凝土结构，降低隧道衬砌承载力。产生衬砌裂缝的主要原因如下。

1)水化热 隧道施工过程中水化热温度应力增大，干缩变形增大，自身体积变形增大，导致混凝土表面出现拉应力，产生干缩裂缝。

2)温度因素 水泥水化过程中产生大量热量，在混凝土内部和表面间形成温度梯度，从而产生应力，当温度应力超过混凝土内外约束力时产生温度裂缝。

3)施工因素 二次衬砌台车拆模过早，导致混凝土强度过低，衬砌养生不到位，造成二次衬砌受力后产生裂缝。由于光面爆破技术把握不够，引起超挖而又未能及时回填，衬砌厚度不足或衬砌背后不密实部位产生应力集中，进而产生衬砌裂缝。

2.3.2衬砌厚度

检测二次衬砌厚度不足54处，其中检测厚度<(设计厚度/2)的达37处，厚3.4～25cm，主要分布在拱顶及拱腰；(设计厚度/2)<检测厚度<设计厚度的有17处，厚33.0～48.3cm，主要分布在侧墙。衬砌厚度不足的主要原因如下。

1)地质因素 炭质板岩为典型软岩，受水、节理裂隙、结构面的影响，炭质板岩浸水强度降低，随着微裂隙的扩张，结构面受力后易发生剪切破坏和顺层理面滑移破坏。围岩应力再平衡所需时间较长，初期支护变形量大，收敛时间长，易出现开裂、破坏。当变形量达到一定限值后，初期支护表面出现开裂、崩壳，随着变形继续发展，出现拱架变形或挠曲，甚至破坏坍塌。

2)施工因素 初期支护钢拱架出现变形、扭曲等现象，未及时加固或拆换，或爆破技术把握不够，均会出现严重欠挖现象，未及时处治，造成初期支护侵占二次衬砌厚度。二次衬砌台车就位不准确，施工精度低，造成二次衬砌一侧较厚，一侧较薄，较薄侧不满足设计厚度。

2.3.3衬砌脱空

衬砌脱空19处，主要分布在拱顶左、右侧1m范围内，长1～10m，宽1.5～2.9m，空腔厚10～40cm。其中模板脱空占68.42%，为脱空主要来源。衬砌脱空部位厚度不足，引起衬砌结构局部应力集中，从而造成衬砌内力增加；同时地下水发育地段脱空区易积水，导致衬砌水压增加，洞口段脱空区积水还会引起钢筋混凝土冻胀，降低隧道衬砌结构的耐久性。空腔长度、宽度和厚度的增加，会加剧对隧道衬砌结构的影响。衬砌脱空的主要原因如下。

1)开挖及初期支护 光面爆破效果差，钢架架立不平顺，初期支护表面不平整，防水板密贴困难。

2)防水板施作 防水板固定点数量不足和铺设松弛度不均，局部紧绷或褶皱，在防水板与喷射混凝土面间形成空腔。

3)混凝土浇筑 挡头板封堵不严、漏浆；混凝土流动性差、水灰比控制不良、和易性差、浇筑排气不畅；混凝土浇筑时因混凝土供应、扩散度、压力不足造成脱空；混凝土浇筑过程中未振捣密实，浇筑完成后受自重下沉，造成拱部脱空。

4)混凝土收缩徐变 由于混凝土本身特性，浇筑后发生收缩和徐变，使衬砌与围岩或防水板间出现空隙。

2.3.4渗漏水

衬砌渗漏水20处，其中衬砌渗漏水(干)10处，共3.83m2，衬砌渗漏水(湿)10处，共10.78m2，主要分布在拱脚。

随着衬砌渗漏水，混凝土结构劣化、钢筋锈蚀，寒冷季节隧道洞口段渗水易产生冻融循环，破坏衬砌。产生渗漏水的主要原因如下。

1)防水系统破坏 初期支护表面不平整，造成防水板局部撕裂，防水系统破坏；施工缝处止水带老化局部剥落，丧失止水作用；衬砌排水管破裂，导致水流沿施工缝流出。

2)混凝土自防水 隧道局部衬砌混凝土的抗渗性能较差，未达到混凝土结构自防水要求，致使围岩裂隙水从混凝土或裂缝处渗漏；隧道裂缝较多，衬砌中富裕水量沿裂缝漫流。

3)地下水发育 围岩中裂隙发育，地表覆盖层透水性好，由于降雨下渗补给，导致隧道围岩及山体含有较大贮量的裂隙水与孔隙水。

2.3.5钻芯取样

对仰拱钻芯取样15处，钻芯长度不小于设计长度。仰拱厚度满足设计要求，且现场未发现隧道仰拱底鼓、开裂等现象。

2.4 技术状况评定

为定量评定土建结构技术状况，采用最差段落评分法[15]，按下式计算：

(1)

式中：wi为分项权重；JGCIi为分项状况值，值域0～4，JGCIi=max(JGCIij)。

评定结果如表1所示。

表1 隧道土建结构技术状况评定

由式(1)计算得土建结构技术状况评分为62.5，由于衬砌状况值达到3，结合JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》，对应土建结构技术状况直接评为4类。

3 维修加固方案

根据观察缺陷、检测缺陷及病害分析，遵循因地制宜、技术可行、经济合理、高效安全、动态设计的原则，制定维修加固方案。

3.1 衬砌厚度不足处治

3.1.1全断面换拱

对局部缺陷严重部位采用临时钢架支撑，防止裂缝继续扩展和掉块脱落，确保施工安全。采用4m长φ42×4注浆小导管(纵向间距1m、环向间距2m)对处治段周边围岩径向进行注浆加固，增强围岩整体性。注浆环固结后，每3m跳槽由上而下拆除原二次衬砌、防水板及初期支护，采用6m长φ32自进式中空注浆锚杆(纵向间距1m、环向间距2m)加固缺陷范围周边围岩，锚杆与径向注浆导管呈梅花形交错布置。施作I20a钢拱架，间距50cm，采用连接钢筋增强其整体性，喷射C25早强混凝土26cm，在初期支护表面铺设Ω形环向盲管，并接入边墙底部纵向排水管。初期支护重新施作后进行下一循环，2个循环后进行防水板和二次衬砌的施作，二次衬砌采用50cm厚C30钢筋混凝土衬砌。施工时避开临时支撑间隔施工，每段二次衬砌施工完毕后应进行拱背压浆，确保二次衬砌厚度及密实度满足要求。

3.1.2套衬加固

采用4m长φ42×4注浆小导管(纵向、环向间距各1m)和6m长φ32自进式中空注浆锚杆(纵向间距1m、环向间距2m)加固缺陷范围周边围岩，锚杆与径向注浆导管交错布置，增强围岩整体性。凿毛二次衬砌表面，在钻孔出水处埋设环向排水盲管引排渗漏水。涂刷2mm厚界面剂，安装7.937cm高轻型钢轨，拱架纵向间距为0.5m，采用钢筋连接，环向采用φ20钢筋锚固于原二次衬砌混凝土中，间距50cm；喷射12cm厚C30钢纤维混凝土，喷射混凝土两侧与原内轮廓平缓顺接，采用聚合物砂浆平整表面，恢复涂装。

3.1.3喷射钢纤维混凝土补强

凿毛二次衬砌，修补衬砌裂缝，对背后脱空部位进行注浆填实。在凿毛面上涂刷2mm厚界面剂，安装扩底锚栓，锚固深度≥10cm，锚固间距为65cm×65cm，呈梅花形布设，挂设φ12钢筋网片，间距为20cm×20cm，喷射10cm厚C30钢纤维喷射混凝土(添加8%水泥用量的无碱速凝剂)。采用聚合物砂浆平整表面，恢复涂装，如图1所示。

图1 二次衬砌喷射混凝土补强设计

3.1.4钢板钢带补强

环向钢板为宽25cm、长6.0m、厚5mm的Q345钢板，分段处采用平口焊接连接钢板，钢板纵向间距为65cm。纵向连接钢带为长0.9m、宽25cm、厚5mm的Q345钢板，环距为1.05m，搭接长度为25cm；钢带采用专用粘钢胶与衬砌混凝土黏结牢固，拱部及边墙采用φ16×200螺栓固定，采用聚合物砂浆抹平钢带加固段衬砌表面，恢复涂装，如图2所示。

图2 钢板钢带补强(单位：cm)

3.2 裂缝处治

宽度<0.3mm的裂缝采用专用裂缝胶灌注封闭，并加强后期观察；宽度≥0.3mm的裂缝采用低压慢注修补法。裂缝封闭前，从上而下清理两侧5cm范围内的灰尘、浮浆，然后用丙酮擦洗清除裂缝周围油污。裂缝封闭时，从上至下沿裂缝涂抹封缝胶，宽2～3cm，厚2mm，沿裂缝顺直涂刷，保证表面美观，如图3所示。

图3 裂缝处治

1)环向裂缝 贯通性裂缝的危害较大，沿裂缝方向凿成V形槽，在槽内骑缝钻孔，在孔内插入压浆管，利用环氧树脂水泥砂浆锚固，用灰刀将砂浆压实抹光。待环氧树脂砂浆有一定强度后，压入水泥-水玻璃浆液或环氧树脂浆液。

2)纵向裂缝 衬砌纵向开裂除对裂缝本身进行上述压浆堵缝外，在衬砌开裂范围内采取锚杆加固措施。

3.3 衬砌脱空处治

衬砌背后脱空部位采用φ42钢花管注M30水泥砂浆加固，灌注压力≤0.3MPa。按由下向上、由少水处向多水处、先两端后中间顺序施工；地下水富集、有水压段落，先设置泄水孔排水，再进行灌注，如图4所示。

图4 衬砌脱空处治

3.4 渗漏水处治

采用斜缝注射聚氨酯类发泡胶液封堵。注浆孔间距30cm，从下至上，先封堵裂缝，注浆压力≤0.5MPa，直至浆液溢出注浆孔，停止注浆；封缝采用环氧砂浆。凿出深50mm、内大(150mm)外小(100mm)的倒梯形槽；注浆完毕后，在槽内及周围填塞聚合物砂浆。

1)线状渗漏水 沿裂隙凿槽间隔1m埋设铝质注浆管，用水泥-水玻璃双液浆回填、封堵。

2)点状渗漏水 用电钻在出水口钻孔，将水用管导出，在出水孔周围凿深5cm、直径≥15cm的圆形凹面，用防水灰浆涂刷，用双快水泥砂浆封堵并埋设铝质钢管进行注浆，如图5所示。

图5 渗漏水处治设计

3.5 其他

1)疏通洞口、洞顶截水沟，防止水流对边坡的冲刷；护坡破损处应先回填脱空部分，再进行修复处理。

2)对洞门松动瓷砖进行锚固处理，并修复破损、剥落瓷砖。

3)修复缺失、塌陷、翘起的检修道盖板，确保检修人员安全。

4)彻底清理隧道内左、右两侧排水边沟。

5)对开裂的保温板进行螺栓加固处理，对涂层剥落处铲除剥落周边松动的涂层，做修复处理。

4 结语

1)隧道裂缝主要为环向裂缝，分布在拱脚(起拱线)范围；衬砌厚度不足、脱空主要分布在拱顶范围；渗漏水多发生于拱脚处。

2)针对衬砌厚度不足，根据情况采用全断面换拱、套衬加固、喷射钢纤维混凝土补强、钢板钢带补强等措施；裂缝采用切槽注胶封闭；衬砌脱空采用注浆填充；渗漏水采用切槽引排，并进行注浆封闭。