雷曉丹,張曉景

(1.太原學院 建筑與環(huán)境工程系,山西 太原 030032;2.山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司 第一公路設計院,山西 太原 030032)

0 引言

近年來,我國中西部基礎設施建設事業(yè)高速發(fā)展,對交通運輸?shù)男枨罅亢偷燃壱笤絹碓礁?。公路隧道能夠克服山地地形障礙、有效縮短交通里程,成為公路快速發(fā)展中不可或缺的地下工程。與此同時,中西部地區(qū)復雜的工程地質條件造成了公路隧道設計施工及后期運營的的諸多難題。

隧道建成后的運營階段,襯砌的受力和變形一直是隧道安全關注的重點。受隧址區(qū)工程地質及水文地質條件、設計合理性、施工質量、運營狀況等多重因素影響,很多隧道在運營期都出現(xiàn)了不同程度的病害[1-3]。我國公路隧道養(yǎng)護規(guī)范[4]將公路隧道病害劃分為外力病害、材料劣化病害、滲漏水病害三大類,將公路隧道病害成因劃分為松弛土壓、偏壓、地層滑坡、膨脹性土壓、承載力不足、靜水壓、凍脹力、材質劣化、滲漏水、襯砌背面空隙、襯砌厚度不足、無仰拱12大類,并詳細列出了隧道襯砌變形速度、襯砌斷面強度降低、隧道滲漏水等六小類病害的判定標準。

當隧道處于富水地區(qū),圍巖穩(wěn)定性更易受到裂隙水的影響,圍巖以泥巖、頁巖等為主時,遇水易軟化甚至泥化,裂隙水的影響會更大。陳國中等[5]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結合的手段,開展了富水軟巖隧道的穩(wěn)定性及控制措施研究;丁冬冬等[6]通過寶蘭客專上莊隧道現(xiàn)場監(jiān)控量測研究表明,泥巖遇水軟化是引起隧道仰拱底鼓開裂的重要因素。本文通過山西某高速公路隧道病害區(qū)域的現(xiàn)場監(jiān)測,分析富水區(qū)隧道圍巖軟化后襯砌變形的特征及機理,并提出病害處治原則和技術。

圖1 隧道病害實景

1 病害區(qū)域概況

山西某高速公路隧道建成通車以來,交通量持續(xù)快速增長、重型車比例變大,ZK77+198-ZK77+253段出現(xiàn)不同程度的電纜槽傾斜變形及開裂破損、路面開裂及隆起、邊墻裂縫等病害現(xiàn)象,如圖1。

2 病害區(qū)域工程地質條件

2.1 地層巖性

隧道病害區(qū)段的工程地質條件見圖2,隧道病害區(qū)段地層巖性分布由上到下依次為:上部以巨厚的鮞?；?guī)r組成為特征,以淺灰、深灰色中厚層鮞?；?guī)r為主,夾較多的竹葉狀灰?guī)r及薄層灰?guī)r;下部為暗紫色、紫紅色頁巖夾薄層灰?guī)r,厚度180 m左右,軟硬巖比例約3∶1。

通過對隧道病害段布置的鉆孔樣品做的巖石自由膨脹率試驗,僅有1件樣品自由膨脹率為33%,其余4件樣品自由膨脹率均小于30%。大部分試樣不具有膨脹性。

2.2 水文地質

根據(jù)鉆孔的多次量測,鉆孔內均有地下水位,初見水位位于仰拱與原始地層之間,靜止水位稍有上升,埋深1.38 m。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

為實時監(jiān)測隧道襯砌變形,在病害段選取兩個監(jiān)測斷面,斷面樁號分別為ZK77+210和ZK77+238,斷面監(jiān)測點分布如圖3所示,監(jiān)測工作周期為1 a,監(jiān)測頻次為3個月1次,共監(jiān)測4次。

圖2 病害段地質縱斷圖

圖3 斷面監(jiān)測點分布

經過為期一年的監(jiān)測,ZK77+210斷面襯砌變形見圖4,ZK77+238斷面襯砌變形見圖5。易見,隨著時間的變化,監(jiān)測點位移不斷增長。各監(jiān)測點在監(jiān)測結束時的位移見表1。根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制ZK77+210斷面襯砌變形示意圖如圖6,ZK77+238斷面襯砌變形示意圖如圖7。

(a)監(jiān)測點1—4襯砌變形時程曲線

(b)監(jiān)測點5—8襯砌變形時程曲線

(a)監(jiān)測點1—4襯砌變形時程曲線

(b)監(jiān)測點5—8襯砌變形時程曲線

表1 監(jiān)測結束時各監(jiān)測點位移

圖6 ZK77+210斷面襯砌變形示意圖

圖7 ZK77+238斷面襯砌變形示意圖

觀察圖6和圖7發(fā)現(xiàn),測點1、測點2、測點4、測點5、測點6、測點8發(fā)生朝向隧道內部的變形,測點3和測點7發(fā)生背離隧道方向的變形,以隧道中線和起拱線交點為基準,襯砌變形整體特征為底部上翹、邊墻外擴、拱圈下沉。

分析可知,襯砌變形是導致隧道病害的直接原因,底部上翹導致電纜槽傾斜變形至開裂破損、路面開裂及隆起等底板病害,邊墻外擴則導致邊墻襯砌裂縫的產生。

4 病害機理分析

隧道襯砌變形往往是由圍巖擠壓導致的,病害的發(fā)生間接說明圍巖變形發(fā)展并沒有穩(wěn)定收斂,持續(xù)變形導致圍巖對襯砌施加作用力,使得襯砌因強度不足導致病害。

圍巖的持續(xù)變形與地層巖性和水文地質密切相關:

1)隧址區(qū)地質條件復雜,斷裂構造較發(fā)育,易將地下水導入隧道圍巖中,若隧道排水不暢將導致地下水富集,軟化圍巖。

2)通過對病害段鉆孔膨脹性試驗可知,隧道仰拱底部圍巖不具有膨脹性,進而排除圍巖遇水膨脹導致病害這一原因。

3)隧道病害段圍巖組成較為特殊,使得仰拱底部頁巖長期浸泡、軟化,強度降低,而上部灰?guī)r強度受水的影響較小。襯砌上下圍巖遇水強度降低程度的強烈對比,使得襯砌承擔更多上部圍巖壓力,導致仰拱強度不足,進而發(fā)生底部上翹、邊墻外擴、拱圈下沉的變形。

5 病害處治原則及技術

根據(jù)以上機理分析,病害處治堅持“完善排水系統(tǒng)”和“改善圍巖力學性能,加強襯砌結構”的原則,做出以下處治方案。

5.1 排水設計

在隧底滯水段增設排水井,后將井內水排入隧道側向排水溝,從而降低隧底地下水位,減弱圍巖軟化。排水井井身及井蓋、抽水管、送水管外側應做好防凍措施。主洞布設時排水井深度應結合襯砌是否設置仰拱而確定,以達到隧道底部圍巖排水的目的。

5.2 襯砌加固設計

對病害段隧底進行注漿加固,增設仰拱并鋪設鋼框架梁,形成閉合的支護體系,提高結構整體承載力,具體方案如下:

1)鑿除病害段原路面、仰拱回填層,清除隧底碎渣層。

2)對隧底破碎巖層注漿加固處治。注漿參數(shù)及注漿段落可根據(jù)隧底實際圍巖情況適當調整,以達到增強底部圍巖強度和隔水性的效果。

3)隧底先鋪筑混凝土,增設型鋼與橫向鋼支撐焊接,形成型鋼框架支護體系。

4)澆筑仰拱襯砌混凝土至設計厚度。

5)恢復隧道原有排水系統(tǒng)。

6 結論

通過公路隧道病害段的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及病害機理分析,得出以下結論:

1)以隧道中線和起拱線交點為基準,襯砌變形的整體特征為底部上翹、邊墻外擴、拱圈下沉,襯砌變形是導致隧道病害的直接原因。

2)隧址區(qū)地質條件復雜、地下水富集,襯砌上下圍巖遇水強度降低程度的強烈對比,使得襯砌承擔更多上部圍巖壓力,導致仰拱強度不足,發(fā)生襯砌變形。

3)以“完善排水系統(tǒng)”和“改善圍巖力學性能,加強襯砌結構”為核心的病害處治原則及相關技術可為類似隧道病害處治提供一定參考。