寒區隧道主要病害成因及處治措施

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摘要:針對山西省某寒區隧道的主要病害情況，結合當地氣象水文地質情況，分析了隧道襯砌裂縫和滲漏水原因，提出了裂縫鑿槽注漿補強、嵌入工字鋼法和U型導管槽等處治措施，為寒區隧道主要病害的處治提供參考。

關鍵詞:寒區隧道;隧道病害;處治措施

我國寒區面積占國土面積的43．5%［1］，由于特殊的自然環境影響，地下水隨著季節的周期性變化產生反復凍融循環作用，寒區隧道的主要病害有兩種類型:滲漏水(包括凍害)、襯砌結構裂損病害。襯砌裂縫及滲漏水病害造成多方面的危害:(1)影響隧道正常使用壽命:襯砌裂縫為滲漏水提供路徑，使得滲漏水中氯離子、硫酸根離子長期侵蝕襯砌結構，降低了襯砌結構的耐久性;襯砌對圍巖的支護能力減弱，不能有效支持和維護隧道的穩定，降低了襯砌結構的安全性。(2)影響隧道行車安全:拱墻上懸掛冰柱、冰棍;在隧底，易形成冰坡、冰錐，易造成行車打滑;滲漏水會使路面積水甚至結冰，降低了輪胎與路面的摩擦力，惡化行車環境，威脅行車安全［2］。

1工程概況

隧道建成于1997年，全長1868m，最大埋深211m，穿越III、IV、V類圍巖(對應《設計規范》中IV、III、II級)，為一級汽車專用公路，單向兩車道隧道，隧道設計速度60km/h，隧道限界寬為9．60m，隧道設計橫斷面組成為(1．10+0．5+3．75×2+0.50)m。建筑限界高度為5m，隧道設計雙側檢修道。隧道通過地質主要為奧陶系中統馬溝組，以石灰巖為主的碳酸鹽系，中厚地層，其次為白云質頁巖，呈灰層狀產出，中薄層;巖層平緩局部縱向，節理的主導方向為南北向，間距為0．2～1．5m。地下水通過圍巖裂隙作用，圍巖中的地下水匯集到隧道周邊。隧址所處環境為溫帶大陸性季風氣候，氣候寒冷，年平均氣溫7．4℃，元月最低溫度－9℃，極限最低溫度－25℃。年平均降水量450mm，無霜期年平均值130d。最大冰凍深度1．25m。

2隧道病害情況

經隧道土建結構定期、專項檢查發現隧道砌裂縫51條，其中橫向18條，占裂縫總數35．3%;縱向30條，占裂縫總數58．8%;不規則圓形2處，占裂縫總數3．9%;網狀1處，占裂縫總數2．0%。裂縫寬度介于0．15～2．1mm間，部分裂縫已貫通。K9+410處襯砌裂縫見圖1。隧道襯砌表面有3處滲水，其中拱部6處。但滲水雨雪后有所增大。目前對行車影響較小，但冬天滲水處大量結冰，可能在地面形成冰柱、冰溜。K8+970處襯砌掛冰見圖2。

3病害原因分析

3．1隧道襯砌裂縫的主要原因。(1)受地下水反復凍融循環作用，造成襯砌結構出現裂縫。(2)隧道防排水效果不良，造成襯砌背后地下水匯集;同時積水軟化圍巖，使得襯砌結構承受較大圍巖壓力以及水壓力。(3)局部段落襯砌背后存在空洞、不密實等缺陷，導致襯砌受力不均，圍巖應力集中。(4)隧道洞身段圍巖主要為白云質灰巖和灰質白云巖，巖溶、裂隙發育，部分段圍巖較破碎，加上開挖施工擾動和雨水潤滑作用，在長期的運營過程中可能產生松弛荷載，增大圍巖壓力，導致襯砌開裂。(5)伸縮縫、變形縫的施工質量差，是多數環向裂縫產生的主要原因［3］。3．2隧道襯砌滲漏水的主要原因。(1)圍巖地下水隨著季節變化產生凍融循環。(2)襯砌背后可能存在不密實區及空洞，易形成地下水匯集區。(3)襯砌防水板存在不完整、搭接不良以及破損等缺陷情況。(4)隧道排水系統施工不規范或凍結，造成排水管堵塞，導致滲漏水穿過防水板和二襯滲出。(5)隧道預留孔洞的防水處理不夠完善，為地下水提供滲漏通道。

4病害處置方案

4．1裂縫補強設計。(1)對于寬度≤0．2mm的裂縫，對裂縫表面由上至下涂抹寬2～3cm、厚2mm的裂縫封閉膠進行封閉處理。(2)對于寬度＞0．2mm的裂縫，對裂縫鑿槽加注環氧砂漿，進行結構補強。裂縫鑿槽注漿補強示意圖如圖3。襯砌開裂嚴重或存在嚴重缺陷時，襯砌承載力不能滿足要求，本項目采用內嵌外貼工字鋼拱架法對襯砌結構加固。采用I14工字鋼在距檢修道3m以上拱部位置將鋼拱架外露貼在既有襯砌上，拱部以下開槽20cm寬、15cm深，將工字鋼拱架嵌入襯砌結構中，縱向間距80cm，鋼拱架設置Φ22縱向連接鋼筋，環向間距75cm，掛Φ8網格間距15cm×15cm的鋼筋網，最后噴射C25混凝土;施做工字鋼拱架完成后，在邊墻腳部位置增設Φ22藥卷鎖腳錨桿。工字鋼加固隧道襯砌結構圖見圖4。在新增鋼架結構與既有二襯間，滲水處鋪設環向毛細式透排水管，縱向間距40cm，再鋪EVA(乙烯)復合土工布，將襯砌滲水攔截引至設在邊墻的Φ100縱向截排水管，再通過在邊墻開槽14cm×10cm鋪設的Φ100環向排水管排至排水邊溝中，將水排走。4．2滲水處治設計。目前常見的處治方法有地表截水法、堵水法、導水法及降低地下水位的引排法［4］。(1)隧道滲漏水輕微段落，采用壓力注漿法進行堵水法處治;(2)滲漏水嚴重的部位，采用U型導管槽導水法結合嵌入隔熱材料法進行綜合處治。在襯砌結構表面開鑿深10cm×寬12cm的U型導管槽，排水U型導管槽構造圖和裂縫滲漏水處治示意圖如圖5、圖6。U型導管槽要求延伸至排水溝上邊沿以下21cm處，以保證水流順暢地排出，為了引流圍巖深處的地下水，導水管范圍內設置小直徑引水孔，深入襯砌將地下水引入導水管流走。在嚴格清理槽內混凝土表面的基礎上，采用Φ100Yas半管覆蓋住槽中裂縫，在半管兩邊與導管槽的空隙中，用可以適應縫隙的變形及熱脹冷縮的遇水膨脹嵌縫膠填充，從而將Φ100Yas半管固定在導管槽內，固定半管時要保證半管兩側不留空隙，從而達到永久防水的目的。用巖棉保溫材料施做3cm厚保溫層，隔熱保溫層表面鋪設防火層。最后用1mm厚鋼板做封底處理。為了引流圍巖深處的地下水，在槽中間施作Φ40引水孔，深入圍巖50cm，向上傾角不小于10°。針對相對集中的點狀、面狀以及斜裂縫狀的滲漏水，可沿滲漏水主要位置設置U形導管槽，將其引入附近的環向U形導管槽，也可以直接將滲漏水引到拱腳處的排水邊溝內，如果滲漏水面積較大時，可間隔一定距離設置多道U形導管槽。針對施工縫、變形縫處的環向滲漏水，可以沿施工縫、變形縫設置環向U形導管槽。

5結語

在實際工程的設計和施工中，應因地制宜地選擇襯砌裂縫和滲漏水的處治方法。依據病害嚴重程度、工期等可選擇施作三襯、二襯換拱加固、鋼板帶加固、波紋鋼板加固等方法對襯砌裂縫進行處治。

本項目采用增設工字鋼拱架加固襯砌結構具有對隧道凈空降低小、在施工期間對正常通行影響小、工期短、施工工藝難度低、加固作用顯著等優點，加之結合同時采用U型導管槽對襯砌滲漏水的處治，可以起到防止隧道進一步凍脹病害的作用，是一種寒區隧道主要病害處治值得參考的方案。對滲漏水進行處治時，除刻槽導流外還須注意對地表水的截水和排水。

參考文獻

［1］楊針娘，劉新仁，曾群柱．中國寒區水文［M］．北京:科學出版社，2000．

［2］李曉東．公路隧道襯砌滲漏水淺析［J］．山西交通科技，2007(3)．

［3］許和平．對南昆線(西段)隧道襯砌滲漏水整治的思考［J］．鐵道工程學報，1999(2)．

［4］李永永．隧道襯砌滲漏水微創傷處治技術［J］．山西交通科技，2017(2)．

作者:張煥州 單位:山西省交通規劃勘察設計院有限公司