膨胀岩引起的隧道路面病害检测、成因分析与处治

唐连权，刘传新（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.江苏省地下空间探测技术工程实验室，江苏 南京 211112）



膨胀岩引起的隧道路面病害检测、成因分析与处治

唐连权1，2，刘传新1，2
（1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112；2.江苏省地下空间探测技术工程实验室，江苏 南京 211112）

通过工程实例，阐述了槽箐头隧道膨胀岩引起的路面病害检测手段、病害成因及分析方法，介绍各种方法在工程实际过程中的具体运用，并依据岩土勘探理论计算、数值模拟分析、检测结果，有针对性地提出一些处治措施和建议。

隧道工程；膨胀岩；路面变形；病害检测；处治措施

1　概述

国外对公路隧道水害的研究较早，已取得了一些较为成熟的方法和案例，并有一套规范的隧道养护和病害治理方法。特别是在北欧、日本和美国等，近十几年来进步很快，控制设计和施工趋于规范化，新材料、新工艺不断涌现［1］。

近年来，我国工程领域的科研工作者针对公路隧道的病害问题，开展了大量的研究。但从整体上看，对地下结构物耐用期间的研究不充分。总结现有研究成果后发现，现阶段针对隧道病害的详细检查并不“详细”，多是从形式、范围等方面作简单的描述，无法对病害作全面准确的评价；研究主要针对运营的某一隧道（群）或者某种原因导致病害，大都停留在外因分析、经验定性判断的基础上，没有深入到本质，不能对隧道病害的成因作全面的分析。隧道所处环境的特殊性，特别是土体与隧道结构相互作用的特殊性和复杂性，决定了隧道病害的研究必须打破原有的框框，系统地考察隧道病害的量测技术、成因和危害机理，建立更全面的隧道健康诊断和治理方法。

本文通过对槽箐头隧道主要由膨胀岩引起的路面病害检测、处治工程的设计施工实例， 基于对膨胀岩引起的公路隧道路面病害调查检测方法、处治措施、材料以及工艺的系统研究，提出一套系统的针对运营期膨胀岩引起的公路隧道路面病害检测和维修治理方案，利用工程学的方法，有效地解决、防治和减轻公路隧道主要由膨胀岩引起的路面病害。

2　工程概况

2.1隧道工程地质概况

槽箐头隧道隧址区地貌类型为溶蚀、侵蚀为主的中山或低中山地貌。进口处为岩溶冲沟边缘的缓坡台地，出口处为一陡崖过度至缓坡地形，洞身段地形起伏不大，所经地段高程1 912.36～2 190.45 m，相对高差约178 m。

构造单元属扬子淮地台、上扬子台褶带之曲靖台褶束上。场区地处普安旋钮构造变形区，隧道区主要发育有水塘子断层、白沙地断层和槽箐头向斜。

隧址区地层主要有第四系崩积层（Qe）和残坡积层（Qe1+d1）；二叠系下茅口组（Plm）浅灰、灰白厚层白云岩化生物屑泥晶灰岩夹亮晶生物屑灰岩；二叠系栖霞组（Plq）泥灰岩与泥岩互层地层；三叠系飞仙关组（Tlf2）第一段紫红～灰绿色粉砂岩、砂质泥页岩互层；此外，新第三系（N）为山麓洪积相的灰带棕红色砾岩及褐红色含砾砂质钙质岩组成间断旋回，角度不整合于二叠系或三叠系地层上。

2.2隧道水文地质概况

隧址区未见比较大的地表水体。地下水主要为岩溶裂隙水和基岩裂隙水，地下水活动方式主要是大气降水沿斜坡向沟谷、洼地汇集，由落水洞或裂隙潜入地下补给地下水，地下水再沿岩溶岩管道或断裂破碎带向更低处汇集，以泉水方式出露地表或以地下河方式向低处聚集。隧道地板大部分在常年地下水位以上，但雨季大气降水入渗沿裂隙或岩溶管道运动过程中对隧道地板围岩影响较大，特别是隧道底板泥岩等粘土岩中的粘粒成分含有较多的亲水矿物，具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形特点，其独特的水理性，在与地下水接触时由于亲水矿物的水理作用引起隧道底板围岩软化和体积膨胀。

2.3隧道路面及仰拱设计

隧道洞内左幅（ZK187+115.2～ZK189+413）、右幅（YK187+105.14～YK189+396.671）路面为水泥混凝土路面，面层为26 cm厚C35水泥混凝土，其余段为16 cm厚水泥混凝土垫层，10 cm厚沥青混凝土面层。整平层为15 cm厚C10混凝土，车行横洞路面为16 cm厚的C35混凝土，人行横洞路面为10 cm厚的C10混凝土。隧道仰拱设计如表1所示。

表1　槽箐头隧道各级围岩仰拱设计支护参数表

2.4隧道路面病害现状

自2007年通车以来，隧道路面出现多处明显底鼓、路面破损较严重，接缝处存在错台现象，底鼓段两侧排水沟盖板发生倾斜，影响行车安全；同时出现多处边墙防水涂层明显空鼓，局部脱开剥落，表明工后水平收敛变形量较大；局部路面积水，严重影响行车安全。

根据资料和现场调查发现槽箐头隧道路面病害主要表现为：

（1）隧道工程地质情况复杂，在该隧道的施工中遇到了溶洞、坍塌、涌水等很多地质灾害；

（2）施工中曾出现过底板上鼓现象，修复开挖可见黄色粘土岩、黑色炭质页岩等，遇水软化泥化，强度降低较快；

（3）2008-12～2009-05，YK2140+195附近出现过道板开裂鼓起现象（4块半），2009-09后进行过换板修复；

（4）左洞ZK2139+055附近路段，2011年发现路面裂缝明显，有4块路面板呈贯穿性裂缝，且裂缝不断增大。2012-03以来，左洞ZK2139+055附近路段鼓起显著，隆起量达15 cm；右洞YK2140+195附近路段隆起30 cm以上；右洞YK2139+040附近路段出现贯穿性纵向裂缝；上述病害征兆有持续发展趋势。

3　隧道路面病害检测

3.1检测方法和内容［1］

3.1.1隧道路面检测

检测方法为目测和相机拍照；检测仪包括钢尺、游标卡尺等。隧道路面检测内容主要有路面有无油污、拱起、坑洞、开裂及错台等。

3.1.2隧道仰拱无损检测

隧道仰拱主要检测仰拱混凝土的强度和厚度是否达到设计要求，基底围岩完整性等。在路面病害严重的路段进行钻孔取芯，然后将试样进行室内混凝土强度试验并测量混凝土芯样长度，最后将其与设计要求进行比较。检测仪器主要包括XY-1型钻机、WA-1000B型电液式万能材料试验机和拍照等。

3.1.3隧道仰拱强度和厚度检测

采用SIR-20型地质雷达。检测各测线仰拱混凝土缺陷（裂隙、空洞）分布情况；仰拱密实情况，是否存在脱空现象等。

3.1.4隧道基底围岩膨胀性检测

隧道基底围岩主要检测隧道围岩破碎程度，是否具有膨胀性，并确定岩石中亲水矿物的含量。采用XY-1型钻机在路面病害段对仰拱附近围岩钻孔取芯，并对岩样进行自由膨胀率和X射线衍射试验。检测仪器主要包括XY-1型钻机、X，PERT PRO X射线衍射仪和WA-1000B型电液式万能材料试验机。

3.2检测结果

根据检测数据结果，隧道路面鼓起、破损及裂缝病害较为严重，判定为2A，将会危及行人、行车安全，应尽早采取对策措施。

本次检测针对隧道路面严重鼓起、破损及裂缝路段进行了钻孔取芯、室内试验和雷达扫描等，并对其成因进行分析。根据钻孔资料可以看出，底板处泥岩均较为破碎，节理裂隙发育，遇水极易软化，风化剧烈，局部呈粘性土状。室内试验资料显示，仰拱混凝土强度符合设计要求，而底板处粘土岩多具有膨胀性。根据雷达扫描分析成果，路面下多处脱空。

综上，隧道路面底鼓、破损及裂缝病害是循环重车载、隧道底板围岩较为破碎、泥岩具有膨胀性和高水头压力等多种因素综合作用的结果。

4　隧道路面病害成因分析［2］

施工记录资料表明，隧道地质条件复杂，岩性种类多，围岩体较为破碎。基底围岩中灰岩和白云岩占隧道路面总约60%；其余粉砂岩、砂质泥页岩互层及砾岩、泥岩约占40%。施工过程中曾塌方多次；雨季时出现过涌水、喷水现象；施工中曾出现过底板上鼓现象，修复开挖可见黄色粘土岩、黑色炭质页岩等，遇水软化泥化，强度降低较快。通车一年后YK2140+195附近出现过道板开裂鼓起现象，进行过断续换板修复。

4.1隧道仰拱强度和厚度与设计比对结果

左幅ZK2139+030处的钻孔ZK2揭露的混凝土厚度仅0.3 m，且未见仰拱，与设计方案出入较大。其余钻孔揭露的混凝土厚度与设计方案较为相符，但下部泥岩均较为破碎，遇水极易软化，风化剧烈，局部呈粘性土状。对路面和仰拱取芯试样进行单轴抗压强度试验，其强度满足设计要求。

4.2路面基底围岩膨胀性试验结果

对隧道路面底鼓、裂损及裂缝病害严重路段进行现场钻孔取芯检查，共计完成6个钻孔。钻孔岩芯表明：拱底围岩多为泥岩，节理裂隙发育，岩芯破碎，遇水极易软化，风化剧烈，局部呈粘性土状。

对取芯试样进行单轴抗压强度，X射线衍射和自由膨胀率等室内试验，试验数据如表2、表3所示。

表2　隧道围岩X射线衍射试验结果

表3　隧道围岩膨胀性试验结果

对于膨胀岩的判定尚无统一指标，作为地基时，可参照膨胀土的判定方法进行判定。根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GB50112—2013）膨胀土分类标准，蒙脱石含量7%～14%为弱膨胀土；根据《中国隧道及地下工程修建技术》膨胀岩土分类标准，蒙脱石含量≥10%，自由膨胀率≥25%为一般膨胀性软岩。由此可以判定该路段泥岩多具有膨胀性。

4.3地质雷达检测结果

对隧道路面底鼓、破损及裂缝严重路段进行地质雷达扫描，根据雷达图谱分析，结果表明隧道仰拱局部有脱空层，混凝土不密实，局部仰拱混凝土覆盖层厚度不均匀或缺失。

4.4成因分析

隧道路段灰岩和白云岩相对完整。而泥岩等粘土岩相对破碎，节理裂隙发育，地下水易沿节理裂隙活动。试验资料表明：泥岩等粘土岩中的粘粒成分含有较多的亲水矿物，具有显著的吸水膨胀和失水收缩的变形特点，其独特的水理性，在与水基介质接触时由于亲水矿物的水理作用引起隧道底板围岩软化和体积膨胀，具有明显软化性和较强的膨胀性，致使围岩产生较大的塑性变形及膨胀压力。

由于隧道底板部分地段泥岩较破碎，节理裂隙发育，给地下水提供了较好的活动空间，而泥岩中含有大量的亲水矿物，具有遇水软化和吸水膨胀性特点，加之大气降水通过地表渗入隧底引起的高水头上扬压力等原因，在隧道底板刚性基础约束条件下，对仰拱部位产生较高的向上次生应力荷载。该荷载效应累积到一定程度，当超过底板结构抗力时，在底拱薄弱部位（两侧排水沟）将产生破坏。后期在重载交通循环荷载的耦合作用下，底板破坏变形日趋加重，由此造成隧道路面严重上鼓、错台、破损及裂缝等病害现象。另外，局部路段未施作仰拱或仰拱厚度不足，减小了对底板膨胀岩土的约束力，更加重了此类现象的发生。

综上所述，造成槽箐头隧道局部底鼓、破损及裂缝现象的原因是：仰拱下较破碎软弱围岩、泥岩的膨胀性、地下水高水头压力、重载交通循环荷载等多种因素综合作用的结果。

5　膨胀岩引起的隧道路面病害处治

5.1处治措施［3］

隧道路面底鼓、破损及裂缝病害原因查明为：仰拱局部脱空、缺失或厚度不足；拱底围岩破碎、节理裂隙发育；地下水活动频繁和高水头上扬压力；拱底围岩为具有膨胀性的软弱围岩。采取一般性措施难以满足治理要求，因此针对病害的不同严重程度及仰拱破损程度，设计处治措施为：注浆+锚杆加固。

（1）首先破除原有路面，然后在填充层顶部进行锚杆及注浆管作业，并在填充层顶面开槽，以设置锚杆垫板。在锚杆布设和注浆结束后，用C20混凝土抹平填充层顶面，然后进行路面恢复。

（2）锚杆采用R51N自进式锚杆，长10 m，间距2 m，采用矩形布置；注浆管采用型Φ42注浆管，长6 m，间距1 m，采用梅花形布置；垫板材料为长2.4 m 的20号槽钢。自进式锚杆的施工程序如下：切槽→钻孔→安装止浆塞→连接注浆机→注浆→安装垫板和螺母。

（3）路面采用C40钢纤维混凝土，厚26 cm。建议通过试验确定合理的钢纤维掺入量。

5.2处治措施评价与数值模拟验算［4］

运用数值模拟手段对病害处治效果进行评价，以供参考。采用弹塑平面有限元对隧道围岩进行了模拟分析。边界模拟四边均为单向约束。约束边至洞中心的距离为隧道半径的5倍以上。初始应力只考虑自重的影响，水平应力为垂直应力与侧压力系数的乘积。视围岩为理想弹塑性材料，服从Mohr-Coulomb屈服准测［3］。通过理正岩土软件分析软弱膨胀性围岩对隧道结构的不利影响，进而指出其是引起隧道底鼓病害的重要原因，因此要根治底鼓病害必须对拱底围岩进行加固处理。利用大型有限元软件ANSYS针对病害处治方案进行分析。通过理正岩土软件计算得出的软岩和较硬岩不同仰拱围岩弹抗系数下衬砌结构弯矩图（设计值，不含地震作用）如图1所示。可以看出仰拱围岩为泥岩等软岩时，弹抗系数小，拱底弯矩较大，易产生上鼓现象。

使用大型有限元软件ANSYS模拟槽菁头隧道拱底围岩加固前与加固后的衬砌受力情况，如图2～图4 所示。

图1　围岩弯矩图（单位：kN·m）

图2　隧道数值模型图

图3　Y向应力图

由图可知：按照方案中病害处治措施对仰拱进行修复及拱底加固后，隧道衬砌结构仰拱底部受力明显得到改善，剪力、弯矩及Y向应力明显小于未加固前。基本消除了软弱围岩膨胀性引起的膨胀应力，同时隔断了围岩地下水的侵入，满足了彻底整治、不留后患的整治要求。

5.3处治效果

采用上述方案对隧道路面部分地段进行修复，并对修复地段进行长期监测。监测结果表明：隧底加固处理后，修复地段未出现新的路面底鼓、裂损及裂缝等病害。

图4　围岩剪力图（单位：N）

对于膨胀岩，膨胀率与时间的关系曲线以及在一定压力下膨胀率与膨胀力的关系，对隧道设计和施工具有重要的意义。对于膨胀岩地区的隧道设计和修复需经过长期监测，积累经验。

6　结论［5］

（1）隧道路面底板鼓起、破损及裂缝病害属于衬砌裂损，是运营线较常见的一种病害，当隧底围岩为有膨胀性的粘土岩时较易发生。易风化泥化的泥质岩类隧底，宜增设仰拱，以防止边墙下沉和隧底隆起。

（2）槽箐头隧道底板鼓起病害产生的主要原因是隧道底部围岩为具有膨胀性的泥岩，拱底围岩破碎，病害区部分地段未设置仰拱或仰拱厚度不足、脱空和破损。

（3）处治衬砌裂损病害，首先要消灭已有的衬砌裂损对结构及运营的一切危害，并防止裂损扩大。其次是采取以稳固围岩为主，稳固岩体与加固村砌相结合的综合治理措施。处治隧道底板鼓起、破损及裂缝的一般性措施为：加深排水沟，疏干地下水，消除底板软化。对已软化的底板可采取置换或注浆加固。

膨胀岩性质复杂，不少问题尚未解决。因此对膨胀岩的测试和评价，不宜采用单一方法，应根据实际情况和工程经验综合分析和评价。膨胀岩是否可能造成工程损害以及损害的方式和程度，通过对已有工程的调查研究来确定，是最直接最可靠的方法。

［1］罗鑫.公路隧道健康状态诊断方法及系统的研究［D］.上海：同济大学，2007.

［2］向晓军.龙泉山隧道病害治理［J］.现代隧道技术，2005，42 （2）：65-71.

［3］司徒丽新，邹友泉.软弱围岩隧道施工方法及病害防治［J］.山西建筑，2007（32）：326-327.

［4］王文铎.某城市公路隧道病害治理方法［J］.铁道标准设计，2002（8），35-39.

［5］JTG H12—2003公路隧道养护技术规范［S］.

Detection，Analysis and Treatment of Tunnel Pavement Diseases Caused by Swelling Rock

Tang Lianquan1，2， Liu Chuanxin1，2
（1. JSTI Group， Nanjing 211112， China； 2. Jiangsu Underground Space Exploration Technology Engineering Laboratory， Nanjing 211112， China）

Based on a practical engineering case， this paper described the detectived methods， disease causes and analytical methods of pavement diseases caused by swelling rock in Caoqing tunnel. Various of methods in practical application were introduced. Combining with the calculation of geotechnical exploration theory， numerical simulation and test results， relevant measures and suggestions were put forward.

tunnel engineering； swelling rock； pavement deformation； disease detection； treatment measures

U457+.2

A

1672-9889（2016）02-0069-05

唐连权（1967-），男，湖南邵东人，高级工程师，主要从事岩土工程勘察、设计、检测和施工方面的工作。

（2015-06-14）