浅谈某高速公路隧道病害成因

王培剑

（山西省交通建设质量安全监督局，山西 太原 030006）

1 隧道概况

某隧道为上下行分离的四车道高速公路隧道，设计行车速度80 km/h；其中左线桩号K33+226—K35+700，全长2 474 m，洞体最大埋深221 m；右线桩号YK33+227—YK35+742，全长2 515 m，洞体最大埋深231 m。设计纵坡2.65%～2.90%，左右洞中线距离30～40 m；隧道总体走向264°。

1.1 地形地貌

该隧道穿越区地形起伏较大，最大相对高差300 m；隧道上部山体大部分基岩裸露，植被稀少；地貌单元属低中山地貌。

1.2 地层岩性及地质构造

该隧道穿越区地层岩性主要由第四系全新统坡洪积黄土状粉质黏土、第四系上更新统坡洪积碎石、马兰黄土和奥陶系中统上马家沟组泥灰岩、灰岩组成。隧址区未发现断裂构造，但褶皱、裂隙发育。

1.3 水文地质

隧址区地下水类型主要为上层滞水。上层滞水是局部隔水，主要接受大气降水补给，具有分布随地而异、季节性变化大的特点，特别是在雨季，隧道内渗出的地下水会较多，对隧道稳定性产生不利影响。

1.4 气象条件

隧址所在地属温带半干旱大陆性气候，全年冬无严寒，夏无酷暑，雨热同季，昼夜温差较大，年平均温度9.7℃，年平均降水549.2 mm，每年6、7、8、9四个月的降水量占到全年降水量的70%。年均无霜期150 d，最大冻土深度约1.0 m。

2 主要病害类型

根据现场调查结果，该隧道病害主要表现形式为二衬开裂、局部渗水、底板隆起、路面开裂及电缆沟破损等。

2.1 衬砌裂缝

隧道衬砌裂缝共384条，其中环向裂缝181条、纵向裂缝108条、斜向裂缝95条，分布位置以边墙居多，拱腰、拱顶较少，多分布在距边墙底上0～2 m范围内，最大裂缝宽度约8 mm，局部有环向和斜向裂缝，另外个别段落拱顶也存在纵向裂缝。裂缝类型多为贯通型，部分裂缝有错台[1]。衬砌裂缝具体情况如图1～图3所示。

图1 二衬环向裂缝

图2 二衬斜向裂缝

图3 拱顶裂缝

2.2 衬砌局部崩裂

衬砌局部崩裂共13处，主要发生在边墙与电缆沟交界位置及预留设备洞室周围，如图4所示。

图4 二衬崩裂

2.3 隧道渗漏水

隧道衬砌表面存在湿渍10处，浸渗12处，主要分布在施工缝、边墙与电缆沟交界处上方约0～1 m的位置。如图5所示。

图5渗水点处渗水情况

2.4 底板隆起、路面开裂

该隧道局部段落底板隆起、路面开裂，最大隆起高度达22 cm；左右线路面裂缝共计29条，裂缝最大长度25 m，最大宽度20 mm。开裂隆起区域衬砌结构绝大部分有仰拱，且路面以下均不同程度地存在混凝土面层与垫层、垫层与回填层、垫层与围岩之间脱空现象[2]，见图 6、图 7。

图6 路面隆起

图7 ZK35+375位置路面中心开槽检测

2.5 电缆沟变位

部分段落电缆沟严重变位、破损，左线变形段主要集中在路线前进方向左侧，共34段523.5 m，右线变形段主要集中在路线前进方向右侧，共26段384 m，电缆沟变形相对于路面最大倾角达20°，见图8。

图8 电缆沟破损

3 隧道病害成因分析

根据现场调查及监测结果，综合考虑其设计、施工技术文件，对该隧道的病害成因进行全面分析，其具体原因如下。

3.1 地下水作用

隧址区近两年降雨量比往年明显增多，据1980—2013年气象统计资料显示，年总降水总量在380.6～784.3 mm之间，2013年总降水量达719.2 mm，在可统计的33年间排名第二。

隧道侧墙部围岩存在上层滞水，含水层岩性为石灰岩，隔水层岩性为泥灰岩。大气降水是上层滞水的唯一补给来源，隧道右洞侧上方27个采矿坑的集中分布，为地表水的入渗提供了良好通道，据估算，大气降水经采矿坑直接入渗量为31 m3/d；且隧道病害段位于隧道2.65%～2.90%纵坡的中下游段落，正位于围岩赋存水的下行和汇集位置。

强降水及隧顶矿坑形成的汇水通道导致隧道围岩中裂隙水储量增大，造成泥灰岩遇水软化及石膏岩软化膨胀，强度降低，围岩压力增大，导致隧道衬砌承载力不足，出现衬砌开裂、边沟及电缆沟变形、底板隆起等病害现象。

施工期间和运营初期先后3次病害的发生和发展时间均出现在雨季后和春融期。

3.2 地质构造作用

根据隧址区地质调绘成果，上马家沟组二段普遍发育开阔的（轻微）背（向）斜，构造较发育。隧道左线K34+637和右线YK34+648位置发现逆断层。该断层改变了隧道洞身的围岩岩性，断层以东洞身围岩主要为上马家沟组一段灰岩，围岩整体情况较好；断层以西（隧道病害区域）洞身围岩主要为上马家沟组一段局部不规则发育石膏与硬石膏的泥灰岩，围岩具有遇水软化膨胀的性质。

从隧道地质纵剖面图可以看出，隧址区地层总体为一向西缓倾的单斜，其倾角与隧道设计纵坡相差较小，导致隧道围岩大范围处于断层以西上马家沟组一段局部不规则发育石膏与硬石膏的泥灰岩地层中，致使隧道结构变形破坏区域较大。

隧道专项地勘和专项检测均表明隧道围岩节理裂隙较发育，且具贯通性。分水岭西段（病害发生区域）较东段节理、裂缝发育。据统计，节理在病害段发育密度达2～3条/m，高于非病害段。部分水平钻孔有较大的气流，说明裂隙与外界连通，且受隧址区温差影响。发育且连通的节理裂隙为大气降水进入围岩并产生影响提供了天然通道，且由于发育连通的节理裂隙内压力小于隧道排水系统中的压力，大部分的围岩赋存水由裂隙向外排出，部分进入底板围岩。

隧址区褶皱为多个和缓的背向斜组成的复式开阔褶曲，规模不大但对岩体完整性影响较大，山体透水性增强。加之向斜为储水构造，使上层滞水在隧道局部长时间汇集（如隧道左线K34+950位置），为隧道围岩中的石膏和泥灰岩的膨胀软化提供了条件。

该隧址区存在多个小规模背向斜组成的复式开阔褶曲、泥灰岩伴生石膏岩、岩体节理、裂隙极为发育且和外界连通的地质构造是一种较为特殊的地质构造，在省内公路隧道工程中未见，因而设计、施工和工程管理方面均未有充分认识。

3.3 泥灰岩软化作用

隧道周边分布有奥陶系中统上马家沟组一段泥灰岩，泥灰岩具有遇水膨胀软化、失水崩解、强度降低的工程特性。

本次工作在采取的边墙孔采集的10组泥灰岩样品中，有4组极软岩和软岩，其中极软岩软化系数仅为0.064，软岩软化系数达0.23～0.55，泥灰岩软化特征较为明显。

目前国内公路隧道设计的基本原理是采用新奥法，即隧道衬砌和周边围岩密贴而形成整体，共同承受外力和抵抗变形，而该隧道侧墙后泥灰岩的软化和变形，其不仅严重削弱隧道承载能力和抵抗变形能力，而且增加了作用于隧道衬砌的荷载。

当泥灰岩位于隧道拱底上方时，围岩遇水软化后强度降低，导致作用在衬砌结构上的荷载增加，进而加剧隧道病害的发展。当泥灰岩位于隧道拱底时，由于地下水在隧道纵向分布的不均匀性，隧底围岩强度高低不一，导致隧道在纵向上发生不均匀受力变形，从而使隧道衬砌结构产生环向与斜向裂缝。

可以认为，泥灰岩遇水易软化是造成隧道病害的主要原因之一。

3.4 石膏、硬石膏软化及溶蚀作用

华北地区奥陶系主要由灰岩、白云岩组成，其中夹有多层石膏层。奥陶系中统的主要含膏层位为下马家沟一段、上马家沟一段、峰峰一段。上马家沟组在长治地区位于Ⅱ区，区内上马家沟组地层岩性为灰岩夹泥质灰岩、泥质白云岩、石膏，据此可以判断该隧址区发育石膏层。

隧道弃渣检验和地勘水平钻孔岩芯取样检验表明，洞身围岩分布有石膏、硬石膏，尤以底板以上分布居多。石膏在水的作用下溶蚀会形成一定规模的溶洞，使洞体围岩强度显著降低。

硬石膏岩体吸水后膨胀软化，围岩自承载能力降低，并产生侧向变形，从而增强对隧道衬砌结构侧向挤压作用，使围岩压力超出了隧道结构的刚度和强度，导致衬砌结构局部应力集中，最终造成衬砌结构发生向隧道内侧的变形及开裂，路面及回填层在受到衬砌结构的挤压变形下隆起及脱空。

硬石膏岩层地下水中硫酸根离子浓度增加，加剧了对混凝土材料表面的腐蚀作用，长期作用会使混凝土表面剥蚀，结构逐渐松散。硫酸盐溶液侵入衬砌裂隙，生成具有膨胀性的二水硫酸钙，在孔隙中积聚，并与水泥水化产物铝酸钙及水化单硫铝酸钙反应生成钙矾石，导致混凝土结构劣化，膨胀破坏。

可以认为石膏和硬石膏遇水溶蚀和软化膨胀是造成该隧道病害的又一主要原因。

4 结论

根据《某隧道病害地质勘察报告》、《某隧道专项检测报告》中的一系列数据和结论，结合查阅设计文件及施工和管理全过程的技术文件，并借鉴省内外类似工程经验，综合分析后形成如下结论。

a）直接原因 该隧道穿越的中奥陶统上马家沟组地层中发育的硬石膏岩和泥灰岩水化膨胀和软化后变形增大、强度降低，产生的围岩压力超出了隧道支护结构的强度和刚度，进而引发了隧道变形、开裂和底板隆起等病害。

b）重要诱因 大气降水及山体汇水通道的贯通，导致该隧道围岩中裂隙水储量增大。地下水的富集，一方面使得硬石膏岩具备了水化作用的条件，泥灰岩和石膏岩遇水软化和膨胀，产生侧向挤压力，导致隧道拱脚及侧墙产生变形，边墙纵向密集开裂，电缆沟倾覆，仰拱受到两侧强大的挤压后，中央排水管被挤裂、填平层混凝土和仰拱分离隆起，致路面开裂；另一方面泥灰岩、石膏遇水软化和膨胀，导致隧底围岩承载能力大幅降低并由于在纵向与横向上的不均匀性，从而使隧道结构部分段落产生大量的环向与斜向开裂。

c）其他诱因 地下水通道的变化。伴随着隧道的施工建设，隧道围岩应力重分布，围岩的变形形态发生了调整，使地下水原有的补给、径流、排泄途径改变。地下水的富集，使得硬石膏岩、泥灰岩具备水化条件，并使围岩产生塑性变形进而作用于隧道结构。