综合监测手段在营运高速公路隧道质量评估中的应用

章游斌，刘 浩,李 清

(广东华路交通科技有限公司，广州 510420)

0 引言

随着社会经济的发展，高速公路在近三十年来建成数量呈指数式增长，与此同时公路隧道营运里程与日俱增。截止到2018年底，全国公路隧道增至17 738处，营运里程为1 723.61万m。然而随着隧道营运时间的延长，二衬出现了越来越多的结构性病害，如裂缝、破损、鼓裂和渗漏水等；此外二衬还存在着建设期遗留下的问题，如脱空或空洞、不密实、二衬厚度不足和防水板切割二衬等。为了保障公路隧道的安全营运，在营运过程中针对二衬病害集中发育区可优选出几种有效、合理的监测方法，形成一套综合监测系统，以便及时掌握隧道断面变形、二衬应力应变和裂缝宽度等情况，为提升高速公路养护技术、营运隧道安全、延长高速公路的使用寿命、发挥公路隧道的最大效益和促进社会交通运输的可持续发展，具有重大意义。

1 工程概况

CLD隧道左线LK124+510～+522区段，2012年定期检查首次发现该模衬砌主车道边墙和超车道边墙均出现衬砌鼓裂、破损现象，2014年检查又发现二衬原超车道衬砌部位有环向钢筋向隧道内侧弯曲的现象(图1)。针对该模衬砌病害，从2014年～2017年对该模衬砌进行了监测，并于2018年进行了加固处治。

图1 LK124+510～+522区段2015年衬砌病害

根据勘察设计资料，该区段围岩由弱-微风化砂岩组成，裂隙发育，岩石破碎，强度较高，节理裂隙发育带，大部分存在破碎带或物探异常带，该区段无不良地质。施工期TSP超前地质预报判定围岩等级为V级，二衬采用V级围岩加强型支护。

2 监测内容及实施

2.1 监测内容

根据CLD隧道LK124+510～+522区段病害情况，本次监测内容包括断面变形监测、二衬应力应变监测、衬砌裂缝宽度监测等，具体见表1。

表1 LK124+510～+522区段2016年～2017年监测项目

2.2 监测实施

2.2.1 断面变形监测

在只允许封闭半幅隧道的情况下，采用精密水准仪和收敛仪量测的方法受行车影响，无法实施。拟采用TS30全站仪进行量测，其测角精度为0.5″，测距精度为1mm+0.6ppm。LK124+512、LK124+520断面在隧道拱顶布置1个拱顶下沉点，在两边边墙和拱部布置2对水平收敛点(每个断面共5个测点)；+516断面在两边边墙布置1对水平收敛监测点。为保证观测精度，每个测点采用永久放置的固定棱镜。

由于隧道内无法设置观测墩，且水平收敛基线精度主要受测距及所张夹角测量精度的控制，故在安置仪器处地面埋设一个十字标心，以使仪器每次架设在大致相同的位置。收敛线长度采用全站仪对边测量程序进行测量，拱顶下沉采用全站仪三角高程测量方法，以全站仪对面边墙上的收敛测点作为高程基点。通过测量得到各条收敛线长及拱顶测点与基点的高差，将每期测量结果与第一次和前一次比较，算出断面变化的累计位移和位移速率。

按全站仪标称精度及以往实测经验，对边测量及短视距三角高程测量可以通过重复多次测量并进行异常数据筛选的方法提高观测精度。按TS30全站仪标称精度进行理论计算，误差计算公式如下：

mh2=sin2α·ms2+s2·cos2α·mα

(1)

式中：mh为高程中误差(对边测量时为水平点位中误差)；ms为测边中误差；mα为测角中误差。

按全站仪标称水平角0.5″/竖直角1″/测边1mm+0.6ppm，测量距离按10m，观测角度平均按45°计算可得mh=0.7mm。理论上一次测量可满足要求，但在实际测量中由于外界因素如气象条件、行车等影响往往达不到理论精度，因此需加以重复测量并筛选取值来达到精度，采取测量4个测回。监测点布置如图2所示。

图2 LK124+510～+512区段隧道拱顶下沉和收敛量测布点

2.2.2 二衬应力应变监测

应力应变监测是通过在衬砌表面安装砼应变计，定期测试、分析其应变增量大小，推算出应力大小的增量，以此判断结构物受力性状。

CLD隧道左线LK124+510～+522区段洞身衬砌鼓裂位于边墙处，因此本次在+512.0、+516.4、+520.0 主车道边墙和+512.0、+515.8、+520.0超车道边墙各安装1个应力应变计，共计6个应力应变计。

2.2.3 衬砌裂缝宽度监测

CLD隧道左线LK124+510～+522区段洞身衬砌鼓裂位于边墙处，因此本次在+514.6、+517.2主车道边墙和+520.6、+521.5超车道边墙衬砌鼓裂的位置各安装1个测缝计，共计4个测缝计。

本次“断面变形监控量测”、“二衬应力应变监测”、“衬砌裂缝监测”3个监测项目的监测频率为1次/2月。

3 监测结果及病害现状

3.1 断面变形监控量测结果

根据2014年5月～2018年11月的27次监测结果，如图3、图4和图5所示，计算53个月的变形速度(累计变形量/时间)。根据计算结果判断，LK124+510～+522区段二衬断面基本稳定,存在轻微的波动变形，但断面变形没有呈单一收敛趋势或单一扩张趋势。

图3 LK124+512断面“拱顶下沉、周边收敛变形”趋势(2014年5月～2018年11月)

图4 LK124+520断面“拱顶下沉、周边收敛变形”趋势(2014年5月～2018年11月)

图5 LK124+516断面“周边收敛变形”趋势(2016年7月～2018年11月)

3.2 二衬应力应变监测结果

根据2016年10月～2017年11月的7次监测结果，2016年10月～2017年5月期间LK124+510～+522区段二衬存在应力应变变化，2017年7月～2017年11月期间应力应变值基本稳定，如图6所示。

图6 LK124+510～+512区段“应力变化”趋势(2016年11月～2017年11月)

3.3 衬砌裂缝(鼓裂)监测结果

根据2016年10月～2017年11月的7次监测结果，LK124+510～+522区段二衬超车道边墙鼓裂处有继续发展的趋势，主车道边墙鼓裂处有轻微发展趋势，如图7所示。

图7 LK124+510～+512区段“裂缝宽度监测”趋势(2016年11月～2017年11月)

4 病害原因分析

根据该区段2014年专项检测结果可知，二衬厚度、回弹强度均满足设计要求，且未发现衬砌不密实、脱空、空洞等病害。据施工期揭露资料，该区段地质情况较差，施工期初期支护曾出现严重变形，推测该区段衬砌鼓裂、破损是由围岩应力作用所造成。

根据2016年10月～2018年11月的“断面变形监控量测”结果(第15期～第21期)，CLD隧道LK124+510～+522区段断面基本稳定、存在轻微的波动变形(断面变形没有呈单一收敛趋势或单一扩张趋势)；2016年10月～2017年5月期间二衬存在应力应变变化(2017年7月～2017年11月期间应力应变值基本稳定)；“衬砌裂缝(鼓裂)监测”反映出超车道边墙鼓裂处有继续发展的趋势，主车道边墙鼓裂处有轻微发展的趋势。

5 结论

综合本次3项监测内容结果，推断该模衬砌在围岩应力作用下，衬砌结构病害存在进一步发展的可能性和一定程度的安全隐患。

建议：(1)对该模衬砌进行相应的加固处治；(2)加大对该区段的日常检查频率，重点关注衬砌鼓裂处修补处理后是否继续开裂，并检查该区段路面、两侧检修道、两侧排水沟、内装层是否有异常现象，以及时发现问题并采取相应的处治措施。