白阳山隧道内套拱加固方案探究

冯 劲 张昱辉 邹春贤 桑运龙

（1.浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江 杭州 310011；2.武义县交通运输局，浙江 金华 321200；3.上海同岩土木工程科技有限公司，上海 200092；4.同济大学，上海 200092）

针对隧道的诸多病害，考虑社会影响和通行压力，运营养护单位优先选用局部结构维修补强的方法进行病害处置，通常包括衬背注浆、钢板及复合材料补强、喷混凝土、锚杆加固、局部拆换等。

一、工程概况

白阳山隧道位于浙江省金华市武义县白洋经济开发区内，与G25长深高速公路平行布线，设计为时速80km双向四车道分离式隧道，建筑限界净宽14.5m，净高5m，2005年建成通车。隧道全长480m，埋深0m～110m。隧址以弱、微风化凝灰岩、粉砂岩夹凝灰岩为主，受地质构造及风化作用影响较严重，节理裂隙发育；地下水以第四系松散岩类孔隙潜水和基岩网状裂隙水为主，受大气降水补给，水量随季节性变化，富水性差；山体发育1条断层带，局部发展为断层破碎带，带内地下水以基岩裂隙水及脉状裂隙水为主。隧道设计施工按新奥法原理，进出口明洞全长62m，采用厚65cm钢筋混凝土衬砌；暗洞采用复合式衬砌结构，初期支护以锚杆和钢筋网喷混凝土组成联合支护体系，二次衬砌采用模筑混凝土结构，初期支护与二次衬砌结构之间设防排水夹层。老洞衬砌支护参数，如表1所示。

二、主要病害

（一）表观病害

衬砌表观主要病害主要为裂缝、渗水、路面开裂等，其中，二衬纵向裂缝216处，环向裂缝68处，斜向裂缝36处，衬砌渗水23处。水泥路面纵向开裂12处，横向开裂7处，路面纵向开裂12处，横向开裂7处，破损5处。进出洞门拱圈及墙体有多处开裂且渗水，路缘石及盖板多达30处破损，排水边沟多处堵塞，瓷砖多处破损缺失。

表1 白阳山隧道老洞衬砌支护参数表

（二）二衬脱空

白阳山隧道5条测线中均出现二衬脱空现象，且所占比重较大。其中，左拱腰测线脱空共计17段，合计长度约141m，占左拱腰测线总长29.5%，最大脱空深度约15cm；左拱肩测线脱空共计15段，合计长度约166m，占左拱肩测线总长34.9%，最大脱空深度约15cm；拱顶测线脱空共计14段，合计长度约51m，占拱顶测线总长10.7%，最大脱空深度约12cm；右拱肩测线脱空共计13段，合计长度约88m，占右拱肩测线总长18.5%，最大脱空深度约12cm；右拱腰测线脱空共计11段，合计长度约129m，占左拱腰测线总长27.5%，最大脱空深度约14cm。

（三）厚度不足

该次检测范围，白阳山隧道二衬厚度5条测线中仅拱顶测线的二衬厚度合格率在90%以上，其余4条测线的二衬厚度合格率均低于90%，且有部分区段的二衬厚度实测值小于设计值的1/2。结果如下。

左拱腰测线厚度不足24段，长度约57m，占左拱腰测线长度的11.9%，左拱腰测线二衬厚度合格率为88.1%，未出现小于设计厚度1/2的部位。

左拱肩测线厚度不足32段，长度约76m，占左拱肩测线长度的16.0%，左拱肩测线二衬厚度合格率为84.0%，未出现小于设计厚度1/2的部位。

拱顶测线厚度不足7段，长度约15m，占拱顶测线长度的3.1%，拱顶测线二衬厚度合格率为96.9%，但在k1+430处二衬实测厚度仅13.6cm，该处设计厚度为35cm，共计一处实测厚度小于设计厚度的1/2。

右拱肩测线厚度不足20段，长度约54m，占右拱肩测线总长11.3%，右拱肩测线二衬厚度合格率为88.7%，但在k1+394处二衬实测厚度仅15.0cm，该处设计厚度为30cm；在k1+434～k1+435处二衬实测厚度仅15.3cm～17.2cm，该处设计厚度为35cm；共计2处实测厚度小于设计厚度的1/2。

右拱腰测线厚度不足28段，长度约91m，占右拱肩测线总长19.4%，右拱肩测线二衬厚度合格率为80.6%，但在k1+317.5处二衬实测厚度仅12.9cm，该处设计厚度为35cm；在k1+377.5～k1+378.5处二衬实测厚度仅13.3cm～15.0cm，该处设计厚度为30cm；在k1+425.5～k1+431.5处二衬实测厚度仅8.5cm～16.1cm，该处设计厚度为35cm；在k1+456.5处二衬实测厚度仅17.0cm，该处设计厚度为35cm；共计4处实测厚度小于设计厚度的1/2。

三、加固方案设计

根据检测结果，隧道处于中等—严重损伤范畴（健康度3级），考虑施工期保通及渗漏水问题，国内外工程界通常采用内套拱加固法。依据是否设置防水板，可以将套拱加固方法分为两类，即叠合式套拱与分离式套拱。考虑项目渗漏水较严重，结合施工组织因素，推荐分离式套拱方案，即在现有二衬内侧新增套拱，与既有衬砌之间布设一道新的防水板，在提高结构承载力的同时，改善结构整体防水性能，如图1所示。

图1 分离式套拱加固示意图

为确保建筑限界净高、净宽满足规范要求，将隧道建筑限界向右侧偏移75cm，同时改造原有2m宽人行道及道下电缆沟，重建路缘石、路侧排水及机电照明系统。

图2 加固前后建筑限界对照图

加固设计主要包括：套拱加固、拱背空洞充填、裂缝修补、套拱背排水、施工缝及集中出水点刻槽埋管五个方面。其中拱背空洞充填、裂缝修补及施工缝、集中出水点刻槽埋管应在套拱结构加固处置之前进行。

（一）套拱加固

针对二次衬砌的病害，在不侵入建筑限界的前提下，考虑各种围岩类别及实际衬砌厚度情况，采用在既有二衬结构外加C30混凝土套拱，通过对衬砌的加强，提高其整体稳定性和承载力，以达到提高缺陷衬砌安全度的目的。

主要要点：对指定区域空洞进行注浆回填密实，并完成拱背排水、施工缝及集中出水点刻槽埋管施工；二衬表面要清除表面浮渣、装饰、油污、混凝土浆皮；掺聚丙烯纤维混凝土的掺量及工艺需按要求施工；复测隧道净空断面（保证不侵入隧道建筑限界）；混凝土表面应进行表面抹光，并采用涂料喷涂处理，以利美观，墙部装饰采用装饰板材。

（二）拱背空洞填充

注浆充填拱背空隙或空洞地段，使衬砌与围岩紧密结合，荷载作用均匀，增强围岩弹性抗力，减小拱顶和拱腰部位的冲击荷载，改善衬砌结构的约束条件，同时起到约束围岩松弛的作用。

该次设计拱背注浆采用φ100mm钢管，端部开十字形槽口。拱部范围内布置3根，间距3m，纵向间距2m，长度以顶住初期支护层为准。注浆材料采用M25水泥砂浆。为保证砂浆和二衬混凝土的胶结强度，砂浆配合比应在现场试验后确定，参考配合比为水泥：砂：水=1：0.2：0.4，注浆压力控制在0.8MPa。注浆要求回填密实，空洞较大处应分次进行，注浆结束后应封住注浆口，待砂浆强度达到设计强度以上时，进行无损检测，对未回填密实的地段钻孔低压压注水泥浆。

拱背注浆应在结构加固处治之前进行，确保后续处置工程中安全施工。

（三）施工缝及集中出水点刻槽埋管

根据检测报告中所述的二次衬砌渗水情况，主要采用打孔排水、凿槽埋管的方法引排处理衬背的渗漏水。

1.针对施工缝处衬砌排水。在衬砌施工缝的混凝土表面开凿15cm×15cm的环向槽，在槽内向围岩内钻孔，孔的直径8cm，深度300cm，然后向孔内插入直径5cm，靠围岩的一端剪掉一段钢丝，扎紧管口的φ80软式透水管，环向槽下端通过PVC管连接到水沟。

2.针对集中出水点处衬砌排水，施工时首先对隧道内各渗水点、渗水裂缝作全面复查，确定需处理的桩号范围，然后在有集中渗水点附近或渗水裂缝的混凝土表面沿缝开凿15cm×20cm的环向槽。在槽内向集中出水点钻孔，孔的直径8cm，深度300cm，然后向孔内插入直径5cm，靠围岩的一端剪掉一段钢丝，扎紧管口的φ80软式透水管，软式透水管与PVC管之间用弯接头连接，φ80PVC管固定在槽中，下端引入水沟。安装环向管的槽用遇水膨胀腻子和干硬性混凝土塞填(水灰比约0.45)，可掺加适量的微膨胀剂。塞填混凝土前应先在槽内壁涂刷混凝土黏合剂两遍。施工完毕恢复混凝土表面平整。

3.对衬砌渍水地段，首先将渗水处清洗凿毛，再采用外刮优质防水涂料处理。施工中凿槽后应用高压风、清水冲洗，清碴后再安装排水管。并应对洞内设备及管线采取保护措施，施工期间应密切观察渗漏水情况。

（四）套拱结构防排水

套拱衬砌采用防水混凝土，混凝土抗渗等级不小于P8。套拱与原衬砌结构之间施作完整的防排水系统，包括衬砌背面EVA防水板、70mm×30mm环向排水盲沟、φ100mmHDPE衬背纵向盲沟。

凿除现有堵塞的路缘排水沟，采用C30混凝土回填，在现状电缆沟位置设置纵向盖板排水边沟，并于路缘石中每10m设置一道φ6排水孔，将路面污水引入排水沟。

（五）技术经济分析

作为隧道整体性结构补强方法，除内套拱方案外，传统的方法还包括预加固后整体拆除原衬砌结构，重新施作新的二衬结构。经比选，内套拱方案较换拱部方案约节约造价3500万元，同时具有施工快、安全隐患小的优点，从环保角度，套拱方案施工时仅拆除隧道底部，对周边环境扰动小，具有较明显的优势。

四、结语

白阳山隧道为早期修建的公路隧道，设计、施工水平较低，该隧道的多数病害在早期修建的隧道中普遍存在。此加固方案研究不仅可直接指导、辅助依托工程——白阳山隧道的维修加固，还可以为浙江省境内1550座危病桥隧整治提供有力技术支持，提高全省乃至全国公路隧道养护技术水平。