软硬不均地层运营隧道病害成因分析及处治对策

蔺虎平，缑 婷，刘燕鹏，李 祥

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2.陕西省交通建设集团公司蓝商分公司，陕西 西安 710050)

0 引 言

得益于公路建设的蓬勃发展，截至2018年，中国已建成17 738条公路隧道，累计长度17 236.1 km，隧道数量和里程都位居世界第一。但受制于设计、施工、材料、地质等因素的影响，目前大多数隧道投入运营后都发生不同程度的病害[1]。而在上述影响因素中，地质因素可以说是隧道工程的先决条件。如果不探明围岩条件、不良地质，隧道修建就无从谈起。

软硬不均地层是隧道建设过程中遇到的特殊情况，受围岩风化作用的影响，隧址区存在不同的风化壳，它们在工程地质特征方面存在很大区别。此外，一些软硬不均地层还伴有夹层状风化、风化囊、风化槽等特殊风化类型[2]。围岩软硬不均，在隧道施工时往往出现掌子面失稳变形、支护结构受力不均等情况，若施工不慎，极易造成围岩塌方和支护开裂等病害。目前，大量学者对软硬不均地层隧道病害展开了研究，但主要集中在围岩及结构力学分析[3-6]、隧道施工技术研究[7-16]和隧道塌方处治研究[17-19]等方面，对运营期该地层的病害却鲜有研究。事实上，相较于施工期隧道事故处治，运营期隧道受交通保畅、社会影响和经济投入等方面的制约更多，导致有些处治方案虽然处治效果较好，但是不适用。

鉴于此，本文针对西南地区某运营隧道在软硬不均地层出现的路面开裂、检修道变形和衬砌裂缝等病害，在对隧道病害段地层条件、病害现状进行详细调查的基础上，对病害原因及相应的处治对策进行阐述，为今后类似项目的设计和施工提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

依托隧道的设计行车速度为80 km·h-1，于2008年4月建成通车，为分离式双向四车道隧道。左洞长540 m，右洞长585 m。2015年12月，隧道右洞YK953+830～YK953+852段右侧车道路面隆起、边墙开裂；2017年下半年，该段落变形速率较大，管养单位对路面进行铣刨、重铺，但变形仍不断发展；2019年6月，设计单位对病害段进行现场调查和处治。

1.2 地质构造

隧道右洞YK953+827～YK953+855.5段为Ⅲ级围岩，隧道地层为微风化石灰岩，灰白色，微晶-隐晶致密结构，厚层状构造，节理裂隙不甚发育，岩体较完整，呈大块状砌体结构，稳定性较好。隧道及其周边未发现滑坡、崩塌、泥石流、溶洞等不良地质作用。隧址区处于区域地壳不均匀间歇上升地区，属区域稳定性较好的地区。

1.3 工程变更

隧道YK953+832～YK953+842段原设计为Ⅲ级围岩，实际开挖后发现该段围岩掌子面左部为灰色弱风化硬质灰岩，块状结构，含少量白色方解石岩脉，节理裂隙较发育；掌子面右部风化程度较高，围岩完整性和稳定性较差。下部开挖后发现该段围岩为泥质岩，节理裂隙发育，基底较软弱。变更结果：确定隧道右线YK953+832～YK953+842段增加仰拱，同时每榀拱架增加2根锁脚锚杆。

但隧道路面结构检测结果表明，YK953+832～YK953+842段未按变更设计增设仰拱。

1.4 隧道路面结构检测

为探明隧道路面隆起、检修道倾斜等病害的形成原因，业主组织检测单位在YK953+833.5(ZK1)、YK953+843.5(ZK2)、YK953+851(ZK3)进行路面钻孔，钻孔剖面如图1所示，揭露地层从上往下依次如下。

图1 隧道路面钻孔剖面

(1)沥青混凝土路面。厚度0.70 m，上部为0.10 m沥青路面，其下为0.24 m水泥混凝土，底部为C15混凝土整平层。

(2)黏性素填土。褐灰、褐黄色，主要成分为黏性土，包含5%～10%灰岩碎石及角砾，呈可塑状，湿，厚度为1.20 m。

(3)黏性素填土。褐灰、褐黄色，主要成分为黏性土，包含25%～35%灰岩碎石及角砾，呈硬塑～坚硬状，稍湿，厚度为0.50～1.20 m。

(4)灰岩。灰、青灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，强～中等风化，节理裂隙较发育，钻探岩芯呈碎块及少量短柱状，岩溶发育程度较弱，岩芯未见溶孔溶隙，岩块用小锤难击碎，岩芯采取率为69%～88%，岩石质量指标为18%～35%。岩面埋深为1.20～3.10 m，揭示厚度为12.00～13.90 m，所有钻孔均揭示该层。

2 隧道的主要病害

2.1 路面开裂

从现场情况来看，仅右侧行车道路面出现2条纵向裂缝，左侧车道无开裂、变形现象，如图2所示。

图2 隧道路面病害展布

(1)在距右侧检修道侧壁约1.6 m处，YK953+834～YK953+845段路面存在1条纵向裂缝。

(2)在距右侧检修道侧壁约4.0 m处，YK953+839～YK953+849段路面存在1条纵向裂缝。

2.2 检修道变形

从现场情况来看，YK953+830～YK953+852段右侧检修道存在隆起、变形现象(图3、4)，主要表现如下。

图3 检修道侧壁开裂

图4 检修道变形及路面隆起

(1)YK953+843～YK953+849段检修道侧壁开裂，裂纹右倾；YK953+839～YK953+843段检修道侧壁开裂，裂纹左倾。

(2)YK953+830～YK953+852右侧检修道侧壁隆起，向右侧行车道最大倾斜约4 cm，靠右侧路面检修道盖板最大翘起高度约6 cm。

2.3 衬砌裂缝

从现场情况来看，YK953+830～YK953+856段右边墙有4条裂缝。

(1)YK953+850～YK953+856段右边墙衬砌纵向裂缝长约6 m，宽约1.0～1.5 mm，距检修道1.5 m。

(2)YK953+846～YK953+851段右边墙衬砌斜向开裂，裂缝长约4 m，宽约1.0～1.5 mm，距检修道1.0～2.2 m。

(3)YK953+844处右边墙衬砌自检修道环向开裂，裂缝长约2 m，宽约1.0～1.5 mm。

(4)YK953+837处右边墙衬砌自检修道环向开裂，裂缝长约4 m，宽约1.0～1.5 mm。

3 隧道病害形成原因探析

3.1 地层条件判定

根据工程变更资料，变更区段YK953+832～YK953+842按上下台阶法开挖，YK953+832处上台阶掌子面左部为弱风化硬质灰岩，右部为泥岩，下台阶为泥质岩，初步判断为软硬不均地层。

此外，为进一步验证判断的准确性，在隧道右侧YK953+837(ZK4)和YK953+849(ZK5)边墙裂缝处钻孔取芯，位置如图5所示。

图5 衬砌边墙钻孔取芯位置

(1)ZK4芯样长55 cm，其中二次衬砌27 cm，初期支护厚度为8 cm，强风化灰岩厚度为20 cm，呈块状，节理裂隙发育，裂隙中未充填黏性土。

(2)ZK5芯样长119 cm，其中二次衬砌84 cm，初期支护厚度为7 cm，强风化灰岩厚度为28 cm，呈碎块状，节理裂隙极为发育，含黏性土。

综合上述，判断隧道病害段位于典型的软硬不均地层，围岩分界横断面如图6所示。

图6 软硬不均地层围岩分界横断面示意

3.2 隧底变形机制探讨

本项目隧道病害从下往上依次为路面、检修道、衬砌边墙，路面、检修道病害与隧底有关，衬砌病害的原因如下[20]。

(1)施工期浇筑、养护不到位。

(2)衬砌背后存在空洞。

(3)衬砌厚度变化，产生应力集中。

(4)仰拱薄弱或破坏严重。

(5)衬砌劣化，导致强度不足。

(6)基底围岩承载力的变化不一致，导致沉降不均匀。

(7)地质条件复杂、围岩软弱、构造发育等。

但是结合前文钻孔勘探结果以及隧道施工期资料分析可知，本项目隧道衬砌病害来源于隧底。因此，隧底变形机制是隧道病害原因分析的重点。

从地层角度来说，灰岩属于沉积岩地层，一般产出形态为层状，而泥质岩的变形破坏主要受岩层产状及岩层组合等因素影响，破坏模式多见弯曲内鼓和顺层滑移等。

本项目隧道病害段位于软硬不均地层，隧道建成至今已超过11年。在上部“车辆+自重”荷载的反复作用下，软硬不均分界线处岩层层面剪切应力逐渐集中。当剪切应力超过层面的抗剪强度时，隧底泥质岩将沿软硬不均分界线发生顺层滑移(图7)。

图7 隧底顺层滑移破坏模型示意

当隧底发生顺层滑移，而病害段右侧围岩强度较低、稳定性较差时，势必造成距离最近的右侧岩体应力重新分布。在此情况下，伴随隧底沉陷，衬砌墙脚可能产生轻微下沉变形，同时受到沉陷的隧底结构层挤压，隧道附属结构(诸如检修道、排水边沟)发生隆起变形。此外，衬砌墙脚下沉变形也会导致边墙部位发生纵向结构开裂，这种衬砌裂缝常与路面纵向开裂、检修道倾斜等一起出现。

4 隧道病害处治措施

该隧道从2015年首次出现路面隆起变形、边墙开裂的病害以来，变形速率、严重程度逐年增大，已严重影响洞内行车安全。如任其继续发展，隧底顺层滑移将会导致衬砌墙脚产生更大沉陷，影响结构安全，届时运营安全、社会影响、施工风险、处治费用等成本都远远高于现在。

4.1 改善隧底条件

鉴于本项目隧道发生病害的根本原因是隧底存在软硬不均地层，为防止隧底继续出现沿岩层分界面应力集中的现象，进行跳槽开挖和基底换填。

(1)采用4.5 m长Φ89 mm×6 mm无缝钢管对墙脚进行注浆锁脚，在完成既有衬砌锁脚后，再进行路面开挖。钢管锁脚设计如图8所示。

图8 钢管锁脚设计

(2)隧底开挖至设计深度，拆除横向范围内原有检修道、路面等。

(3)根据《公路隧道加固技术规范》(JTG/T 5440—2018)的要求，本次采用跳槽方式开挖隧底，每次拆除段落不超过5 m，跳槽间距不小于10 m。

(4)应根据现场实际情况确定隧底开挖换填深度，宜按1∶0.2的比例进行放坡开挖，并将隧底黏性土全部换填。

(5)根据路面钻孔勘察情况，ZK2对应路面结构层下方的黏性素填土最厚，为路面下3.1 m。

(6)考虑到隧道路面下方软弱结构层厚度不一致，现场开挖至灰岩基面，且设计中心线开挖深度为1.79～3.10 m。

(7)开挖至隧底基岩表面后，清除表面虚土，然后用C15素混凝土进行基底换填。

4.2 加强洞身结构

结合施工期文件(变更资料等)和隧底钻孔情况来看，本项目隧道病害段不但位于软硬不均地层，而且围岩节理裂隙都较发育，围岩稳定性较差，达不到Ⅲ级围岩定性标准。鉴于此，在隧底回填完成后施作仰拱，增强洞身结构整体性(图9)。

图9 隧底增设仰拱设计

(1)隧底换填完成后，设置格栅钢架，并浇筑40 cm厚C25混凝土仰拱，最后在仰拱上方回填C15素混凝土。

(2)恢复上部路面结构层、检修道、排水边沟等。

5 结 语

软硬不均地层是隧道建设中遇到的特殊情况，目前多数学者主要对这种地层条件下隧道施工阶段出现的塌方事故处治进行研究，对运营阶段的病害处治研究较少。而运营隧道相对于其他工程而言，受限条件较多，处理起来相当困难。本文以西南地区某运营隧道为例，重点对路面开裂、检修道变形和衬砌裂缝等病害的现状和成因进行分析，建立了隧底顺层滑移模型，并提出了软硬不均地层运营隧道病害处治措施。

(1)运营隧道病害处治必须找准病因，只进行简单的常规处治是不能根治病害的，如本隧道在2017年针对路面变形开裂病害采用铣刨重铺措施，处治效果不佳。

(2)软硬不均分界线处剪切应力超过层面抗剪强度导致的顺层滑移破坏，是造成本项目隧道病害的主要原因。

(3)隧底顺层滑移破坏导致衬砌墙脚轻微下沉，同时受到沉陷的隧底结构层挤压，检修道和排水边沟发生隆起变形。

(4)在分析隧道病害形成原因和滑移破坏模式的基础上，提出了改善隧底条件及加强洞身结构的处治方案，以期从根本上防治软硬岩不均匀地层运营隧道病害，为今后此类隧道病害处治设计和施工提供借鉴依据。