杜公岭隧道衬砌结构加固方案优化研究

王培荔，万 飞，郝晓燕

(1. 山西省高速公路管理局，山西 太原 030006； 2. 交通运输部公路科学研究所，北京 100088)

0 引言

石膏质岩是一种典型的特殊岩体，在地下水的作用下，表现出膨胀性、软化性和溶蚀性[1-3]，常常导致石膏质岩地层隧道施工或运营过程中出现衬砌变形开裂、衬砌局部崩裂、渗漏水、路面开裂与隆起等病害现象[4-8]。国内外研究人员在隧道病害处治方法方面已经取得了大量的工程实践成果[9-13]，二衬置换、二衬嵌拱或增换仰拱结合疏排堵渗漏水和围岩加固是隧道衬砌结构病害的主要处治措施。但由于石膏质岩独特的工程特性，加之隧道所处的水文地质和工程地质复杂，致使石膏质岩地层隧道衬砌结构病害成因错综复杂，难以确定合理、有效的病害处治方案，病害处治过后又复发的问题在石膏质岩地层隧道中不鲜见。

杜公岭隧道处于含硬石膏泥灰岩地层，2009年12月开工建设，2012年11月完工，2016年10月开始实施隧道特殊地质病害处治工程施工。隧道病害处治设计阶段认为含硬石膏泥灰岩地层的膨胀与软化作用是引发隧道病害的主要成因，但在隧道病害处治施工阶段拆除二次衬砌后，发现大量初期支护发生了严重的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(TSA)现象。碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀(TSA)最早于1998年由英国提出，我国是2004年在西部的水利工程发现过类似破坏，在公路交通领域尚未有公布的TSA 破坏案例。因此，针对既有初期支护发生的碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀现象，杜公岭隧道采用数值分析方法分析既有初期支护不能承载情况下衬砌结构病害处治措施的安全性，同时采用矿物成分测试手段分析隧道病害段落的腐蚀情况，并据此进行隧道衬砌结构加固方案优化。

1 工程概况

杜公岭隧道为长平高速公路上的双向四车道分离式高速公路隧道，隧道左线全长2 474 m、右线全长2 515 m，洞体最大埋深231 m。隧道断面采用三心圆(曲墙半圆拱)型式，拱半径为5.40 m，曲墙半径为7.90 m，衬砌结构采用复合式衬砌。

杜公岭隧道病害以3类、4类和5类为主，病害段落整体处于隧址区的泥灰岩地层中，泥灰岩中不规律地分布有硬石膏岩、石膏岩，如图1所示。隧道衬砌结构加固总规模1 447 m，原处治设计以二衬置换、二衬嵌拱两种方案为主，围岩锚杆加固和注浆加固为辅，主要方案和规模如表1所示。

图1 隧道主要病害区段地质纵断面(单位：m)Fig.1 Geological profile of main tunnel disease section(unit:m)

表1 原衬砌结构加固方案及规模Tab.1 Reinforcement scheme and scale of original lining structure

2016年10月，在施工初期阶段隧道病害查验时发现杜公岭隧道病害段落的初期支护混凝土强度损失严重失去承载能力、潮湿状态下出现泥化现象(见图2)，经混凝土专业实验室检测、诊断，隧道衬砌混凝土中产生了新的物质：碳硫硅钙石和钙矾石，这两种物质是混凝土受外部环境中硫酸盐(石膏岩)腐蚀的产物，其中，碳硫硅钙石是造成衬砌混凝土强度损失、泥化、失去承载能力的主要原因[14-16]。

图2 衬砌结构混凝土腐蚀照片Fig.2 Photos of concrete corrosion of lining structure

2 衬砌结构病害处治措施分析

杜公岭隧道既有初期支护发生的碳硫硅钙石侵蚀情况，会导致初支逐渐劣化失效，使得二次衬砌单独承担外部荷载，对二次衬砌的结构安全性影响明显。因此，为确定合理的衬砌结构加固措施，建立荷载-结构模型，分析既有初期支护不能承载情况下，采用单独置换二次衬砌(二衬单独承载)、二次衬砌结构嵌拱(二衬单独承载)和二次衬砌、初期支护同时置换(初支+二衬承载)等3种处治措施(以下分别简称措施①、措施②、措施③)时二次衬砌的安全性。

2.1 计算工况与荷载

选取杜公岭隧道隧顶、洞身、隧底均为泥灰岩和隧顶为灰岩、洞身、隧底为泥灰岩两种地层(以下分别简称地层A、地层B)条件为典型断面，计算工况详见表2。

表2 计算工况Tab.2 Calculation condition

地层A与地层B施加在衬砌结构上的荷载分别以典型断面ZK35+045(地层A)、ZK34+721(地层B)的病害反演分析得到[17]，如图3所示。

图3 衬砌结构荷载示意图(单位：kPa)Fig.3 Schematic diagram of loading on lining structure (unit:kPa)

2.2 模型网格

计算模型中初期支护和二次衬砌采用梁单元模拟，均采用弹性本构模型，初期支护与围岩之间的相互作用采用仅受压的法相弹簧单元模拟，初期支护与二次衬砌之间采用仅受压的刚性法向弹簧连接，衬砌结构模型如图4所示。

图4 衬砌结构模型网格Fig.4 Lining structure model mesh

2.3 计算参数

隧道初期支护置换采用I20a型钢，纵向间距0.6 m，C30喷射混凝土厚28 cm；隧道二次衬砌嵌拱方案采用φ22H16×18钢格栅，间距1 m布置，40 cm 厚C25素混凝土；二次衬砌置换采用50 cm厚C35钢混凝土，HRB400φ25@对称配筋，保护层厚度55 mm。初期支护中的型钢钢架和混凝土、二次衬砌嵌拱的格栅钢架和混凝土按照等弹性模量原则(EA=EcAc+EsAs)等效为整体。计算模型中初期支护与围岩的相互作用的法相弹簧单元根据《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)取弹性抗力系数k=150 MPa/m。初期支护和二次衬砌计算参数参考《公路隧道设计规范》(JTG D70—2004)取值，计算参数见表3。

表3 衬砌结构计算参数Tab.3 Calculation parameters of lining structure

2.4 处治措施安全性对比分析

分别以极值点(轴力最大点、轴力最小点、弯矩最大点、弯矩最小点)和关键部位(如图5所示)的安全系数、裂缝宽度按照《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)中相关条例计算评价二次衬砌的安全性。其中隧道关键部位如图5所示。

图5 二次衬砌关键部位示意图Fig.5 Schematic diagram of key parts of secondary lining

各计算工况时杜公岭隧道二次衬砌的安全性指标计算结果汇总见表4、表5。

表4 极值点安全系数与裂缝宽度Tab.4 Safety factor and crack width of extreme point

表5 二次衬砌关键部位安全性评估Tab.5 Safety assessment of key parts of secondary lining

由表4和表5中计算结果可以看出：

(1)单独置换的二次衬砌(50 cm、C35钢混凝土)承担全部荷载时，二次衬砌内力极值位置及隧道拱脚、边墙关键位置的安全系数较小(最小1.44)、裂缝宽度较大(最大1.23 mm)，不能满足规范要求。

(2)嵌拱处治后的二次衬砌(40 cm、C25素混凝土)承担全部荷载时，二次衬砌内力极值位置及关键部位(拱脚、边墙、拱腰等)的安全系数较小(最小0.14)，不能满足规范要求。

(3)将二次衬砌、初期支护同时置换，新置换的二次衬砌和初期支护共同承担全部荷载时，二次衬砌关键部位和内力极值部位的安全系数(最小2.23)和裂缝宽度(最大0.14 mm)均能满足规范要求。

综上所述，在考虑杜公岭隧道初期支护混凝土被碳硫硅钙石侵蚀而失去承载能力时，衬砌结构加固应采用二次衬砌、初期支护同时置换的措施才能保证衬砌结构安全。

(1) 针对地质灾害风险性评价单元划分问题，在对评价区地貌成因形态进行分析的基础上，划分出侵蚀构造地形、构造剥蚀地形、侵蚀堆积地形等三大类，高山、中山、低山、深切割丘陵、中切割丘陵、浅切割丘陵、冲积扇平原、河流及阶地等八亚类共计34个单元。这种划分方法既方便提取各评价指标值，也利于有针对性的提出防治措施。

3 隧道衬砌结构加固方案优化

3.1 衬砌结构加固方案的优化范围

根据上一节分析结果，杜公岭隧道衬砌结构加固方案需要进行优化。因此，为确定杜公岭隧道衬砌结构加固方案的优化范围，对杜公岭隧道未施工的1 007 m处治段落既有衬砌结构中碳硫硅钙石和钙矾石物质成分、围岩中硬石膏和石膏物质成分进行了专项测试。试样测定采用D8-ADVNCE型X射线衍射仪，测试断面121个、钻孔累计长度218 m，共计606个试样。

(1)测试断面与钻孔布设

测试断面平面布置如图6所示，其中二衬置换、二衬嵌拱的段落取样对象为初支和围岩，在靠近加固处治段落的外侧也进行初支和围岩钻孔取芯测试。此外，对隧道内二次衬砌局部严重鼓起崩裂处的部位和部分初支进行了直接取样。

图6 钻孔平面布置(单位：m)Fig.6 Plane layout of borehole (unit:m)

隧道每断面两侧边墙各布设1个水平钻孔，钻孔距离路面竖向距离约1.5 m，钻孔深度(L=A+B+C，其中A为既有二衬厚度40，45，50，55 cm，B为既有初支厚度20，22，24 cm，C为钻取岩芯长度)。

(2)测试结果分析

①初期支护混凝土腐蚀情况

79个断面的初期支护混凝土检测出碳硫硅钙石或钙矾石，占所有测试断面(121个)的65%；120个初期支护混凝土试样检测出碳硫硅钙石或钙矾石，占全部试样(223个)的54%。

42个断面的围岩中含有硬石膏或石膏，占所有测试断面(共111个断面)的37%；67个围岩试样检测出硬石膏或石膏，占全部试样(216)的31%。

经过对碳硫硅钙石、钙矾石腐蚀、硬石膏、石膏等物质含量的统计分析发现，在本次121个测试断面中，110个断面已发生腐蚀或具有极高的腐蚀风险，占比达到90.9%。表明碳硫硅钙石侵蚀在未处治的杜公岭隧道既有初期支护中已广泛分布，或正在逐步侵蚀中。因此，考虑隧道衬砌混凝土碳硫硅钙石侵蚀的时效性，可认为杜公岭隧道病害区段内的初期支护已失去或将失去承载能力。

3.2 衬砌结构加固方案

根据以上测试分析成果，杜公岭隧道对剩余未施工段落(约1 007 m)的衬砌结构加固措施和设计参数进行了优化设计。杜公岭隧道衬砌结构病害处治设计均采用拱墙、仰拱二次衬砌与初期支护同时置换、锚杆加固围岩的方案(见图3)，对于未设仰拱断面均增设仰拱，衬砌结构混凝土采用抗硫酸盐混凝土。隧道新置换的初期支护和二次衬砌设计参数见表6，衬砌结构加固方案见图7。

表6 新置换衬砌结构设计参数Tab.6 Design parameters of new replacement lining structure

图7 衬砌结构加固优化方案Fig.7 Optimized reinforcement scheme of lining structure

4 结论

以往的隧道衬砌结构病害依据衬砌结构病害严重程度的检测结果进行分类处治，针对3类、4类、5类衬砌结构病害分别采用喷混凝土、贴钢板、嵌拱或置换等措施，其中病害严重程度是以检测发生时的状态为准。而针对石膏质岩隧道衬砌结构碳硫硅钙石型硫酸盐侵蚀导致的病害，应充分考虑碳硫硅石侵蚀的危害性与时效性，从衬砌结构病害动态发展的角度判断病害严重程度。例如在2016年7月—2017年5月，杜公岭隧道病害处治施工期间，部分段落病害仍在持续发展，其中40 m由4类变为5类，58 m由1类变为3类，10 m由2类变为3类，右洞YK34+780、左洞ZK35+053、ZK34+990等附近出现了二衬崩落现象。杜公岭隧道衬砌结构病害持续发展的现象进一步验证了通过病害处治措施比选和矿物成分测试分析做出的推断，即杜公岭隧道初期支护结构正在发生碳硫硅钙石侵蚀并逐渐失去承载能力，而二次衬砌结构不能单独承担围岩荷载，需要同时置换初期支护与二次衬砌结构。

杜公岭隧道病害处治工程应用该隧道衬砌结构加固方案最终完成施工段落1 515 m，其中原设计处治段落1 447 m、新增病害段落68 m。截止2020年3月，杜公岭隧道已重新开通运营2 a，经检测未发现二次衬砌开裂等病害现象[18]，说明该隧道衬砌结构加固方案的处治效果良好。