公路隧道浅埋段地表交通荷载作用下衬砌渗水病害结构安全性探讨

■吴桂铨

（福建陆海工程勘察设计有限公司，福州 350008）

当隧道与上部道路立体交叉时，车辆所带来的地表震动荷载可能导致局部岩石隧道裂隙贯通，地表水沿着岩石的贯通裂隙渗入隧道周边围岩，裂隙在地表水渗入作用下进一步发育和贯通，进而加速围岩内的渗流。 衬砌周边塑性区随着时间和渗水的不断增多而加大，原设计的支护结构不能够满足现状的荷载需求而导致支护结构变形开裂，衬砌渗水后混凝土进一步劣化。

目前国内对于车辆荷载及地表水渗入对隧道产生的影响的研究有：曹志刚[1]通过建立三维弹性振动模型结果表明地表车辆荷载下邻近隧道的振动响应可由正对称和反对称荷载工况下的结果叠加得到；周志华[2]分析了动静荷载与渗透水压共同作用下压剪岩石裂纹的起裂规律，表明动荷载、渗水压力会加剧围岩的裂纹；陈寿堂[3]通过对地下水与隧道围岩的相互作用分析，得到了不同围岩级别条件下地下水对隧道围岩稳定性的影响，提出了隧道围岩在地下水影响下的修正分级方法。

本文以福建某高速隧道安全评估项目为依托，利用现场实测数据结合计算软件对地表交通荷载及地表水渗入对衬砌结构安全的影响进行计算分析，提出经济合理的处治方案，为后期隧道运营养护加固提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

文章所述的隧道位于福建省某高速上， 在日常巡查过程中发现该隧道左洞隧道出口位置出现严重的衬砌剥落、开裂和渗水缺陷。 据了解，某在建项目利用该隧道上方的机耕通道作为施工便道运输施工材料， 隧道病害及施工便道位置如图1所示：

图1 隧道病害及施工便道位置示意图

1.2 专项检测情况

据专项检测显示（图2），隧道洞口附近周边围岩未见明显的空腔，但是岩体节理发育，水量充裕，呈富水状态；衬砌表面呈线流状渗水（图3），衬砌裂缝主要以纵向和环向为主， 裂缝深度基本贯穿衬砌；左拱腰位置存在衬砌欠厚缺陷，实测衬砌厚度为设计厚度一半。

图2 隧道周边围岩水文检测三维图

图3 隧道衬砌线流状渗水实况

2 隧道衬砌计算

2.1 计算工况

利用隧道衬砌计算程序按照荷载结构法进行计算， 计算工况的选取考虑衬砌实测截面厚度，施工车辆静力荷载、振动效应、地表水渗入等影响，如表1 所示。

表1 计算工况一览

2.2 计算参数选取

通过专项检测及查阅隧道竣工文件，缺陷衬砌处于IV 级围岩浅埋段落， 上方覆盖层厚13.6 m；工况一与工况二按照竣工围岩等级IV 级选取计算参数。

地表交通荷载对衬砌的结构影响分为车辆静力荷载（即车辆自重和载重）和振动效应。 静力荷载可参照《公路桥涵设计通用规范》[4]中车辆荷载的最大单轴荷载140 kN 选取， 本文简化荷载通过围岩的扩散作用，按最不利的模式以外加集中荷载至隧道衬砌拱顶位置进行计算。 目前国内对于车辆振动效应对隧道衬砌结构影响的理论研究仍不完善，汽车行驶产生的振动效应以应力波的形式传播，以衬砌周边围岩为媒介将作用传递至衬砌上，应力波在传递的过程中对周边围岩产生振动和挤压导致了围岩裂隙的发育，从而对围岩性能产生影响。

地表水渗入主要影响隧道周边的围岩性能，当围岩周边有渗流发生时，渗透的地表水在围岩中的渗流作用力将改变围岩中原始的应力状态，影响围岩裂隙面的有效应力， 从而降低围岩的稳定性，甚至产生剪切破坏。 《公路隧道设计规范》[5]中提出岩质围岩基本质量BQ 值修正时应考虑地下水、 主要软弱结构面、初始应力状态的影响程度，但无明确修正的规定，《铁路隧道设计规范》[6]关于地下水影响下隧道围岩分级修正如表2 所示：

表2 地下水对隧道围岩分级修正

车辆的振动导致围岩裂隙的发育， 地表水通过裂隙渗入围岩， 渗入的地表水加剧岩体裂隙的发育，从而导致围岩进一步的劣化。 地表水渗入和车辆的振动效应是相辅相成的， 是造成隧道衬砌开裂及渗水的主要外因。 故本文通过出水状态进行修正围岩性能， 分析汽车的振动效应和地表水渗入对隧道衬砌的影响。 专项检测表明现场衬砌表面渗水呈线流状， 根据表2 将缺陷段落围岩等级修正为V 级， 并考虑围岩在富水状态下自重增大（由现场取芯试验所得）。 各工况计算围岩参数见表3。

表3 围岩计算参数

2.3 计算结果

本次计算采用结构荷载法隧道衬砌程序计算，根据平面弹性有限元原理把隧道的二次衬砌离散为若干的梁单元，各单元之间通过节点联结成承载结构。 围岩既是二衬的荷载又是二衬的约束，围岩对二衬的作用通过单元间的弹簧压杆来模拟。 计算单元模型如图4 所示。

图4 衬砌结构分析模型示意图

通过模型提取相应不利位置轴力和弯矩并计算相应安全系数如表4 所示。

表4 衬砌计算对比

根据上述计算结果，得出结论如下：

（1）通过工况一与工况二的对比显示衬砌局部厚度不足会降低衬砌结构安全储备；

（2）通过工况二与工况三的对比显示施工便道上的车辆静力荷载对隧道衬砌结构安全存在一定影响；

（3）通过工况三与工况四的对比显示施工便道上的车辆振动效应和地表水渗入导致围岩劣化，对隧道衬砌结构安全有很大的影响；

（4）根据工况四计算结果显示衬砌结构安全系数不满足规范2.4 的要求，需对衬砌结构进行加固。

3 隧道加固方案

3.1 加固方案

根据隧道加固规范规定，对于衬砌劣化较为严重的隧道一般采用套拱或拆换的处理措施，笔者考虑隧道处于高速公路上，采用拆换的处理措施虽然能够一次性解决隧道存在的安全隐患，但是由于该方案所需的时间长并且社会影响大，故本次拟采用嵌入钢支撑+增大衬砌截面的加固方式进行处治。方案具体措施如下：

（1）施工前对拟加固段落隧道轮廓进行量测，核查隧道限界是否满足加固设计要求；

（2）按1 m 间距刻槽嵌入工16 钢支撑，刻槽长度及深度可以根据实测轮廓进行调整；

（3）待型钢安装完成后拆除检测报告描述的欠厚衬砌，并按原设计恢复衬砌；（4）在钢支撑之间布置钢筋网，通过钢筋连接；（5）以型钢的弧度进行模板安装，再浇筑自密实混凝土。

3.2 加固效果

对隧道衬砌加固前后分别进行计算，加固前选取上述工况四， 加固后衬砌厚度按既有衬砌厚度+新增套拱衬砌厚度计入，即为60 cm，其余加固后计算参数同表3 工况四。 计算结果如表5 所示。

表5 加固前后衬砌计算对比

根据上述计算显示隧道在加固后衬砌安全储备有了较大的提升， 安全系数满足隧道设计规范要求。

4 结语

有隧道洞口附近排水设施的疏浚和维护，确保排水通畅，减少地表水渗入。

本文通过衬砌渗水形态对隧道周边围岩进行修正，提出了地表交通荷载和地表水渗入共同作用下衬砌结构安全的分析方法，但是地下水渗流场与车辆动力耦合是一个复杂的问题，本文仅依据规范采用围岩折减法简单地反映地下水渗流场与车辆动力对衬砌结构的影响，没有具体的工程试验做依托，故提出以下建议：

（1）既有隧道上方需要通行车辆时应进行必要的结构简算及评估， 确保安全后方可允许上方车辆通行；

（2）地表水渗入及车辆荷载对既有隧道衬砌结构存在影响，特别是浅埋隧道影响更大，应加强既