既有新岭隧道结构病害与加固技术

郑军华，丁海洋

（浙江数智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310031）

1 概述

近年来，我国的公路网逐渐向山地延伸，山岭隧道的数量增长越来越快。截止2019年底，全国的公路隧道数量共有19067处，总长共计1896.66万m。其中有特长隧道1175处，共计521.75万m；长隧道4784处，共计826.31万m。目前，我国的隧道总里程、隧道数量均为世界第一。我国地质条件复杂，地形环境多变，隧道普遍会遭受各种病害。其中部分隧道易出现衬砌开裂、渗水、基底翻浆冒泥等病害，这些病害降低了服务水平，并可能威胁到运营安全。

目前，我国约有20%～30%的公路隧道结构处于一种亚健康的状态，其中65%的隧道已迈入维修养护期［1］。常见的隧道病害有衬砌开裂、缺陷，隧道出现渗漏水等［2］。检测隧道病害的技术主要有目测、微破损检测（包括对隧道钻孔取芯等）、无损检测法（包括地质雷达、超声波成像、激光扫描、红外线等方法）［2］。目前，在隧道病害检测中运用较多的是地质雷达法［3-5］。地质雷达法成像效率高，结果精确，达厘米级，可满足绝大部分检测要求。但雷达法存在探测长度受限及干扰因素降低信号处理效率的问题［6-8］。激光扫描法采样率高，布点灵活，但其检测效率低，数据处理量大［6，9-10］。超声波法操作性好，能较好地识别裂缝，当裂缝宽度较小时识别精度高。但超声波法不适用于复杂裂缝的情况，对于复杂裂缝的检测效率较低［6，11］。

位于杭金衢高速公路上的新岭隧道路段是拓宽前拥堵情况最为严重的一段。为提高既有隧道运营安全性，隧道改扩建设计前开展了全面、系统的隧道衬砌病害调查与检测工作，制定了完整的针对性整治方案。本项目综合使用了目测、钻孔取芯法、超声波法及激光扫描法等。对隧道裂缝和渗漏水采取“防、排、围、堵、截相结合”的原则进行整治［12］，对裂缝进行注射法修补。

2 隧道工程地质及水文概况

2.1 工程地质概况

新岭隧道穿过基岩以寒武系、震旦系地层为主，岩性为炭质页岩、泥质灰岩、粉砂岩，岩体完整性较差，节理裂隙发育。

隧道进洞口段位于丘陵斜坡，埋深浅，岩体为残坡积含黏性土碎石、强—中风化岩体，节理裂隙极发育，呈镶嵌碎裂结构，稳定性差。

隧道洞身围岩为中风化青灰色粉砂岩，夹紫红色泥质粉砂岩，粉砂岩中厚层状，泥质粉砂岩中薄层状，岩质较坚硬—坚硬，节理裂隙十分发育，连通性较好，岩体较破碎，围岩完整性差，呈块石碎石块镶嵌结构。

隧道出口地表植被发育，地表浅部覆盖层岩性为可塑性含碎石粉质黏土，以下为风化基岩，岩性为粉砂岩、泥质粉砂岩、砂岩等，灰色、砖红色，节理裂隙极发育，岩体破碎，呈碎石、碎块状。

2.2 工程水文概况

地下水主要为基岩裂隙水，主要接受大气降水补给，水文地质条件较简单。进出洞口处于冲沟下部，进口段洞顶浅部残坡积层厚度较大，坡缓，有利于地表水汇集入渗。

3 拓宽工程概况

3.1 既有隧道历史

新岭隧道为双向四车道隧道，长度约为1400 m，设计时速为120 km／h。隧道在施工过程中多处出现过塌方，隧道运营过程中出现衬砌裂缝和隧道渗漏水等病害。2007年受台风影响，隧道又多处出现渗漏水现象，之后于2008年完成了病害整治工作。

3.2 隧道概况及加宽方式

本项目采用在既有隧道两侧分别增建一个3车道隧道的方式进行加宽。新老隧道相关技术指标及尺寸见表1。

表1 新老隧道相关技术指标及尺寸

4 既有隧道检测

4.1 检测内容、方法与要求

为全面了解新岭隧道的病害状况，2011年9月，对隧道进行了病害调查及衬砌结构质量检测，检测项目见表2。图1为现场裂缝超声波探测，图2为现场取芯钻孔。

表2 检测项目

图1 裂缝超声波探测

图2 现场取芯钻孔

4.2 隧道检测结果

4.2.1 隧道衬砌裂缝情况

该隧道主要病害为衬砌产生的裂缝，裂缝的分布范围较广，相对较密集。

隧道左洞环向和纵向裂缝数量较多，右洞主要是纵向裂缝，环向和斜向裂缝其次。裂缝宽度普遍为0.2～3 mm，为微张开裂缝，根据取芯结果，裂缝深度一般在200 mm以上。隧道裂缝类型、裂缝位置分布、裂缝宽度范围统计见表3～5。

表3 隧道裂缝类型统计

表4 隧道裂缝位置分布统计

表5 衬砌裂缝宽度统计

现场调查已处理过的旧裂缝未出现二次开裂现象；裂缝宽度为微张开；根据现场局部区段钻孔取芯情况分析，裂缝属于陈旧裂缝，暂无进一步发展的趋势。

4.2.2 隧道二衬缺陷情况

隧道二衬缺陷检测包括：衬砌背后空洞检测，断面轮廓检测，二衬强度检测以及衬砌实际厚度检测等。

本次检测发现隧道局部洞身段二衬背后存在脱空或不密实现象，主要出现在拱顶、拱腰等位置；隧道断面轮廓无侵限现象；二衬混凝土强度满足要求；局部区域衬砌检测厚度小于设计值。

4.2.3 隧道渗漏水情况

在检测时隧道无渗水、漏水现象。但有部分潮湿围岩段，衬砌外表面局部存在渗漏水痕迹。

4.2.4 隧道其他病害情况

隧道照明设施基本正常；排水沟局部存在堵塞情况；2处消火栓设施存在渗水情况；隧道两侧盖板多处存在破损。

4.3 隧道病害成因分析

4.3.1 衬砌裂缝成因分析

1）右洞K214+410～K214+590区段：该节段的裂缝已处理，位置主要在拱腰和边墙。2007年时由于强降雨，该节段地形较低且平缓，隧道排水不及时导致衬砌承受的水压力过大，从而造成部分区域二衬开裂。

2）其他区段：裂缝产生的原因有施工及环境两方面因素。施工方面，混凝土养护不到位及拆模时间过早均会造成裂缝。环境因素方面，在隧道内车辆尾气等持续影响下，混凝土发生了碳化，收缩徐变效果增大，从而导致混凝土开裂。

隧道裂缝宽度普遍为0.2～3 mm，为微张开裂缝，根据取芯结果，裂缝属于陈旧裂缝，暂无进一步发展的趋势，说明目前隧道结构处于平衡状态。

4.3.2 其他病害规律统计及成因分析

隧道的机电设备、排水设施、电缆槽等出现病害的形式多样，随机性较强，没有一定的规律可循，其产生的原因与隧道运营时间较长和设备的耐久性等有一定关系。

4.4 隧道衬砌结构破损等级判定

通过对既有隧道的核查，发现该隧道衬砌存在局部开裂，考虑隧道运营时间较长，从现场局部区段钻孔取芯情况分析，裂缝开裂的时间较早，属于旧裂缝，目前无发展趋势，按照《公路隧道养护技术规范（JTG H12—2015）》，可判定隧道衬砌结构破损等级为B（注：检测时2003版养护规范为有效规范），认为结构存在轻微破损，对运营不会造成影响，但应保持持续监控量测。

5 既有隧道加固整治方案

为改善隧道内行车环境，修复破损结构，提高结构安全度，根据既有隧道病害检测资料和两侧增建隧道施工完成后的实际病害情况，采用工程类比法对既有隧道衬砌背后空洞注浆回填、裂缝修补与加固、渗漏水整治等方面进行设计、施工。整治加固完成后，要求在进行正常养护的同时，还应建立长期观察、观测机制。

根据裂缝分布，结合衬砌有效厚度及强度、围岩类别和施工地质监测报告等因素，综合分析隧道各区段不同的病害程度及其对隧道结构的不同影响，确定了以下5种主要整治类型，见表6。

表6 隧道病害整治分类统计

5.1 对已有裂缝进行修补

为阻止衬砌内钢筋锈蚀，保持结构的完整性，提高结构防水、防渗的能力及改善结构外观，裂缝宽度大于等于0.3 mm的裂缝须采用高强度的胶液进行注射修补。主要修补步骤如下：

1）仔细清除裂缝表面及内部的浮渣；

2）采用封口胶对裂缝全长范围四周进行封闭，每隔一段距离黏结注射器底座；

3）需等封口胶固化后才可开始对裂缝进行胶液注射；

4）胶液注射过程中须保持胶液的流动性，保持注射压力稳定；

5）等胶液固化后撤除注射装置，清理混凝土表面。

5.2 采用锚杆加固衬砌背后围岩

根据检测报告及病害分析，隧道内大部分裂缝是由于混凝土自身原因所引起，但个别区段裂缝较宽且分布密集并成环向封闭状，或局部区段衬砌实际厚度小于设计值，则对营运安全有一定影响。为改善衬砌受力状况，提高围岩承载能力，同时对个别成环衬砌区块进行加固，对此类区段采用预应力锚杆进行加固。

锚杆采用梅花形布置，纵环向间距为1.5 m×1.5 m，材料采用Φ25中空注浆镀锌锚杆，长为4 m，端部处在原二次衬砌内凿150 mm×150 mm×50 mm的槽固定。

5.3 拱部粘贴碳纤维布提高衬砌抗弯承载能力

1）粘贴形式按隧道裂缝的不同形态，拱部粘贴碳纤维布采用以下三种形式：

①拱部环向连续粘贴（整治类型J1、J2型）；

②拱部环向间隔粘贴（整治类型J3型）；

③沿裂缝纵向局部粘贴（整治类型J4型）。

2）材料要求：碳纤维布材料性能指标需满足《混凝土结构加固设计规范（GB 50367—2013）》中的相关规定。其中碳纤维布为300 g／m2高强度I级品，浸渍／粘接用胶粘剂采用A级胶。

3）施工步骤：混凝土表面清渣处理→涂抹底胶→整平胶料→粘贴碳纤维布→纤维布外表防护措施。

碳纤维布施工示意见图3。

图3 碳纤维布施工示意

5.4 渗漏水处理

根据检测报告中所述的衬砌渗漏水情况，主要采用打孔排水对衬背的渗漏水进行引排及注浆封堵的方法进行处理。渗漏水的处理措施基本有如下几种方法。

1）排水法：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、施工缝处的混凝土表面沿缝开凿120 mm×80 mm环向倒楔形槽。将Ω型排水管放入环向倒楔形槽中，Ω型排水管下部与排水沟相连。安装环向管的槽用高强干硬性混凝土填充，填充前需在槽内壁涂抹粘合剂，填充后需在槽两侧涂抹防水涂层。

左右洞K214+410～K214+590段，强降雨时由于排水不通畅从而导致隧道所受水压力过大，已造成边墙部位衬砌开裂较严重，故对该段采取左右侧边墙打孔排水措施。排水孔径向孔深2000 mm，直径70 mm，间距1 m，插入Φ50 mm的打孔波纹管，并通过Φ80 mmΩ型环向排水管排入路缘水沟。

开槽排水示意见图4。

图4 开槽排水示意

2）注浆封堵法：对单独的渗流水和小范围的渗漏水用注浆封堵法处理。先在裂缝四周打Φ10 mm，深度为150 mm的小孔，间距400 mm左右，注浆前用封堵材料堵住注浆嘴，当裂缝开始渗出浆液时先暂时停止注浆，之后继续施工。达到注浆压力并维持10 min左右后停止注浆。等浆液固化后清理混凝土表面，切割外露部分，注浆孔抹平。

3）有渗水痕迹的干裂缝处理：同一般裂缝，采用裂缝修补胶修补处理。

5.5 衬砌背后空洞注浆回填

根据二次衬砌超声波检测报告，对需要衬背空洞回填的衬砌打孔，注浆采用Φ100钢管及纯水泥浆。水泥采用42.5R硅酸盐水泥。水泥浆水灰比应在现场试验后确定，参考值可为0.5∶1至0.6∶1，注浆压力控制在0.1～0.2 MPa。

6 既有隧道加固效果

隧道加固整治后对隧道进行再次检测，检测结果显示隧道基本无裂缝分布，无渗水、漏水现象，衬砌表面无渗漏水痕迹。衬砌检测厚度均满足设计值，混凝土强度满足要求。机电、消防设施完备且正常，隧道排水通畅，从而确保了既有隧道运营的安全性。

7 结语

随着交通路网的不断发展、延伸，必定伴随出现越来越多的公路隧道，因而隧道病害问题也随之凸显。本文通过对浙江杭金衢高速既有新岭隧道的病害情况检测，分析了隧道病害的状况和病害发生的原因，提出了相应的较为完善的病害处治方案，这对于同类隧道病害处治工程具有较好的参考价值。