某山区高速公路运营期隧道缺陷与病害整治技术研究

·隧道与建设工程·

某山区高速公路运营期隧道

缺陷与病害整治技术研究

念培红*，王忠伟

（保<山>施<甸>高速公路投资开发有限公司，云南保山678200）

摘

要：山区高速运营期隧道工程在运营期的缺陷与病害是影响公路运营安全的重要安全隐患，而

隧道缺陷与病害成因具有复杂性和多样性。以某山区高速公路运营期隧道出现质量缺陷与病害的工程实例，分析了缺陷及病害的成因，根据二衬缺陷及病害等级的不同，分别采取了相应的整治措施。实践证明，采取的整治措施有效地解决了隧道的缺陷与病害问题，有效地保证该隧道的隧道运营安全。该隧道的处理措施可以为今后类似隧道病害整治提供借鉴与参考。关键词：隧道；二次衬砌；裂缝；病害整治

中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：1004-5716(2020)02-0171-04

1

概述

我国是一个多山国家，山地面积占国土总面积达2/3以上，自20世纪80年代以来，我国公路隧道建设得到了快速发展，修建了大量山岭公路隧道[3-4]。受施工环境、施工条件及运营过程中各种因素的影响，越来越多的隧道在运营期不同程度地存在衬砌开裂、衬砌背后空洞、厚度不足、钢筋锈蚀等质量缺陷及病害。据统计，我国20%~30%的公路隧道处于病害发育状态。缺陷与病害已对隧道正常运营构成了威胁，运营隧道的服役性能问题日益突出[5]。

公路隧道在运营期的缺陷及病害存在多种成因，而揭示隧道缺陷与病害的成因，采取适当的处治措施才能从根本上解决问题[6]。本文以某山区高速公路隧道的缺陷与病害整治为例，分析了病害成因，并提出了相应的整治措施。2

工程概况

某高速公路隧道为双洞分修特长隧道，右线隧道全长4779m；左洞隧道全长4745m。隧道穿越地层为志留系上统罗惹坪组砂质页岩、页岩，局部夹粉砂岩。单斜构造，岩层产状305°~335°∠30°~40°，隧道左侧顺层；岩层层理较发育，埋深为330~430m，岩体完整；地下水不发育。隧道埋深较大，在上覆地层自重应力、地

*收稿日期：2019-05-13

修回日期：2019-05-14

层偏压、岩体微裂隙发育、岩体的强度界于软质岩和硬质岩之间等多种因素的组合影响下，由于最大水平主应力方向与岩层倾向基本一致以及岩层走向与倾角不利，加之层理发育，形成顺层偏压。

在隧道施工期间，隧道开挖后在靠江侧起拱线部位形成应力集中，围岩在二次应力作用下发生二次破坏，造成岩体局部破坏、靠江侧边墙部位切层掉块、靠山侧边墙部位顺层坍滑、拱顶沿层面垮塌等灾害，其破坏形式界于软质岩大变形和硬质岩岩爆之间。在公路建成通车1年内，运营单位即观测到在隧道左右线二次衬砌多处存在纵向和环向裂缝，随即养护人员加强了观测。3

隧道病害检测

运营单位在发现隧道病害后，随即委托专业检测机构对隧道病害情况进行了检测。检测单位在对隧道的衬砌厚度、衬砌后脱空情况、隧道裂缝情况、渗漏水情况、混凝土强度等指标进行全面检测后，提出以下检测结论：

（1）隧道二次衬砌厚度局部不满足设计要求。该隧道右线K41+240~+300段共60m经检测后，该段隧道左侧边墙的二次衬砌存在厚度严重不足的情况，局部二次衬砌厚度仅有3cm，二次衬砌厚度远低于设计

第一作者简介：念培红（1974-），男（汉族），云南陆良人，高级工程师，现从事高速公路建设管理工作。

172西部探矿工程2020年第2期厚度。

（2）隧道二次衬砌混凝土在拱顶存在多处局部脱空现象。大部分为三角型空洞及脱空，其中右线隧道K44+646~+654、K44+660~702拱脚处也存在脱空现象。

（3）隧道衬砌裂缝较多，原处置区域出现不同程度再次开裂、鼓包及钢筋外露现象。该隧道衬砌大部分表面干燥无水，衬砌裂缝主要以环向裂纹为主，纵向水平裂缝少，水平裂纹主要分布于边墙水沟盖板以上1.5~3m范围，裂纹宽度大部分为1~3mm，局部达5mm，其裂缝左右分布不均，段落间发展不均。局部地段二衬混凝土剥落，初期支护和防水板均已暴露。

（4）隧道衬砌局部存在渗漏水现象；该隧道左线ZK40+174拱顶、ZK41+460右拱腰、ZK41+490左拱腰有渗水泛碱现象。隧道右线K43+496~+499右拱腰渗水。

（5）混凝土强度满足设计强度C25要求。4隧道缺陷及病害原因分析4.1

衬砌质量缺陷原因分析

（1）二次衬砌混凝土厚度不足原因分析。根据隧道竣工资料及检测报告，二次衬砌混凝土厚度局部不满足设计要求。初步判释其主要原因为施工中初期支护侵入二次衬砌空间，施作二次衬砌时未凿除侵限部分。此外，二次衬砌拱顶空洞及三角型脱空也是造成拱部衬砌厚度不足的原因之一。

（2）二次衬砌拱顶局部脱空原因分析。该隧道衬砌背后存在空洞和三角型脱空，初步推断为超挖未回填密实及拱顶未按设计充填注浆。4.2

隧道衬砌裂缝产生原因分析

该隧道衬砌裂缝表现为环向、纵向、杂向及纵向水平裂缝。隧道衬砌开裂存在以下原因：

（1）施工原因：衬砌厚度不足，衬砌背后存在空洞，为地应力长期释放提供了机会，导致结构受力不均；根据监控量测资料，初期支护未收敛时施作二次衬砌；施工拆模过早，二次衬砌未到达设计强度要求；温度及养护原因，施工缝处理不当，导致施工缝出现环向裂缝。

（2）地质原因：施工期间，隧道地质情况复杂，隧道埋深大，自身地应力较大，加上地质顺层偏压。当时对高地应力认识不足，通过不断实验的基础以强支护确定最终支护参数，随着时间的发展，未能约束内部潜在的缓慢变形因素。随着二次衬砌施作后，围岩二次应力的重新分布受力，再加上二衬施作时有可能初支未

完全收敛，导致二次衬砌开裂。4.3

其他病害产生原因分析

（1）隧道衬砌局部存在渗漏水现象。渗漏水原因分析主要为施工质量问题，隧道衬砌背后存在空洞和不密实，地下水易在该处聚集，加上施工时防水板破损及防水板搭接处焊接不完善；还有可能隧道衬砌背后纵环向盲管未发挥效应。

（2）隧道衬砌表面蜂窝麻面、露筋产生原因分析。隧道衬砌表面产生蜂窝麻面主要是因为二次衬砌灌注时，砼配合比不当，另外衬砌台车钢板使用后清理不完善加上脱模剂质量问题，施工环境及温度等因素导致二次衬砌表面蜂窝麻面。衬砌表面露筋主要是二次衬砌钢筋砼保护层厚度不足导致。5病害整治技术5.1

病害整治原则

（1）为节约投资，在保证结构受力安全的原则，应尽量避免衬砌大拆大换。在保证结构一定安全度的前提下，降低结构的使用性能。

（2）根据既有隧道结构病害整治方法，对结构补强会改变原有的防排水体系，引发隧道防水等级的变化。本次整治以保证结构安全为根本，在此基础上采取相应的补充防水措施，以保证运营对防水的基本要求。

（3）整治方案在检测报告等基础资料是否真实有效的情况下制定，如与实际不符，则另行研究处理措施。

（4）砼结构加固的设计使用年限：一般情况下，宜按30年考虑；到期后，若重新进行可靠性鉴定认为该结构工作正常，仍可继续延长其使用年限；对使用胶粘方法或掺有聚合物加固的结构，应定期检查其工作状态。5.2

5.2.1缺陷与病害整治措施

（1）衬砌厚度不足处治措施

衬砌厚度较厚地段：

①当衬砌的检测厚度大于设计厚度的0.9倍，衬砌无其它病害时，对衬砌本体不予补强。当衬砌检测厚度小于设计厚度的0.9倍，但大于设计厚度的0.75倍时，在隧道靠山侧衬砌受拉区内表面铺设碳纤维布进行补强加固，对于靠河侧衬砌无其它病害时，不予补强。

②当衬砌的检测厚度小于设计厚度的0.75倍，但大于设计厚度的0.6倍，采用钢带加锚杆补强，具体措施如下:a.W型钢带（宽32cm、厚25mm）沿隧道拱墙衬

2020年第2期西部探矿工程173

砌内表面凿槽埋设，槽宽34cm，槽深5cm，W型钢带纵向间距1.0m。b.锚杆沿钢带环向布置，环向间距1.0m，3.0m/根，锚杆用⌀22mm砂浆锚杆，锚杆尾部通过钢带中部的锚杆孔与钢带加垫板连接。c.钢带施作完成后，所凿环向槽采用喷射C25微纤维砼进行回填，喷混凝土厚度5cm，喷砼中掺加合成纤维，掺量为0.9kg/m3。为加强喷微纤维砼与钢带间的连结，沿钢带环向及纵向设置⌀4mm钢筋，钢筋与钢带焊接。d.为确保施工时结构的安全，要求同时施作的相邻钢带之间间距不小于3m，且仅当钢带施作完成及喷砼回填层达到设计强度后，方可进行相邻钢带的凿槽埋设施作。

（2）衬砌厚度较薄地段。当衬砌检测厚度小于设计厚度的0.6倍时，按如下措施进行处治：

①衬砌砼破损或表层有纵向裂缝时：针对衬砌拱部检测厚度小于设计厚度的0.6倍且衬砌损坏或有裂缝段落，在既有隧道衬砌嵌轨。a.拱部钢轨设置按补强后内轮廓不侵入隧道建筑限界，利用既有隧道内轮廓的富余净空考虑；拱部钢轨紧贴既有衬砌内表面，边墙钢轨按凿槽15cm嵌设考虑。但既有衬砌表面应凿毛并采用高压水吹洗干净。b.拱部嵌设24kg/m钢轨拱架并凿除破损部分后喷C25纤维混凝土补强，钢轨纵向间距1m，钢筋网格⌀16mm×⌀12mm（环×纵），间距20cm。c.拱部180°起拱线1m以下边墙部分采用C30弱膨胀细石砼对衬砌开槽进行封填，并打光抹平。

②当拱部及边墙都不满足设计厚度0.6倍时，为避免大拆大换，保证既有隧道衬砌结构安全，在既有隧道衬砌内设置套衬。措施如下：a.套衬内轮廓按满足车辆装载限界、侵占人行通道16cm进行设计。b.套衬施作前应将既有衬砌与其之接触面凿毛并清洗干净，且套衬环向设5根⌀16mm定位钢筋，拱脚处设置2根长4.5m的⌀22mm砂浆锚杆，定位钢筋纵向间距约2m，定位钢筋应牢固焊接于套衬钢筋上。以确保套衬与既有衬砌连接良好。c.衬砌表面凿毛点均匀布置，凿毛面积不小衬砌表面积的25%。砼凿毛深度5~10mm，凿毛痕的间距为30mm左右。一般在人工凿毛时砼强度须达到2.5N/mm2，用风动机凿毛时须达到10N/mm2，同时应加水使混凝土保持潮湿状态直到浇筑新混凝土。d.套衬尾端有1m渐变段，渐变段须局部凿除既有衬砌，渐变段内纵向布置筋末端为半圆形弯钩。

③仅衬砌边墙厚度不足时，若衬砌失效，该段采用钢筋砼加锚杆拆换既有隧道衬砌；若同时存在纵向裂缝，该段采用边墙内套衬补强。a.局部边墙拆换段：纵

向每间隔3m拆除一处边墙，每处边墙纵向长度为1.5m，高3m，环向拆除并扩挖后宽度为3m；拆除前，应先于1.5m拆换范围两侧拱脚各设2根⌀42mm锁脚锚管，锚管长4m，注浆采用水泥砂浆；拆除并扩挖部分采用微振动或静态爆破，拆除时应从上而下分段进行，拆除上部时应拆至二衬厚度满足设计要求处为止。初支侵入二衬部分应拆除切割。衬砌背后应设置防水板，防水板与原设计采用焊接；新建砼结构并加设锚杆，锚杆采用⌀22mm砂浆锚杆，长4.0m，环向间距1.0m，纵向间距1.0m。锚杆垫板处设一环止水膨胀条防止渗水。b.拆除后重建措施：拆除扩挖处灌注C30耐腐蚀钢筋混凝土，新建砼结构与相临拱部既有衬砌结构之间采用植筋连接，植筋采用⌀16mm钎钉，植入既有拱部衬砌锚固长度不小于30cm，外露部分不小于30cm。c.重建段建筑材料：建筑材料采用C30耐腐蚀钢筋混凝土；喷砼及模筑砼均采用耐腐蚀砼，56d电通量不大于1200C。本次设计耐腐蚀剂按混凝土中胶凝材料重量的8%计列，其中喷射混凝土中胶凝材料按400kg/m3计列，混凝土中胶凝材料按330kg/m3计列。边墙衬砌仅有纵向裂缝时，该段采用边墙套衬补强，具体措施参照拱墙套衬施作。

④衬砌砼无裂缝及病害时：嵌设W钢带加锚网喷补强既有衬砌。钢带纵向间距1.0m，锚杆采用⌀22mm砂浆锚杆，长3m，纵环向间距1m，梅花形布置；喷C25砼，厚15cm；钢筋网格⌀16mm×⌀8mm5.2.2环×纵）若既有隧道衬砌需拆换，衬砌背后三角形脱空及空洞处理

，间距20cm。

则衬砌背后缺陷一并处

理。对其空洞采用衬砌背后注浆进行填充，注浆采用水泥砂浆。全隧道衬砌背后空洞按原施工图衬砌背后注浆处理，5.2.3若既有隧道衬砌需拆换，砼破损及钢筋外露

拱脚处脱空地段也采用钢管注浆加固。则衬砌破损一并处理。

钢筋外露段衬砌拱墙部分先凿毛,用高压风（或水）冲洗干净再采用喷5.2.4C25砼封闭，衬砌裂缝、衬砌裂缝、裂纹及剥落处理结合隧道衬砌结构缺

裂纹及剥落处理

喷砼厚度5cm。陷处理统筹考虑。若既有隧道衬砌需拆换，则衬砌裂纹、或剥落一并处理，但对剥落、裂缝等进行防水处理。为恢复混凝土的整体性及承载能力，对于宽度小于3mm的裂缝，采用沿缝钻孔压浆封堵处理；对于宽度大于3mm的裂缝，采用沿缝凿槽，压浆封堵后用环

（174西部探矿工程2020年第2期氧砂浆嵌补。

（1）结构裂缝地段，以纵向、斜向发展为主的裂缝，除裂缝本身需注浆嵌补外，并采用骑缝锚杆进行补强。措施如下：骑缝锚杆采用⌀22mm砂浆锚杆，每根长3.5m，沿裂缝两侧交错布置，距裂缝50cm、沿裂缝间距1.0m。锚杆尾部必须施作垫板（12cm×12cm）并嵌入衬砌内5cm。如本段设钢带补强，可结合一并处理。衬砌裂纹、或剥落严重段（裂纹呈网状、有剥落掉块可能）；裂纹长度5~10m，宽度3~5mm；裂纹错位长度小于5m，宽度小于3mm。剥落掉块厚度30~50mm。裂缝大于3mm且长度大于5m的段落，采用嵌补W钢带+⌀22mm砂浆锚杆补强，钢带纵向间距1.0m，⌀22mm砂浆锚杆长3m，纵向间距1m，环向间距1m，梅花形布置。

衬砌裂纹、压溃（或剥落）较重段：相同断面裂纹多于三条、有交叉；裂纹长度小于5m、宽度小于3mm。拱部压溃范围小于1m2，剥落掉块厚度小于30mm。对宽度小于3mm裂缝沿缝注浆封堵，宽度大于等于3mm裂缝凿槽嵌补并沿缝注浆封堵后，再设置骑缝锚杆。衬砌压溃（或剥落）范围凿除破损部分混凝土后设锚杆、挂钢筋网或局部设W钢带并喷混凝土补强。

（2）非结构裂缝地段。衬砌裂纹、压溃（或剥落）轻微段：衬砌有收缩裂纹或环向裂纹，衬砌有局部风化剥落，衬砌裂纹宽度小于3mm裂缝沿缝注浆封堵;宽度大于等于3mm裂缝凿槽嵌并沿缝注浆封堵。衬砌风化剥落范围凿除破损部分混凝土设锚杆、钢筋网并喷混凝土补强。

对于裂缝宽度小于0.2mm及裂纹地段采用水泥基渗透结晶型材料沿裂缝左右10cm涂刷。涂刷水泥基渗透结晶型材料地段应贴水泥块标志，进行观测，若裂缝有发展，则进行处理。已勾缝、无渗漏水现象且未继续发展之裂缝不处理。5.2.5首先查清蜂窝麻面原因，衬砌蜂窝麻面处理

然后进行针对性处理。

对于衬砌表层蜂窝麻面，局部打磨整平衬砌砼表面，采用涂刷水泥基渗透结晶型材料修补。对于衬砌内表面蜂窝麻面深度较大时，采用将衬砌表面凿毛后采用锚网喷补强。由于砼质量原因导致衬砌丧失结构性能的段落，应拆除既有隧道衬砌后根据衬砌类型施作原设计混凝土衬砌。

5.3

病害整治后的施工监测

施工完成后，运营单位于整治段设观测点进行了长期监测，以便及时发现、掌握该段衬砌的开裂情况、裂缝发展趋势等信息，以确保公路运营安全。施工完成后，对该隧道边墙水平裂缝每隔20~30m设一处砼观测点并编号，每7d对该监测点观测一次，并做好记录。在3~6个月以后，若裂缝稳定，无发展，则观测记录频率可调整为每30d一次；1~2年后，若裂缝仍无发展，则观测记录可调整为半年一次。若裂缝有发展或出现新裂缝，则应加密观测点，每7d对该监测点观测一次，并做好记录。对裂缝进行整理分析，并进行病害评估，以便及时进行病害整治处理，确保运营安全。

在该隧道病害整治完成后持续监测了3年，均没有发现裂缝扩展及其他不稳定现象，说明本工程的病害整治措施取得了良好的效果。6

结语

隧道工程运营期病害成因复杂，同时病害也存在多种表现形式。深入分析病害成因，才能根据病害类型的不同采取适当的整治措施，才能保证隧道结构安全和运营安全。

隧道衬砌的缺陷及病害是一种常见的工程病害，其原因是多方面的，既有复杂地质环境方面的客观因素，也有施工设计方面的主观因素。在高速公路运营期出现隧道缺陷与病害时，首先需要全面搜集该隧道的地形、地质资料、设计施工记录等，在全面客观分析的基础上，才能有效制订病害整治措施。而在隧道病害整治过程中，要减少施工对既有结构的破坏和干扰，避免对隧道的二次损坏。在病害整治完成后，要加强监测，持续跟踪整治后隧道的稳定性与安全性。

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