寒区隧道主要病害成因及处治措施

摘要:针对山西省某寒区隧道的主要病害情况，结合当地气象水文地质情况，分析了隧道衬砌裂缝和渗漏水原因，提出了裂缝凿槽注浆补强、嵌入工字钢法和U型导管槽等处治措施，为寒区隧道主要病害的处治提供参考。

关键词:寒区隧道;隧道病害;处治措施

我国寒区面积占国土面积的43．5%［1］，由于特殊的自然环境影响，地下水随着季节的周期性变化产生反复冻融循环作用，寒区隧道的主要病害有两种类型:渗漏水(包括冻害)、衬砌结构裂损病害。衬砌裂缝及渗漏水病害造成多方面的危害:(1)影响隧道正常使用寿命:衬砌裂缝为渗漏水提供路径，使得渗漏水中氯离子、硫酸根离子长期侵蚀衬砌结构，降低了衬砌结构的耐久性;衬砌对围岩的支护能力减弱，不能有效支持和维护隧道的稳定，降低了衬砌结构的安全性。(2)影响隧道行车安全:拱墙上悬挂冰柱、冰棍;在隧底，易形成冰坡、冰锥，易造成行车打滑;渗漏水会使路面积水甚至结冰，降低了轮胎与路面的摩擦力，恶化行车环境，威胁行车安全［2］。

1工程概况

隧道建成于1997年，全长1868m，最大埋深211m，穿越III、IV、V类围岩(对应《设计规范》中IV、III、II级)，为一级汽车专用公路，单向两车道隧道，隧道设计速度60km/h，隧道限界宽为9．60m，隧道设计横断面组成为(1．10+0．5+3．75×2+0.50)m。建筑限界高度为5m，隧道设计双侧检修道。隧道通过地质主要为奥陶系中统马沟组，以石灰岩为主的碳酸盐系，中厚地层，其次为白云质页岩，呈灰层状产出，中薄层;岩层平缓局部纵向，节理的主导方向为南北向，间距为0．2～1．5m。地下水通过围岩裂隙作用，围岩中的地下水汇集到隧道周边。隧址所处环境为温带大陆性季风气候，气候寒冷，年平均气温7．4℃，元月最低温度－9℃，极限最低温度－25℃。年平均降水量450mm，无霜期年平均值130d。最大冰冻深度1．25m。

2隧道病害情况

经隧道土建结构定期、专项检查发现隧道砌裂缝51条，其中横向18条，占裂缝总数35．3%;纵向30条，占裂缝总数58．8%;不规则圆形2处，占裂缝总数3．9%;网状1处，占裂缝总数2．0%。裂缝宽度介于0．15～2．1mm间，部分裂缝已贯通。K9+410处衬砌裂缝见图1。隧道衬砌表面有3处渗水，其中拱部6处。但渗水雨雪后有所增大。目前对行车影响较小，但冬天渗水处大量结冰，可能在地面形成冰柱、冰溜。K8+970处衬砌挂冰见图2。

3病害原因分析

3．1隧道衬砌裂缝的主要原因。(1)受地下水反复冻融循环作用，造成衬砌结构出现裂缝。(2)隧道防排水效果不良，造成衬砌背后地下水汇集;同时积水软化围岩，使得衬砌结构承受较大围岩压力以及水压力。(3)局部段落衬砌背后存在空洞、不密实等缺陷，导致衬砌受力不均，围岩应力集中。(4)隧道洞身段围岩主要为白云质灰岩和灰质白云岩，岩溶、裂隙发育，部分段围岩较破碎，加上开挖施工扰动和雨水润滑作用，在长期的运营过程中可能产生松弛荷载，增大围岩压力，导致衬砌开裂。(5)伸缩缝、变形缝的施工质量差，是多数环向裂缝产生的主要原因［3］。3．2隧道衬砌渗漏水的主要原因。(1)围岩地下水随着季节变化产生冻融循环。(2)衬砌背后可能存在不密实区及空洞，易形成地下水汇集区。(3)衬砌防水板存在不完整、搭接不良以及破损等缺陷情况。(4)隧道排水系统施工不规范或冻结，造成排水管堵塞，导致渗漏水穿过防水板和二衬渗出。(5)隧道预留孔洞的防水处理不够完善，为地下水提供渗漏通道。

4病害处置方案

4．1裂缝补强设计。(1)对于宽度≤0．2mm的裂缝，对裂缝表面由上至下涂抹宽2～3cm、厚2mm的裂缝封闭胶进行封闭处理。(2)对于宽度＞0．2mm的裂缝，对裂缝凿槽加注环氧砂浆，进行结构补强。裂缝凿槽注浆补强示意图如图3。衬砌开裂严重或存在严重缺陷时，衬砌承载力不能满足要求，本项目采用内嵌外贴工字钢拱架法对衬砌结构加固。采用I14工字钢在距检修道3m以上拱部位置将钢拱架外露贴在既有衬砌上，拱部以下开槽20cm宽、15cm深，将工字钢拱架嵌入衬砌结构中，纵向间距80cm，钢拱架设置Φ22纵向连接钢筋，环向间距75cm，挂Φ8网格间距15cm×15cm的钢筋网，最后喷射C25混凝土;施做工字钢拱架完成后，在边墙脚部位置增设Φ22药卷锁脚锚杆。工字钢加固隧道衬砌结构图见图4。在新增钢架结构与既有二衬间，渗水处铺设环向毛细式透排水管，纵向间距40cm，再铺EVA(乙烯)复合土工布，将衬砌渗水拦截引至设在边墙的Φ100纵向截排水管，再通过在边墙开槽14cm×10cm铺设的Φ100环向排水管排至排水边沟中，将水排走。4．2渗水处治设计。目前常见的处治方法有地表截水法、堵水法、导水法及降低地下水位的引排法［4］。(1)隧道渗漏水轻微段落，采用压力注浆法进行堵水法处治;(2)渗漏水严重的部位，采用U型导管槽导水法结合嵌入隔热材料法进行综合处治。在衬砌结构表面开凿深10cm×宽12cm的U型导管槽，排水U型导管槽构造图和裂缝渗漏水处治示意图如图5、图6。U型导管槽要求延伸至排水沟上边沿以下21cm处，以保证水流顺畅地排出，为了引流围岩深处的地下水，导水管范围内设置小直径引水孔，深入衬砌将地下水引入导水管流走。在严格清理槽内混凝土表面的基础上，采用Φ100Yas半管覆盖住槽中裂缝，在半管两边与导管槽的空隙中，用可以适应缝隙的变形及热胀冷缩的遇水膨胀嵌缝胶填充，从而将Φ100Yas半管固定在导管槽内，固定半管时要保证半管两侧不留空隙，从而达到永久防水的目的。用岩棉保温材料施做3cm厚保温层，隔热保温层表面铺设防火层。最后用1mm厚钢板做封底处理。为了引流围岩深处的地下水，在槽中间施作Φ40引水孔，深入围岩50cm，向上倾角不小于10°。针对相对集中的点状、面状以及斜裂缝状的渗漏水，可沿渗漏水主要位置设置U形导管槽，将其引入附近的环向U形导管槽，也可以直接将渗漏水引到拱脚处的排水边沟内，如果渗漏水面积较大时，可间隔一定距离设置多道U形导管槽。针对施工缝、变形缝处的环向渗漏水，可以沿施工缝、变形缝设置环向U形导管槽。

5结语

在实际工程的设计和施工中，应因地制宜地选择衬砌裂缝和渗漏水的处治方法。依据病害严重程度、工期等可选择施作三衬、二衬换拱加固、钢板带加固、波纹钢板加固等方法对衬砌裂缝进行处治。

本项目采用增设工字钢拱架加固衬砌结构具有对隧道净空降低小、在施工期间对正常通行影响小、工期短、施工工艺难度低、加固作用显著等优点，加之结合同时采用U型导管槽对衬砌渗漏水的处治，可以起到防止隧道进一步冻胀病害的作用，是一种寒区隧道主要病害处治值得参考的方案。对渗漏水进行处治时，除刻槽导流外还须注意对地表水的截水和排水。

参考文献

［1］杨针娘，刘新仁，曾群柱．中国寒区水文［M］．北京:科学出版社，2000．

［2］李晓东．公路隧道衬砌渗漏水浅析［J］．山西交通科技，2007(3)．

［3］许和平．对南昆线(西段)隧道衬砌渗漏水整治的思考［J］．铁道工程学报，1999(2)．

［4］李永永．隧道衬砌渗漏水微创伤处治技术［J］．山西交通科技，2017(2)．

作者:张焕州 单位:山西省交通规划勘察设计院有限公司