何維啟
(湖南致力工程科技有限公司 長沙 410018)
工程水毀指的是因暴雨、洪水造成路基、路面、橋涵及其他設施的損毀，隨著山區高速公路里程的日益增加，水毀災害在雨季日益增多[1-3]。隧道洞口水毀病害主要是因為隧道進出口段邊仰坡受洪水沖刷引起垮塌，封堵隧道影響車輛正常通行，嚴重時邊坡的垮塌會沖擊隧道結構引起襯砌開裂甚至洞口段失穩[4-6]。本文從隧道結構、地質條件、水文條件等方面對隧道水毀病害成因進行了分析，提出了相應的處治建議[7-10]。
1.1 工程概況
本隧道為雙洞單向公路隧道，左右洞測設線間距18.95～21.58m，思南段和劍河段都屬于分離式隧道，設計參數如表1[11]，隧道洞的設計見圖1，隧道平面見圖2。
圖1 隧道洞門設計圖
圖2 隧道平面圖
表1 隧道設計參數
隧道劍河端出口處位于一區域性逆斷層(古樓坪斷層)，地處沖溝邊緣，受古樓坪斷層影響，周圍巖體較破碎，且該地段埋深淺，圍巖成分主要為碎石類土、塊石夾土、壓碎巖組成，無自穩能力。因地處沖溝，受降雨及徑流影響顯著，下層巖體遇水軟化，強度降低迅速。經幾次降雨，2010年11月12日ZK124+674(YK124+689)～ZK124+684(YK124+699)段隧道仰坡面在開挖過程中出現大規模坍塌，并在ZK124+621(YK124+636.5)處出現約2m深度錯臺，垮塌量約有7000多立方米。為保證運營期車輛通行安全，徹底消除高仰坡可能存在的垮塌對隧道的不利影響，經對比分析：對垮塌體進行反壓回填，并將大坡梁隧道劍河端ZK124+690(YK124+705)～ZK124+705(YK124+720)段由路基改為隧道，明洞減少2m，增加17m隧道暗洞。
2017年6月29日17時許，隧道出口YK124+900右側邊坡因強降雨出現滑坡現象，大量泥土沖落至高速公路上，隧道右側排水邊溝嚴重堵塞，導致道路中斷。隧道右側二襯開裂嚴重，明顯可見，貫穿至拱頂，邊溝附近路面出現明顯凹陷(圖3)。
圖3 水毀后隧道現場情況
1.2 工程地質
1.2.1 地形地貌
隧道進口端洞門位于一沖溝左側斜坡地段，邊坡陡峭，自然坡度為48°左右，最大可達62°，斜坡地形等高線與路線近垂直相交，坡體主要由薄層塊石、強-中風化炭質頁巖組成，淺層裂隙發育，巖體較破碎。
隧道出口端洞門位于一沖溝左側斜坡地段，地形等高線與路線近垂直分布，在ZK123+640(YK123+660)處之前，斜坡陡峭，自然坡度在45°左右，坡體主要由碎石類土、強-中風化炭質頁巖組成，淺層裂隙發育，巖體較破碎。
1.2.2 地層巖性
根據地質調查及鉆孔資料顯示，勘察場地發育的地層主要為第四系覆蓋層，寒武系下統明心寺—金頂山組的炭質頁巖、杷榔組的頁巖。
1.2.3 隧道區地質構造
隧道場地屬于洞口斷層西北側的揚子準地臺，在隧道出口處發育一區域性逆斷層(古樓坪斷層)，該斷層走向為40°左右，傾向南東，傾角在42°左右，為一逆斷層，斷層帶周圍巖體破碎，多具擠壓現象。斷層上盤為寒武系下統杷榔組的頁巖，巖體破碎，多呈散體狀，以壓碎巖為主;斷層下盤為寒武系下統明心寺—金頂山組的頁巖，巖體受擠壓現象嚴重，局部撓曲，巖體較破碎(圖4)。該斷層沿路線分布于ZK124+680(YK124+700)～ZK124+760(YK124+770)段，與路線呈40°左右交角。
圖4 隧道縱斷面圖
隧道主要分布于受構造影響的寒武系下統明心寺-金頂山組的炭質頁巖中，受古樓坪斷層控制，隧道進口地段巖層產狀為260°～272°∠20°，出口地段巖層產狀為279°∠42°。
確定裂縫的分布及變化情況，查明襯砌開裂原因，為隧道加固處治提供依據，依據相關要求結合現場實際情況，確定檢測內容及檢測方法如表2。
表2 大坡梁隧道檢測內容及方法
3.1 路面檢查結果
隧道內路面采用瀝青混凝土鋪裝，未發現明顯滲水及開裂現象，檢查結果為YK124+700～YK124+705右側路面破損凹陷S=10m2。
3.2 斷面變形檢測結果
激光斷面儀掃描結果顯示，大坡梁隧道斷面在檢測期間未發生較大變形，但與設計標準斷面相比拱頂下沉約1cm，兩側拱腳外擴3cm。
3.3 裂縫檢測結果
裂縫情況如表3，詳見病害展示如圖5。
表3 裂縫檢測匯總
續表
圖5 襯砌病害展示圖
由圖可見,隧道洞口段左側YK124+708～YK124+302邊墻位置，施工斜線裂縫交錯發育,YK124+702～YK124+714右側滲水較嚴重，網紋狀裂縫發育。YK124+693～YK124+699段拱頂裂縫發育，裂縫貫通，并將拱頂二襯切割成大塊狀。依據監測結果，在病害發生前期襯砌裂縫寬度增速較快，7月8日后日趨穩定，但YK124+700.2右邊墻仍在緩慢增長，如圖6和圖7。
圖6 裂縫寬度監測變化趨勢圖
圖7 典型雷達數據
3.4 襯砌質量檢測結果
初襯厚度要滿足“平均厚度不小于設計厚度，60%的檢查點厚度不小于設計厚度，最小厚度不小于0.5倍設計厚度且不小于50mm”。初襯厚度掃描共檢測150m，共250點，其中246點厚度大于26cm。
二襯厚度為主控項目，依據《鐵路隧道工程施工質量驗收標準》主控項目，規范要求合格率為100%。二襯厚度掃描測線長為3086m，共3086點，其中3081點厚度大于50cm。
二襯配筋采用地質雷達(美國GSSI SIR-3000，天線頻率900MHz)，測線布置：沿隧道縱向拱頂、拱部設5條測線。由表4可見部分位置隧道二襯鋼筋缺失，不滿足設計要求。
表4 隧道二襯內鋼筋檢測結果匯總表
3.5 二襯混凝土強度檢測結果
本次采用回彈法檢測隧道二襯混凝土的強度，檢測結果見表5。依據設計文件，該段二襯為C25鋼筋混凝土，混凝土強度達到設計要求。
表5 隧道二襯混凝土回彈強度檢測結果
3.6 仰拱質量及承載力檢測結果
仰拱鉆芯檢測及地基承載力檢測共抽檢3個位置鉆取芯樣，對其中2個鉆孔取巖芯進行點荷載試驗確定基巖承載力，另外1個鉆孔通過重型動力觸探確定地基承載力(桿長3m，打入10cm的錘擊數N63.5)[12-15]。
3.6.1 重型動力觸探檢測結果
鉆孔ZK0-2(YK124+711.2距右邊墻2.8m)鉆穿路面層、仰拱及二襯后(共2.1m)揭露為灰黑色碎石土，角礫狀，密實、潮濕。采用重型動力觸探測試地基承載力，打入10cm的錘擊數N63.5=24(桿長3m)，依據《鐵路工程地質原位測試規程》(TB 10018-2003)，α=0.952。
依據規范，確定碎石土的承載力基本值為0.8MPa。
3.6.2 巖石的飽和單軸抗壓強度(Rc)
由于取得的芯樣較破碎無法獲得實測的Rc值，只能巖石點荷載強度指數(Is(50))通過公式換算[16-19]：
依據《建筑地基基礎設計規范》 (GB 50007-2011)，確定地基承載力特征值，檢測結果如表6，地基承載力大于設計要求的0.25MPa。
表6 仰拱鉆芯檢測結果
3.6.3 仰拱及仰拱以下襯砌質量檢測
(1)鉆芯檢測結果
ZK0-3(YK124+700.5距右邊墻2.57m)所鉆取的路面、仰拱及襯砌厚度之和為1.3m。ZK0-1芯樣在42cm、147cm處見兩根直徑16mm的鋼筋，ZK0-2芯樣在41cm處見一根直徑16mm的鋼筋，三個鉆孔取芯結果均未見初襯噴射混凝土。
(2)混凝土強度
通過取芯進行抗壓強度試驗確定混凝土強度，取樣位置為：ZK0-1深度為1.07～1.4m，ZK0-2 深度為1.08～1.4m，ZK0-3深度為0.38～0.76m。試驗日期為2017年7月18日，實驗結果如表7。
表7 仰拱混凝土鉆芯強度試驗結果
3.7 存在的主要缺陷
通過現場檢測，隧道主要存在如下缺陷：
①大坡梁隧道YK124+650～YK124+720存在多條主要裂縫，大部分裂縫趨于穩定，只有YK124+700.2右邊墻仍在緩慢增長；
②YK124+690～YK124+720段局部二襯厚度小于50cm；
③受檢斷面在檢測期間未發生明顯變形，但與設計標準斷面相比拱頂下沉約1cm，兩側拱腳外擴3cm；
④YK124+670～YK124+691段雷達圖像為單層鋼筋反射，YK124+691～ YK124+700段、YK124+708～ YK124+709段無明顯鋼筋反射；
⑤YK124+708處施工縫位置鋼筋完全斷開；
⑥仰拱鉆芯揭示：仰拱以下未見初期支護。
表8為檢測結果匯總表。
表8 檢測結果匯總表
4.1 總體評價
結合檢測結果及《公路隧道養護技術規范》(JTG H12-2015)(附錄B 土建結構技術狀況評定標準)，其中本次檢測未涉及的分項取狀況值為0，各分項的狀況值如表9所示。
表9 土建結構各分項狀況值
根據規范進行計算，大坡梁隧道的土建結構評分JGCI為40。
依據(JTG H12-2015)(表4.5.4-2 土建結構技術狀況評定分類界限值)，當JGCI值不小于40且小于55時，對應土建結構技術狀況評定為4類。
因此，綜合上述情況，YK124+650～YK124+720土建結構技術狀況評定為4類。根據規范要求，應盡快實施結構病害處治措施，實施交通管制。
4.2 隧道洞口及仰坡穩定性評價
隧道思南端洞門處為淺埋地段，覆蓋層主要為塊石，下伏基巖為強—中風化炭質頁巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，可測巖層產狀為270°∠20°。
隧道劍河端出口段位于大坡梁山體東側斜坡上，其洞門處位于一斜坡上的沖溝左側緩坡地段，覆蓋層主要由碎石類土、塊石夾土及薄層黏土組成，下部基巖為薄層的壓碎巖及中—微風化炭質頁巖，受構造影響，巖體裂隙、劈理較發育，巖層產狀為279°∠49°。
出口段ZK124+650(YK124+660)～ZK124+690(YK123+705)段位于沖溝邊緣，受古樓坪斷層影響，周圍巖體較破碎，且該地段埋深淺，圍巖成分主要為碎石類土、塊石夾土、壓碎巖，無自穩能力。
5.1 襯砌開裂原因分析
依據檢測結果，大坡梁隧道病害主要為施工縫變形、襯砌開裂、局部路面凹陷、邊仰坡垮塌等。從檢測結果分析，大坡梁開裂產生的原因是多方面的，主要從以下兩個方面進行分析：
5.1.1 地質情況復雜
①2017年6月份以來,貴州全省發生較大范圍的強降雨天氣過程，全省平均降水量為349.9mm，為1961年以來歷史同期首位。受連續暴雨影響隧道洞口斷層地質受超量雨水劣化，土的力學性質與四五年前施工發生了變化，導致隧道襯砌局部區域應力集中。
②隧道洞口段YK124+696～YK124+720處于鼓樓坪逆斷層處，隧道洞口右側存在一沖溝，隧道處淺層偏壓區段。
③隧道建設期，YK124+689～YK124+699段隧道仰坡面在開挖過程中出現大規模坍塌，并在ZK124+621(K124+636.5)處出現約2m深度錯臺，垮塌量約有7000余立方米，洞口段隧道頂部主要為經加固處理的塌方體及回填土。
④受本輪暴雨影響,劍河段出現了嚴重的地質災害，6月29日下午5時，大坡梁隧道右洞邊坡滑坡災害，對隧道結構產生一定影響。
5.1.2 隧道質量狀況
①YK124+691～YK124+700、YK124+708～YK124+709段雷達圖像無鋼筋反射，YK124+670～YK124+691 段雷達圖像為單層鋼筋反射。
②通過鉆芯揭示：隧道仰拱以下未見初襯噴射混凝土。
5.2 處治建議
針對襯砌厚度不足，開裂嚴重、鋼筋缺失的情況，一般采用鑿除二襯重新施工模筑混凝土或粘貼鋼板加強剛度的方法，對未施工初期支護的需采用換拱措施。依據檢測、監測及計算成果，結合工程特點，建議如下[20-25]：
(1)襯砌裂縫處理。沿著裂縫鑿出“V”型槽，深度一般為50～80mm，外口寬80～150mm，把槽內浮塵及雜物清理干凈，要求縫面牢固、清潔、平整，不平整處可先用水泥砂漿找平，并使其表面充分濕潤至飽和。
(2)因仰拱以下未見初期支護，鋼支撐未形成閉環，對YK124+650～YK124+720段拱腳處進行注漿加固，提高鋼支撐的穩定性。
(3)因襯砌開裂嚴重，局部襯砌厚度不足，鋼筋缺失，通過計算及監測，襯砌整體穩定性欠佳，采用粘貼鋼板法進行二襯加固，加強二襯剛度。
(4)建議對變形較大的施工縫、裂縫處理完成后，應進行變形觀測。對裂縫的寬度及長度是否延伸進行觀測。裂縫寬度變化觀測，采用在裂縫兩側各5cm位置打設鋼釘，采用游標卡尺定期對鋼釘間距進行測量，以確定裂縫是否穩定，裂縫長度延伸觀測，用固定鋼尺定期測量。
(5)建議進行專項加固設計及加固處治。
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