摘 要：泥岩是隧道施工中最常见的一种围岩，泥岩遇水软化，承载力降低，是诱发隧道仰拱病害的主要原因，本文以某隧道仰拱病害处治为例，总结出了泥岩隧道仰拱病害事后处治方案及病害事前预防措施，对类似地质环境隧道的设计和施工具有一定的指导和借鉴意义，接下来我们就来聊聊关于隧道拱部病害原因?以下内容大家不妨参考一二希望能帮到您!
隧道拱部病害原因
王延方 崔小鹏中交第二公路工程局有限公司摘 要：泥岩是隧道施工中最常见的一种围岩，泥岩遇水软化，承载力降低，是诱发隧道仰拱病害的主要原因，本文以某隧道仰拱病害处治为例，总结出了泥岩隧道仰拱病害事后处治方案及病害事前预防措施，对类似地质环境隧道的设计和施工具有一定的指导和借鉴意义。
关键词：泥岩;隧道仰拱;病害;处治;预防;
火成岩、沉积岩和变质岩是组成地球岩石圈的三大岩类，在地球地表，有70%以上的岩石是沉积岩，而沉积岩中泥质岩分布最广，约占沉积岩总面积的60%，泥岩作为泥质岩的典型代表，广泛分布于地球表面，是隧道施工中最常见的一种围岩。泥岩在缺水状态下，具有较高的强度和承载力，一旦遇水，则迅速软化，丧失承载能力，对施工过程和通车运营构成极大安全风险。当泥岩位于隧道拱墙部位时，可通过拱墙防排水体系将其含水引排至边沟或中心水沟排出，但当泥岩位于隧道仰拱部位或以下时，围岩中含水难以排出，如施工过程无针对性处理措施，则很容易发生路面开裂、起伏、错台、基底沉陷乃至拱墙衬砌开裂变形等病害，严重危及行车安全。为此，如何提前预防泥岩隧道仰拱病害以及出现病害后如何处治，是泥岩隧道施工必须克服的难题。下面以对某泥岩隧道仰拱病害处治为例，通过原因分析和实践总结，研究解决泥岩隧道仰拱病害处治及预防问题。
1 病害状况该隧道为某高速公路双向六车道隧道，病害段岩体岩质为V级强-中风化泥岩，岩性以泥岩为主，岩体属极软岩。风化岩为半岩状，力学性能较差。作为隧道围岩，在不受水沁润冲刷侵蚀作用而呈干燥状态时，稳定性较好，但水浸后极易加剧松散破坏。隧址区水文地质条件较简单，地下水不富集，施工过程中除局部地段有微弱渗水外，大多段落呈干燥无水状态，施工采用CD法开挖掘进，初支采用C25喷射混凝土，厚28cm，全环封闭，二衬采用C30钢筋混凝土，拱墙厚55cm，仰拱厚60cm，仰拱填充采用C15片石混凝土填筑，路面结构层厚度52cm，中心水沟部位最大结构层厚度约2.9m(路面顶至仰拱开挖面)，拱墙设防水板 土工布，通过纵向盲管、横向盲管及中心水沟的综合排水体系进行洞内防排水。
隧道施工完成通车运营4年后出现病害，最初为路面裂纹、纵横向裂缝，随着裂缝长度和范围的增加，陆续出现路面起伏、错台，直至发展为左右正洞拱墙衬砌表面出现纵横向裂缝，路面裂缝延伸范围达300m，最长裂缝达50m，最大错台达10cm，严重危及行车安全。
2 病害分析及处治2.1 原因分析为探明病害原因，整治人员查阅了设计图纸、施组方案、施工记录等相关过程资料，采用物探和钻探相结合的手段对隧道进行检测，发现隧道衬砌厚度、仰拱厚度、混凝土强度、钢筋数量等基本符合设计要求，衬砌表面无渗水现象，但中心水沟及侧沟流水很小，仰拱填充存在不密实或脱空问题，仰拱基底存在积水现象，钻芯发现仰拱初支以下0～50cm范围内基底围岩受水浸泡后呈塑性或流塑性状态。
根据现场调查及实体检测资料综合分析，隧道施工在一定程度上改变了原山体水系，水系调整造成原无水部位出现流水，隧道洞身外含水顺防水板而下，本应通过纵向水管、横向水管和中心水沟形成的防排水体系流出洞外，由于仰拱填充施作不规范，局部横向水管破坏、中心水沟堵塞，洞身背后流水无法顺利排入水沟，形成积水，积水沿仰拱开挖面继续下渗至基底，造成基底长期积水，无法排出，基底泥岩遇水软化，承载力显著降低，在上部车辆荷载的长期作用下，基底结构层承载力日渐不足乃至丧失，基底下陷，反射至路面开裂、错台、进而导致拱墙衬砌开裂。为此，排水不畅、泥岩软化、承载力不足是诱发隧道系列病害的主要原因。
2.2 处治方案针对病害原因制定处治方案，主要思路是采取有效措施疏导积水、加固基岩、提高承载能力，消除安全隐患，具体方案如下:
(1)交通管制
高速公路车流量大，车速快，为保证施工安全，必须采取交通管制措施，结合分离式隧道特点，先封闭左幅(待处治洞)，将右幅改为双向通行，严格按《公路养护安全作业规程》要求制定专项保通方案，并按方案要求设置相关警示、诱导标志，配备必需交通组织和管理维护人员，确保交通畅行和行车安全。
(2)排水管沟疏通
全面疏通隧道排水管沟，清理侧沟和中心水沟内淤积杂物，使水沟整洁顺畅，对纵、横向排水盲管进行通水试验，对排水不通畅位置进行疏通处理，确保隧道整体排水体系畅通无阻，流水快速排出，消除积水隐患，减轻隧道基底静水压力，控制仰拱底部围岩软化范围。
(3)基底钻孔
在隧道路面上布设钻孔设备，向下钻设直径约100mm的孔眼，孔眼间距按1.5m×1.5m梅花形布置，钻孔深度伸入仰拱基岩不小于1m(考虑到仰拱基底0～50cm范围内基底围岩有受水浸泡情况)，钻孔到位后安设89钢花管，钢管顶面距离路面顶面不得小于10cm(避免伸出的钢管头损伤路面铣刨设备)，通过钢管桩形式提高仰拱结构层整体承载能力。
(4)基底注浆
孔口封闭后，通过89钢花管对仰拱结构层和基底泥岩进行加固，按照先线路中间后两侧的顺序进行注浆，注浆区段沿隧道线路按每30～40m为一个区段，注浆压力控制在2～5MPa，对积水严重部位可采用掺配水玻璃的双液浆，确保注浆效果。通过浆液充分扩散固结和改善基底围岩，提高承载能力，同时达到抬高地下水位、消除基底积水之目的。
(5)钢管填充
注浆凝固后，及时采用细石子混凝土或砂浆对不密实管孔进行填充，确保管内密实，防止对后续路面铺筑构成质量隐患。
(6)钻孔引水
注浆完成后，在两侧边沟内按5m间距向下钻设引水孔，钻设深度为仰拱与基岩接触面，钻孔孔径不大于50mm，通过毛细现象将注浆抬高的基底积水引入边沟排出洞外，从而达到根治积水隐患的目的。
(7)锁脚加固
对拱墙二衬表面存在裂纹或裂缝部位，采用ф89钢管沿电缆沟槽底部斜向下进行钻孔加固，钻孔角度斜向下45°，钢管长度6m，端头采用槽钢固定，然后进行填充注浆，通过整体锁脚改善拱墙与仰拱结合部位受力，提高结构承载能力。
(8)沥青路面重铺
注浆加固及积水消除后，对沥青面层进行铣刨和重新摊铺，确保路面完整平顺。
(9)监测点布设
处治完成后，对处治段落按每50米间距布设监测断面设点进行长期监测，及时整理和分析相关信息，验证处治效果，确保运营安全。
2.3 注意事项隧道病害处治过程中需局部封闭交通，会对高速公路正常通行造成一定影响，处治人员将面临交通疏导、工期、成本等诸多压力，为此，处治前必须做好方案、人员、设备、材料及计划等各种准备，确保处治按时完成，除此之外，特别提醒注意以下几点细节:
(1)因仰拱结构层中密布有钢筋、钢架等金属材料，钻机在钻进过程中难以避开，为保证钻孔效率，必须采用具备打穿金属的多功能先进钻机，避免延误时间。
(2)对不密实混凝土结构或基岩注浆具有很多的不确定性，多数孔管一注即满，压力上升很快，注浆困难，为提高注浆效果，首先要做好管口止浆阀的焊接，再者必须设置注浆管和排气管，同时注浆压力不宜低于2MPa，通过多循环重复注浆，确保浆液充分扩散。
(3)钻孔过程要做好记录，尤其对出水、出泥的孔位，钻孔深度应进入基底围岩不小于1m，且穿透受水侵蚀或渗透的全部基岩，确保注浆固结范围，达到提高承载力和抬高地下水位之目的。
(4)为避免路面铣刨机铣刨过程碰触到钢管端头，钢管下放安装过程中要专人检查外露高度，确保钢管上端位于沥青面层基底之下。
2.4 处治效果隧道处治完成后，中心水沟及侧沟流水有较明显增加，通过三年多的观测，洞内路面再无裂缝现象，衬砌表面原裂纹稳定无新的发展，监测点数据无异常，处治取得较好效果。
3 病害预防泥岩地质隧道或隧道仰拱为泥岩地质的数量很多，一旦发生病害，处治成本极高，社会影响较大，为此，如何杜绝病害的发生，如何从设计和施工阶段消除病害，才是解决问题的根本所在。通过上述对泥岩特性的分析、泥岩病害的处治以及对近年来各设计院设计图纸对比和各施工单位过程控制的调查，作者总结出一些预防泥岩隧道仰拱病害的措施和办法，主要如下:
3.1 设计预防(1)基底注浆加固
设计阶段，对基底有水地段，一般会采取注浆加固或管桩加固措施，但对无水地段往往忽略。考虑到隧道施工后水系调整，原无水地段可能变成有水地段，原处于干燥环境下的泥岩可能长期处于饱水环境中，为此，建议对仰拱基底为泥岩的均应进行注浆加固处理，通过注浆提高围岩抗水能力，扩大基底防水区范围，确保基底稳定。
(2)防水板全环封闭
通常设计中，防水板设置在拱墙范围，墙脚以下包含仰拱结构层在内一般不设防水板，为确保仰拱结构层稳定，防止地下水侵入仰拱，建议在仰拱二衬外设置防水板，即全环设置，达到防水板在整个隧道二衬结构外全环封闭，提高防水效果。
(3)侧沟排水为主
侧沟靠近纵向排水盲管，利于洞内水流的及时排出，为此，在设计阶段一定要设置侧沟(部分设计取消了侧沟)，并加大侧沟的排水能力，确保水流就近快速排出，消除背后积水隐患。
(4)中心水沟宜为现浇的矩形沟
部分设计中，中心水沟为预制的混凝土圆管或HDPE管，而圆管的接头连接、圆管与横向水管的衔接、圆管基底处理、圆管外碎石滤层等对施作精度和标准要求高，施工难度大，控制困难，为此建议设置为现浇的矩形水沟，便于现场操作，确保设计排水意图。
(5)仰拱填充不宜采用片石混凝土
片石混凝土所需片石需单独外购和加工，施工过程需人工调整片石位置和振捣角度，施工效率低，成本高，质量控制难，且极易对埋设在其中的横向排水管和中心水管造成破坏，导致排水失效，为此，建议仰拱填充采用相同标号的混凝土代替片石混凝土。
(6)高寒地区洞口保温水沟
在高寒地区，冬季气温常在零度以下，洞口段水流极易结冰，形成冻胀，为此，对北方寒冷地区的泥岩隧道，洞口段一定范围要设计加深保温水沟，确保流水顺畅，防止冻结堵塞积水，影响隧道结构和行车安全。
3.2 施工预防(1)仰拱厚度控制
仰拱结构层厚度是保证基底承载力的关键，为此，在施工中必须加强对仰拱开挖深度的检查，深度不满足，不得进行下道工序作业。
(2)仰拱开挖弧度控制
在实际施工中，仰拱中心处的深度一般可以满足设计要求，但中心向两侧的开挖轮廓往往呈直线状，没有形成弧度，导致实际的仰拱结构层为不规则的扁平结构，不利受力，仰拱弧度的控制是施工的薄弱环节，要予以特别关注和重视。
(3)仰拱虚渣清理
仰拱虚渣可能导致基底不均匀沉降，必须加强控制，确保清理彻底。
(4)横向排水盲管保护
横向排水盲管是将侧沟或纵向盲管内流水引向中心水沟的通道，施工中，横向盲管的固定、盲管间接头处理、盲管与中心水沟的接口处理、盲管完整性保护等均需高度重视，专人检查，谨慎施工，确保完整有效。
(5)中心水沟控制
中心水沟节段之间的连接、中心水沟与横向水管的接口处理、中心水沟内杂物的及时清理等是中心水沟施工控制的关键环节，无论现浇还是预制，均需加强质量控制，确保通道畅通。
4 结语随着国内高等级公路和铁路路网的不断延伸、国外“一带一路”的基建投资的兴起，隧道工程和隧道所处的地质类型必将更加复杂多样，通过事前优化设计、精细施工，有针对性的预防泥岩隧道病害的发生和高效完成病害的处治，可有效控制施工风险，降低工程成本，具有较强的实用性和操作性，可为泥岩隧道或类似地质环境的隧道设计和施工提供有益借鉴。
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