福州市金鸡山隧道衬砌结构病害检测与分析

吕荔炫

(福州市规划设计研究院　福建福州　350108)



福州市金鸡山隧道衬砌结构病害检测与分析

吕荔炫

(福州市规划设计研究院福建福州350108)

公路隧道作为一种常见的地下结构形式，受地质条件、设计施工和运营环境的影响，在其服役寿命中后期常出现不同程度的病害，从而影响隧道内行车舒适性和安全性。为金鸡山隧道原位扩建的设计与施工提供详实可靠的基础依据和其他类似隧道衬砌结构的病害整治提供借鉴，文章以福州市二环路金鸡山隧道衬砌结构病害检测为背景，利用超声回弹综合法和钻孔取芯法检测了衬砌混凝土的强度与弹性模量，利用地质雷达法检测了衬砌厚度及其壁后空洞分布，同时分析了衬砌结构劣化以及壁后空洞产生的原因。

山岭隧道；原位扩建；衬砌结构；病害检测

0　引言

我国气候多样、地质复杂，再加上设计、施工、运营等环节中诸多不利因素的影响，使得我国山岭隧道在其运营期间常常出现衬砌裂损、基底下沉或底鼓、渗漏水等大量病害问题，严重威胁着隧道内的行车安全，大大缩短了隧道的使用寿命[1-2]。金鸡山隧道是福州市二环路的重点工程，于1995年建成通车，为上下行分列式双洞四车道城市道路隧道。隧道按城市主干道Ⅰ级标准设计主断面，其内轮廓为单心圆曲墙断面，洞内行车净宽8m，净高7.05m。隧道依据新奥法原理设计，采用复合式衬砌；其穿越岩体主要为中-粗粒花岗岩，其次为后期侵入的花岗石英斑岩，时有灰绿岩穿插；Ⅱ级、Ⅲ级围岩占40%，Ⅳ级、Ⅴ级围岩占60%；地下水较为丰富，主要由大气降雨补给。由于地质条件、气候条件以及设计、施工、运营过程中多种不利因素的影响，金鸡山隧道在其长期运营过程中出现了诸如衬砌裂损、渗漏水、基底下沉等多种不同程度的病害。

同时为满足不断增长的交通需求，市政建设单位在保持既有隧道北洞车辆通行的条件下，于2014年1月～2014年10月间，将其南洞原位扩建成四车道大断面公路隧道；恢复南洞车辆通行后，于2014年10月～2015年10月间，将其北洞原位扩建成四车道大断面隧道。在该扩建工程正式实施前，于2012年9月，通过超声回弹综合法、钻孔取芯法、高频地质雷达法等多种检测方法，对既有隧道衬砌结构进行了详细的现场检测，以期为原位扩建工程的设计与施工提供详实可靠的基础依据。本文以既有金鸡山隧道北洞为例，对其衬砌混凝土的强度与弹模、衬砌厚度与壁后空洞的调查结果，进行了详细的统计与分析。

1　衬砌强度与弹性模量的检测

1.1检测方案

根据金鸡山隧道的围岩级别和衬砌病害特点，采用超声回弹综合法和钻孔取芯法对衬砌混凝土的强度和弹性模量进行检测，并将两种方法检测结果进行校核。沿隧道全长1 006m范围内，选取77个代表性的检测点，其中56个为超声回弹测点(详见图1)，21个为钻孔取芯测点(详见图2)。超声回弹综合法参照相关规程[3]规定，测区尺寸取为200mm*200mm，且避开钢筋密集区和预埋件，采用平面测试法对相应各测区的波速进行测试。钻芯检测法参照相关标准[4]进行，取芯件为公称直径100mm的标准混凝土圆柱体试件，其高径比为1∶1，且试验前将试样浸饱24h。

1.2检测结果与分析

基于上述方案进行相关检测，推定衬砌混凝土强度与弹性模量如表1所示。进一步将检测结果按围岩级别进行统计，其结果如表2所示。

表1　衬砌混凝土强度与弹性模量的检测结果(选取部分数据)

表2　衬砌混凝土强度与弹性模量的统计(按围岩级别)

通过上述检测与分析认为：(1)既有隧道沿线多数区段的衬砌结构强度和弹性模量能满足设计要求，但其进口端到洞身段部分衬砌混凝土的强度与弹性模量，明显低于其他区段；(2)既有隧道沿线部分区段(尤其是III级围岩段)，其衬砌混凝土的强度与弹性模量不能满足设计要求，其芯样最小强度仅有12.5MPa，弹性模量最小仅为14.3GPa。由于既有隧道南洞扩建施工时，其北洞仍须保持车辆通行；考虑到既有隧道衬砌结构局部区段混凝土材质劣化严重，且爆破施工不可避免地对邻洞衬砌结构产生振动作用，为保证车辆通行安全，应在北洞衬砌结构内侧采用临时钢套拱+护网防护。

2　衬砌厚度与壁后空洞的检测

2.1检测方案

采用瑞典MALA公司的RAMAC/GPR CUⅡ型地质雷达，对金鸡山隧道衬砌厚度及其壁后空洞进行检测。该地质雷达配有里程轮、高速采集盒和800MHz天线；其参数设置为点距0.05m，记录时间35ns，叠加次数128次。分别在拱顶、左右拱腰、左右边墙位置，沿隧道纵向布置5条测线，如图3所示。检测过程中使用路灯维修车作为工作平台，操作人员站在维修车升降台上，使地质雷达天线与衬砌内表面贴近；维修车以5km/h的速度缓慢行驶，由地质雷达主机记录测试信息存入计算机，而后由人工识别其衬砌厚度和壁后空洞[5-7]。现场检测情况如图4所示。

2.2检测结果及分析

基于上述方案进行相关检测，推定衬砌厚度及壁后空洞如表3所示。进一步地将5条测线检测结果按围岩级别进行统计如表4所示。

表3　衬砌厚度及壁后空洞情况(拱顶测线)

表4　隧道衬砌厚度及壁后空洞的统计(按围岩级别)

注：角度以左边墙为0°，拱顶为90°，右边墙为180°进行计算。

由于金鸡山隧道建造年代久远，早年施工控制爆破技术条件有限，造成了衬砌厚度偏薄和局部衬砌背后脱空等隧道病害。通过上述检测和分析认为：(1)隧道沿线拱顶处衬砌的平均厚度均不满足设计要求，且I级围岩段隧道拱顶衬砌大面积脱空，最大孔洞深度达1.5m，II级和III级围岩段也有一定程度的脱空情况存在；(2)隧道沿线拱腰处衬砌的平均厚度基本满足设计要求，但仍普遍存在一定程度的脱空情况；(3)隧道沿线边墙处衬砌的平均厚度以及围岩接触情况均优于拱顶和拱腰。既有隧道进行原位扩挖重建后，上述衬砌厚度偏薄和背后脱空问题将不复存在；但在拆除既有衬砌过程中为防止局部围岩掉块，应对既有隧道拱顶脱空面积较大的局部区域进行注浆处理。

3　结论及建议

以福州市二环路金鸡山隧道衬砌结构病害检测为背景，利用超声回弹综合法和钻孔取芯法检测了衬砌混凝土的强度与弹性模量，利用地质雷达法检测了衬砌厚度及其壁后空洞分布。同时参照《公路隧道养护技术规范》的相关规定[8]，可将其土建结构(衬砌部分)的健康状况值标定为3。具体评价及原位扩建施工建议如下。

(1)隧道沿线多数区段的衬砌结构强度和弹性模量能满足设计要求，但隧道进口端到洞身段部分衬砌混凝土的强度与弹性模量，明显低于其他区段；部分区段(尤其是III级围岩段)衬砌混凝土的强度与弹性模量不能满足设计要求，其芯样最小强度仅有12.5MPa，弹性模量最小仅为14.3GPa。隧道沿线拱顶处衬砌的平均厚度均不满足设计要求，其中I级围岩段衬砌平均厚度相对值最小，仅为29.1%。考虑到既有隧道衬砌结构局部区段混凝土材质劣化严重，且爆破施工不可避免地对邻洞衬砌结构产生振动作用，为保证车辆通行安全，应在北洞衬砌结构内侧采用临时钢套拱+护网防护。

(2)隧道衬砌脱空主要发生在I级围岩段，II级和III级围岩区段也有一定程度脱空情况存在，IV级围岩区段衬砌与围岩接触较紧密；边墙处衬砌与围岩接触情况，明显优于拱顶和拱腰部位。既有隧道进行原位扩挖重建后，上述衬砌厚度偏薄和背后脱空问题将不复存在；但在拆除既有衬砌过程中为防止局部围岩掉块，应对既有隧道拱顶脱空面积较大的局部区域进行注浆处理。

[1]魏龙海.山西某既有高速公路隧道病害综合治理技术研究[J].公路，2015: 283-286.

[2]徐俊杰,龚伦.运营高速公路隧道技术状况检测[J].西部探矿工程，2009(07): 175-177.

[3]中国工程建设标准化协会.超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程[S].北京:中国计划出版社，2005.

[4]中华人民共和国建设部.普通混凝土力学性能试验方法标准[S].北京:中国建筑工业出版社，2003.

[5]刘新荣,石建勋,刘元锋，等.隧道空洞灾害的复合式检测方法研究[J].采矿与安全工程学报，2011(04): 633-637.

[6]杨艳青,贺少辉,齐法琳，等.铁路隧道衬砌地质雷达非接触检测模拟试验研究[J].岩石力学与工程学报，2011(09): 1761-1771.

[7]张顶立,张素磊,房倩，等.铁路运营隧道衬砌背后接触状态及其分析[J].岩石力学与工程学报，2013(02):217-224.

[8]中华人民共和国交通运输部.公路隧道养护技术规范[S].北京:人民交通出版社，2015.

Disease inspection of lining structure for Jinjishan Tunnel

Lv Lixuan

(Fuzhou Planning Design & Research Institute,Fuzhou 350108)

Highway tunnels,as the common form of underground structure,are often attacked by many geological,construction and operating factors.Some diseases often occur in the lining structure during the middle-term or later-term of tunnels’ service life,which takes a serious effect on the operation comfort and safety of highway tunnels.Based on the disease inspection of lining structure for Jinjishan Tunnel in Fuzhou 2nd ring road,the strength and the elastic modulus of lining structure are inspected by ultrasonic-rebound combined method and core drilling method.The thickness of lining structure and the cavity behind lining structure are inspected by ground penetration radar method.These data provide the reliable foundation for the design and construction of in-situ expansion project of Jinjishan Tunnel.Meanwhile,the reasons for the lining deterioration and lining backward cavity are also analyzed,which can provide some reference to the disease treatment for other similar tunnels.

Mountain tunnel; In-situ expansion; Lining structure; Disease inspection

吕荔炫(1981.06-)，男，高级工程师。

E-mail:12847837@qq.com

2016-03-04

U45

A

1004-6135(2016)04-0094-03