对某公路隧道病害原因及治理的分析探讨

对某公路隧道病害原因及治理的分析探讨

摘要:本文对某二级公路隧道的病害原因进行了分析,并提出了切实可行的治理方案。

关键词:公路隧道病害原因治理方案

某二级公路隧道全长456m,隧道净高6.66m，净宽8.5 m，两车道双向行驶。隧道采用新奥法设计理念，采用复合式衬砌即喷锚初期支护，排水盲管、止水条、止水带、防水板等综合防排水措施，C20（钢筋）混凝土二次衬砌。隧道洞身穿过的地层围岩主要为层状泥岩、泥质泥岩、泥质灰岩和层状灰岩、白云质灰岩等。隧址区地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水。

1、隧道病害表现及分析

1.1病害表现

（1）隧道出口洞门端墙、洞身局部地段、仰拱回填及水沟混凝土酥化、软化，酥化、软化范围内的混凝土强度已部分或全部丧失。部分仰拱及仰拱回填混凝土已成松软酥状。

（2）隧道局部地段拱部及边墙混凝土出现纵、斜向及网状裂纹，两处拱顶出现掉块现象，近百米水沟侧墙纵向断裂、变形、扭曲。

（3）部分地段路面断板及隆起现象严重，板间横向张开缝最大达5cm；最大凸起14cm；个别路面板间错台达4cm；纵向开裂最大达6cm。

（4）隧道二次衬砌局部渗水、滴水现象明显。

（5）探槽及钻孔揭示隧道仰拱及铺底下部出现空洞（最大高度约10cm）。

总体来讲，病害主要集中在隧道中部至出口段200m左右范围，且总结发现病害多出现在能接触到水的部位，比较潮湿的环境条件下。

1.2病因分析

在病害出现后，业主召集设计、监理、施工等单位代表现场进行了查看分析，初步判断病害可能是由以下一种或几种原因导致：⑴施工采用水泥质量安定性不好等水泥质量原因引起；⑵混凝土碱骨集料反应；⑶在冬季施工混凝土时，施工养护措施采取不当、养护不到位所致；⑷依据病害处皆有水，认为混凝土遭受冻害也是原因之一。

1.3 病害结论

通过大量的反复的取样试验检验，以及两年多的实地观察，专家分析论证，得出如下结论：

（1）具有膨胀性的围岩遇水后产生压力致隧道基底及路面变形、衬砌混凝土开裂。

隧道本身处于膨胀性围岩的山体之中，由于膨胀岩具有吸水膨胀和失水收缩两种变形特性，雨季基底围岩吸水饱和后体积膨胀，造成仰拱混凝土结构的上鼓变形；旱季时基底围岩失水体积收缩，部分仰拱与路面因发生塑性变形过大而无法复位，形成仰拱及路面下空鼓。

（2）环境地下水对隧道衬砌混凝土的影响

经对隧道内三处病害部位渗流水水样检验，结果显示：一处地下水对混凝土存在结晶类中等侵蚀，一处地下水对混凝土存在分解类中等侵蚀，一处无侵蚀作用。

地下水由于接触到可溶于水的石膏或其他硫酸盐而对混凝土具有了一定的腐蚀性。水的腐蚀作用随着时间延续，水量和水温随季节变化，其侵蚀性也呈现强弱交替，反复作用，导致初期支护混凝土强度逐渐降低并最终失去承载能力；在隧道渗漏水及防水板破坏处，地下水的侵蚀影响范围逐步扩大到二次衬砌混凝土，影响程度越来越严重，直接导致隧道二衬混凝土结构的破坏，威胁行车安全。

（3）混凝土集料中有害物质的影响

混凝土集料中含有大量对混凝土有害的石膏，石膏遇水软化、溶蚀、膨胀，导致混凝土开裂、酥松；集料中超标的硫化物和硫酸盐与水泥中的钙离子发生作用，生成硫酸钙与硫铝酸钙，发生体积膨胀，导致混凝土开裂。

（4）当地气候四季分明的变化，导致接触水的混凝土经过冻融循环，加剧了混凝土表面的破坏；旱雨季水量的变化，干湿交替，也促长了膨胀岩和石膏及硫酸盐的破坏作用。

1.4 硫酸盐侵蚀病害形成机理分析

由病害结论知，在混凝土中含有大量的有害的石膏，且集料中硫化物、硫酸盐严重超标。隧道拱墙结构混凝土的酥化、局部龟裂等，主要是硫酸盐侵蚀作用形成；仰拱和路面下空鼓现象也与之有一定的联系。

硫酸盐侵蚀是混凝土膨胀性侵蚀中最常见的侵蚀作用之一。硫酸盐中主要的离子是SO42-。硫酸盐侵蚀与水泥成分、水泥的水化产物有紧密的联系。

混凝土使用的是硅酸盐水泥，硅酸盐水泥主要熟料矿物有硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙(C2S)、铝酸三钙(C3S)及铁铝酸四钙(C4AF)等，它们经水化作用后，生成氢氧化钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙、水化硫铝酸钙等水化产物。

水泥水化作用产物，如C3AH、Ca(OH)2和C-S-H凝胶与硫酸盐反应后，将生成新的化合物，而新生成的化合物或易溶于水，或为松软无粘结力的物质，或结晶膨胀，引起有害的内应力而破坏水泥石结构。由于混凝土本身属于多孔非均质材料，在环境水的助力下，新生成的物质通过混凝土的空隙进入混凝土中，随着环境水多少和环境温度的变化，即干湿交替作用，混凝土继续发生进一步的物理化学反应，从而使混凝土逐渐破坏并导致表层开裂和软化。

裂缝又助长了含有硫酸盐和其他离子的侵蚀性水的渗透，进一步加速了混凝土的破坏，而且也影响到水泥水化物的粘结性能，最终影响到强度。

2、病害整治方案

鉴于隧道病害成因已明了，各种检验结果与实际及“佐证”表现吻合，整治方案从隧道结构的长期稳定和运营安全考虑，遵循“彻底整治，不留后患”的原则进行设计。

2.1既有初期支护补强措施

为确保施工安全，从不扰动或少扰动围岩的原则出发，将原初期支护作为保留，按不承受永久荷载进行设计。

据竣工资料反映，需整治地段初期支护中一般设置有格栅钢架，在拆除已裂化损坏的二次衬砌时，尽量减小对既有初期支护的扰动，依据既有初期支护的实际质量状况，采取局部补强措施。对小面积范围失效的初期支护凿除后打设锚杆、挂网并喷射混凝土，对初期支护背后出现空洞的进行填充注浆；对大面积初期支护失效的地段，采取增加嵌补I18型钢钢架，挖除失效的初期支护混凝土，增加锚杆、挂钢筋网，重新喷混凝土的处理措施。

2.2二次模筑衬砌结构新设计

为彻底消除隐患，决定对隧道病害地段既有二次衬砌全部拆除更换。

隧道新建二次模筑衬砌内轮廓和限界与原设计保持一致，且均采取曲墙带仰拱结构，同时加大了仰拱的矢跨比。

设计方案重点考虑环境地下水侵蚀性、围岩膨胀性及既有结构混凝土集料内有害物质的影响，将病害地段既有二次衬砌全断面更换为C30抗侵蚀防水钢筋混凝土或C25抗侵蚀防水混凝土。