隧道病害处治技术研究

第1章 杜公岭隧道工程概况 杜公岭隧道位于长治市平顺县境内，属于长治至平顺高速公路的主线段工程，是山西省高速公路网“三纵十二横十二环”的重要组成部分。隧道进口端洞口位于平顺县前鸦沟村附近，出口端洞口位于平顺县大岭沟村附近，总体走向264°。隧道于2009年12月开工建设，至2012年11月完工。 隧道施工后期(2012年3月)，在日常巡检中首次发现已施作隧道衬砌出现衬砌裂缝和路面隆起、开裂等轻微病害；2013年除隧道衬砌裂缝和路面隆起、开裂外，电缆沟也出现倾覆；2014年又相继出现了二次衬砌拱脚部位的局部崩裂和局部段落的变形侵限；2016年、2017年杜公岭隧道部分段落病害恶化，隧道衬砌混凝土部分出现泥化现象，导致隧道二次衬砌混凝土突发性崩塌掉落、电缆沟内墙挤出。总体上，杜公岭隧道病害呈现出病害发展时间长、病害类型多的特点，在公路隧道病害处治工程中很罕见。 1.1 工程建设条件 1.1.1 地形地貌 杜公岭隧道工程地形属低中山区，地形起伏，其中地形*高点标高1498m(杜公岭峰顶)、*低点标高1198m(大岭沟沟底)，地形相对高差*大值为300m。隧道上部山体阳面多基岩裸露，阴面灌木植被稍发育。 1.1.2 地层岩性 杜公岭隧道上覆岩层与周边围岩主要由第四系上更新统坡洪积层黄土状粉土和碎石土、石炭系中统本溪组泥岩和山西式铁矿、奥陶系中统上马家沟组二段灰岩和一段泥灰岩、灰岩组成。各层赋存状况如下。 1. 第四系上更新统坡洪积层 该层主要为黄土状粉土和碎石土。其中黄土状粉土呈褐黄色，虫孔发育，垂直节理发育，含零星钙质结核，松散～稍密，厚度2～10m。碎石土呈褐黄色，母岩为灰岩、泥灰岩，多呈棱角状～次棱角状，均匀性差，松散～稍密，碎石含量在30%左右，粉土、粉质黏土充填。 2. 石炭系中统本溪组 该层主要为含铁质、铝土质泥岩以及山西式铁矿，出露面积较少，仅在右洞YK34+500～YK34+800北侧山顶出露，与下伏奥陶系中统上马家沟组地层呈不整合接触；本组可见厚度20m左右。其中，山西式铁矿呈鸡窝、透镜、团块等状，镶嵌在奥陶系中统上马家沟组厚层灰岩裂缝中，矿物以含硫量高的黄铁矿为主。 3. 奥陶系中统上马家沟组二段 该层岩性主要为灰黑色中厚层灰岩、豹皮灰岩，在隧址区山顶普遍分布，且呈西部薄、东部厚的特点，*厚处约120m。 4. 奥陶系中统上马家沟组一段 该层岩性上部为46～48m厚泥灰岩，下部为泥灰岩、灰岩互层，底部泥灰岩中含石膏透镜体；岩层呈隐晶质结构、层状构造，白云石含量高，角砾状构造发育；同时，发育有闭合状节理裂隙，钙泥质充填；该层厚度95～150m，总体呈西部厚、东部薄的特点。 1.1.3 地质构造 杜公岭隧道隧址区地质构造主要为褶皱、断层及节理裂隙。 1. 褶皱 褶皱构造发育于洞身K34+900～K35+200段，由两个向斜(S1、S3)、一个背斜(S2)组成。其中，S1向斜走向近南北向，与隧道呈84°斜交(左线ZK34+953、右线YK34+950)，东翼产状为200°∠5°，西翼产状为122°∠25°；S3向斜走向NNW24°～SSE156°，与隧道呈72°斜交(左线ZK35+164、右线YK35+180)，东翼产状为280°∠20°，西翼产状为80°∠4°；S2背斜走向NNW8°～SSE172°，与隧道呈88°斜交(左线ZK35+072、右线YK35+078)，东翼产状为122°∠25°，西翼产状为280°∠20°。 褶皱构造段的隧道围岩为泥灰岩。由于泥灰岩的隔水作用，地下水沿S1、S3向斜构造在隧道周边汇集，并向隧道内排泄。 2. 断层 断层发育于隧道ZK34+637、YK34+648处，为逆断层(F1)，产状为253°∠85°，与隧道正交(图1.1)。断层破碎带厚2～3m、断距20～30m。断层上盘与下盘的错动造成断层两侧隧道地层岩性差异性较大，其中，断层上盘(断层出口方向)围岩以上马家沟组一段泥灰岩为主，产状为155°∠9°，隧道85%的病害位于上盘区段；断层下盘(断层进口方向)围岩以上马家沟组二段灰岩为主，产状为155°∠10°。 图1.1 断层剖面示意图 3. 节理裂隙 隧址区岩层产状以210°∠3°为主，岩体除层面外，发育2组主要节理裂隙：隧道进口端产状分别为170°∠80°、272°∠81°，两组节理密度为2～3条/m；出口端产状分别为182°∠83°、263°∠83°，两组节理密度为2～3条/m。 1.1.4 不良地质 杜公岭隧道隧址区不良地质主要为地表矿坑与溶蚀。 1. 地表矿坑 地表矿坑为本溪组浅层铁矿矿坑，主要开采于1958～2004年。地表矿坑主要分布于隧道K34+500～K34+800段，东西长约260m，南北宽约120m，共计100余处。地表矿坑大小不一，多呈条带状、椭圆状(图1.2)，一般可见深度为1.5～9m。 图1.2 部分废弃铁矿矿坑 2. 溶蚀 泥灰岩中夹杂石膏岩将导致地层中产生碳酸盐与硫酸盐共同作用的溶蚀现象。其中，石膏易溶于水形成硫酸盐溶液，促使地层发生去白云石化作用而形成蜂窝状溶蚀结构，为地下水的进一步入渗提供了路径，从而使得水能进入岩层内部产生溶蚀。同时，无论是二水石膏脱水生成硬石膏还是硬石膏发生水化形成二水石膏，都将发生膏溶作用，进而影响碳酸盐的溶化强度与机制，加速地层中碳酸盐的溶蚀。而且由于硫酸盐岩层薄而质软，大型岩溶洞穴难以长期保留。 隧址区岩溶发育强烈，多以溶槽、溶孔及溶洞等形式存在(图1.3)，并存在相互连通现象，在隧道内多处钻孔出现吹风现象。从隧道纵向上分析，溶洞则多揭露于隧道断层上盘，且多发育在隧道边墙以上部位，溶洞多为干溶洞，未见地下水汇集；洞底部多由碎石土充填，且部分溶洞可见地下水流侵蚀与冲刷痕迹，溶洞大小多受上部与底部的岩层岩性控制，洞高一般在2～4m。因此，造成杜公岭隧道岩体岩溶发育强烈，并以溶孔、溶槽和小型溶洞为主，局部围岩十分破碎，具体溶洞信息如表1.1所示。 图1.3 现场各类形态的岩溶及钻孔吹风现象 表1.1 杜公岭隧道揭露的部分溶洞信息 杜公岭隧道特殊岩土主要为石膏质岩和泥灰岩。 1. 石膏质岩 山西省奥陶系石膏质岩分布空间具有明显的分带性(图1.4)，总体可以划分为五台山隆起带、系舟山—禹门口凹陷带、阳泉—侯马隆起带、长治—垣曲凹陷带以及平顺—晋城隆起带。一般认为水下隆起带不利于石膏的形成，石膏层位较薄。奥陶系石膏层的赋存呈北东—南西向延伸，层厚呈南厚北薄、西厚东薄的特点；石膏质岩层位主要有下马家沟组一段、上马家沟组一段及峰峰组一段，其中马家沟组一段以纹层状石膏、鸡笼铁丝状石膏为主，主要分布在临汾地区，其次为柳林、孝义一带。 根据图1.4所示，平顺县位于平顺—晋城隆起带上，属于不利于石膏质岩形成区域。根据《平顺县矿产资源规划》，平顺县石膏质岩主要分布在杜公岭隧道东南部的牛石窑和杏城一带(距隧道直线距离约26km)，而隧址区石膏赋存情况未曾揭露过。为获取石膏质岩分布范围，对隧道周边围岩进行了钻孔取样(图1.5)，共计完成121个断面、225个隧道围岩试样。 岩样送检测试结果如下： (1) 隧道洞身地层主要成分为方解石、白云石、石英、钾长石、斜长石、石膏、硬石膏。其中，石膏(二水石膏与硬石膏)含量*大达90%