关于隧道衬砌掉块的检测技术，现有研究主要集中在地质雷达等物探手段方面，而专门针对隧道衬砌掉块的系统检测方法及成因分析的研究较少。文章依托广西河都路高岭一号隧道衬砌掉块检测项目，从隧道受力环境出发，采用外观检测、回弹检测、地质雷达检测相结合的综合检测法，对隧道衬砌掉块进行系统检测分析，并借助MIDAS有限元分析方法，对隧道衬砌掉块的形成机理进行了研究，提出了相应的处置措施，可为类似工程提供参考。
关键词：隧道衬砌掉块;综合检测法;MIDAS;有限元;数值分析
0 引言
随着我国高速公路建设的迅猛发展，公路隧道里程逐年增加，隧道中的各类病害也日渐增多，如衬砌掉块、突水突泥、渗漏水等病害时有发生，严重影响隧道的使用功能。
现阶段，关于公路隧道衬砌掉块的研究，主要集中在采用综合分析法对病害成因进行分析以及衬砌掉块的加固技术等方面[1-3]。针对隧道衬砌掉块的检测，研究者主要采用地质雷达法进行衬砌厚度及其背后脱空情况的探测[4-5]。而隧道衬砌掉块的成因是多方面的，如何有效进行衬砌掉块的检测，准确找出病害成因，具有非常大的研究价值。此外，结合综合检测结果和有限元数值分析手段对病害成因分析的研究几乎没有。
本文依托广西河都路高岭一号隧道衬砌掉块检测项目，通过采用外观检测、回弹检测、地质雷达检测相结合的综合检测法，对隧道衬砌掉块进行系统检测，并借助MIDAS有限元分析方法，从理论计算方面着手，对隧道衬砌掉块的形成机理进行了研究，为类似隧道病害检测及成因分析手段提供了借鉴。
1 工程概况
2019-07-16，广西河都路高岭一号隧道上行线YK1806+507（施工桩号为YK62+481）发生衬砌掉块病害，衬砌掉块位置为隧道右拱腰（距路面垂直高度约4.5 m）处，掉落面积约为2 m2，衬砌掉块的厚度为15～22 cm。衬砌掉落后露出防水板，防水板与初支粘贴不密实。衬砌背后积水从缺损处涌出，形成0.3 m直径水柱，水质清澈。
根据现场病害情况，初步推测隧道病害可能的影响因素包括：围岩压力增大、衬砌背后水压力增大、衬砌混凝土强度不足、衬砌背后脱空、衬砌厚度不足等五个方面。故针对该五个方面制定如下检测方案：
（1）外观检测：根据衬砌掉块处附近的衬砌结构外观检测结果，判断衬砌结构整体受力情况及其稳定性。
（2）回弹检测：通过衬砌混凝土的回弹检测结果，判断衬砌混凝土强度是否满足要求。
（3）雷达检测：通过雷达检测衬砌厚度及背后脱空情况，分析衬砌掉块的内部成因。
2 检测结果
2.1 外观检查
通过外观检查可知，衬砌掉块位置桩号为YK1806+505～YK1806+507，掉块面积为S=（2×1）m2，位于右拱腰（距路面垂直距离约4.5 m），掉块位置防水板与初支无粘贴，且防水板破损。YK1806+470～YK1806+530范围内隧道主要病害为轻微渗漏水，未发现明显结构性裂缝，渗漏水主要发生在施工缝位置，且已经修补完善。可见隧道围岩压力未超过衬砌承载能力，衬砌背后局部渗漏水压力较大，含水量丰富，但衬砌结构整体稳定性尚满足要求。
2.2 回弹检测结果
通过回弹检测，得到隧道衬砌掉块区段的混凝土回弹值在36.56～43.80之间，换算强度在25.24～43.21 MPa之间，推定现龄期衬砌混凝土强度为29.32 MPa，大于C25混凝土设计强度，说明衬砌强度满足设计要求。
2.3 雷达检测
高岭一号隧道上行线YK1806+500～YK1806+510雷达图像如图1～4所示，根据雷达检测数据可知：
（1）YK1806+500～YK1806+510右拱腰测线位置，衬砌厚度在17.6～45.1 cm之间。其中，YK1806+503～YK1806+507里程段衬砌厚度在15.4～21.0 cm之间（设计厚度为35 cm，现场量测衬砌的掉块部位边缘厚度在15～22 cm之间），如图4中方框部位所示。
（2）支护（衬砌）背后空洞：YK1806+500～YK1806+510局部存在二衬孔洞或脱空。
3 病害成因分析
3.1 数值模型建立
本文采用MIDAS有限元分析软件对隧道衬砌受力情况进行分析。数值模型如图5所示，其中二衬缺陷为局部衬砌厚度不足，且存在脱空，如图6所示。模型整体采用荷载-结构法进行建立，其中隧道初期支护和二次衬砌均采用二维面单元模拟，二者之间的接触采用节点耦合方式进行模拟，初期支护与围岩之间的作用力采用弹簧单元模拟。模型参数取值如表1所示。考虑如下三种工况：
工况（1）：二衬背后无渗水压力作用。
工况（2）：二衬背后脱空部位存在500 kPa局部水压力作用。
工况（3）：二衬背后脱空部位存在1 000 kPa局部水压力作用。
3.2 病害成因分析
通过MIDAS有限元数值计算，当衬砌空洞部位无水压力作用时，隧道二次衬砌的von Mises应力如图7所示，隧道二次衬砌的XY平面的总剪应力如图8所示;当衬砌空洞部位存在500 kPa的水压作用时，隧道二次衬砌缺陷部位的XY平面的总剪应力如图9所示;当衬砌空洞部位存在1 000 kPa的水压作用时，隧道二次衬砌缺陷部位的XY平面的总剪应力如图10所示。
由图7可知，二次衬砌的最大von Mises应力位于右侧边墙位置，大小为7.6 MPa<16.7 MPa（C25混凝土抗压强度标准值）。由图8可知，二次衬砌的最大剪应力位于右侧拱腰位置（衬砌掉块部位），大小为2.2 MPa<2.5 MPa（C25混凝土抗剪强度标准值）。由图9～10可知，隧道缺陷部位的最大剪应力随空洞部位水压力的增大而增大，但增长幅度并不大，可见衬砌厚度不足和空洞缺陷是衬砌掉块的内在成因，水压力增大是外因。
由上述计算结果可知，二次衬砌拱腰部位缺陷位置附近的剪应力已接近C25混凝土抗剪强度标准值，随着二衬背后水压力逐渐增大，将会导致衬砌开裂破损，并进一步恶化，从而发生衬砌掉块。
3.3 处治建议
由前文3.2节中的衬砌掉块病害成因分析可知，隧道衬砌掉块主要是由于拱腰部位衬砌厚度不足，且存在空洞缺陷，随着衬砌背后水压力增大而引起的。根据该病害成因，建议进行如下处治：
（1）对衬砌背后进行注浆堵水，并修复受损的防水板。
（2）通过内置钢筋网，对受损衬砌进行修复。
（3）对隧道整体粘贴碳纤维钢板进行加固。
4 结语
本文通过外观检测、回弹检测和地质雷达检测相结合的综合检测法，对公路隧道衬砌掉块进行了系统检测，并结合MIDAS有限元数值分析方法，分析了病害的形成机理，同时研究了隧道衬砌结构的受力薄弱环节，从而针对性地提出了隧道衬砌掉块的处治建议。通过该工程实例，探索了综合检测法和有限元数值分析相结合的手段在公路隧道衬砌掉块病害检测技术中的可行性，为类似公路隧道病害的检测提供了技术参考。
