在复杂地质条件下，使用聚合物灌浆材料治理高速公路隧道地板隆起的实验研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Experimental study on treating highway tunnel floor heave using polymer grouting material under complex Geological conditions

隧道地板岩体隆起机制及新型聚合物灌浆材料性能研究。针对含水层显著受大气降水影响、巴东组膨胀软岩易膨胀、岩体硫酸盐腐蚀及膏石化、偏差应力等复杂地质条件，通过全尺试验对比传统材料与新型聚合物灌浆材料。结果显示：(1) 超声波探测证实新型材料显著提升隧道地板致密性及岩体空隙填充效果；(2) 新材料平均变形减少量达42μm（传统19μm），相对改善率31.8%（传统22.1%），兼具优异连续性和刚度；(3) 固结速度提升50%-100%，16天至1个月间实现快速稳定；(4) 技术经济效益显著，适用于高应力、膨胀岩、硫酸盐侵蚀等复杂地质的隧道地板沉降治理。

　　

杨宏云|江传东|李琳|林志

中国重庆交通大学土木工程学院山桥与隧道工程国家重点实验室，重庆400074

摘要

隧道底部基岩的隆起严重威胁了交通安全。本文研究了在复杂地质条件下的隧道底部隆起机制，包括受大气降水显著影响的含水基岩、容易发生严重膨胀的巴东组水敏软岩、岩体的SO4^2-腐蚀和石膏化作用，以及偏应力效应。此外，在回顾现有补救措施后，我们通过全尺寸现场试验将新型聚合物灌浆材料与传统材料进行了比较。结果表明：（1）地质雷达（GPR）证实，聚合物灌浆材料显著提高了隧道底部的密实度和基岩空隙的填充效果；（2）新型聚合物在平均变形量上的绝对减少幅度（42微米对比19微米）和相对改善率（31.8%对比22.1%）均优于传统灌浆材料，显示出更优异的连续性和刚性性能；（3）新型聚合物灌浆段在16天到1个月内的稳定速度更快，其时间演变模式——尤其是快速的后调整稳定过程——证明了该材料在实现稳定性方面的有效性；（4）新型聚合物灌浆技术具有较高的施工效率，并在处理公路隧道底部隆起问题上带来了显著的社会经济效益。总体而言，新型灌浆材料在填充密度、结构稳定性和长期耐久性方面均表现出色，能够有效应对水文、化学和机械荷载的联合作用。

引言

根据中国2024年的统计公报（《中国交通新闻2025》），全国共有28,724条公路隧道，总长度达32,596.6公里，无论是在数量还是总长度上，中国均位居全球首位，同时在地质复杂性和建设进度方面也处于领先地位。研究表明，这些隧道中有65%已进入维护阶段（刘等人，2021年），城市隧道正从建设高峰期转向维修高峰期。由于隧道截面较大且服务环境复杂，许多隧道在交通荷载、原位岩应力以及持续地质活动的影响下会出现底部隆起现象（吴和春，2021年；万等人，2021年；魏和王，2020年；张和张，2019年；马和柴，2019年）。底部隆起会降低乘坐舒适度并威胁交通安全，同时显著缩短隧道的使用寿命。

为应对隧道病害，中国发布了《公路隧道维护技术规范》（JTG H12-2015）。传统的底部隆起治理方法——尤其是部分拆除和重建隧道底部结构——虽然有效，但成本高昂、耗时且具有破坏性，因为需要长时间封闭道路。相比之下，普通水泥灌浆材料的膨胀性能较差，裂缝填充能力有限，因此治理后底部隆起往往会再次出现（李，2015年；马等人，2020年；朱等人，2020年；张等人，2017年；侯，2007年；黄和胡，2016年；张，2015年；徐等人，2016年；王，2017年；刘，2017年；刘，2016年）。因此，迫切需要改进或开发替代性的灌浆材料。

近年来，聚合物灌浆材料受到了越来越多的关注。实际案例表明，它们可用于减轻路基沉降和裂缝（边等人，2014年；李等人，2022年）、控制不同地层中的水分渗入（李等人，2021年），以及通过聚合物微型桩稳定边坡（马等人，2023年；高等人，2018年；王和韩，2022年）。特别是由王福明领导的研究团队，对聚合物化学性质、灌浆技术和现场性能进行了全面研究（方等人，2018年；郝等人，2023年；王等人，2018年；王等人，2019a；王等人，2019b；王等人，2021年）。

然而，隧道内部的复杂应力状态和地下水条件要求灌浆材料具备卓越的膨胀性和空隙填充能力，这些要求与地表结构的要求有显著差异。尽管聚合物已被用于修复某些隧道缺陷（马等人，2022a；马等人，2022b；刘等人，2022年；韩等人，2020年），但针对隧道底部隆起的高性能聚合物灌浆材料的系统研究仍较为匮乏。为填补这一空白，我们开发了一种新型高膨胀性聚合物灌浆材料，并通过全尺寸现场试验评估了其效果，为隧道维护提供了实用参考。

地质环境

汾家梁隧道是重庆市奉节-云阳高速公路的重要组成部分，是一条双管四车道的分离式公路隧道。左管总长度为5,085米（LK100 + 960 ～ LK106 + 045），右管总长度也为5,080米（RK101 + 000 ～ RK106 + 080），该超长隧道于2010年9月30日正式通车。右管的地质剖面如图1所示。

该项目穿越了地质条件复杂的地层：

隧道底部隆起机制的全面分析

隧道底部隆起是一种常见的病害形式，其原因可分为五类：

• (1)
  岩土工程和设计缺陷。复杂的地形和现场调查限制导致岩土工程数据的准确性不足，从而引发支撑系统设计不足。
• (2)
  施工缺陷。隧道底部混凝土质量差（密度低、厚度不足、对中不良或封闭不及时，都会降低结构承载能力（高，2019年；王，2017年）。
• (3)
  水-岩耦合效应。

传统治理方法

治理措施应根据病害的严重程度和地质环境进行选择。对于严重的隧道底部和路面损坏，拆除和重建仍是标准方法（冯等人，2023年；张等人，2017年）。当损坏程度较轻时，经济高效的灌浆成为首选方案。将水泥-硅酸钠浆液注入岩石裂缝中，通常配合锁脚螺栓或微型桩形成复合加固系统（胡，2015年；王，2015年）。

试验段布置

根据图13中的缺陷分布，选择了RK103 + 130至RK103 + 380米之间的右管段进行试验，该段长度为250米，具有典型的时间敏感性底部隆起特征。该段被划分为两个125米的子段：一个使用传统聚合物灌浆材料处理，另一个使用新型灌浆材料处理。通过同时监测机械响应、变形控制和长期稳定性，可以直接对比两种材料的性能。

这两个试验段位于

灌浆材料扩散和空隙填充的现场效果

灌浆处理试验的现场位置如图19所示，通过地质雷达检测分析了新型聚合物灌浆材料在该试验段中的填充效果。

传统聚合物灌浆段

灌浆前，变形量差异较大，最大值为206微米（RK103 + 170–195和RK103 + 220–235段），平均值为86微米。处理后，最大变形量降至129微米，平均值降至67微米（减少了22%），同时变形变异性显著降低。由于过度铣削导致的局部变形略微降低了材料的刚性，但整体改善情况证实了其空隙填充和抗变形能力（见图24a）。

新型聚合物灌浆段

灌浆前的最大变形量为273微米（RK103 + 270–295段）

讨论

我们充分认识到两个试验段在初始底部变形特性、水文地质条件和机械边界效应方面的差异，这些差异给结果对比分析带来了不可忽视的复杂性。尽管如此，仍可以得出以下关键结论：

地质均匀性：两个试验段均位于同一巴东组（T₂b）内，具有相同的岩性特征和层理倾角：

结论

本研究为复杂地质条件下的隧道底部隆起问题提供了有效的解决方案，特别是在存在膨胀性岩石、高水平应力以及强烈地下水作用的情况下。所提出的“中心-肩部-侧壁”灌浆顺序和材料设计原则为全球隧道维护提供了可复制的框架。

• (1)
  开发的聚合物灌浆材料具有优异的膨胀性能、快速固化特性和良好的机械性能。其疏水性及化学稳定性能够抵抗硫酸盐的侵蚀

作者贡献声明

杨宏云：撰写初稿、可视化处理、软件应用、方法设计、概念构思。江传东：撰写初稿、可视化处理。李琳：审稿与编辑、验证工作。林志：方法设计。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52274176）、广东省重点研发计划（2022B0101070001）、重庆市精英创新创业领军人才项目（CQYC20220302517）、重庆市自然科学基金创新发展联合基金（CSTB2022NSCQ-LZX0079）、中央高校基本科研业务费（项目编号：2024CDJGF-009）以及国家重点研发计划的支持。