随着我国交通基础设施建设的快速发展，隧道工程得到大量修建，越来越多的深埋、特长山岭隧道在中西部地区建成，这些地区多崇山峻岭，地质条件复杂，隧道建设过程中不可避免地穿越高地应力、膨胀岩、岩溶等不良地层，导致隧道建成后病害频发、处治难度大，严重影响隧道的安全运营。

高地应力条件下，软岩隧道围岩大变形、硬脆性围岩隧道岩爆等问题普遍存在于隧道工程实践，造成施工期支护结构挤压变形、混凝土开裂、初期支护侵限、塌方，运营期衬砌开裂、路面隆起等病害^[1]。针对围岩大变形发生机理、控制技术，岩爆破坏机理、预测、防控措施等方面，国内外学者开展了持续研究^[2-5]，但是相关研究未涉及膨胀岩，相关技术措施没有考虑围岩膨胀、腐蚀等问题。

石膏质岩属于第1类膨胀岩，具有膨胀性和腐蚀性。隧道工程中，石膏质岩吸水体积膨胀，容易造成隧道衬砌开裂、掉块、底鼓、仰拱破坏等病害^[6]；石膏质岩中的石膏和硬石膏遇水溶解，产生硫酸根离子，对混凝土产生侵蚀作用，导致衬砌混凝土强度降低，结构承载力减小^[7]。石膏质岩具有广泛的分布，我国十字垭隧道、三叉岭隧道、六盘山隧道、金鸡关隧道、百家岭隧道、凉水井隧道、荆竹岭隧道、杜公岭隧道等石膏质岩隧道在运营期间均出现不同形式的病害^[8-10]。目前，石膏质岩的研究主要针对其膨胀特性、腐蚀性及其对隧道结构的破坏机制^[11-18]展开，同时考虑高地应力条件对隧道结构影响的研究很少。

随着我国中西部地区公路、铁路建设规模的逐年加大，越来越多大埋深超长隧道在建设过程中不可避免地要穿越膨胀岩等不良地质体。本研究以某高地应力石膏质岩隧道为例，统计分析了隧道主要病害类型、病害特征及发展规律，分析了隧道病害的原因，研究可为今后相关隧道病害预防和处治工程提供参考。

某山岭隧道于2010年5月开工建设，2013年6月全隧贯通。隧道主体支护结构采用复合式衬砌，Ⅴ级围岩段，初期支护采用C25喷射混凝土，厚度为20 cm，边墙锚杆为ϕ22砂浆锚杆，锚杆长度3.0 m，间距1.0 m(环向)×1.0 m(纵向)，设置全环钢筋网，环向ϕ8，纵向ϕ6，网格间距200 mm×200 mm；二次衬砌采用C30钢筋混凝土，厚度为35 cm。

隧道围岩级别主要为：Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级和Ⅴ级。隧道穿过地层岩性主要为砂岩、砂质页岩、页岩、泥岩、灰岩、泥灰岩、白云岩、白云质灰岩、膏溶角砾岩等。其中，具有膨胀性和腐蚀性的石膏盐岩地层在隧址区分布较广，其存在形态包括夹细晶石膏层地层、含石膏地层和膏溶角砾岩。隧道上行线141个钻孔取样鉴定结果表明，隧道石膏质岩段全长5 240 m，约占上行线隧道总长的22.3%。

隧道洞身最大埋深为556 m，病害段埋深为304 m。根据地应力测试结果，隧道洞身附近最大水平主应力约为15~20 MPa，最小水平主应力约为10~12 MPa，垂直主应力约为11~12 MPa，地应力特征以水平构造应力为主，侧压力系数较大，隧道走向与最大水平主应力方向夹角约为85°~90°。

隧址区的地质构造为侵蚀剥蚀基岩山区地貌。隧址区主要受断裂和复式向斜复合构造带控制。隧道病害段区域构造作用强烈，褶皱及断裂发育，构造裂隙为地下水的运移提供了条件。

隧址区地表径流较弱，大气降水多沿裂隙下渗，为地下水的主要补给源。隧址区属暖温带半干旱季风气候，每年的降雨量主要集中在5—10月份，2015—2018年隧址区降雨量最大年份为2017年如图 1所示。

图 1 2015—2018年隧址区年降雨量 Fig. 1 Total annual rainfall in tunnel site area from 2015 to 2018

图选项

2015—2018年隧道多处出现大规模结构病害，隧道病害主要分布于衬砌、路面、水沟及电缆槽，主要病害类型包括：衬砌裂缝、衬砌掉块、衬砌渗漏水、混凝土腐蚀、路面隆起及翻浆冒泥、路面与电缆槽离缝、水沟及电缆槽挤压变形等。

(1) 衬砌裂缝

衬砌裂缝是该隧道规模较大的一种病害，2015—2018年该类病害持续发展，2018年监测发现衬砌裂缝2 300余处，裂缝长度共5 164 m，部分裂缝由原有裂缝整治后再次开裂发展而来。衬砌裂缝类型包括环向裂缝、纵向裂缝、斜向裂缝、避车洞裂缝和横洞裂缝等。其中环向、纵向及斜向裂缝占比分别为46.4%，36.1%和12.9%，避车洞裂缝和横洞裂缝分别占比为3.9%和0.7%。衬砌裂缝主要分布于边墙，拱顶和拱腰分布较少。裂缝长度与裂缝类型密切相关，纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝长度最大值分别为95, 50 m和40 m，避车洞和横洞裂缝最长为30 m。

(2) 衬砌掉块

2016—2018年监测发现隧道衬砌拱顶、拱腰、边墙掉块共计30处，其中拱顶15处，拱腰3处，边墙12处。监测结果表明，衬砌掉块主要由衬砌变形发展而来，由于拱顶与拱腰掉块直接影响行车安全，所以此类病害危害性大，在隧道病害处治中要引起重视。

(3) 衬砌渗漏水

衬砌渗漏水病害主要发生在拱腰处，2015年和2018年该类病害共12处，部分渗漏水区段衬砌混凝土出现腐蚀现象。衬砌渗漏水一方面导致衬砌结构贯通性开裂，形成渗漏通道，影响衬砌结构整体安全性，另一方面地下水中携带的硫酸根离子随地下水一起渗入到混凝土中，导致混凝土发生硫酸盐侵蚀，强度降低，从而影响结构承载能力，部分区段水沟混凝土强度丧失、腐蚀严重。

(1) 路面隆起及翻浆冒泥

2015年、2017年和2018年监测发现路面隆起病害共70处，共1 845 m，最大隆起高度84 mm。2015年病害整治后部分区段路面病害于2017年和2018年复发。路面隆起病害常伴随路面渗水、翻浆和冒泥。

(2) 路面与电缆槽离缝

2017年和2018年监测发现路面与电缆槽离缝病害共18处，共673 m，病害严重区段纵向离缝水平开裂达50~80 mm，最大离缝长度为90 m。路面与电缆槽离缝主要是由电缆槽挤压隆起而产生，所以该病害区段同时存在电缆槽挤压变形病害。

2016—2018年，监测水沟及电缆槽挤压变形病害共32处，病害规模为728 m。水沟挤压变形导致水沟开裂，加速水沟内的水渗入边墙混凝土，从而加剧衬砌结构病害。

统计分析隧道典型病害的规模及长度，如图 2所示。从图中可以看出隧道病害规模最大、病害长度最长的病害类型是衬砌裂缝，其次是路面隆起及翻浆冒泥，衬砌掉块和衬砌渗漏水的病害长度较小。虽然衬砌掉块规模不大，但掉块主要发生在拱顶且具有突发性，对行车安全产生严重影响。通过隧址区地下水检测，发现SO₄^2-含量为23~1 453 mg/L，地下水环境作用等级为H1，H2，地下水侵蚀类型主要为硫酸盐侵蚀，衬砌渗漏水处容易发生混凝土腐蚀，导致混凝土强度不足，结构承载能力降低，影响结构的安全稳定性。基于衬砌掉块和衬砌渗漏水的危害性，此类病害在病害处治中需要引起重视。

图 2 隧道主要病害的规模及病害长度 Fig. 2 Scale and length of main diseases in tunnel

图选项

2015—2018年隧道上行线、下行线病害持续发展。其中，下行线病害较为严重，总结下行线主要病害段最大主应力范围、地层岩性、岩石单轴抗压强度、地层特征、典型病害及病害处治措施等情况(表 1)，分析隧道病害成因。

根据主要病害段最大主应力范围和岩石单轴抗压强度数据可以看出，除部分含石膏岩段，隧道病害段均处于高地应力条件。

根据地层岩性、地层特征、典型病害类型和病害处治措施可以发现，地层中不含石膏岩的区段，病害类型少、病害严重程度低；地层中含有石膏岩且围岩节理裂隙发育区段，病害类型多、病害严重程度大；混凝土腐蚀病害出现的区段，围岩中均含有石膏岩。

综合隧道地质构造、地层岩性、水文气象条件及病害段隧道情况等相关信息可知，隧道发生病害的主要原因是高地应力作用、石膏质岩遇水膨胀软化和硫酸盐侵蚀。

隧道埋深处于300~500 m之间，根据地应力测试结果，隧址区存在高地应力影响，其中最大水平主应力为20 MPa，最小水平主应力为10 MPa，最大垂直主应力为12 MPa，地应力特征以水平构造应力为主。隧道围岩稳定性较差，在高地应力作用下，支护结构受力较大，导致衬砌裂缝、开裂掉块等病害，较高的水平地应力导致衬砌裂缝主要分布于边墙，拱顶和拱腰裂缝分布较少。

隧道穿越奥陶系中统峰峰组和上马家沟组含石膏质岩的泥灰岩地层。含石膏泥灰岩地层吸水后软化和膨胀，使得围岩强度降低并导致其变形不断增大，当围岩压力超出了隧道支护结构的刚度和强度，隧道出现路面隆起、衬砌开裂、变形等病害。

地下水是隧道各种地质因素病害的催化剂。隧址区受断裂和复式向斜复合构造带的影响，围岩裂隙发育，雨季大气降水经褶皱构造、节理裂隙入渗，在隧道周边聚集，一方面地下水中的硫酸根离子造成衬砌混凝土腐蚀、支护结构强度降低；另一方面，石膏质岩遇水膨胀软化，导致其自身承载能力降低、隧道衬砌支护结构分担荷载比例增加，加之围岩中裂隙发育、围岩破碎，导致隧道边墙纵向密集开裂、电缆沟与水沟槽破损、路面严重隆起。

大气降水经地表由围岩节理裂隙入渗，在复杂地质构造及隧道排水系统影响下，地下水在隧道周边汇集，由此导致含石膏质岩的泥灰岩地层软化、膨胀，造成隧道衬砌支护结构荷载增加；同时，地下水中携带的硫酸根离子对衬砌混凝土产生硫酸盐侵蚀，使隧道衬砌结构支护强度劣化。在高地应力、石膏质岩膨胀软化、硫酸盐侵蚀等综合条件下隧道病害逐渐加剧并呈集中爆发态势。

本研究统计分析了某高地应力石膏质岩隧道病害类型、病害发展过程及病害产生原因，得出以下主要结论：

(1) 高地应力石膏质岩隧道的主要病害类型是衬砌裂缝、路面隆起及翻浆冒泥、水沟及电缆槽挤压变形、衬砌掉块、路面与电缆槽离缝、衬砌渗漏水。病害规模最大、病害长度最长的病害是衬砌裂缝，纵向裂缝和环向裂缝占总裂缝数的36.1%和46.4%。

(2) 高地应力石膏质岩隧道病害具有类型复杂、持续时间长、复发率高等特点。

(3) 高地应力作用、石膏质岩膨胀软化和硫酸盐侵蚀是该隧道病害发生的主要原因。