水下隧道襯砌結(jié)構服役安全及其保障對策思考

何川，劉四進，張玉春，封坤

（西南交通大學土木工程學院 交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031）

一、前言

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展、互聯(lián)互通需求的劇增，人類跨越江河湖海等水域阻隔的現(xiàn)實需求逐步增多，目前，解決水域交通阻隔問題的主要手段有輪渡、橋梁、水下隧道等三種[1～4]。人類跨越水域交通阻隔的方式已經(jīng)由輪渡方式逐步向“遇水架橋”式陸面跨越為主導、“水下隧道”地下聯(lián)通方式興盛的大方向發(fā)展。我國在近期以及今后相當長的一段時期內(nèi)都將處于水下隧道建設的高速發(fā)展期[5,6]。

然而，在修建水下隧道的同時，施工、運營階段水下隧道結(jié)構開裂和破損現(xiàn)象時有發(fā)生，給水下隧道襯砌結(jié)構的長期安全服役帶來巨大的挑戰(zhàn)。如施工期間的瑞士Sorrenberg內(nèi)燃氣隧道，廣州地鐵1號線、2號線部分區(qū)間，上海地鐵7號線、9號線，武漢長江隧道等均出現(xiàn)過結(jié)構開裂及滲水現(xiàn)象[7]。施工期劣損及運營期的不良養(yǎng)護，極易進一步引發(fā)鋼筋銹蝕，混凝土腐蝕、剝落、掉塊等不同程度的病害，降低結(jié)構的承載安全性，增加工程的維修和養(yǎng)護成本。如迪拜的Shindagha海底隧道在建成10年后進行維修，維修費用高達建造費用的2倍。類似工程案例還有：日本近70%的隧道發(fā)生襯砌裂損病害，倫敦北線地鐵盾構隧道管片被硫酸侵蝕后有開裂現(xiàn)象，運營不足20年的香港地鐵部分區(qū)間及上海打浦路越江隧道的鋼筋及連接件銹蝕問題，臺灣高雄港過港海底隧道在運營20年后出現(xiàn)結(jié)構裂損、滲漏水、鋼板銹蝕等問題，日本青函海底隧道在運營10年后出現(xiàn)嚴重的滲漏和腐蝕現(xiàn)象，廈門海底隧道的鋼筋及初期支護銹蝕等[8～10]。通常而言，水下隧道存在的種種病害，均與水下隧道工程周邊環(huán)境及復雜的服役環(huán)境密切相關，如圖1、圖2所示。

我國目前正處于水下隧道建設的高峰期，在如此大量、快速的建設背景下，如何保障重大水下隧道結(jié)構在設計、施工、運營、維修養(yǎng)護等全壽命周期內(nèi)乃至長壽命使用條件下安全服役，已成為廣大科技工作者面臨的嚴峻挑戰(zhàn)和重大課題。

二、隧道襯砌結(jié)構安全面臨的問題

在隧道修建及運營的過程中，由于設計和施工不良、侵蝕環(huán)境的影響、突發(fā)自然災害與突發(fā)事故等原因，導致隧道襯砌結(jié)構出現(xiàn)不同類型、不同程度的劣損和病害。

（一）復雜地質(zhì)條件導致的結(jié)構安全問題

圖1 運營隧道復雜的服役環(huán)境

圖2 水下隧道工程周邊環(huán)境示意圖

隨著一大批長度更長、水壓更大、地質(zhì)條件更加復雜及建設條件更加惡劣的隧道工程相繼進入規(guī)劃和建設過程中，我國隧道建設將從既有城市軟土環(huán)境向強透水地層、軟弱互層、風化槽段、穿越巖層、孤石及硬巖凸起等復雜地質(zhì)環(huán)境轉(zhuǎn)變，地層巖性軟硬不均，圍巖物理力學參數(shù)離散性較大，導致荷載分布不均，隧道所受荷載的準確評價與量化包絡變得更為困難，嚴重影響隧道結(jié)構的設計和施工安全。如：廈門西通道隧道（長6.33 km，穿越多個風化槽段）、廈門南通道隧道（長13 km，局部埋深100～150 m，穿越多個強風化槽段）、舟山大陸連島工程隧道（長17 km，海水深度深、隧道長、存在國際級航道和光纜等敏感物）及汕頭蘇埃灣海底隧道（盾構法施工，長5.5 km，局部地段穿越巖層，且設計地震烈度高達Ⅷ度），還有距離更長、建設條件更加惡劣的瓊州海峽（最短海域?qū)挾葹?8.8 km，最大水深達100 m）、渤海灣海峽（約為108 km）和臺灣海峽通道工程（最短直線距離為120 km）。

水下隧道在穿越復雜地質(zhì)條件和多變環(huán)境的同時，長期承受的水壓力將進一步加大，在隧道襯砌結(jié)構服役期內(nèi)將承受較高的水、土荷載作用，材料非線性和幾何非線性特征明顯，加之河床的天然沖刷、海水的動力作用、交通運營振動等的累積作用，可導致隧道結(jié)構的受力狀態(tài)發(fā)生改變，嚴重威脅隧道結(jié)構的服役安全。如在復雜多變的地質(zhì)環(huán)境中，由于設計和施工不良、管片選型不當、盾構機姿態(tài)控制不佳、注漿壓力過大、千斤頂推力不均勻、水土荷載考慮不周等原因，隧道主體結(jié)構在施工期與運營期會出現(xiàn)管片錯臺、管片開裂、管片掉塊、滲漏水、不均勻沉降等病害，如圖3所示。

（二）侵蝕環(huán)境作用導致的結(jié)構安全問題

據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)役處于亞健康狀態(tài)的隧道約占20%～30%，同樣的，據(jù)統(tǒng)計，日本有1 600多座公路隧道均存在材料劣化現(xiàn)象[8]，侵蝕環(huán)境的持續(xù)致?lián)p作用嚴重威脅了隧道結(jié)構的長期服役安全。

圖3 設計和施工不合理等原因?qū)е碌慕Y(jié)構劣損

在正常服役周期內(nèi)，隧道襯砌結(jié)構常處于復雜的巖土環(huán)境中，將同時受到荷載環(huán)境（水土恒定荷載，疲勞荷載，瞬時荷載）和侵蝕環(huán)境（溫濕度，CO2、氯鹽、酸、堿等）的長期共同作用，加之荷載尤其是高水壓下周圍氯離子侵蝕的加速促進作用，隧道襯砌結(jié)構材料和構件的力學性能將不斷出現(xiàn)累積損傷及明顯的性能劣化（見圖4），如混凝土腐蝕和鋼筋銹蝕導致結(jié)構開裂、破碎掉塊、襯砌損毀等，影響襯砌結(jié)構承載能力并進而威脅結(jié)構的服役安全[12]。

（三）突發(fā)自然災害導致的結(jié)構安全問題

通常而言，因受到周圍地層的約束作用，地下結(jié)構比地上結(jié)構的振動幅度小，且由于盾構隧道屬于多體拼接的柔性結(jié)構，具有較強的抗震性能[13]。但在強震條件下，隧道工程震害依然較突出，如1923年的日本關東大地震、1995年的日本阪神大地震和1999年的臺灣大地震等強震作用均導致地鐵站和區(qū)間隧道出現(xiàn)嚴重震害[14]。在2008年的5·12汶川地震中，成都部分地鐵盾構區(qū)間的震害特征明顯，出現(xiàn)管片劣損、剝落、錯臺和滲漏水等形式的震害[15]。上述震害雖未對隧道主體結(jié)構產(chǎn)生致命破壞，但依然會對隧道結(jié)構的長期耐久性能產(chǎn)生影響。

（四）突發(fā)事故災害導致的結(jié)構安全問題

隧道在運營的過程中，由于人為和管理等因素的影響，火災、列車撞擊、貨車沖撞、爆炸等突發(fā)事故時有發(fā)生，加之缺少運營期的健康檢測、監(jiān)測和結(jié)構維護，使其“帶病服役”，導致服役年限降低。高速公路隧道火災和爆炸問題，高速鐵路隧道內(nèi)列車脫軌和撞擊問題等，將不可避免地導致隧道襯砌結(jié)構的劣損，影響隧道結(jié)構整體的穩(wěn)定，危及結(jié)構安全。

目前，我國水下隧道工程數(shù)量最多、建設規(guī)模最大、技術難度最復雜、發(fā)展速度最快，使得在結(jié)構設計、施工及維護過程中出現(xiàn)的問題增多，問題復雜度進一步加大，加之現(xiàn)代隧道工程正向超大斷面、超埋深、超高水壓與超長線性方向發(fā)展，如何保障我國隧道工程的系統(tǒng)可靠性及長期安全性是我們面臨的一大技術挑戰(zhàn)。

三、典型區(qū)域的水下隧道服役現(xiàn)狀調(diào)查

以上海地區(qū)黃浦江越江隧道和地下交通隧道等水下隧道工程為基礎（見圖5），開展現(xiàn)場調(diào)研，重點分析既有水下隧道結(jié)構的服役現(xiàn)狀及運營期的主要病害。

從隧道的運營調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、周圍環(huán)境，加之設計、施工期處置不當，調(diào)研隧道在服役過程中均存在不同程度的病害，給隧道正常服役帶來了巨大的安全隱患，如部分越江隧道出現(xiàn)嚴重的滲漏水、管片裂損明顯和錯臺、側(cè)施工縫漏水、進線電纜封堵孔漏水、管片接頭破損或漏水、圓隧道與工作井接頭漏水、圓隧道車道板裂縫、防撞墻裂縫、后澆板斜裂縫、管片開裂、瀝青路面坑洞等。

其中，嚴重的滲漏水、隧道結(jié)構差異沉降增大、泥沙流失將導致結(jié)構荷載變異，促使結(jié)構開裂或原有裂縫增大，加速結(jié)構損傷和劣化；同時，腐蝕性地下水會加重對隧道結(jié)構及內(nèi)部設施的侵蝕，增大隧道結(jié)構的耐久性損傷，使隧道處于帶病害服役狀態(tài)，降低服役隧道結(jié)構的可靠性，危及行車安全。圖6為隧道結(jié)構不均勻沉降及滲漏水病害情況。

圖4 隧道襯砌結(jié)構的腐蝕劣化

圖5 上海地區(qū)水下隧道工程分布圖

四、水下隧道結(jié)構長壽命安全保障對策及思考

從隧道建設、結(jié)構性能退化、自然災害、突發(fā)事故災害等方面探尋隧道結(jié)構長壽命安全保障對策，確保隧道全壽命周期內(nèi)乃至長壽命要求下結(jié)構的服役安全。

（一）隧道建設方面的結(jié)構安全保障對策

目前，我國正處于隧道建設的高速發(fā)展階段，地鐵、高速鐵路、電力管廊等水下隧道工程急劇增多，水下勘測、設計荷載、機械施工、新材料、安全保障等方面均面臨重大挑戰(zhàn)。

（1）新型勘測手段的推廣、應用與探索。隨著現(xiàn)代信息技術和智能化的發(fā)展，地震反射、瞬變電磁法、測井、孔內(nèi)電視等新型勘測手段采用從整體宏觀控制與微觀測試相結(jié)合的勘察、測試等方法，獲取地質(zhì)信息，修正地層參數(shù)，彌補傳統(tǒng)地質(zhì)鉆孔勘察的局限性。通過地質(zhì)分析與工程物探相結(jié)合、地震方法與地磁方法相結(jié)合，共同解決隧道不良地質(zhì)構造的超前預報問題。

（2）改進并完善隧道結(jié)構的荷載理論。分析既有隧道襯砌結(jié)構的常用荷載計算方法發(fā)現(xiàn)，當前大多數(shù)隧道襯砌結(jié)構在設計時僅考慮靜態(tài)恒定荷載，未對施工全工序過程中的荷載演變進行仔細考量，如在施工期的特定環(huán)境下，結(jié)構可能處于最危險的狀態(tài)，其安全風險未得到全面、準確的控制。因此，應完善現(xiàn)有隧道的荷載理論，突出建設全過程中的荷載演變，考慮施工期荷載、運營期的特殊荷載、結(jié)構劣損后“減載效應”的影響。

（3）開發(fā)隧道工程整體化、全壽命設計方法。綜合考慮隧道建設環(huán)境條件、技術標準、使用功能與防災救援、施工技術與安全風險等因素，進行考慮多類多因素的隧道整體化設計；運用“系統(tǒng)最優(yōu)”“全壽命成本”等新理念和全壽命時變性分析方法進行隧道結(jié)構的全壽命設計，使隧道在全壽命周期中的總體結(jié)構性能（安全、適用、耐久、經(jīng)濟、美觀、環(huán)保等）達到最優(yōu)或優(yōu)化。

圖6 隧道結(jié)構不均勻沉降及滲漏水病害情況

（4）機械化、信息化施工的推廣。目前我國隧道施工方法已從傳統(tǒng)的鉆爆法、明挖法，向盾構法優(yōu)先、鉆爆與明挖相結(jié)合的方向發(fā)展，隨著我國制造水平的不斷提高，以及地鐵盾構、鐵路隧道等施工經(jīng)驗與技術的累積，我國已具備了使用盾構、掘進機修建高難度隧道工程的技術能力。隨著人類不斷地開發(fā)地下資源，城市深部地下空間開發(fā)、地下城市及地下綜合管廊建設等不斷進步，機械化、信息化施工技術將必然得到深入發(fā)展，應優(yōu)先為地下空間的開發(fā)創(chuàng)造有利條件。

（5）突破重大隧道結(jié)構的安全評價系統(tǒng)方法。研究隧道結(jié)構安全狀態(tài)評價方法，形成風險評價模型并進行風險等級劃分，建立區(qū)域針對性、地質(zhì)條件針對性、結(jié)構針對性的隧道結(jié)構安全評價體系。

（6）開發(fā)隧道結(jié)構安全性與健康狀態(tài)智能評價與預警軟件系統(tǒng)。研究開發(fā)隧道結(jié)構安全性和健康狀態(tài)智能評價與預警軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對隧道結(jié)構安全性與健康狀態(tài)的智能評價，并能對結(jié)構安全性進行預測預警。

（二）結(jié)構性能退化方面的結(jié)構安全保障對策

為轉(zhuǎn)變工程界存在的“重建設、輕維護”現(xiàn)象，忽視隧道結(jié)構劣化、老化對隧道結(jié)構長期安全性與耐久性的不利影響，亟需轉(zhuǎn)換思維，從結(jié)構全壽命安全性及經(jīng)濟性成本分析的角度，變被動維修為主動控制和主動預防，全面系統(tǒng)地從可靠度和耐久性設計、質(zhì)量控制技術、綜合性防護體系、全壽命防腐蝕等方面出發(fā)，防控重大隧道結(jié)構劣化、老化等安全風險。

（1）研究重大隧道建成初期及運營期的結(jié)構性能。在隧道結(jié)構建造和運營的全過程中，其結(jié)構性能將隨著內(nèi)外環(huán)境的不同，發(fā)生不同類型的響應。建成初期，荷載及結(jié)構量化較為準確，對其結(jié)構性能判定較為準確，但由于運營期荷載的不確定性、隨機性以及外部作用的持續(xù)性，服役隧道結(jié)構性能的準確評價面臨極大的挑戰(zhàn)。為此，應采用理論分析、室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬等手段，結(jié)合有代表性的點、線乃至區(qū)域隧道現(xiàn)場測試結(jié)果，建立重大隧道結(jié)構全壽命性能評價方法和理論體系。

（2）加快修訂定量設計、可靠度量的耐久性設計規(guī)范。以可靠性理論為基礎，綜合考慮隧道結(jié)構的巖土環(huán)境、腐蝕環(huán)境以及服務運營環(huán)境的特點，構建全面、考慮多因素耦合影響的隧道結(jié)構耐久性定量設計理論，從國家及行業(yè)監(jiān)管層面制定隧道結(jié)構耐久性設計規(guī)范，從預可行性研究、設計階段起，全面持續(xù)重視隧道結(jié)構的長期安全性及耐久性。

（3）建立隧道結(jié)構全壽命周期的質(zhì)量控制標準與防護體系。加強施工期隧道結(jié)構的施工質(zhì)量控制標準和監(jiān)控，對混凝土水灰比、混凝土保護層厚度、混凝土氯離子擴散系數(shù)等關鍵結(jié)構的耐久性的重要參數(shù)進行重點控制，配制高耐久性混凝土；采用全壽命成本分析理論，開展隧道結(jié)構防腐蝕方案設計，增加結(jié)構安全儲備。

（4）加強新材料、新型防腐蝕技術、信息化耐久性監(jiān)測技術的研究。加強新型耐久性材料的研發(fā)與應用推廣；開展混凝土防腐、鋼筋主動防腐等新技術、新工藝研究；加強全壽命耐久性監(jiān)測技術和監(jiān)控體系研發(fā)；從產(chǎn)學研相結(jié)合的角度推廣新成果快速應用。

（三）自然災害作用下隧道結(jié)構的安全保障對策

隧道作為地下結(jié)構具有較好的抗震性能，一般情況下其震害并不如地面結(jié)構嚴重，但其作為交通運輸?shù)纳€工程，特別是隧道破壞后的修復與重建工作，從難度、經(jīng)濟性、工期等各個方面相比地面建筑的震害處理都處于劣勢，因此，隧道工程尤其是重大隧道的地震安全保障顯得尤為重要。

（1）建立地震作用下隧道結(jié)構安全保障體系的核心目標。確保設防烈度地震作用下隧道結(jié)構不發(fā)生或者發(fā)生輕度破壞，稍作修復便可繼續(xù)使用；關鍵線路隧道在震后能夠通過修復手段恢復原設計使用功能；建立健全隧道震后震害辨識、評估和應急機制，使地震時相關隧道的地震響應及震害特征能迅速被反饋和評估，并投入到搶險救災和災后重建工作中去；形成完整的震后隧道修復和重建的評定標準、技術措施和方案比選準則體系，為震后隧道結(jié)構的修復或重建以及修復或重建的方案和技術提供參考。

（2）隧道的抗震規(guī)劃、設計和施工。對于在規(guī)劃建設中的隧道結(jié)構，從規(guī)劃、設計到施工階段均應按規(guī)范要求進行隧道結(jié)構的抗減震設計，并充分考慮震后隧道的震害反饋和應急預案。在規(guī)劃設計階段，充分考慮我國的地質(zhì)、地形條件，盡量避免隧道處于高烈度地震區(qū)、活動斷裂帶、不穩(wěn)定邊坡等位置，從場地、地震烈度等多個方面進行方案比選，對于高烈度地震區(qū)、重要隧道工程、穿越特殊地質(zhì)條件的隧道應進行專門的抗震設計研究。

（3）抗震設防技術。在抗震設防技術上，大力研發(fā)適用于隧道結(jié)構抗減震的措施、材料和技術，將地下結(jié)構抗減震技術從理論階段推廣到廣泛應用階段，并逐漸形成針對淺埋、偏壓、斷層等地震易損地質(zhì)段的隧道抗減震技術體系。

（四）突發(fā)事故災害作用下隧道結(jié)構的安全保障對策

隧道在運營過程中面臨爆炸、火災、車輛撞擊等災害事故，影響結(jié)構安全。

（1）加快推進重大隧道結(jié)構的安全保障體系的建立及完善。以風險理論為基礎，綜合考慮隧道運營環(huán)境、地區(qū)經(jīng)濟、國家戰(zhàn)略等因素，統(tǒng)籌公共安全、交通運輸、建筑等行業(yè)，廣泛吸納設計、建設、運營、科研、裝備、材料等機構和單位的意見，加快完善隧道結(jié)構的安全保障標準和規(guī)范體系。

（2）對危險化學品車輛等重大危險源的防范。隧道在運營的過程中，液化石油氣車輛、重型貨車等重大危險源是可能造成隧道結(jié)構破壞的重要風險源之一，應加強采用新技術、法律、法規(guī)等多方面措施，禁止危險化學品運輸車輛進入重大隧道結(jié)構。

（3）加強隧道結(jié)構損傷致害機理、防護技術、設備設施以及新材料的科學研究。開展重特大火災、爆炸、列車撞擊等作用下重大隧道結(jié)構損傷機理及力學行為研究；研究既有劣化、老化結(jié)構在突發(fā)災害（爆炸、火災等）下的結(jié)構安全保障技術；加強對重大災害的預警、探測、防護技術及設備的研發(fā)工作；加強推進新型防火涂料、防火板等隧道結(jié)構安全防護材料的研發(fā)。

五、結(jié)語

目前，我國是水下隧道工程建設規(guī)模最大、技術難度最復雜、發(fā)展速度最快的國家，工程建設及運營維護過程中出現(xiàn)的問題不斷增多，問題復雜程度也正在逐步擴大，隨著現(xiàn)代隧道工程向超大斷面、超大埋深、超高水壓及超長距離等方向發(fā)展，如何保障我國大量修建的水下隧道工程的系統(tǒng)可靠性及長期安全性是廣大科技工作者面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

全壽命周期內(nèi)，水下隧道處于復雜水土荷載環(huán)境、內(nèi)部運營環(huán)境以及內(nèi)外多變侵蝕環(huán)境的長期交互耦合作用下，隧道結(jié)構性能持續(xù)漸進性地發(fā)生損傷、劣化和性能衰退。鑒于此，針對短期內(nèi)大量修建的水下隧道工程，當前科研任務的重點為開展全壽命周期內(nèi)隧道結(jié)構性能保持計劃，準確、合理、可控地確保全壽命周期內(nèi)水下隧道的結(jié)構安全，并在全壽命周期安全保障的基礎上，科學規(guī)劃、分步實施，開展水下隧道結(jié)構的“延壽工程”，拓展已建及待建重大水下隧道結(jié)構的使用壽命，實施水下隧道結(jié)構長壽命安全保障戰(zhàn)略。

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