公路隧道預防性養(yǎng)護探究

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(四川交通職業(yè)技術學院道路與橋梁工程系, 四川成都 611130)

四川省地跨我國一、二階梯，地質(zhì)構造作用強烈，并形成了中間盆地丘陵，四周高山大川的地形，因此自古有著“蜀道難，難于上青天”的感嘆。為了改善四川的交通條件，國家投入了大量的資金用于交通建設。由于隧道對于克服高程障礙，避開惡劣的雨雪天氣，減少線路的里程、提高線性指標有著不可替代的作用，因此要想“蜀道通”“蜀道暢”，必須建設大量的隧道工程。

1990年開始修建的成渝高速龍泉山隧道是四川第一座高速公路隧道，截止到2015年底，四川全省共建成公路隧道900余座，總里程達900km，在建與在設計的隧道也多達440余座，累計長度達660km[1]。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國公路隧道土建結(jié)構坍塌與滲漏水等嚴重病害的發(fā)生時間多在隧道投入運營5～15年后[1]，因此可知，我省運營隧道中已經(jīng)有部分隧道已經(jīng)進入土建結(jié)構病害高發(fā)期了。

如何減少或推遲隧道病害的產(chǎn)生，維持隧道運營安全和服務水平是擺在隧道養(yǎng)護人員面前的巨大現(xiàn)實問題,也是行業(yè)必須面對的一項重要工作。

1 公路隧道養(yǎng)護

在隧道領域，“養(yǎng)護”一詞在不同的國家可能有不同的理解，2012年世界道路協(xié)會對19個國家的31個成員進行了調(diào)查問卷[3](表1)。

表1 隧道養(yǎng)護與運營活動

由此可知，公路隧道養(yǎng)護的定義在不同國家間是存在差異的，但是統(tǒng)一隧道養(yǎng)護的定義是很有必要的。為此，世界道路協(xié)會從目的和狀態(tài)出發(fā)給公路隧道養(yǎng)護做出了定義，即隧道養(yǎng)護的目的在維持隧道設計的安全水平的同時確保隧道使用者的交通不受干擾，并確保隧道不會對周邊居民與養(yǎng)護人員造成傷害，同時養(yǎng)護工作也是為了減少不必要的資金投入[2]。世界道路協(xié)會根據(jù)技術的復雜程度將養(yǎng)護工作從易到復雜分為6個級別，分別為：(1)隧道結(jié)構物清潔；(2)設備清潔；(3)測試、校準、檢測；(4)計劃性干預；(5)非計劃性干預；(6)翻新，并對從事各個級別養(yǎng)護的工作人員的能力提出了相應的要求[3]。

2 公路隧道預防性養(yǎng)護

由于公路隧道的組成比較復雜，涉及土建結(jié)構、機電設備及其他工程設施，受專業(yè)限制本文主要討論土建結(jié)構的養(yǎng)護隧道的養(yǎng)護工作應該是計劃好了的，即使是對一些突發(fā)情況我們也要做好應急預案。為此世界道路協(xié)會將隧道養(yǎng)護工作進行了分類[4](圖1)。

預防性養(yǎng)護是在預定的時間間隔內(nèi)進行預防性干預措施，旨在保持設備處于良好的運行狀態(tài)，它能夠最大限度地避免不可預見的故障，降低隧道全壽命周期成本。從圖1中可以發(fā)現(xiàn)，隧道養(yǎng)護的前四個級別的內(nèi)容都屬于預防性養(yǎng)護的范疇。

圖1 隧道養(yǎng)護分類

我國在隧道預防性養(yǎng)護研究上起步較晚，特別是在公路隧道預防性養(yǎng)護方面。我國現(xiàn)行隧道養(yǎng)護規(guī)范[5]中公路隧道養(yǎng)護范圍涉及土建結(jié)構、機電設備以及其他工程設施，其中土建結(jié)構的養(yǎng)護內(nèi)容涉及日常巡查、清潔、結(jié)構檢查與技術狀況評定、保養(yǎng)維修和病害處治等。雖然在規(guī)范中提出要加強預防性養(yǎng)護，但并未對公路隧道的預防性養(yǎng)護進行定義。隨著我國對預防性養(yǎng)護和養(yǎng)護科學決策等先進理論研究的不斷深入，規(guī)范[5]中對公路養(yǎng)護工程分類進行了調(diào)整，首次以規(guī)范的形式提出了預防養(yǎng)護的概念，至此，預防養(yǎng)護成為了我國的一個專業(yè)術語。規(guī)范明確了預防養(yǎng)護的作用是為了延緩性能過快衰減、延長使用壽命而預先采取的主動防護工程，并指出了隧道預防養(yǎng)護的內(nèi)容包括隧道周期性預防處治、針對隧道滲水、剝落等的預防處治。

對比國內(nèi)外關于公路隧道預防性養(yǎng)護的定義和內(nèi)容我們可以發(fā)現(xiàn)，我國對公路隧道預防性養(yǎng)護的研究還是不夠深入，還局限性地認為隧道預防性養(yǎng)護是一門預防處治技術。實際上它是系統(tǒng)工程，它涉及隧道運營期間的日常管理、檢測、病害的處治、隧道狀態(tài)評估、養(yǎng)護方案優(yōu)化等多方面的問題，由此可知，沒有一個完善的隧道養(yǎng)護管理系統(tǒng)，真正意義上的預防性養(yǎng)護是無法實現(xiàn)的。

3 施工質(zhì)量缺陷對隧道的影響

文獻[6]對42座不同等級的隧道作了病害統(tǒng)計分析，并歸納為6大類，其中滲漏水、襯砌結(jié)構病害與底板類病害是隧道病害的三大主要類型(表2)。

表2 隧道病害類型統(tǒng)計

對引發(fā)隧道病害的成因進行分析可知，既有設計的缺陷，也有自然因素的問題，但最大的影響因素還是施工期間帶來的質(zhì)量缺陷。

某隧道由于施工質(zhì)量問題導致二襯厚度不滿足設計要求，導致二襯的最小安全系數(shù)由原設計的2.274降至1.874，降低幅度達43 %(圖2)；在隧道建設中，施工企業(yè)往往不能夠正確的認識仰拱對隧道結(jié)構安全的影響，從而使仰拱的施工質(zhì)量存在較多的問題，有些施工單位甚至沒有施作仰拱，從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，由于仰拱未施作導致二襯的最小安全系數(shù)只有1.5，而原設計為2.42，安全系數(shù)降幅達40 %；某隧道二襯原設計為鋼筋混凝土，但在施工過程中，施工單位將其施工為素混凝土，導致二襯的最小安全系數(shù)只有0.97，導致二襯處于十分危險的狀態(tài)(圖4)。

圖2 二襯厚度不足時結(jié)構安全系數(shù)分布

圖3 仰拱未施作時結(jié)構安全系數(shù)分布

同時調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，誘發(fā)二襯混凝土開裂的原因有勘察設計不深入、支護結(jié)構設計不當?shù)龋┕げ划攲е碌恼?0 %～95 %[7]。

由此可見，施工質(zhì)量缺陷對隧道結(jié)構安全性影響巨大。

4 四川省公路隧道預防性養(yǎng)護探究

目前，隧道預防性養(yǎng)護工作的開始時間是隧道建成交付運營后，但四川省已建和在建及正在設計的隧道數(shù)量龐大，且有部分隧道已經(jīng)出現(xiàn)了襯砌開裂、滲漏水等病害情況，再者四川省地處地震多發(fā)帶，地震對隧道的威脅也是十分巨大的，因此在四川省開展公路隧道預防性養(yǎng)護研究時，必須考慮四川省公路隧道的復雜情況。

4.1 已建隧道

已建隧道中有部分隧道結(jié)構已經(jīng)發(fā)生了病害，其中部分結(jié)構甚至出現(xiàn)了結(jié)構性裂縫，威脅著隧道運營安全。

對未發(fā)生結(jié)構性病害的隧道，隧道結(jié)構預防性養(yǎng)護的工作主要包括二襯裂縫的處置及滲漏水的處理。裂縫的處置包括對裂縫的觀測和裂縫的處理，其中裂縫觀測的方法可以采用埋釘法、石膏板標志法、白鐵片標志法和玻璃片標志法。而裂縫的處理方法則應根據(jù)裂縫寬度的大小來確定，寬度不大于0.2mm時，二襯裂縫通常不會形成貫通性裂縫，環(huán)境中的有害物質(zhì)也難以對二襯深層混凝土形成腐蝕。因此，此類裂縫對二襯結(jié)構的耐久性和安全性影響較小，可采用表面封 閉處理的方式(例如涂刷環(huán)氧樹脂)封閉二襯裂縫，隔絕空氣中腐蝕性物質(zhì)進入裂隙內(nèi)部；當裂縫的寬度增大到0.2mm以上，加大了環(huán)境中腐蝕性物質(zhì)進入二襯內(nèi)部的幾率，裂縫也容易形成地下水的動力通道，引起滲漏水，因此對于此類裂縫可采用灌漿法處理，將裂縫填充密實。

4.2 在建隧道

雖然在建隧道中二襯還未出現(xiàn)病害，但隧道是一個隱蔽工程量大，施工工序復雜的建筑。為了在隧道運營養(yǎng)護期間對隧道進行科學合理的養(yǎng)護和病害分析，此類隧道的預防性養(yǎng)護工作的重點是在隧道交付運營前，養(yǎng)護單位對隧道建立完整的信息庫，包括施工過程中有關地質(zhì)情況、施工情況的信息。更為重要的是對新建隧道狀況進行系統(tǒng)的檢測，主要有隧道斷面凈空檢測，二襯和初支的厚度及背后空洞檢測，在條件允許的情況下，應該建立隧道三維空間信息模型。

完整的隧道信息庫數(shù)據(jù)是制定隧道運營養(yǎng)護規(guī)程的重要依據(jù)，是隧道預防性養(yǎng)護工作的“零點”。

4.3 隧道設計

由于四川省地處地震多發(fā)帶，地震過后襯砌結(jié)構容易產(chǎn)生結(jié)構性的損傷，因此，受影響的隧道常常需要進行加固處理，這往往容易導致隧道斷面凈空減小，從而隧道建筑界限不滿足原設計要求，最后不得不降低隧道的車輛通行速度，導致整條公路的通行能力降低。

因此，對于隧址處于地震多發(fā)區(qū)的隧道，為了避免震后加固影響隧道通行能力的問題，需要在設計時加以解決。雅康高速二郎山隧道為此做了積極探索，該隧道設計首次采用超預期抗震設計理念與思路，穿越區(qū)域活動性斷裂內(nèi)，隧道斷面整體擴大40cm，為震后加固預留空間，并保證加固后不降低隧道的服務水平。這也為隧道預防性養(yǎng)護工作提供了新的思路。

5 總結(jié)

通過查閱國內(nèi)外對公路隧道養(yǎng)護及預防性養(yǎng)護的研究，并結(jié)合施工缺陷對隧道結(jié)構安全性和耐久性影響，從四川省公路隧道的復雜實際情況出發(fā)，對四川省公路隧道預防性養(yǎng)護工作進行了探究，得出以下幾點結(jié)論：

(1) 公路隧道預防性養(yǎng)護不僅是養(yǎng)護技術，更是隧道養(yǎng)護管理，它涉及隧道的勘察、涉及、施工和運營養(yǎng)護等全壽命周期；(2) 施工質(zhì)量缺陷是誘發(fā)隧道病害的重要原因，因此隧道結(jié)構的預防性養(yǎng)護工作要結(jié)合隧道的施工狀況來計劃和實施；(3) 四川省公路隧道預防性養(yǎng)護工作需要考慮地震帶來的影響，因確保震后加固的隧道的服務水平不會受到影響。