隧道運營期常見病害及防治技術(shù)分析

韋章興

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530021)

0 引言

目前，國內(nèi)很多地域的交通都建設(shè)有隧道。隧道不同于一般的工程，復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、水文環(huán)境以及繁忙的交通運行給隧道安全運行帶來許多不確定的因素。如上海某隧道運行十多年，沉降量最大區(qū)段達到200 mm，導(dǎo)致盾構(gòu)管片開裂、漏水等病害；南京某隧道自2005年運營以來，沉降量最大區(qū)段達到191 mm，最大沉降差達到172 mm。隧道的安全運營不僅是人們?nèi)粘３鲂斜憬莸闹匾Ｕ?，同時也是地面建筑安全的重要保證。本文分析了一般軟土上隧道的常見各類病害及其產(chǎn)生的機理，并提出相應(yīng)的治理技術(shù)，以期為隧道病害治理提供借鑒。

1 常見隧道病害簡述

1.1 非結(jié)構(gòu)性病害

非結(jié)構(gòu)性病害主要是指對隧道支護體系無影響，但對隧道安全運行有重大影響

的病害。這一類病害主要是由于隧道內(nèi)部系統(tǒng)材料或者設(shè)備在地下復(fù)雜工作環(huán)境中發(fā)生損傷或損壞導(dǎo)致的，如：線路老化、鋼軌磨損、道岔損壞等。

1.2 結(jié)構(gòu)性病害

結(jié)構(gòu)性病害是指影響隧道支護體系安全或者影響隧道運行受力結(jié)構(gòu)的病害。這一類病害較非結(jié)構(gòu)性病害嚴(yán)重，不僅對隧道安全運行產(chǎn)生較大的影響，甚至?xí)Φ孛娼ㄖa(chǎn)生較大的影響。

1.2.1 隧道變形

隧道的變形是一個整體變化的過程，包含了隧道沿著運行方向的整體沉降、局部沉降、隧道的傾斜變形、隧道的收斂變形等。隧道的變形，尤其是不均勻變形極易導(dǎo)致隧道支護結(jié)構(gòu)局部受力集中，造成結(jié)構(gòu)的破壞。

支護結(jié)構(gòu)病害主要分為兩大類：(1)基于施工縫產(chǎn)生的病害，如盾構(gòu)施工隧道的管片間的環(huán)縫、混凝土施工縫等；(2)基于隧道變形產(chǎn)生的病害，如隧道不均沉降時隧道產(chǎn)生裂紋等。我國東南地區(qū)地下含水量豐富，如南京、上海等地，支護結(jié)構(gòu)的損傷易使隧道滲漏水，影響結(jié)構(gòu)使用壽命。圖1(a)是管片環(huán)縫滲水，而圖1(b)中為管片受拉開裂。

(a)管片環(huán)縫[5] (b)管片擠裂[2]圖1 支護結(jié)構(gòu)病害現(xiàn)場示意圖

1.2.2 道床病害

隧道路面病害主要有裂縫冒泥、脫空等，如圖2所示。

2 隧道病害的成因分析

一般非結(jié)構(gòu)性病害的成因主要取決于隧道內(nèi)部的工作環(huán)境，如濕度、溫度和泥水浸泡等。隧道結(jié)構(gòu)性病害的成因有很多，且大部分病害的產(chǎn)生都是綜合了多種成因。本文基于前人研究的基礎(chǔ)以及筆者分析，得出以下五種因素：

(a)開裂冒泥 (b)冒泥圖2 隧道路面病害現(xiàn)場示意圖

2.1 水文地質(zhì)條件

水質(zhì)地質(zhì)條件是影響隧道的最重要的因素之一，如上海地區(qū)水文地質(zhì)基本為含水量豐富的軟土；南京地區(qū)水文地質(zhì)復(fù)雜，沿江區(qū)域為軟土，靠近紫金山區(qū)域為硬巖；杭州地區(qū)主要是軟土。隧道施工時破壞了土的結(jié)構(gòu)和水文，在隧道運營過程中，隧道周邊環(huán)境會反作用于設(shè)施結(jié)構(gòu)上。另外，在地質(zhì)力學(xué)上，地層沉降也是導(dǎo)致隧道沉降的原因之一。

2.2 隧道運營振動

隧道內(nèi)部車流量較大，頻繁的交通使得隧道支護結(jié)構(gòu)長時間處于振動狀態(tài)。另外，在運營高峰期，客流量激增，增加了隧道下部土層的附加壓力，促使地層沉降。在已有裂縫的基礎(chǔ)上，隧道的動力運行可以加劇裂紋的擴大。

2.3 建筑活動

隧道支護體系的受力狀態(tài)易受到隧道周邊以及地表建筑活動的影響，如：在已知隧道線路上部或下部修建隧道；在已知隧道線路地面的建筑活動等。土層開挖或地面工程施工均改變了已知隧道線路支護結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)和隧道周圍的水文地質(zhì)狀態(tài)，對已知隧道支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響。

2.4 施工技術(shù)

施工技術(shù)也對隧道安全運營產(chǎn)生影響。如：采用盾構(gòu)法施工時，支護管片間存在環(huán)縫；利用礦山法施工時，支護結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時存在施工縫；行車道板存在施工縫等。隧道中施工縫或預(yù)留變形縫在復(fù)雜受力狀態(tài)下極易受到破壞，形成滲透通道。另外，施工養(yǎng)護不當(dāng)也是造成隧道支護結(jié)構(gòu)開裂的原因之一。

2.5 運營管理

隧道運營過程中，管理不善與維護不當(dāng)也是導(dǎo)致隧道產(chǎn)生病害的原因之一，如：排水系統(tǒng)堵塞、結(jié)構(gòu)裂縫修補不及時等。日常運營維護不到位，擴大隧道的病害影響范圍，甚至導(dǎo)致隧道停運。

3 隧道病害的防治建議

隧道病害雖不能立即影響其運營，但長此以往，勢必降低隧道使用壽命，增加隧道的維護管理成本。依據(jù)隧道病害的防和治，本文提出以下建議。

3.1 隧道病害預(yù)防

隧道的病害已然常見于運營中的隧道，故分析病害產(chǎn)生的機理，指導(dǎo)后期修建的隧道。

(1)科學(xué)規(guī)劃與選址。隧道的規(guī)劃選址應(yīng)服從道路總體的發(fā)展規(guī)劃。隧道規(guī)劃和選址直接影響著隧道的結(jié)構(gòu)形式、斷面形式以及隧道的運營環(huán)境等。結(jié)合道路總體規(guī)劃和實際地層的水文地質(zhì)條件，合理選擇隧道線路是防止隧道變形的重要手段。

(2)科學(xué)設(shè)計與建設(shè)。隧道的設(shè)計和建設(shè)是隧道系統(tǒng)的基礎(chǔ)，直接關(guān)系著隧道的結(jié)構(gòu)形式和施工質(zhì)量。針對無法避免的不利地段，要采用合理的地層加固措施以提高地層的承載力。另外，為了方便后期的維護，在隧道設(shè)計過程中需預(yù)留構(gòu)件，如：為治理沉降過大，需加固地層，故在設(shè)計過程中需預(yù)留注漿孔。

(3)科學(xué)管理與維護。在隧道的日常管理維護中，隧道內(nèi)部設(shè)備以及隧道支護體系等需要實時監(jiān)測。根據(jù)實時監(jiān)測結(jié)果，判別隧道運營狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)病害、治理病害，防患于未然，從而保障隧道的持續(xù)安全運行。

3.2 隧道非結(jié)構(gòu)性病害治理

隧道的非結(jié)構(gòu)性病害種類繁多，主要是控制隧道安全運行設(shè)備功能故障造成的。此類病害的治理主要是加強對隧道內(nèi)部機電設(shè)備檢修與維護。

3.3 隧道結(jié)構(gòu)性病害治理

已出現(xiàn)病害的隧道線路，需要及時治理，否則會給隧道運行帶來安全隱患、甚至造成重大的經(jīng)濟損失。隧道結(jié)構(gòu)性病害具體的治理措施根據(jù)其成因不同而不同。

(1)表觀治理。表觀裂縫是隧道支護結(jié)構(gòu)病害最直觀的表現(xiàn)。裂縫的存在，同時也導(dǎo)致了隧道內(nèi)部滲水、冒泥等。對于這類表觀裂縫的治理，主要是根據(jù)現(xiàn)場裂縫的情況而定。當(dāng)裂紋較小，還未形成貫通的裂縫，僅需要水泥嵌補即可；當(dāng)裂縫較大時，需要通過注漿封堵。通過表觀的治理，防止裂縫滲水冒泥。

(2)結(jié)構(gòu)治理。實時監(jiān)控量測結(jié)果與現(xiàn)場巡視可直接反饋隧道支護體系的結(jié)構(gòu)安全。結(jié)合隧道結(jié)構(gòu)的表觀破壞特征，分析隧道結(jié)構(gòu)性病害產(chǎn)生的機理，再做相應(yīng)的結(jié)構(gòu)性治理。結(jié)構(gòu)性病害的治理按照治理對象不同可分為兩種治理方式：①通過加強支護結(jié)構(gòu)，提高隧道支護結(jié)構(gòu)的支撐作用，如粘貼芳綸布、采用鋼環(huán)加固等；②通過加固地層，提高隧道支護結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境的承載能力，如注漿等。

4 結(jié)語

目前，隨著環(huán)保越來越受到重視，隧道建設(shè)越來越多，被視為緩解交通壓力、提高交通效率的重要手段。隧道病害防治是實現(xiàn)隧道長期安全運營的重要手段。本文在分析隧道病害基礎(chǔ)上，根據(jù)東南沿海的軟土地層隧道的病害狀況，分析了非結(jié)構(gòu)性病害和結(jié)構(gòu)性病害產(chǎn)生的機理，并根據(jù)其機理提出幾點防治病害的措施，為隧道規(guī)劃設(shè)計和病害治理提供參考。