富水山區(qū)隧道襯砌病害分析與防治措施研究

王閱章　李鳴　宿成智　張立爽　閆少澤　楊光明

摘? 要：隧道作為一種特殊的地下結(jié)構(gòu)工程，具有一定的隱蔽性。尤其是對于受地形地質(zhì)條件限制的富水山區(qū)隧道，其面臨著更為復雜的環(huán)境挑戰(zhàn)。為了確保隧道在運營期的安全性、耐久性，本文針對富水山區(qū)隧道復雜的工程地質(zhì)環(huán)境，總結(jié)了隧道襯砌典型病害，分析了隧道典型襯砌病害產(chǎn)生的原因，并根據(jù)其成因提出相應的預防和治理措施。研究結(jié)果可為西南富水山區(qū)公路工程設計、施工和運營提供一定的參考性。

關(guān)鍵詞：隧道? 襯砌? 病害? 防治措施

中圖分類號：U457.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0039-03

Abstract： As a kind of special underground structure engineering， tunnel has certain concealment. Especially for the tunnel in the rich water mountainous area which is restricted by the topographic and geological conditions， it faces more complex environmental challenges. In order to ensure the safety and durability of tunnels during operation， this paper summarizes typical tunnel lining diseases according to the complicated engineering geological environment of tunnels in water-rich mountainous areas， analyzes the causes of typical tunnel lining diseases， and puts forward corresponding prevention and treatment measures according to their causes. The research results can provide some reference for the design， construction and operation of highway engineering in the mountainous area of southwest China.

Key Words： Tunnel; Lining; Disease; Prevention measures

近年來，隨著我國交通運輸行業(yè)的飛速發(fā)展，公路、鐵路等基礎設施建設已取得重大突破。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建成的公路、鐵路里程均居世界前列。為不斷完善公路、鐵路網(wǎng)的建設，加快推進西部大開發(fā)及交通強國戰(zhàn)略的實施，在我國西南地區(qū)復雜山地環(huán)境下修建公路、鐵路已成為不可或缺的重要基礎建設項目。然而，由于西南山區(qū)溝壑縱橫、地勢起伏，公路、鐵路經(jīng)常需要穿過連綿起伏的山脈，特殊的地質(zhì)環(huán)境要求施工人員必須進行隧道建設。一般而言，隧道一般處于較為隱密的地層結(jié)構(gòu)中，隧道修建過程中需要對圍巖和部分土體進行長時間且大斷面的開挖，導致隧道施工期和運營期的穩(wěn)定性、安全性常受到多因素的聯(lián)合影響，隧道常見的損傷病害因素包括襯砌上部水壓作用、襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕和開裂、斷層活動等，長年累月的結(jié)構(gòu)損傷加劇了隧道災害的發(fā)生，極易造成極為嚴重的交通事故，給人民的生命財產(chǎn)帶來巨大的威脅。因此，準確掌握山嶺隧道建設和運營階段襯砌結(jié)構(gòu)常見的病害，并根據(jù)致災因素提出相應的防治措施，從而確保隧道的安全運營具有重大的實際工程意義。本文分析了隧道常見典型病害的成因，總結(jié)了典型病害的預防和處治措施，以此為隧道設計施工和隧道安全運營提供理論參考，在一定程度上指導工程實踐。

1? 襯砌典型病害

1.1 襯砌裂縫

襯砌裂縫是指襯砌混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂損傷，并且這種損傷是不可恢復的。對于隧道這種特殊的地下混凝土結(jié)構(gòu)，衡量其結(jié)構(gòu)安全性能的重要表征指標之一就是襯砌裂縫。大多數(shù)隧道病害的案例中，襯砌結(jié)構(gòu)裂縫較為常見，其危害性或者潛在危害性也比較? ? ? ? 大[1]。根據(jù)裂縫走向分為縱向裂縫、斜向裂縫和環(huán)向裂縫;根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因可以分為外力作用下產(chǎn)生的荷載裂縫和混凝土收縮徐變、溫度改變等原因引起的非荷載裂縫。

1.2 襯砌滲漏水

同襯砌裂縫一樣，襯砌滲漏水也是影響隧道安全運營的重要因素之一。特別是對于地下水豐富的區(qū)域，滲漏水病害時有發(fā)生。據(jù)非完全統(tǒng)計，我國鐵路隧道，公路隧道以及城市地鐵隧道中存在滲漏水病害的隧道數(shù)量大概占總隧道數(shù)量的1/3[2]。根據(jù)滲漏的形式，可以將滲漏病害分為3類：點滲漏、縫滲漏和面滲漏。根據(jù)滲漏水的形態(tài)，可以分為4類：浸滲、滴漏、滲漏、涌流。

1.3 襯砌背后空洞

隧道襯砌背后的空洞是指襯砌與圍巖之間接觸不密實存在空隙，是比較嚴重的病害之一。因為這種接觸的不緊密會導致結(jié)構(gòu)受力不均勻，改變二襯和圍巖的受力狀態(tài)，承載能力也會因此下降。根據(jù)空洞出現(xiàn)的部位不同，可以將其分為：拱頂處空洞、拱腰處空洞、拱墻處空洞。

2? 成因分析

公路隧道作為一種特殊的大型混凝土結(jié)構(gòu)工程，其跨度是比較大的，賦存環(huán)境復雜多樣，周圍地質(zhì)環(huán)境、氣候、水質(zhì)等對隧道的影響都比較大。隧道病害發(fā)生的原因可以大致歸為兩類，一類是外力和自然環(huán)境等因素引起的，稱為外部因素;一類是設計、施工、運營管理等過程里的人為因素，稱為內(nèi)部因素。

3? 預防和治理措施

目前我國公路隧道的維修與養(yǎng)護逐漸進入高峰期[3]，在運營期間出現(xiàn)的各類病害不僅給國家經(jīng)濟造成巨大的損失，有時候甚至會給人身安全帶來威脅。公路隧道屬于地下隱蔽工程，其位置的特殊性和環(huán)境的隱蔽性造成了病害處置十分困難，并且一旦發(fā)生病害，就難以根治。因此正確、迅速判斷出造成襯砌病害的原因并及時采取合適的治理措施，不僅降低了維護管理的成本，而且也保障了過路行人和行車的生命安全。目前，針對襯砌裂縫、滲漏水、襯砌背后空洞的預防和治理措施已經(jīng)取得了一定的成果[4-7]。

3.1 裂縫的預防和治理措施

（1）裂縫的預防措施。

混凝土結(jié)構(gòu)是一種脆性材料，不可避免會產(chǎn)生縫隙。如何規(guī)避或者降低縫隙的產(chǎn)生需要學者不斷的研究和總結(jié)。從裂縫的預防的角度，在混凝土配合比設計和原材料選取上應考慮降低混凝土水化熱，同時提高抗裂性能和體積穩(wěn)定性;在混凝土澆筑過程中的施工質(zhì)量控制;以及混凝土的養(yǎng)護時間和養(yǎng)護工藝。

（2）裂縫的治理措施。

根據(jù)裂縫的常見治理措施，可以將其分為封堵型治理和結(jié)構(gòu)補強型。封堵型包括直接涂抹、騎縫注漿、鑿槽嵌縫，其實質(zhì)上是在一定范圍內(nèi)使用裂縫封閉膠對裂縫本身進行閉合處理，主要適用于非受力原因或者歷史受力造成的裂縫封堵;結(jié)構(gòu)補強型包括圍巖注漿、襯砌背后注漿、錨噴網(wǎng)支護、套襯補強、增設仰拱、拆除重建，適用于外力引起且有擴展趨勢的擴展裂縫治理，通常使用環(huán)氧砂漿治理，其缺點是對結(jié)構(gòu)可能會造成二次傷害，對防排水系統(tǒng)也可能會產(chǎn)生一定破壞。

3.2 滲漏水的預防和治理措施

（1）滲漏水的預防措施。

從滲漏水的成因來看，對于滲漏水的預防主要從以下幾點：①控制注漿圈的滲透性：通過改變注漿圈的滲透系數(shù)，使流量處于一定的范圍內(nèi)，避免突涌水;②防水板布設標準規(guī)范：防水板與初支面秘貼，保證防水板不會掉落，并且防水板的周圍不可彎曲;③合理設置排水系統(tǒng)：在地下水發(fā)育、含水層明顯地段，同時存在長期水源補給，可考慮設置泄水洞。

（2）滲漏水的治理措施。

在高富水地區(qū)，如何合理地處置隧道襯砌滲漏水的問題對山嶺隧道工程安全運營至關(guān)重要，為了達到一個防水可靠，排水通暢，運營期間不滲不漏，基本干燥的目的，將滲漏水病害治理過程大致分為兩大類：一類是從防水的角度考慮，對于滲漏表面積大，但是滲漏水量不大的地方，可以采用表面封閉、鑿縫填充，對于滲漏水量較大的可以考慮進行深層注漿、噴涂高性能防水材料、加設內(nèi)襯。而另一類治理過程是從排水的角度考慮，比如變形縫、施工縫發(fā)生較少的滲漏水時，可以利用外側(cè)進行導流設置導流槽。對于襯砌背后積水嚴重的情況可以選擇“鋪管引排”的方式，比如采用布設盲溝的措施將積水排走。

3.3 空洞的預防和治理措施

（1）空洞的預防措施。

從空洞成因來看，空洞的預防主要從以下幾點：①圍巖體加固：發(fā)現(xiàn)圍巖體松散時，需要對其進行噴射混凝土，嚴重時需要進行注漿加固;②合理處置超挖：施工過程中超挖現(xiàn)象時有發(fā)生，對于超挖部分，需要對其加設鋼筋網(wǎng)片、噴射混凝土等;③防水板布設標準規(guī)范：防水板的施工要求與初支面秘貼、穩(wěn)固，同時需要避免凸點。

（2）空洞的治理措施。

同時對空洞進行治理是十分必要的，空洞的存在不僅降低圍巖的自承能力，還會降低襯砌的承載能力，可能會引起大范圍的襯砌裂縫甚至出現(xiàn)襯砌掉塊，同時對于地下水位較高的地區(qū)，空洞可以作為水的通道。為了防止圍巖松弛擴大，恢復襯砌和圍巖共同承載的能力，同時提高止水效果。從空洞范圍大小來看，如果二次襯砌背后出現(xiàn)小范圍的空洞，可以采取在病害位置進行鉆孔灌注水泥漿或者砂漿;當二次襯砌出現(xiàn)大范圍空洞，一般考慮將二次襯砌整體或者部分鑿除，然后對鑿除部位進行修復補強處理。

實際工程中，上述三種典型病害并非單獨出現(xiàn)，當我們只考慮其中一種病害而忽略其衍生病害的時候就會造成治理失敗，因此我們需要考慮多種病害耦合的情況，綜合采用多種治理措施互相結(jié)合的方式對這種耦合病害進行聯(lián)合治理。當襯砌裂縫和滲漏水同時存在時，先處理滲漏水病害，再處理裂縫的病害，可以采取“防排水+套襯補強”的治理方法;當襯砌空洞和滲漏水同時存在時，首先處理滲漏水的病害，其次解決空洞的病害，可以采取“防排水+回填灌漿”的治理方法;當襯砌空洞和襯砌開裂同時存在時，從外到內(nèi)的治理順序，采取“回填灌漿+套襯補強”的治理方法;當襯砌空洞，襯砌開裂和滲漏水三者同時存在時，先處理滲漏水的問題，然后從外到內(nèi)，采取“防排水+回填灌漿+套襯補強”，必要時可以考慮打入錨桿加固圍巖。

4? 結(jié)語

在隧道整個生命期里，不可避免會在施工期和運營期內(nèi)產(chǎn)生一些不同類型、不同程度的襯砌病害問題，他們往往會給襯砌結(jié)構(gòu)帶來安全隱患，甚至威脅到行人和行車的生命財產(chǎn)安全。因此本文總結(jié)了三種常見的隧道襯砌病害，分析了襯砌裂縫、襯砌滲漏水以及襯砌背后空洞的病害成因，總結(jié)了這些病害的預防和治理措施。在一定程度上可以為富水山區(qū)隧道建設以及襯砌結(jié)構(gòu)病害的防治提供一些參考，具有一定的工程實際性。

參考文獻

[1] 崔達.新型隧道襯砌裂縫修補材料研制及性能試驗研究[D].西安：長安大學， 2017.

[2] 林春金.運營隧道襯砌滲漏水機理及注漿治理研宄[D].濟南：山東大學， 2017.

[3] 李世強.重慶涪豐石高速方斗山隧道病害處治方案研究[D].西安：長安大學，2018.

[4] 何云.運營地鐵隧道滲漏水監(jiān)測與風險預警研究[D].武漢：華中科技大學，2018.

[5] 李曉斌.襯砌背后空洞對隧道結(jié)構(gòu)安全性影響及其防治措施研究[D].成都：西南交通大學，2017.

[6] 劉劫，董武，龔成明.襯砌缺陷防治技術(shù)在運營鐵路隧道中的應用研宄[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2019， 56（6）：157-161，180.

[7] 謝立廣，楊群.隧道襯砌環(huán)向裂縫的成因分析及預防建議[J].公路，2020，65（5）：347-352.