王 闖, 吳 林, 胖 濤, 鄭長(zhǎng)青
(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川成都 610031)
改革開放以來,伴隨經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,我國(guó)交通運(yùn)輸基礎(chǔ)事業(yè)飛速發(fā)展,交通隧道工程的規(guī)模不斷增加。統(tǒng)計(jì)資料指出,截至2018年底,我國(guó)公路隧道17 738處共17 236.1 km,鐵路隧道15 117座,總長(zhǎng)16 331 km[1]。特別是近年來,我國(guó)建設(shè)了大量的長(zhǎng)大隧道及隧道群,線路隧線比進(jìn)一步提高。比如巴陜高速米倉(cāng)山隧道長(zhǎng)度13.8 km,雅康高速新二郎山隧道13.459 km,在建的大瑞鐵路高黎貢山隧道長(zhǎng)34.538 km,正在設(shè)計(jì)建設(shè)的川藏鐵路(隧線比82.9 %)易貢隧道長(zhǎng)度達(dá)到了42.49 km。
大量的長(zhǎng)大隧道及隧道群,給線路運(yùn)營(yíng)安全帶來一定的挑戰(zhàn),隧道運(yùn)營(yíng)期防災(zāi)救援工作日益受到重視。特別的,在發(fā)生地震、火災(zāi)、交通意外、地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險(xiǎn)事件后,隧道的可靠性將直接影響到防災(zāi)救援的及時(shí)性和高效性,并對(duì)交通運(yùn)輸安全性產(chǎn)生巨大影響[2]。鑒于此,本文在總結(jié)部分運(yùn)營(yíng)鐵路、公路隧道災(zāi)后病害資料的基礎(chǔ)上,對(duì)運(yùn)營(yíng)期隧道受災(zāi)后的病害特征及整治技術(shù)措施進(jìn)行分析,以期為類似工程提供參考。
針對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)期的災(zāi)害情況,李奎等基于統(tǒng)計(jì)原理分析了83例鐵國(guó)內(nèi)外鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期事故資料,指出鐵路隧道運(yùn)營(yíng)期間主要災(zāi)害類型有火災(zāi)、列車碰撞、脫軌及襯砌剝落[3]。工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)表明,隧道具有受到自然災(zāi)害、地質(zhì)災(zāi)害、突發(fā)事件和人為破壞等侵害的多重性和復(fù)雜性。本文參考文獻(xiàn)[3]的研究成果,主要對(duì)火災(zāi)、地震、極端天氣(凍害、強(qiáng)降水及洪水)災(zāi)害下的隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害缺陷情況及特征進(jìn)行分析。
火災(zāi)險(xiǎn)情是隧道工程運(yùn)營(yíng)期較為常見的災(zāi)害?;馂?zāi)發(fā)生時(shí),高溫環(huán)境會(huì)對(duì)隧道內(nèi)設(shè)備和混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大損傷。相關(guān)隧道火災(zāi)病害的調(diào)查結(jié)果表明,隧道火災(zāi)損壞主要集中在支護(hù)結(jié)構(gòu)拱部及邊墻,主要表現(xiàn)形式為襯砌嚴(yán)重變形、開裂、襯砌混凝土爆裂剝落、拱頂?shù)魤K、防火涂料大面積起鼓損壞等。目前,相關(guān)學(xué)者利用溫度指標(biāo)(火災(zāi)溫度和燃燒時(shí)間)、損傷特征(襯砌表面顏色和燒傷區(qū)襯砌特征)、損傷深度、酥松深度和剝落深度來評(píng)估火災(zāi)后隧道結(jié)構(gòu)的損傷程度[4]。圖1為火災(zāi)后隧道襯砌的典型燒蝕情況。
圖1 火災(zāi)后隧道襯砌典型病害
地震的是隧道工程運(yùn)營(yíng)期面臨的重大威脅,2008年的汶川大地震對(duì)震區(qū)公路隧道結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞,震區(qū)56座隧道中約40 %受到地震作用破壞[5]。在地震作用下,處于高地應(yīng)力區(qū)段或者穿越軟弱破碎帶區(qū)域的隧道初期支護(hù)和二次襯砌常發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞。隧道洞身段襯砌結(jié)構(gòu)的主要震害形式為襯砌出現(xiàn)縱向、環(huán)向和斜向裂縫并滲水;地下水積聚;襯砌掉塊、錯(cuò)臺(tái),襯砌邊墻局部或上部拱圈整體掉落;鋼筋扭曲變形甚至斷裂;路面、電纜溝開裂、錯(cuò)臺(tái),路面仰拱沉陷或隆起;鋼支撐扭曲變形、錨桿墊板脫落;隧道整體塌陷等。圖2為地震后隧道襯砌的典型損壞情況。
圖2 地震后隧道襯砌典型病害
對(duì)于運(yùn)營(yíng)期隧道工程,極端氣候下對(duì)隧道工程影響較大的莫過于寒冷季節(jié)導(dǎo)致的凍害、雨季強(qiáng)降雨引起的水害。
1.3.1 水害
資料表明,我國(guó)約70 %的運(yùn)營(yíng)鐵路隧道存在同程度的水害,水害程度較嚴(yán)重從而導(dǎo)致狀態(tài)失格的占運(yùn)營(yíng)隧道總數(shù)的40 %以上[6]。調(diào)研結(jié)果表明,運(yùn)營(yíng)期隧道水害的主要表現(xiàn)形式為以滲潤(rùn)、滴水、流水、噴涌水現(xiàn)象為主的襯砌滲漏水和涌水,以及滲漏水引起的襯砌混凝土風(fēng)化、腐蝕、剝落、仰拱破碎等結(jié)構(gòu)破壞形式。圖3為貴廣鐵路某隧道在持續(xù)暴雨天氣影響下出現(xiàn)的隧道拱墻滲漏水、中心溝冒水、道床隆起開裂等災(zāi)害。
圖3 強(qiáng)降水條件下隧道襯砌典型病害
1.3.2 凍害
隧道凍害與水害緊密相連,圍巖積水或襯砌滲漏水是產(chǎn)生凍害的必要條件。在寒冷地區(qū),氣溫變化引起的地下水凍融作用等因素常會(huì)導(dǎo)致隧道凍害的產(chǎn)生。大量調(diào)查結(jié)果表明,隧道凍害的表現(xiàn)形式主要有兩個(gè)方面:襯砌滲漏水凍結(jié)引起的隧道凍害有拱部掛冰、邊墻結(jié)冰、軌道及道床結(jié)冰、洞內(nèi)網(wǎng)線設(shè)備掛冰等;圍巖凍脹力造成的襯砌結(jié)構(gòu)變形、開裂、掉塊等破壞形式[7]。圖4為寒區(qū)隧道常見的襯砌掛冰、襯砌凍脹開裂、隧底冒水積冰等病害。
圖4 隧道襯砌凍害典型特征
受火災(zāi)、地震、水害、凍害等災(zāi)害類型和災(zāi)害程度的影響,隧道結(jié)構(gòu)的病害形式是多樣化的。針對(duì)如前所述的各個(gè)隧道災(zāi)后典型病害缺陷情況,根據(jù)病害特征表現(xiàn)形式的不同對(duì)其進(jìn)行梳理分析,具體如表1所示。其中,考慮凍害中的拱部掛冰、邊墻結(jié)冰等結(jié)構(gòu)結(jié)冰病害與地下水的關(guān)系,將其定義為水害的一種表現(xiàn)形式。
表1 不同災(zāi)害隧道襯砌病害分析
綜合考慮表1中的隧道各災(zāi)后病害因素,定義隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)病害指數(shù)R(如下式1)對(duì)運(yùn)營(yíng)期隧道病害程度及工作性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析。
R=f(v1,v2,v3,v4,v5)
(1)
式中:v1,v2,v3,v4,v5分別為表中的變形、開裂、破損、背后空洞、水害5項(xiàng)病害特征因素。此外,JTG H12-2015《公路隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》將隧道土建結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)定為無或非常輕微、輕微、中等、較嚴(yán)重、嚴(yán)重五個(gè)等級(jí),鐵運(yùn)函[2004]174號(hào)《鐵路運(yùn)營(yíng)隧道襯砌安全等級(jí)評(píng)定暫行規(guī)定》中按照襯砌狀態(tài)及危及行車安全的程度劃分為完好(D)、輕微(C)、較嚴(yán)重(B)、嚴(yán)重(A1)、極嚴(yán)重(AA)五個(gè)等級(jí)。本文參照規(guī)范要求和已有研究成果,將運(yùn)營(yíng)期隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)災(zāi)后病害等級(jí)分為無破壞(A)、輕微破壞(B)、中等破壞(C)、嚴(yán)重破壞(D)、損毀(E)五級(jí),具體如表2所示。
表2 隧道災(zāi)后病害評(píng)價(jià)分級(jí)
同時(shí),根據(jù)表2中的隧道災(zāi)后病害評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等級(jí),用模糊語(yǔ)言方法對(duì)隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)病害指數(shù)R進(jìn)行表述,如式(2)所示。
R={r1,r2,r3,r4,r5}
(2)
式中:r1,r2,r3,r4,r5分別表示隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)病害等級(jí)為A-無破壞、B-輕微破壞、C-中等破壞、D-嚴(yán)重破壞、E-損毀。
式(1)、式(2)表示可以利用隧道結(jié)構(gòu)病害指數(shù)R來綜合判斷隧道災(zāi)后病害特征等級(jí),應(yīng)用時(shí)應(yīng)針對(duì)變形、開裂、破損、背后空洞、水害5項(xiàng)病害特征因素給出具體判定標(biāo)準(zhǔn),建立相關(guān)模型開展深入細(xì)致的研究。
火災(zāi)、地震、極端天氣等災(zāi)害給隧道運(yùn)營(yíng)安全帶來嚴(yán)重威脅,而根據(jù)隧道災(zāi)后病害的特征采取合理的整治措施來保證運(yùn)營(yíng)要求是隧道災(zāi)后修復(fù)工作中的難點(diǎn)。限于篇幅,本文對(duì)襯砌開裂、襯砌背后脫空、襯砌滲漏水、隧底冒水、道床(仰拱)隆起等常見災(zāi)后病害的整治措施進(jìn)行說明。
對(duì)于混凝土表層的非貫通性普通裂縫及環(huán)向貫通性裂縫,若無錯(cuò)臺(tái),且通過觀測(cè)裂縫不再繼續(xù)發(fā)展,采用騎縫錨桿(錨管)補(bǔ)強(qiáng)和注漿封縫處理。詳見圖5。
(a)騎縫錨桿(錨管)布置示意
對(duì)于襯砌拱部縱向結(jié)構(gòu)性裂縫(張開型)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)性裂縫,由于該種裂縫產(chǎn)生已導(dǎo)致襯砌有效厚度減薄,造成結(jié)構(gòu)一定程度的破壞,對(duì)裂縫先采用騎縫錨桿(錨管)補(bǔ)強(qiáng),后進(jìn)行套襯補(bǔ)強(qiáng)。詳見圖5、圖6。
(a)拱墻套襯橫斷面
整治施工前需對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)脫空情況進(jìn)行驗(yàn)證,掌握詳細(xì)的襯砌結(jié)構(gòu)及缺陷情況,若襯砌拱部大面積(大于50 %)脫空時(shí),缺陷范圍采用套襯補(bǔ)強(qiáng),施作套襯時(shí)預(yù)留注漿孔,套襯施作完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后,對(duì)襯砌脫空處進(jìn)行鉆孔注漿回填。若襯砌拱部較小面積(小于50 %)脫空時(shí),襯砌脫空可采用鉆孔注漿回填。詳見圖7。
圖7 隧道襯砌背后脫空注漿整治
針對(duì)隧道襯砌滲漏水的問題,根據(jù)滲漏水病害的特征,采用不用程度的處置措施:
(1)對(duì)于隧道內(nèi)水量較小,水流分散而不便引排的拱墻施工縫、襯砌裂縫及個(gè)別出水點(diǎn)(面)進(jìn)行襯砌內(nèi)部注漿,詳見圖8。
圖8 注漿孔布置示意(“O”為注漿孔)
(2)對(duì)于邊墻具有單一點(diǎn)位的線流、股流、射流、水量較大,而不易采用注漿、抹面、嵌縫等堵水措施時(shí),進(jìn)行引排。詳見圖9。
(a) 襯砌橫斷面示意
(3)對(duì)于裂縫浸水、滲水、潮濕等采用襯砌內(nèi)部注漿處理后仍有少量滴水、滲水,采用鑿槽嵌縫進(jìn)行封堵。詳見圖10。
(a) 襯砌橫斷面示意
(4)對(duì)于襯砌局部大面積出現(xiàn)面漏、網(wǎng)狀裂縫漏水、滲水等,采用襯砌內(nèi)部注漿,在注漿后集中出水點(diǎn)鑿槽縫進(jìn)行封堵。詳見圖11。
(1)對(duì)地表水來水側(cè)設(shè)置混凝土擋水墻和排水溝進(jìn)行截排,防止大量降雨匯入下滲至隧道洞周。
(2)對(duì)于隧道水害段洞周地下水頭較高的情況,采用臨時(shí)鉆孔泄水降壓措施(圖12)。
圖12 鉆孔泄水降壓示意
如上圖12,在隧道兩側(cè)邊墻底鉆設(shè)橫向泄水降壓孔,將地下水引入側(cè)溝內(nèi),并采用C25微膨脹砼土封堵側(cè)溝孔。在隧道側(cè)溝及中心水溝底設(shè)置豎向泄水降壓孔,插入排水鋼管。同時(shí),為防止水壓過大引起泄水降壓孔內(nèi)地下水噴射,對(duì)泄水降壓孔端頭采取設(shè)置擋水板和引水管(圖13)。
圖13 豎向孔端頭擋水板及邊墻孔引水管設(shè)置示意(單位:mm)
針對(duì)隧道道床隆起及底板上拱問題,為加強(qiáng)仰拱填充與仰拱的連接,防止道床繼續(xù)上拱,于仰拱填充頂面處施作豎向錨桿,并對(duì)隧底進(jìn)行鉆孔注漿加固。詳見圖14、圖15。
圖14 隧道道床隆起段仰拱錨桿設(shè)置
災(zāi)害事件作用下隧道結(jié)構(gòu)的病害會(huì)影響線路的正常運(yùn)營(yíng),本文對(duì)隧道災(zāi)后病害特征及整治措施進(jìn)行了詳細(xì)分析,從而為運(yùn)營(yíng)期隧道災(zāi)后病害經(jīng)濟(jì)科學(xué)的整治提供借鑒和參考。
(1)以隧道災(zāi)后病害資料為基礎(chǔ),系統(tǒng)分析和了火災(zāi)、地震、極端天氣(凍害、強(qiáng)降雨及洪水)災(zāi)害下的隧道結(jié)構(gòu)病害特征,并歸納為變形、開裂、破損、背后空洞、水害六大類病害。
圖15 隧道軌下結(jié)構(gòu)注漿孔布置
(2)綜合考慮變形、開裂、破損、背后空洞、滲漏水等6項(xiàng)病害特征因素,定義隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)病害指數(shù)對(duì)運(yùn)營(yíng)期隧道病害程度及工作性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析,并將運(yùn)營(yíng)期隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)災(zāi)后病害等級(jí)分為無破壞、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、損毀五級(jí)。
(3)針對(duì)襯砌開裂、襯砌背后脫空、襯砌滲漏水、隧底冒水、隧道道床(拱底)隆起常見災(zāi)后病害的整治措施進(jìn)行說明。