運(yùn)營期隧道災(zāi)后病害特征及整治措施分析

王 闖， 吳 林， 胖 濤， 鄭長青

(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)展和社會的進(jìn)步，我國交通運(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，我國公路隧道17 738處共17 236.1 km，鐵路隧道15 117座，總長16 331 km[1]。特別是近年來，我國建設(shè)了大量的長大隧道及隧道群，線路隧線比進(jìn)一步提高。比如巴陜高速米倉山隧道長度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 %)易貢隧道長度達(dá)到了42.49 km。

大量的長大隧道及隧道群，給線路運(yùn)營安全帶來一定的挑戰(zhàn)，隧道運(yùn)營期防災(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)救援的及時性和高效性，并對交通運(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)營鐵路、公路隧道災(zāi)后病害資料的基礎(chǔ)上，對運(yùn)營期隧道受災(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。

1 運(yùn)營期隧道災(zāi)后病害特征分析

針對隧道運(yùn)營期的災(zāi)害情況，李奎等基于統(tǒng)計(jì)原理分析了83例鐵國內(nèi)外鐵路隧道運(yùn)營期事故資料，指出鐵路隧道運(yùn)營期間主要災(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。

1.1 火災(zāi)病害特征分析

火災(zāi)險(xiǎn)情是隧道工程運(yùn)營期較為常見的災(zāi)害。火災(zāi)發(fā)生時，高溫環(huán)境會對隧道內(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

1.2 地震災(zāi)后病害特征分析

地震的是隧道工程運(yùn)營期面臨的重大威脅，2008年的汶川大地震對震區(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、錯臺，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、錯臺，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

1.3 極端自然條件下病害特征分析

對于運(yùn)營期隧道工程，極端氣候下對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，我國約70 %的運(yùn)營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)營隧道總數(shù)的40 %以上[6]。調(diào)研結(jié)果表明，運(yùn)營期隧道水害的主要表現(xiàn)形式為以滲潤、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

2 運(yùn)營期隧道災(zāi)后病害分級

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。針對如前所述的各個隧道災(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)對運(yùn)營期隧道病害程度及工作性能進(jìn)行綜合評價分析。

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)重五個等級，鐵運(yùn)函[2004]174號《鐵路運(yùn)營隧道襯砌安全等級評定暫行規(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)五個等級。本文參照規(guī)范要求和已有研究成果，將運(yùn)營期隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)災(zāi)后病害等級分為無破壞(A)、輕微破壞(B)、中等破壞(C)、嚴(yán)重破壞(D)、損毀(E)五級，具體如表2所示。

表2 隧道災(zāi)后病害評價分級

同時，根據(jù)表2中的隧道災(zāi)后病害評價分級標(biāo)準(zhǔn)等級，用模糊語言方法對隧道(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，應(yīng)用時應(yīng)針對變形、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。

3 隧道災(zāi)后病害整治措施

火災(zāi)、地震、極端天氣等災(zāi)害給隧道運(yùn)營安全帶來嚴(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。

3.1 襯砌裂縫

對于混凝土表層的非貫通性普通裂縫及環(huán)向貫通性裂縫，若無錯臺，且通過觀測裂縫不再繼續(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

3.2 襯砌背后空洞

整治施工前需對襯砌結(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，缺陷范圍采用套襯補(bǔ)強(qiáng)，施作套襯時預(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，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

3.3 襯砌滲漏水

針對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，進(jìn)行引排。詳見圖9。

(a) 襯砌橫斷面示意

(3)對于裂縫浸水、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。

3.4 隧底冒水

(1)對地表水來水側(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)對于隧道水害段洞周地下水頭較高的情況，采用臨時鉆孔泄水降壓措施(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，為防止水壓過大引起泄水降壓孔內(nèi)地下水噴射，對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)

3.5 隧道道床隆起

針對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

4 結(jié)束語

災(zāi)害事件作用下隧道結(jié)構(gòu)的病害會影響線路的正常運(yùn)營，本文對隧道災(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)對運(yùn)營期隧道病害程度及工作性能進(jìn)行綜合評價分析，并將運(yùn)營期隧道(襯砌)結(jié)構(gòu)災(zāi)后病害等級分為無破壞、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、損毀五級。

(3)針對襯砌開裂、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。