我國城市隧道病害修復(fù)工程研究綜述

劉光炎 王升福 呂 亮 張東杰

(東華理工大學 土木與建筑工程學院 南昌 330013)

引言

城市隧道工程主要包括解決城市交通擁擠問題的地下鐵道、公路隧道或穿越障礙物的各種地下通道以及各種市政地下工程和地下人防設(shè)施等[1]。21世紀我國城市地下隧道工程建設(shè)迅速發(fā)展[2-3]，現(xiàn)有世界上最長的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道——港珠澳大橋沉管隧道，中國規(guī)模最大的城市隧道群——杭州紫之隧道等。截至2020年底,國內(nèi)共有45個城市開通城軌交通運營線路244條,運營線路總長7969.7km，其中地鐵運營線路6280.8km[4]。此外，有超過10000km的水工隧道及大量綜合管廊，而且我國公路隧道每年都新增1100km，是世界上公路隧道規(guī)模最大的國家[5]。為拓展城市地下空間，城市隧道工程建設(shè)未來幾十年仍會保持增長趨勢。由于長時間運營使用，隧道會在人為或者自然因素的作用下發(fā)生各類病害。病害的產(chǎn)生會影響隧道交通安全，最終導(dǎo)致隧道使用壽命減少，造成巨大社會經(jīng)濟損失。相關(guān)學者對我國多座公路隧道進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)其中65%的隧道已進入到養(yǎng)護維修期，近1/3的隧道存在襯砌結(jié)構(gòu)裂縫和滲漏水等病害。大量數(shù)據(jù)表明，我國城市地下鐵路、公路等運營隧道將從建設(shè)高峰期逐漸過渡到病害修復(fù)高峰期[6]。

然而，城市隧道病害修復(fù)研究涉及理論、技術(shù)、材料等方面，涉及的專業(yè)面較廣，導(dǎo)致國內(nèi)城市隧道病害修復(fù)研究內(nèi)容較少。陳湘生等[5]介紹了隧道中常見的幾種病害類型和目前國內(nèi)外常用的幾種隧道病害檢測技術(shù)；關(guān)寶樹[7]結(jié)合國內(nèi)和日本隧道襯砌病害加固試驗與工程實例，介紹了多種補強修復(fù)方法，適用范圍以及注意事項等；向曉軍[8]以龍泉山隧道的病害治理為背景,圍繞“不斷道施工”措施，對所采用的新技術(shù) 、新材料、新設(shè)備、新工藝等做了介紹；馬偉斌等[9]通過對鐵路隧道病害類型的歸納和原因分析，總結(jié)出了一套適用于運營鐵路隧道的病害整治技術(shù)體系。此外，中國《公路隧道養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》[10]等規(guī)范明確了修復(fù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)破損、裂縫和滲漏水等常見病害的方法。

截至目前，隧道病害修復(fù)相關(guān)研究主要集中在病害分類、病害修復(fù)方法、材料等方面，關(guān)于隧道病害修復(fù)理論等方面的深入研究較少，而且在隧道病害修復(fù)體系及修復(fù)研究發(fā)展方向等方面的文獻鮮有報道。隨著城市隧道病害現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，病害修復(fù)研究將愈發(fā)重要。深入展開系統(tǒng)、全面的城市隧道病害修復(fù)工程研究，有利于提高修復(fù)效率與質(zhì)量，避免運營城市隧道受病害困擾，同時對保障我國城市地下空間安全具有重要理論價值與實際意義。

1 我國城市運營隧道病害修復(fù)工程研究現(xiàn)狀

解決后期隧道病害問題是保障城市隧道安全、持久運營的關(guān)鍵[11]；病害隧道修復(fù)需根據(jù)隧道使用功能、年限、所處地理位置等采取不同的修復(fù)手段和方法[12]。目前，有關(guān)城市運營隧道病害修復(fù)工程主要包括病害修復(fù)理論、方法、材料、設(shè)備等研究[13-14]。

1.1 城市運營隧道常見病害

城市隧道病害有普遍性、復(fù)雜性、典型性、反復(fù)性、區(qū)域性等特點[13]。目前，常見隧道病害有諸如隧道漏水、襯砌腐蝕、襯砌裂損、隧道凍害、洞門損壞、整體道床裂損、附屬結(jié)構(gòu)物損壞等類型[15]，表1為我國近年來出現(xiàn)的一些城市運營隧道病害現(xiàn)象?？煽闯瞿壳拔覈鞘兴淼啦『Χ嘁詽B漏水、裂縫等類型為主[5,16]。同時，由于大部分城市隧道處于地下水位以下，常年受地下水作用，易產(chǎn)生隧道腐蝕、凍害等病害。特別是近年來，隨著我國城市地下空間分層開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進，新建隧道下穿運營隧道等引起的運營隧道不均勻沉降、開裂等病害現(xiàn)象突出。除此之外，運營隧道附屬結(jié)構(gòu)物問題頻出，如通風、照明不良、洞門塌陷等。

表1 我國城市隧道主要病害類型示例

1.2 城市隧道病害修復(fù)理論

針對城市隧道病害的出現(xiàn)，國內(nèi)學者提出了部分病害修復(fù)理論，但室內(nèi)隧道病害模型試驗成本高，能夠模擬工況較少，難以得出普遍規(guī)律，所以相關(guān)理論研究成果相對較少[11]。王湛等[24]采用三維有限元模型分析了套管法在隧道修復(fù)施工過程的應(yīng)用，認為隧道變形和應(yīng)力最大值基本發(fā)生在隧道頂部開口處，修復(fù)時需注意加強結(jié)構(gòu)受力分析和止水措施。邱三月等[25]利用損傷力學的方法，建立巖體在節(jié)理損傷情況下的物理方程，通過理論計算得到了節(jié)理巖體損傷和能考慮加固修復(fù)效應(yīng)的單元安全系數(shù)Fs，并建立了相應(yīng)的數(shù)值計算程序；羅彥斌等[26]采用T-S模糊故障樹計算方法模擬公路隧道凍害各底事件的重要度并進行分析，認為防止隧道病害發(fā)生需加強對隧道襯砌材料劣化和材料耐久性的研究。林楠等[27]以軟土地區(qū)某地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)病害為背景，通過建立盾構(gòu)隧道管片三維有限元模型，分析盾構(gòu)隧道病害演化發(fā)展機理和給出隧道病害修復(fù)措施，為解決隧道結(jié)構(gòu)病害發(fā)展過程及修復(fù)提供理論參考。趙金等[28]從運營隧道病害特征入手，得出隧道在滑坡推力作用下的受力圖示和荷載計算公式，為避免滑坡區(qū)域運營隧道出現(xiàn)病害提供了設(shè)計思路。丁小兵等[29]以上海地鐵隧道病害為背景，基于故障樹理論對隧道病害進行定量計算分析，為隧道病害的預(yù)防和修復(fù)提供理論支持，同時為保證特大城市地鐵運營安全的實踐奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)有試驗進行模擬時大多數(shù)僅涉及一種或幾種修復(fù)技術(shù)，實際工程中往往是多種隧道修復(fù)技術(shù)一起進行，存在個體性與整體性差異。此外，現(xiàn)有理論研究模擬的修復(fù)加固時間有限，實際工程中對隧道修復(fù)加固是一個長期復(fù)雜的過程，某些地鐵隧道往往要運營70～100年，因此部分城市隧道病害修復(fù)理論研究成果應(yīng)用于實際隧道病害修復(fù)工程還有一定差距。

1.3 常見隧道病害修復(fù)方法

隧道病害常見修復(fù)方法根據(jù)修復(fù)病害類型分為隧道襯砌裂損修復(fù)、襯砌滲漏水修復(fù)、基底下沉與翻漿冒泥修復(fù)、隧道底鼓修復(fù)、隧道明洞修復(fù)、洞門損壞修復(fù)及凍害修復(fù)等，各病害類型具體修復(fù)方法如表2所示?？梢钥闯觯\營隧道修復(fù)方法整體上以原位修復(fù)為主，不主張大拆大建，而且大部分修復(fù)方法能起到良好的修復(fù)效果。除此之外，隧道滲漏水和裂縫修復(fù)通常同時進行，其修復(fù)方法較為成熟和完整；隧道沉降、底鼓、附屬物等修復(fù)方法類型則相對較少，體系比較單一。

除表2一些傳統(tǒng)修復(fù)方法外，陳榮國[31]對南昆線運營期間部分隧道出現(xiàn)滲漏水提供了解決措施，對富水地區(qū)鐵路隧道滲漏水修復(fù)有一定參考意義；白云等[32]在上海外環(huán)隧道接頭裂縫修復(fù)時，采用熱接法更換OMEGA止水帶，為運營沉管隧道接頭裂縫修復(fù)提供了指導(dǎo)；曾濤[33]在上海軌道交通11號線支線修復(fù)工程中，利用液氮快速凍結(jié)技術(shù)，為隧道結(jié)構(gòu)修復(fù)施工提供了強度條件；陳洪凱等[34]對常見的7種公路隧道病害修復(fù)技術(shù)做了歸納總結(jié)，提出加大對城市公路隧道病害修復(fù)及治理研究具有重要工程意義。此外，國內(nèi)眾多城市隧道病害修復(fù)方法中，注漿加固修復(fù)法是一種較為傳統(tǒng)有效的襯砌加固修復(fù)方法，由國外沿用而來，被大量應(yīng)用于襯砌開裂、變形、滲漏水等隧道病害的修復(fù)過程中，如上海軌交運營隧道的修復(fù)成功例。之后，注漿加固技術(shù)不斷創(chuàng)新、優(yōu)化：固結(jié)注漿和小口徑鉆具切割結(jié)合處理法[35]、“微擾動”注漿法、“軌枕離縫注漿+表面封閉”處理法[36]等方法在城市隧道病害修復(fù)工程上取得了一些進展，不過其實用性及普遍性還仍有待考量。裂縫修復(fù)主要為對內(nèi)部充填灌漿和對外部開口封堵為主，隨著新型粘貼堵縫材料的出現(xiàn)，修復(fù)效率逐漸提高，如碳纖維布(CFRP)在修復(fù)西安地鐵三號線凍融裂縫上的首次應(yīng)用[37]。滲漏水病害修復(fù)常按照點、線、面3種形式采取不同的治理方法，目前已有許多關(guān)于隧道滲漏水修復(fù)的相關(guān)報道[38-39]，但我國運營城市隧道滲漏水的修復(fù)措施，始終沒有脫離“一封補，二注漿，三充填，四引排”的綜合修復(fù)措施[40]。

目前，國內(nèi)隧道病害修復(fù)方法雖經(jīng)歷了一段時期的發(fā)展，但現(xiàn)有修復(fù)方法種類仍偏少，而且缺少城市隧道修復(fù)獨立的分支體系。城市運營隧道周邊環(huán)境復(fù)雜，人員、隧道線路密集，病害修復(fù)時所需安全系數(shù)較高，當以其他隧道傳統(tǒng)方法展開修復(fù)時，會存在巨大的安全隱患。同時，當出現(xiàn)復(fù)雜病害類型或是多種病害伴隨出現(xiàn)時，現(xiàn)有修復(fù)方法將會出現(xiàn)協(xié)調(diào)性不足，修復(fù)功能不完整等缺陷。因此，應(yīng)擴充城市隧道修復(fù)方法數(shù)量及內(nèi)容，吸取國外先進修復(fù)技術(shù)及經(jīng)驗，在合理性、經(jīng)濟性、時效性等方面不斷改進。

1.4 主要修復(fù)材料

城市運營隧道病害修復(fù)工程中常用到的材料主要有錨桿、鋼拱架、鋼筋、混凝土及注漿材料等[14]。其中，注漿材料使用范圍最廣，其按主要成分分為有機注漿材料、無機注漿材料和復(fù)合注漿材料。有機注漿材料粘度低、可灌性和滲透性好、固化時間可控，在隧道注漿修復(fù)作業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，主要有環(huán)氧樹脂、丙烯酰胺類漿材、聚氨酯類漿材、甲基丙烯酸酯類漿材等。不過其耐久性相對較差，且有一定程度的毒性，易污染環(huán)境并危及人類身體健康。針對有機注漿材料存在的缺點，汪在芹等[41]、鄒海良等[42]通過對環(huán)氧樹脂類材料進行改性，使得改性后的環(huán)氧樹脂注漿材料既具備良好的灌漿性能又降低了毒性。此外，有機多元復(fù)合綠色注漿材料如MOH材料[43]、MICP材料[44]等的研究及應(yīng)用也有報道。無機注漿材料以水泥類漿料為主，其材耐久性相對較高、無毒性且價格便宜，但流動性較差，可灌性不高，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。因此，部分學者針對無機注漿材料的缺點進一步深化研究和改良，得到了以超細水泥、水泥—水玻璃、CFRP(碳纖維增強復(fù)合材料)[45]、磷酸鹽快速修復(fù)材料(MKPC)[46]等新型注漿材料。無機和有機注漿材料本身仍存在一定程度的缺陷，無法進一步滿足各類注漿施工要求，復(fù)合注漿材料將兩者結(jié)合，彌補了使用單一材料的不足。熊進等[47]將水泥和化學漿液復(fù)合，并在三峽工程斷層帶施工中取得了成功應(yīng)用；立止水、優(yōu)止水、水泥基TGRM特種灌漿料等復(fù)合灌漿漿料在隧道病害修復(fù)中都取得了良好的效果。

隧道修復(fù)材料特別是注漿材料類型發(fā)展較快，種類多樣，大體上能滿足近期各類運營隧道病害修復(fù)的使用需求，但傳統(tǒng)材料使用數(shù)量居多，其材料性質(zhì)、功能、環(huán)保性[48]等相對較差。此外，國內(nèi)學者對各類型病害修復(fù)材料的應(yīng)用效果研究較多，但針對病害修復(fù)材料的選型研究相對較少，鑒于每種材料都有其特點及其適用范圍，應(yīng)根據(jù)不同病害類型、病害程度及工程量等進行材料快速選型研究，便于提高施工速度和做到充分發(fā)揮修復(fù)材料使用性能[14]。

1.5 通用型及專用型修復(fù)設(shè)備

國內(nèi)運營隧道病害修復(fù)設(shè)備可分為通用型設(shè)備和專用型設(shè)備[49]。通用型設(shè)備多為建筑工程領(lǐng)域采用的機械設(shè)備，這些設(shè)備技術(shù)成熟，類型多，但質(zhì)量良莠不齊，而且國內(nèi)在隧道病害修復(fù)通用設(shè)備配套方面研究不多，?？拷?jīng)驗和感官認識去選購配套設(shè)備，未能綜合考慮設(shè)備技術(shù)性能、可靠性、維護便捷性和成本等因素。專用型設(shè)備研究相對較少，嚴重制約了我國城市運營隧道病害綜合修復(fù)技術(shù)水平的提升，在城市地鐵隧道方面，主要有病害整治臺架、單一功能整治臺車、鐵路平板車臺架、組合式多功能作業(yè)合車等[14]；城市公路隧道方面，因作業(yè)空間大，全自動及機械化設(shè)備安裝實施更加可行，如國內(nèi)自主研發(fā)的JC3B1250型三臂拱架安裝臺車用于隧道軟弱圍巖施工支護時鋼拱架的安裝等。

通用型修復(fù)設(shè)備主要隨常用機械設(shè)備的革新而提升性能，總體上變化不大；專用型設(shè)備發(fā)展趨勢較明顯，其修復(fù)效率高，使用單一修復(fù)設(shè)備滿足多種修復(fù)功能，得到推廣，如高壓灌漿設(shè)備、隧道排水管道疏通設(shè)備、隧道內(nèi)軌道和襯砌壁沖洗設(shè)備等等。隨著科技發(fā)展，機械化、智能化、自動化程度更高的隧道病害綜合修復(fù)作業(yè)設(shè)備將成為該領(lǐng)域的發(fā)展方向。

2 城市運營隧道病害修復(fù)研究中存在的不足及發(fā)展方向

2.1 存在的不足

城市運營隧道病害修復(fù)研究是涉及力學、材料學、工程地質(zhì)學等眾多學科和領(lǐng)域的綜合性課題，目前在隧道修復(fù)研究方面還存在以下不足：

(1)病害修復(fù)理論研究涉及修復(fù)技術(shù)較少，未做到將各類病害修復(fù)類型的綜合模擬，而實際工程往往各類修復(fù)措施共同進行，理論研究存在整體性不足缺陷[11]；現(xiàn)有理論研究的修復(fù)加固時間與實際工程存在差異，理論研究時效性暫不能切實與實際應(yīng)用貼合。

(2)現(xiàn)有修復(fù)方法種類不多，體系不完整，沒有成系統(tǒng)的規(guī)范或說明；對于某些復(fù)雜類型病害，使用傳統(tǒng)方法修復(fù)效果較差，修復(fù)技術(shù)急需革新[11]。

(3)隧道病害修復(fù)材料性能差異較大，每種材料的特性及適用范圍選取研究較少，不能根據(jù)每種材料各自適用條件結(jié)合隧道病害實際情況合理選取相適應(yīng)的材料，未充分發(fā)揮材料使用性能[30]。

(4)國內(nèi)運營隧道病害修復(fù)設(shè)備在質(zhì)量上層次不依，體系不夠完備；相應(yīng)專用修復(fù)設(shè)備研究較少，影響我國運營隧道病害綜合修復(fù)技術(shù)水平的提升[50]。

2.2 發(fā)展方向

目前，我國城市運營隧道病害修復(fù)工程研究領(lǐng)域積累了部分經(jīng)驗，但其研究相對于隧道建設(shè)工程領(lǐng)域較落后，也相對比較獨立，不能滿足工程建設(shè)的發(fā)展需求，應(yīng)加強以下幾個方面的研究：

(1)城市運營隧道病害修復(fù)工程病害類型研究。對城市隧道病害的類型、破壞程度、出現(xiàn)原因、出現(xiàn)時間等因素進行分級與定量化處理，分級采用定性和定量相結(jié)合的指標，并根據(jù)病害的地理位置，不斷總結(jié)整合，建立完整的城市隧道病害識別體系。

(2)隧道病害促進初始設(shè)計合理化研究。根據(jù)病害出現(xiàn)類型，分析病害產(chǎn)生的根本原因及影響因素，反推初始設(shè)計的不足，合理優(yōu)化設(shè)計方法，從設(shè)計源頭控制運營隧道病害的發(fā)生。

(3)修復(fù)理論、方法、材料、設(shè)備研究。彌補修復(fù)理論和方法技術(shù)單一性缺陷，針對不同的病害，得出不同的、有針對性的修復(fù)加固理論及方法；修復(fù)材料更加多元化，并根據(jù)不同病害類型、病害程度等因素，研究綜合修復(fù)材料選型方案，充分發(fā)揮材料使用性能；增加對隧道修復(fù)設(shè)備的研發(fā)重視，合理管控設(shè)備體系，各類修復(fù)設(shè)備做到參數(shù)化、技術(shù)化、規(guī)范化、多樣化。

(4)隧道病害修復(fù)工程標準及建設(shè)運營標準體系的研究?？偨Y(jié)國內(nèi)外修復(fù)經(jīng)驗，制定和完善我國城市運營隧道病害修復(fù)規(guī)范，為修復(fù)工程提供理論和技術(shù)指導(dǎo)，促使隧道病害修復(fù)工程更加標準化。同時，提升運營技術(shù)及管理水平的系統(tǒng)性、安全理念及相應(yīng)的技術(shù)體系和機制，形成長效的安全運營保障政策和標準體系，通過技術(shù)水平的提升促進城市運營隧道的高質(zhì)量發(fā)展。

3 結(jié)論

近些年來，我國城市運營隧道暴露出眾多隧道病害問題，隧道修復(fù)工程將面臨重大機遇和挑戰(zhàn)。雖然我國在城市隧道修復(fù)研究中取得了一些進展及成就，但在修復(fù)理論、方法、材料、設(shè)備等方面還存在著缺陷。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，施工技術(shù)、方法和設(shè)備的不斷進步，修復(fù)研究也急需不斷革新，逐步保證修復(fù)工程的完整性和有效性。同時，隧道病害修復(fù)是一項系統(tǒng)性工程，必須將所涉及的方方面面結(jié)合起來進行系統(tǒng)研究，形成系統(tǒng)和體系，方能提高修復(fù)效率和質(zhì)量?？傊挥兄匾暢鞘羞\營隧道病害修復(fù)研究，未雨綢繆，才能保證在隧道修復(fù)高峰期來臨時，采取及時有效的修復(fù)措施，延長隧道使用壽命,減少隧道病害安全事故發(fā)生。