華南地區(qū)公路山嶺隧道滲漏水病害分析

鄭可揚(yáng)

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510507)

0 引 言

隨著中國(guó)公路交通運(yùn)輸事業(yè)的蓬勃發(fā)展，數(shù)量眾多的山嶺隧道投入到建設(shè)和營(yíng)運(yùn)中。根據(jù)國(guó)家交通運(yùn)輸部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)公路隧道建設(shè)數(shù)量于2020年底達(dá)到21 316處，總建設(shè)里程高達(dá)21 999 km，其中特長(zhǎng)隧道1 394處共6 235.5 km，長(zhǎng)隧道5 541處共9 633.2 km。隨著高速公路山嶺隧道營(yíng)運(yùn)時(shí)間的增長(zhǎng)和隧道結(jié)構(gòu)服役性能的劣化，各類(lèi)隧道病害逐步顯現(xiàn)并為隧道的正常營(yíng)運(yùn)帶來(lái)不同程度的安全隱患。國(guó)內(nèi)高速公路隧道通常在通車(chē)營(yíng)運(yùn)5年之后進(jìn)入嚴(yán)重病害的高發(fā)期，因此可以預(yù)期營(yíng)運(yùn)期隧道病害治理將成為未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)研究和工程實(shí)踐的重點(diǎn)。

既有隧道病害的類(lèi)型眾多，主要有滲漏水、凍害、襯砌裂損和襯砌侵蝕等，其中以滲漏水現(xiàn)象最為普遍。根據(jù)已有文獻(xiàn)反映，我國(guó)約有70%的公路隧道存在滲漏水病害，其中約30%存在由滲漏水病害引起的結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。成都龍泉山隧道于圍巖較差地段出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏水病害；重慶大埡口隧道、云南地區(qū)多所隧道、晉陽(yáng)高速公路多所隧道等都在營(yíng)運(yùn)期間出現(xiàn)了不同程度的襯砌裂縫和滲漏水病害。上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果和典型隧道病害實(shí)例雖然反映了滲漏水病害的普遍性和嚴(yán)重性，但尚且難以從有限的研究案例中形成系統(tǒng)而全面的結(jié)論。華南地區(qū)整體呈現(xiàn)為高溫多雨的氣候特征，年均降水量整體較大、單次降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的降水特點(diǎn)導(dǎo)致山嶺隧道易于受到滲漏水病害的影響，因此有必要針對(duì)華南地區(qū)運(yùn)營(yíng)隧道開(kāi)展?jié)B漏水病害調(diào)查并系統(tǒng)分析其形成機(jī)理。

為此，圍繞著公路隧道滲漏水病害危害的特點(diǎn)展開(kāi)分析。其次，在全面搜集華南地區(qū)現(xiàn)役高速公路營(yíng)運(yùn)隧道滲漏水病害現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，選取了17個(gè)典型隧道維修加固項(xiàng)目作為研究對(duì)象，針對(duì)隧道出現(xiàn)的裂縫和滲漏水處治費(fèi)用進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并就處治費(fèi)用的變化規(guī)律及其與降水量的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探討。研究成果對(duì)于華南地區(qū)公路山嶺隧道滲漏水病害的防治和營(yíng)運(yùn)期間的維護(hù)工作具有參考價(jià)值，同時(shí)也為全國(guó)公路隧道滲漏水病害處治提供參考。

1 滲漏水病害的危害

營(yíng)運(yùn)期公路山嶺隧道滲漏水病害的危害首先體現(xiàn)為加劇了襯砌結(jié)構(gòu)和隧道內(nèi)部設(shè)備的腐蝕速度，威脅隧道結(jié)構(gòu)的安全性和機(jī)電設(shè)施設(shè)備的正常使用。侵蝕性地下水對(duì)襯砌鋼筋、混凝土的侵蝕、結(jié)晶體膨脹應(yīng)力等物理化學(xué)作用，致使襯砌混凝土開(kāi)裂并產(chǎn)生剝落、掉塊等，進(jìn)而導(dǎo)致襯砌有效厚度降低和承載能力下降。滲漏水也會(huì)對(duì)隧道內(nèi)的通信、電力、消防等設(shè)施設(shè)備造成不同程度的銹蝕和損壞，影響設(shè)備正常運(yùn)行和維修人員的人身安全。

其次，滲漏水病害容易導(dǎo)致路面積水增加，進(jìn)而降低隧道路面與車(chē)輛輪胎之間的摩擦力，可能造成路面反光、輪胎打滑等行車(chē)危險(xiǎn)。路面積水的賦存也將導(dǎo)致行車(chē)通行速度下降，影響隧道的交通運(yùn)輸效率。

從現(xiàn)有研究成果上看，公路隧道滲漏水病害通常并非單一的、局部的，而是一種多樣性的、系統(tǒng)性的病害，并且會(huì)造成多方面的危害。由于水的可流動(dòng)性和水壓的傳遞性，隧道襯砌結(jié)構(gòu)往往會(huì)承受較高的水頭壓力。在這樣的條件下，襯砌中任何缺陷和病害都可能成為滲漏水的通道，然而在隧道防排水施工過(guò)程中，施工質(zhì)量控制往往不足以完全規(guī)避襯砌中的任何缺陷，因此難以避免滲漏水現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)滲漏水病害發(fā)生時(shí)，滲漏水通過(guò)裂縫進(jìn)入隧道襯砌內(nèi)部的過(guò)程中，較高的水壓會(huì)導(dǎo)致襯砌開(kāi)裂或使得原有裂縫進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大，滲漏水中的侵蝕性成分也會(huì)加劇襯砌裂縫的擴(kuò)張。出現(xiàn)開(kāi)裂病害的襯砌將會(huì)形成多個(gè)滲漏通道，進(jìn)一步加劇地下水向隧道襯砌內(nèi)部的滲漏。在這個(gè)正反饋調(diào)節(jié)的過(guò)程中，襯砌混凝土逐步喪失防水能力和結(jié)構(gòu)承載能力，最終影響隧道的使用性能和使用壽命。因此，隧道滲漏水病害實(shí)際上是隧道各種病害的促進(jìn)因素和綜合反映。

2 滲漏水病害的處治費(fèi)用統(tǒng)計(jì)分析

以滲漏水病害為代表的公路隧道病害嚴(yán)重影響公路運(yùn)輸?shù)陌踩萍s了公路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展。為了整治各類(lèi)病害，公路部門(mén)每年都要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力。近年來(lái)國(guó)內(nèi)各等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)里程、養(yǎng)護(hù)力度和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用呈逐年遞增的趨勢(shì)。

根據(jù)華南地區(qū)公路隧道維修加固工程中的設(shè)計(jì)實(shí)踐及相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，2018年至2020年華南地區(qū)部分典型公路隧道滲漏水病害處治費(fèi)用在維修加固工程總費(fèi)用中的占比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示，相應(yīng)的費(fèi)用占比逐年增加趨勢(shì)如圖1所示。

表1 近三年華南地區(qū)部分典型公路隧道滲漏水病害處治費(fèi)用的占比

圖1 近三年華南地區(qū)部分典型公路隧道滲漏水病害處治費(fèi)用的逐年趨勢(shì)

由表1和圖1可見(jiàn)，華南地區(qū)公路山嶺隧道滲漏水處治費(fèi)用在維修加固工程總費(fèi)用中平均比例均超過(guò)60%，且該比例呈現(xiàn)出逐年快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。其中，部分隧道的維修加固工程總費(fèi)用甚至完全由滲漏水處治費(fèi)用構(gòu)成。由此不難推測(cè)，隧道滲漏水在將來(lái)仍需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行治理。

相較于國(guó)內(nèi)隧道在滲漏水病害治理方面的巨大經(jīng)費(fèi)投入，滲漏水病害治理效果常常難以達(dá)到預(yù)期效果，反而容易在病害治理結(jié)束之后再度出現(xiàn)病害。以博深高速公路隧道維修加固工程為例，由圖2可見(jiàn)，近三年滲漏水病害處治費(fèi)用比例均在70%以上，反映了滲漏水病害是該維修加固工程的處治重點(diǎn)。另一方面，該項(xiàng)目每延米滲漏水病害處治費(fèi)用雖然呈逐年降低趨勢(shì)，然而2019年和2020年滲漏水病害留存率分別為76.8%和82.7%，反映了滲漏水病害在單次治理結(jié)束后的復(fù)發(fā)趨勢(shì)逐年上升。

圖2 博深高速公路隧道滲漏水病害處治費(fèi)用的逐年趨勢(shì)

華南地區(qū)整體呈現(xiàn)為高溫多雨的氣候特征。年均降水量整體較大、單次降水持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的降水特點(diǎn)導(dǎo)致山嶺隧道所處巖土體中的地下水位高、地下水滲流作用活躍、地下水補(bǔ)給強(qiáng)度大，反映在工程地質(zhì)方面為隧道圍巖含水量豐富，進(jìn)而導(dǎo)致滲漏水病害的出現(xiàn)概率顯著提高。由于華南地區(qū)年均降水量分布較不均勻，因此有必要研究滲漏水病害情況與隧道所在地氣候條件的相關(guān)性。近三年華南地區(qū)部分典型公路隧道每延米滲漏水處治費(fèi)用、滲漏水費(fèi)用比重隨年均降水量的變化分別如圖3和圖4所示。

圖3 每延米滲漏水處治費(fèi)用隨年均降水量的變化

圖4 滲漏水費(fèi)用比重隨年均降水量的變化

圖4反映了滲漏水費(fèi)用比重隨年均降水量增加而呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。結(jié)合圖3和圖4可以得到如下結(jié)論：隨著隧道所在區(qū)域的年均降水量的增加，隧道滲漏水處治費(fèi)用和其他病害處治費(fèi)用都有所上升，其中，其他病害處治費(fèi)用的漲幅高于滲漏水處治費(fèi)用。事實(shí)上，隧道滲漏水病害是隧道各種病害的促進(jìn)因素和綜合反映，因此有理由推測(cè)正是滲漏水病害的加重導(dǎo)致了其他類(lèi)型病害的嚴(yán)重程度提高。

3 結(jié) 語(yǔ)

隧道滲漏水病害是一種會(huì)造成多方面危害的病害，是隧道各種病害的促進(jìn)因素和綜合反映。依托于華南地區(qū)典型隧道維修加固項(xiàng)目，對(duì)隧道出現(xiàn)的裂縫和滲漏水處治費(fèi)用進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并就處治費(fèi)用的變化規(guī)律及其與降水量的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探討。

(1)華南地區(qū)公路山嶺隧道滲漏水處治費(fèi)用在維修加固工程總費(fèi)用中平均比例均超過(guò)60%，且該比例呈現(xiàn)出逐年增長(zhǎng)的趨勢(shì)，反映了滲漏水病害是隧道維修加固項(xiàng)目的重點(diǎn)處治內(nèi)容。

(2)滲漏水病害在單次治理結(jié)束后的復(fù)發(fā)趨勢(shì)逐年上升，反映了滲漏水病害處治的長(zhǎng)期性和反復(fù)性。

(3)隨著隧道所在區(qū)域的年均降水量的增加，隧道滲漏水處治費(fèi)用和其他病害處治費(fèi)用都有所上升。

(4)滲漏水病害的加重導(dǎo)致了其他類(lèi)型病害的嚴(yán)重程度提高，表明滲漏水病害是隧道各種病害的促進(jìn)因素。