運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)及其檢測(cè)分析

金煜皓、王桂萱、謝偉、楊甜甜

（1.徐州工程學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221018；2 大連大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

0 引言

運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)所處工作條件、地質(zhì)條件均十分復(fù)雜，影響其結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的病害很多[1]。然而，并不是所有病害都會(huì)對(duì)隧道安全產(chǎn)生重要影響，故而，在進(jìn)行運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)時(shí)，應(yīng)綜合考慮影響隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的代表性病害[2-3]。對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)而言，科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)至關(guān)重要。本文基于已有研究成果，選取具有代表性的病害，并給出適當(dāng)?shù)臋z測(cè)方法，進(jìn)而提出針對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道病害的有效處理措施，這些措施有利于保證運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)安全性。

1 運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)

運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)的不健康狀態(tài)指的是其遭受各種程度的損傷、破損、污染等。主要表現(xiàn)為：襯砌裂損、襯砌材質(zhì)裂化、滲漏水、背后空洞、凍害、洞內(nèi)空氣污染等不同類型。具體體現(xiàn)在以下方面：襯砌裂縫、襯砌變形、襯砌剝落（指標(biāo)值越大，對(duì)隧道安全越不利）；強(qiáng)度指標(biāo)、厚度指標(biāo)（檢測(cè)斷面襯砌混凝土測(cè)點(diǎn)平均強(qiáng)度/設(shè)計(jì)襯砌混凝土強(qiáng)度；檢測(cè)斷面襯砌厚度/設(shè)計(jì)襯砌厚度，指標(biāo)值越小，對(duì)隧道安全越不利）；滲漏水狀態(tài)（滲漏越嚴(yán)重，對(duì)隧道安全越不利）；背后空洞深度（深度越大，對(duì)隧道安全越不利）；凍結(jié)深度（深度越大，對(duì)隧道安全越不利）；CO 濃度、顆粒物（煙霧）濃度（濃度越高，對(duì)隧道安全越不利）等。

2 運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)病害檢測(cè)

運(yùn)營(yíng)隧道健康評(píng)價(jià)結(jié)果合理性的基礎(chǔ)和前提在于病害（評(píng)價(jià)指標(biāo)）數(shù)據(jù)來(lái)源是否準(zhǔn)確可靠?；谀尺\(yùn)營(yíng)隧道實(shí)際工程，對(duì)上述評(píng)價(jià)指標(biāo)的檢測(cè)手段、方法和布置方案等進(jìn)行闡述。

該運(yùn)營(yíng)隧道是一條南北走向的城市道路隧道，分為上下行雙洞雙車道。此次檢測(cè)以洞口為起始點(diǎn)，編號(hào)為K+000，車行方向?yàn)檎较?，里程?shù)逐漸遞增。該運(yùn)營(yíng)隧道設(shè)計(jì)緊貼地形地貌，符合城市規(guī)劃要求，具有較高的通行效能和交通安全性。然而，由于隧道運(yùn)營(yíng)中存在諸多問題，如襯砌裂損、襯砌材質(zhì)裂化、滲漏水等，因此需要定期開展檢測(cè)和評(píng)估工作，以保證運(yùn)營(yíng)隧道的安全性與可靠性。

在兩條隧道內(nèi)分別布置30 個(gè)斷面，各150 個(gè)測(cè)區(qū)，可以查明襯砌強(qiáng)度及襯砌表面裂縫分布情況。在運(yùn)營(yíng)隧道襯砌表面進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線的布置，依據(jù)測(cè)線數(shù)據(jù)得到雷達(dá)圖像，并進(jìn)行分析研究，有效地獲取襯砌厚度信息及可能存在的背后空洞分布情況等重要參數(shù)。

3 檢測(cè)內(nèi)容及方法

3.1 光纖傳感器監(jiān)測(cè)襯砌裂縫

3.1.1 光纖光柵裂縫計(jì)

光纖光柵裂縫計(jì)是一種可靠且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的光纖傳感器，用于查明結(jié)構(gòu)裂縫的位置和尺寸。相比傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，光纖光柵裂縫計(jì)具備多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：它比傳統(tǒng)傳感器能更大范圍地測(cè)量裂縫，且其更為便攜、能夠承受的工作溫度范圍大。同時(shí)，其可重復(fù)、可靠的性能和出色的測(cè)量分辨率，使其成為工程結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)的最佳選擇。

3.1.2 光纖光柵裂縫計(jì)裂縫監(jiān)測(cè)布置

在該隧道混凝土襯砌表面安裝光纖光柵裂縫計(jì)，用于監(jiān)測(cè)襯砌開裂情況，每重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面布置5 個(gè)光纖光柵裂縫計(jì)，分別布置于隧道側(cè)壁、拱頂以監(jiān)測(cè)裂縫情況：兩側(cè)壁分別布置1 個(gè)，拱頂左、中、右側(cè)各布置1 個(gè)（見圖1）。

圖1 光纖監(jiān)測(cè)斷面位置（單位：mm）

光纖光柵傳感器鋪設(shè)工作如下：在選定的關(guān)鍵斷面處將光纖光柵裂縫計(jì)粘貼在運(yùn)營(yíng)隧道襯砌表面，在與裂縫正交的光纖光柵裂縫計(jì)處使用保護(hù)罩對(duì)傳感器進(jìn)行防護(hù)，如圖2 所示，以保證裂縫計(jì)的使用壽命并能降低外界因素對(duì)傳感數(shù)據(jù)的影響。另外，由于光纖傳感對(duì)溫度的敏感性，故需布設(shè)僅對(duì)溫度敏感的傳感器來(lái)達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?，見圖3。

圖2 光纖光柵裂縫計(jì)布設(shè)

圖3 溫度補(bǔ)償傳感器

3.2 襯砌變形檢測(cè)

使用激光式橫斷面測(cè)量?jī)x，通過(guò)其數(shù)據(jù)處理和結(jié)果輸出等功能，可以便捷地獲得運(yùn)營(yíng)隧道襯砌變形、變形速度和變形量等參數(shù)。

3.3 襯砌變形及強(qiáng)度檢測(cè)

3.3.1 襯砌變形檢測(cè)工具

主要應(yīng)用激光式橫斷面測(cè)量?jī)x。

3.3.2 襯砌強(qiáng)度檢測(cè)工具及其布置

主要應(yīng)用ZC3-A 型回彈儀、卷尺、碳化深度測(cè)試儀等。

此次檢測(cè)涉及的每個(gè)斷面都設(shè)有5 個(gè)測(cè)區(qū)，其空間位置分布如圖4所示。襯砌強(qiáng)度計(jì)算過(guò)程如下：首先在運(yùn)營(yíng)隧道襯砌表面劃分檢測(cè)區(qū)（20cm×20cm），打磨掉表面附著物后，用回彈儀水平正對(duì)襯砌表面回彈16 次，記錄讀數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得出回彈強(qiáng)度推測(cè)值，最后計(jì)算出該測(cè)區(qū)襯砌強(qiáng)度值。

圖4 隧道斷面測(cè)區(qū)部位

3.4 襯砌厚度及背后空洞檢測(cè)

3.4.1 襯砌厚度、背后空洞檢測(cè)工具

地質(zhì)雷達(dá)用于檢測(cè)運(yùn)營(yíng)隧道襯砌厚度和背后空洞，其原理是利用寬帶高頻電磁波信號(hào)探測(cè)介質(zhì)分布，通過(guò)天線連續(xù)拖動(dòng)獲取斷面的掃描圖像，通過(guò)分析反射波的特征差異來(lái)判斷襯砌背后空洞。為進(jìn)一步分析該運(yùn)營(yíng)隧道實(shí)際空洞情況，可使用Groundvision 和Reflexw 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行資料后處理。

3.4.2 襯砌厚度及背后空洞檢測(cè)布置

布置10 條地質(zhì)雷達(dá)測(cè)線，共計(jì)全長(zhǎng)3795m，通過(guò)對(duì)地質(zhì)雷達(dá)圖像的分析，可以準(zhǔn)確地得出襯砌厚度及背后空洞等分布情況。測(cè)線布置及背后空洞如圖6所示，取運(yùn)營(yíng)隧道襯砌內(nèi)部缺陷平面位置為例。

圖6 0～200m 隧道襯砌背后空洞平面位置

3.5 最冷月平均氣溫、凍結(jié)深度檢測(cè)

最冷月平均氣溫可以通過(guò)天氣預(yù)報(bào)及相關(guān)資料獲得。凍結(jié)深度的測(cè)量方法較多，主要包括直接測(cè)量法、推測(cè)深度法等。其中，直接測(cè)量法是通過(guò)對(duì)巖土體的鉆孔、開挖、切割等方法，對(duì)巖土體進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，得到相關(guān)溫度數(shù)據(jù)后，再計(jì)算得到凍結(jié)深度；推測(cè)深度法則是根據(jù)凍融循環(huán)的規(guī)律，結(jié)合圍巖溫度、氣溫和地形等地理環(huán)境因素來(lái)推算凍結(jié)深度。

3.6 CO 濃度、顆粒物（煙霧）濃度檢測(cè)

運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)CO 濃度和顆粒物濃度可分別使用CO 傳感器及激光粒子計(jì)數(shù)器等儀器進(jìn)行測(cè)量。

4 運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)病害處理措施

4.1 運(yùn)營(yíng)隧道襯砌裂縫處理

3mm 以下較小裂縫，應(yīng)選用注射膠進(jìn)行修復(fù)；較大的裂縫需要采用更復(fù)雜的處理方式，如灌漿處理、特殊材料加固等。

4.2 運(yùn)營(yíng)隧道襯砌變形處理

針對(duì)不同程度和類型的結(jié)構(gòu)變形，在進(jìn)行修復(fù)時(shí)需要選擇不同的處理方式。當(dāng)裂縫較小時(shí)，可選用注漿加固技術(shù)開展修復(fù)；而對(duì)于較為復(fù)雜的變形情況，則需要采用襯砌加固等更復(fù)雜的技術(shù)進(jìn)行處理。這種定制化的結(jié)構(gòu)修復(fù)方案可以有效提高修復(fù)質(zhì)量和效率。

4.3 運(yùn)營(yíng)隧道襯砌剝落處理

可采用多種處理措施來(lái)處理，包括局部修補(bǔ)、重建襯砌、加裝襯砌水泥板等方法。其具體選擇要考慮到剝落部位、原因、性質(zhì)等諸多方面：對(duì)于剝落嚴(yán)重的部位，需要采用重建襯砌進(jìn)行修復(fù)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全；而針對(duì)剝落輕微的部位，可以采用局部修補(bǔ)的方法進(jìn)行處理，以保障結(jié)構(gòu)的整體性和安全性。

4.4 運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水處理

處理運(yùn)營(yíng)隧道滲漏水的方法常見的有機(jī)械密封和化學(xué)密封兩種?？紤]到滲漏水的時(shí)間和地質(zhì)環(huán)境，常用的處理方式包括注漿法、排水法和補(bǔ)漏法等多種形式。

4.5 運(yùn)營(yíng)隧道襯砌背后空洞處理

處理運(yùn)營(yíng)隧道襯砌背后空洞的方法通常有：注漿法、聚合物灌漿法和夾層注漿法等。注漿法是將特定材料注入運(yùn)營(yíng)隧道襯砌與圍巖之間的空洞中，使其填滿并能夠牢固地與襯砌和圍巖結(jié)合；聚合物灌漿法是將特定的聚合物注入空洞中，聚合物會(huì)自行膨脹，使材料填滿空洞；夾層注漿法是通過(guò)將注漿材料高壓注入夾層中，從而使夾層中的空洞消失，并填充空隙，以提高夾層的穩(wěn)定性和強(qiáng)度的工程方法。針對(duì)已形成的空洞，應(yīng)慎重處理，不得影響隧道的安全性和穩(wěn)定性。

4.6 運(yùn)營(yíng)隧道凍害及有害氣體防治

隔熱法是在襯砌表面與二襯間設(shè)置隔熱材料，可采用隔熱法有效防止凍害發(fā)生；CO 濃度、顆粒物（煙霧）等有害氣體可采用隧道通風(fēng)的方式進(jìn)行處理。

5 結(jié)語(yǔ)

本文總結(jié)了影響運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的代表性病害，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)，針對(duì)實(shí)際工程項(xiàng)目提出適宜的檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)方法；最后，給出處理運(yùn)營(yíng)隧道病害的有效措施。后續(xù)工作將結(jié)合運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)選取及其檢測(cè)，構(gòu)建科學(xué)合理的運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，這是運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)健康評(píng)價(jià)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。