張 強(qiáng)

（山西省陽(yáng)泉市交通運(yùn)輸局，山西 陽(yáng)泉 045000）

隨著交通運(yùn)輸事業(yè)的不斷發(fā)展,隧道建設(shè)也得到長(zhǎng)足發(fā)展。作為高速公路的重要組成部分，隧道對(duì)整個(gè)高速公路項(xiàng)目的建設(shè)起著不可或缺的作用。隧道結(jié)構(gòu)作為地下空間結(jié)構(gòu)中的一種，由于施工質(zhì)量不佳、工程地質(zhì)條件惡劣、工程材料的選用不合理等因素影響，隧道結(jié)構(gòu)病害制約著交通運(yùn)輸事業(yè)的快速發(fā)展，不僅會(huì)嚴(yán)重威脅隧道內(nèi)部的行車(chē)安全，還會(huì)縮短隧道的整個(gè)使用壽命周期[1-2]。本文以國(guó)道307、省道315中隧道、陽(yáng)泉天子廟隧道存在的襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、隧道水害、襯砌腐蝕、襯砌結(jié)構(gòu)背后空洞和不密實(shí)等常見(jiàn)病害為例，分析其產(chǎn)生原因，并指出其致災(zāi)后果。提出了病害的預(yù)防措施，總結(jié)歸納了當(dāng)前隧道病害常用的治理方法，介紹了具體實(shí)例中隧道的病害處治技術(shù)，為以后處理類(lèi)似隧道工程問(wèn)題提供參考。

1 常見(jiàn)隧道結(jié)構(gòu)病害

隧道作為高速公路的組成部分，其病害的發(fā)生會(huì)顯著降低高速公路的服務(wù)水平，因此對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的病害進(jìn)行分類(lèi)，研究病害產(chǎn)生原因及致災(zāi)后果具有很重要的工程實(shí)踐和現(xiàn)實(shí)意義。

1.1 襯砌裂損

隧道結(jié)構(gòu)的襯砌裂損是指隧道的襯砌結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)裂縫，按裂縫成因主要分為拉伸斷裂、斷層、破碎3種形式[3]。隧道結(jié)構(gòu)的襯砌裂縫產(chǎn)生主要由襯砌承載力為主的外力原因和襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力重分布引起。

襯砌裂損病害是許多隧道病害的基礎(chǔ)，當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂損時(shí)，其影響及危害如下：a）圍巖壓力傳遞到襯砌上，由于裂損的存在，襯砌結(jié)構(gòu)承載力下降；b）襯砌的裂損不斷擴(kuò)張會(huì)誘發(fā)襯砌的脫落掉塊，尤其是拱頂?shù)牡魤K，直接影響行車(chē)安全；c）襯砌裂損導(dǎo)致滲漏水的出現(xiàn)，尤其冬季低溫導(dǎo)致的滲漏水結(jié)冰，嚴(yán)重的影響運(yùn)營(yíng)安全；d）在隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中進(jìn)行修復(fù)襯砌裂損時(shí)，難度大、處置效果欠佳、維修成本高。

國(guó)道307某隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，由于圍巖地質(zhì)變化及不均勻荷載影響，大量的環(huán)向裂紋分布于隧道，同時(shí)平行于隧道軸線方向少量分布有縱向裂紋，對(duì)隧道的安全帶來(lái)極大的隱患。

1.2 隧道水害

隧道水害是公路隧道在使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到的一些常見(jiàn)病害。隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的水害常見(jiàn)的有隧道滲漏滴水、拱頂滲水、成股的射流等類(lèi)型，有的公路隧道經(jīng)過(guò)巖溶發(fā)育區(qū)，甚至存在地層涌水等病害[4-5]，輕則會(huì)增加隧道內(nèi)的濕度，影響設(shè)備正常使用，腐蝕設(shè)備結(jié)構(gòu)，影響設(shè)備使用壽命，而且容易引起襯砌開(kāi)裂和滲透變形，重則涌突水直接淤埋隧道、沖毀行車(chē)，造成人員傷亡，對(duì)運(yùn)營(yíng)車(chē)輛的安全造成一定威脅。

隧道水害的發(fā)展是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程。隧道未受到開(kāi)挖擾動(dòng)前，其處于穩(wěn)定狀態(tài)，圍巖體內(nèi)沒(méi)有裂隙或裂隙處于閉合狀態(tài)；其后，隨著隧道的開(kāi)挖，隧道內(nèi)形成臨空面，圍巖受力狀態(tài)由原來(lái)的三向變?yōu)槎?，同時(shí)由于開(kāi)挖爆破等擾動(dòng)，大量裂隙產(chǎn)生，此時(shí)裂隙水便沿孔隙不斷流出。圖1為國(guó)道307上一隧道滲漏水示意圖，該隧道修建于20世紀(jì)80年代，修建時(shí)間較早，洞身存在滴水、漏水現(xiàn)象，局部地區(qū)滲水較為嚴(yán)重。之所以發(fā)生滲水是因?yàn)樗淼肋\(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，裂隙水的不斷滲流和劣化作用，使得圍巖結(jié)構(gòu)軟化、穩(wěn)定性降低。圍巖體的裂紋隨著時(shí)間的推移而逐漸增多并貫通，于是便形成了隧道的滲漏水害。

圖1 隧道滲漏水

1.3 襯砌腐蝕

隧道襯砌結(jié)構(gòu)的腐蝕主要來(lái)自襯砌背后環(huán)境中的地下水，由于隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)壁存在有毛細(xì)孔道、襯砌結(jié)構(gòu)的變形裂縫或者其他的空洞，使得地下水進(jìn)入隧道襯砌結(jié)構(gòu)并形成了隧道滲流，同時(shí)因?yàn)樗突炷灵g的相互作用，物理腐蝕和化學(xué)腐蝕同時(shí)作用于襯砌結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)的承載力等力學(xué)性能降低[6]。如果腐蝕不引起重視并及時(shí)處理，會(huì)導(dǎo)致腐蝕的進(jìn)一步發(fā)展，致使隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)退化加劇?？偟膩?lái)說(shuō)腐蝕的因素主要有3個(gè)，第一，腐蝕的介質(zhì)等因素的存在；第二，隧道襯砌結(jié)構(gòu)存在容易腐蝕的部位和地段；第三，地下水活動(dòng)性強(qiáng)，且存在一定的腐蝕介質(zhì)和因子。

山西省煤炭資源豐富，在靠近礦產(chǎn)資源分布區(qū)的隧洞中水體所含腐蝕性化學(xué)元素較為豐富，例如Fe2+、Fe3+、SO42-的大量存在，使隧洞混凝土腐蝕速度大大加快。圖2為陽(yáng)泉天子廟隧道襯砌腐蝕示意圖。通過(guò)觀察統(tǒng)計(jì)，隧道中襯砌內(nèi)壁多數(shù)施工縫及其周?chē)嬖诟g現(xiàn)象，附著物厚度約在1～20 mm，析出物顏色為白色及鐵銹色，主要是由于山西地區(qū)水文礦物成分造成的。分析其產(chǎn)生原因，主要包括以下兩方面：a）隧洞中局部施工縫、變形縫處理不密實(shí)而導(dǎo)致滲漏水不斷通過(guò)，為襯砌腐蝕的發(fā)生創(chuàng)造了條件。b）圍巖中含有的大量硫化礦物發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使隧洞地下水受到污染，加速了混凝土的腐蝕。

1.4 拱背空洞或不密實(shí)

襯砌背后空洞也是隧道常見(jiàn)病害中的一種，由于其不像襯砌裂損和滲漏水害那么直觀可見(jiàn)，其潛在危害性更大。拱背后的空洞或者欠密實(shí)區(qū)容易形成積水區(qū)，導(dǎo)致隧道內(nèi)部出現(xiàn)滲漏水；圍巖和襯砌結(jié)構(gòu)不能有效地結(jié)合，易出現(xiàn)應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)或者襯砌破損等病害。

圖2 襯砌腐蝕

造成拱背空洞有很多原因，主要分為：a）由于隧道施工過(guò)程中爆破開(kāi)挖情況較差，造成超挖，而施工單位又回填不密實(shí)，產(chǎn)生空洞而無(wú)法發(fā)揮支護(hù)作用；b）二次襯砌時(shí)混凝土質(zhì)量不合格，拱頂厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，混凝土有蜂窩或離析現(xiàn)象；c）模板架設(shè)原因?qū)е马敳肯鲁亮窟^(guò)大，拱頂襯砌混凝土下沉脫空形成空洞；d）施工單位在施工時(shí)原材料質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán)，例如混凝土水灰比過(guò)大、砂粒過(guò)細(xì)、隧道內(nèi)通風(fēng)條件不佳等都會(huì)引起混凝土收縮量不合要求，導(dǎo)致襯砌混凝土受重力作用下沉脫空，從而形成空洞[7]。

2 隧道病害預(yù)防措施

隨著我國(guó)大量交通工程的建成和運(yùn)行，公路隧道慢慢進(jìn)入運(yùn)營(yíng)和管理期，大量隧道病害的存在，使得花費(fèi)在隧道維修管理上的人力、物力和財(cái)力將大幅增長(zhǎng)。而預(yù)防是最好的治理，對(duì)隧道病害進(jìn)行預(yù)防比治理更具意義。其預(yù)防措施如表1所示。

表1 隧道病害預(yù)防措施表

3 隧道常見(jiàn)病害處治技術(shù)

3.1 襯砌裂損處治技術(shù)

對(duì)襯砌裂損破壞進(jìn)行治理前應(yīng)當(dāng)正確掌握裂紋開(kāi)裂的原因及其程度、范圍，并考慮施工措施、安全、經(jīng)濟(jì)效果等。通過(guò)分析裂紋開(kāi)展程度，采取有效措施，阻止裂縫區(qū)域擴(kuò)展。目前，國(guó)內(nèi)外隧道襯砌加固方法有很多，主要包括密封加固方法，加強(qiáng)保護(hù)板加固、金屬網(wǎng)加固方法，襯砌加固方法和拱加固方法，內(nèi)表面強(qiáng)化方法和部分重建和改造等方法[8]。

針對(duì)國(guó)道307某隧道襯砌中分布有大量的環(huán)向裂紋及部分縱向裂紋，交通管理部門(mén)首先分析了其發(fā)生原因是由于該隧道運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)導(dǎo)致圍巖應(yīng)力發(fā)生變化、應(yīng)力分布不均，部分區(qū)段圍巖應(yīng)力超過(guò)襯砌極限承載力，導(dǎo)致襯砌產(chǎn)生裂紋、變形。其次考慮到雖然襯砌發(fā)生裂損，但是其整體依然具有較大承載力，所以首先對(duì)裂紋處進(jìn)行了化學(xué)灌漿，通過(guò)修補(bǔ)根治了襯砌滲漏水以及混凝土內(nèi)部的鋼筋銹蝕問(wèn)題。其后對(duì)隧道中襯砌內(nèi)鼓的裂損部位采用了較為傳統(tǒng)的噴錨加固技術(shù)，該方法具有工作快、對(duì)行車(chē)干擾少等優(yōu)點(diǎn)，確保了隧道安全的同時(shí)技術(shù)方案也較為經(jīng)濟(jì)。

3.2 滲漏水處治技術(shù)

施工期間，施工工具和隧道由于滲漏水的影響，給隧道工程建設(shè)帶來(lái)巨大損失。例如寒冷地區(qū)隧道，由于滲漏導(dǎo)致凍融破壞頻發(fā)；山區(qū)巖溶洞發(fā)育較好的地段修建隧道，地下涌水量大，水害也十分嚴(yán)重。滲漏水的處治十分必要，滲漏水處治技術(shù)如表2所示。

表2 滲漏水常用處治技術(shù)

前文所提國(guó)道307某隧道由于存在滲漏水，所以采取過(guò)常規(guī)的噴射混凝土堵水處置技術(shù)，但一段時(shí)間過(guò)后發(fā)現(xiàn)仍有滲水現(xiàn)象。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)這是由于采用封堵的方式可以短期將水逼回裂隙，但是同時(shí)也改變了圍巖受力條件，導(dǎo)致應(yīng)力重分布，裂隙得以繼續(xù)擴(kuò)展，封堵的水壓力再次增加，隨著時(shí)間推移，水壓力增加至封堵材料所能承載的極限值時(shí)，水便再次從封堵處流出。

因此針對(duì)該隧道再次出現(xiàn)滲漏水情況，采取了將滲漏水處的襯砌混凝土鑿開(kāi)，埋入直徑為5 mm的膠管，再用防水堵漏劑封堵膠管周邊。采用該措施后，治理效果十分明顯。

當(dāng)然，并非采取噴射技術(shù)進(jìn)行封堵便不可行，重要的是材料選擇很重要，例如新型材料成巖砂漿已經(jīng)得到了較好的應(yīng)用，該材料具有抗侵蝕、抗?jié)B、抗干縮的特性，同時(shí)還可提高抗壓強(qiáng)度與早期強(qiáng)度。將其與防排水措施結(jié)合，在隧洞滲漏水治理中達(dá)到十分良好的效果。

3.3 襯砌腐蝕處治技術(shù)

關(guān)于隧道襯砌防腐蝕措施，必須依據(jù)可靠的勘察和設(shè)計(jì)，從隧道工程地質(zhì)實(shí)際情況入手，查找問(wèn)題的根源和水環(huán)境所含有腐蝕性介質(zhì)的組成，以確定其具體的襯砌侵蝕原因，此時(shí)方可因地制宜地采取預(yù)防措施。

山西陽(yáng)泉市天子廟隧道位于陽(yáng)泉陽(yáng)煤集團(tuán)四礦界內(nèi)，地下煤層采空區(qū)為多層重復(fù)采動(dòng)，地形地質(zhì)條件復(fù)雜。針對(duì)隧洞部分區(qū)段存在襯砌腐蝕的情況，管理部門(mén)果斷采取了有效的治理方案：首先鑿除已腐蝕襯砌部分至新鮮巖石處，找到水體滲出部位并截流收集，再用管道將水排出，同時(shí)對(duì)鋼筋除銹、對(duì)襯砌的外露面進(jìn)行堿化處理，對(duì)鋼筋銹蝕部分涂環(huán)氧砂漿后，最后采用了壓力灌漿密封。工程治理效果十分明顯。

關(guān)于襯砌腐蝕不可依賴于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后再進(jìn)行處理，而應(yīng)當(dāng)從預(yù)防做起，防止襯砌腐蝕的發(fā)生，減少經(jīng)濟(jì)損失。首先應(yīng)當(dāng)提高襯砌結(jié)構(gòu)的密實(shí)性和整體性。隧道襯砌施工使用防水混凝土，襯砌則可保持較好的穩(wěn)定性和完整性，侵蝕性水也不容易滲透到混凝土內(nèi)部，從而提高了襯砌的耐久性，減少侵蝕的影響。一般應(yīng)當(dāng)使用分級(jí)骨料與防水混凝土、添加劑混合。應(yīng)當(dāng)避免因溫度變化而引起的混凝土施工裂縫，不能整體澆筑時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)置施工縫。其次，采用抗腐蝕硫酸鹽水泥、高抗硫酸鹽水泥、低堿和高抗硫酸鹽水泥、高鋁水泥、石膏礦渣水泥等，從而最大限度地提高耐腐蝕性。第三，防、排、堵、截結(jié)合，以排為主，降低襯砌的腐蝕。

3.4 拱背空洞或不密實(shí)處治技術(shù)

山西通往河北的東大門(mén)省道S315陽(yáng)井線某隧道洞內(nèi)曾發(fā)生襯砌混凝土脫落，事后發(fā)現(xiàn)脫落處襯砌背后存在空洞，究其原因是空洞導(dǎo)致襯砌局部荷載增大，同時(shí)因地下水對(duì)圍巖的軟化作用，造成襯砌抗力降低而坍塌掉落。為了防止圍巖松弛的擴(kuò)大，即刻檢測(cè)到空洞處進(jìn)行注漿處理，使襯砌和圍巖達(dá)到緊密貼合狀態(tài)。考慮到空洞會(huì)誘發(fā)圍巖松弛，還采取了錨桿補(bǔ)強(qiáng)，阻止了松弛的進(jìn)一步發(fā)展。

總的來(lái)說(shuō)，目前襯砌背后空洞較多采用的是回填壓漿的方法，當(dāng)襯砌受空洞影響，嚴(yán)重變形甚至即將失效時(shí)，應(yīng)當(dāng)采取局部改建或全斷面改建的措施。在治理過(guò)程中可以采取多種補(bǔ)強(qiáng)方式結(jié)合，從而發(fā)揮多種處治措施的優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

伴隨我國(guó)隧道建設(shè)快速發(fā)展，一些營(yíng)運(yùn)中的隧道病害頻繁發(fā)生，直接威脅到隧道的結(jié)構(gòu)和交通運(yùn)營(yíng)的安全。常見(jiàn)的隧道病害主要包括：襯砌結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、隧道水害、襯砌腐蝕、襯砌結(jié)構(gòu)背后空洞和不密實(shí)等，在分析每種病害產(chǎn)生原因及致災(zāi)后果的基礎(chǔ)上，提出了隧道病害的預(yù)防措施，以求提高襯砌結(jié)構(gòu)的承載力、圍巖自穩(wěn)性、底板穩(wěn)定性。針對(duì)每種病害類(lèi)型，提出了相應(yīng)的處治措施，預(yù)防與治理結(jié)合，供以后處理類(lèi)似隧道工程問(wèn)題時(shí)參考。