面向養(yǎng)護便捷性的在役連拱隧道中墻病害維修方法及應(yīng)用

李羽婷，王海洋

（1、廣州展亞土木工程技術(shù)有限公司 廣州 510642；2、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院 廣州 510642）

0 引言

連拱隧道因其位置選擇自由度大，占地面積小，接線難度低等優(yōu)點，在20 世紀(jì)90 年代至21 世紀(jì)初得到了大范圍的應(yīng)用，尤其是在高速公路工程和市政道路工程中，連拱隧道路面合理，建設(shè)成本更低，排水問題較容易解決［1-3］。隨著服役時間的增加，連拱隧道的弊端逐步凸顯。因設(shè)計和施工的特點，連拱隧道在中墻處是連拱隧道建設(shè)防排水的重點，中墻“Y”字形位置常成為天然蓄水池，山體內(nèi)滲水在中墻上方匯集［4-5］。在水頭作用下，中隔墻頂部與二襯連接處、施工縫等薄弱部位也容易導(dǎo)致發(fā)生大面積滲漏水現(xiàn)象［6-7］。伴隨著隧道的運營，在下滲水帶來的土顆粒、礦物質(zhì)以及后期形成的白色結(jié)晶體，導(dǎo)致隧道排水系統(tǒng)逐漸堵塞，排水效果減弱［8］；而排水效果的減弱又加速了水體內(nèi)物質(zhì)的沉淀，使排水系統(tǒng)加速失效。無法及時排除的水體對隧道襯砌形成長期額外壓力，從而造成襯砌各類滲水、裂縫破壞病害以及中隔墻破壞的發(fā)生，危害隧道安全［9-11］。此類現(xiàn)象在降雨量豐富的南方地區(qū)尤為常見。

傳統(tǒng)中墻排水維修方式是通過對隧道主體結(jié)構(gòu)不斷開孔引流，達(dá)到泄水降壓的目的，對隧道結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性影響極大，問題得不到根治。持續(xù)對隧道襯砌實施破壞，也將增大次生病害發(fā)生的概率，縮短結(jié)構(gòu)使用壽命，增加隧道養(yǎng)護成本。

基于以上原因，本文提出一種面向養(yǎng)護便捷性的維修方法，通過對排水系統(tǒng)構(gòu)造上的細(xì)化，及采用專用的高壓水射流清洗裝置進行定期養(yǎng)護的方式，實現(xiàn)中墻排水系統(tǒng)的長效性，降低連拱隧道的病害發(fā)生率，達(dá)到其全壽命周期內(nèi)維護成本及服務(wù)性能最優(yōu)的效果。

1 連拱隧道中隔墻病害維修思路

釋放水壓力最簡單有效的方式是排水。以往不少隧道也使用過類似手段，但單次排水降壓后，不久又會積累新的壓力，一次次的開孔排水，對原結(jié)構(gòu)損傷很大，為了滿足排水降壓的目的，降低了隧道的整體穩(wěn)定性，間接影響到隧道的使用壽命。若不開孔排水，隨著靜水壓力增大，隧道出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，同樣會影響隧道的使用壽命［12］。為了解決此兩難局面，本文提出一種“一次成孔，方便養(yǎng)護，持續(xù)排水”的一種高效率、低成本、易養(yǎng)護的處治方法（見圖1）。

圖1 水壓區(qū)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Water Pressure Zone

本文中提到的技術(shù)中心思想是為了實現(xiàn)在保護原結(jié)構(gòu)的前提下提高施工的便捷性、及時性，并保證資金投入的穩(wěn)定性，避免因突發(fā)情況產(chǎn)生大筆意外支出，不利于項目管理及養(yǎng)護成本控制，維修思路簡略如下：高壓水射流重開舊孔/水鉆定向開孔?安裝雙層透水管?定期清理透水管。

2 基于可更替芯雙層透水管的維修方案設(shè)計

通過在隧道內(nèi)側(cè)用水鉆在襯砌施工縫處斜向開孔（或根據(jù)以往開孔位置，用高壓水射流恢復(fù)原孔），內(nèi)置雙層透水管，外管采用帶花孔的鋼管，內(nèi)管采用透水性好、重量輕、容易更換的PE透水管（見圖2）［13］。根據(jù)隧道所處地區(qū)降雨量等水文資料及隧道歷年滲水情況，按需在施工縫處布置排水孔，排水孔位置應(yīng)左右洞錯開布置，既保證排水效果，又能減少襯砌上的開孔數(shù)量。

圖2 雙層透水管道的布置位置及雙層透水管斷面示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Arrangement Position of Double-layer Permeable Pipe

因水流帶有礦物質(zhì)及砂石等雜物，排水管內(nèi)會出現(xiàn)鈣化物，當(dāng)鈣化物體積逐漸增大，會堵塞管道，影響排水效果，再次出現(xiàn)積水，產(chǎn)生壓力，所以必須定期對管道進行清理及更換內(nèi)管。遇雨季或暴雨以上級別降水等級，應(yīng)加密排水管情況檢查頻率，根據(jù)實際情況進行管內(nèi)疏通或更換內(nèi)管；對于旱季可適當(dāng)延長排水管情況檢查時間，但檢查間隔不宜少于每季度1次。

對比傳統(tǒng)的開孔排水方式，雙層管排水的優(yōu)點在于：

⑴一次成孔，減少對原結(jié)構(gòu)損傷，避免因反復(fù)開孔造成的施工圍蔽，節(jié)約了時間成本，只需開孔1 次，降低了施工難度；

⑵方便養(yǎng)護，每季度定期將內(nèi)管取出，用高壓水射流沖刷外層鋼管內(nèi)側(cè)，再置入新的內(nèi)管。操作簡單，養(yǎng)護成本低；

⑶通過定期疏通排水管，山體內(nèi)的水流及時通過排水管排出，不會對隧道主體結(jié)構(gòu)施加壓力。

結(jié)實的金屬外管及可更替的PE 內(nèi)管，保證了在隧道的全壽命周期內(nèi)能循環(huán)使用，節(jié)約了養(yǎng)護成本。少了外力的影響，隧道已有裂縫發(fā)展速度減慢，新增裂縫形成數(shù)量增長速度也將降低，避免出現(xiàn)裂縫在某個時間點集中出現(xiàn)，危及結(jié)構(gòu)安全。

從投入資金角度考慮，高等級公路隧道設(shè)計使用年限為100 年，在役的連拱隧道多為20 世紀(jì)七八十年代設(shè)計并投入使用，基本還有50年使用時間，使用時間越長，病害發(fā)展速度越快，養(yǎng)護成本會迅猛增加，需要投入的養(yǎng)護資金無法預(yù)計。若采取本排水方案，減少次生病害的出現(xiàn)，投入的資金更穩(wěn)定，方便進行項目管理。

3 配套養(yǎng)護方式設(shè)計

為保持外管處于正常使用狀態(tài)，每次取出內(nèi)管后，使用高壓水流沖射設(shè)備清堵，原理是通過水流加壓后送進多孔多角度的旋轉(zhuǎn)噴頭（見表1、圖3），在高壓水射流（50～100 MPa）作用下金屬外管管壁的雜物或鈣化物被沖刷松動流出，達(dá)到清洗效果的同時重新打開堵塞管道，保證積水能順利流入雙層排水管［14-16］。同時，為了實現(xiàn)更換內(nèi)管的便捷性，若出現(xiàn)內(nèi)管已被粘接不易取出時，通過高壓水射流沖擊，將舊PE 管沖破打碎，順排水管從隧道排水槽流走。

表1 高壓水射流旋轉(zhuǎn)噴頭主要參數(shù)Tab.1 Main Parameters of Rotating Nozzle forHigh-pressure Water Jet

圖3 旋轉(zhuǎn)噴頭及使用示意圖Fig.3 Rotary Nozzle and Its Application Diagram

結(jié)合高壓水射流設(shè)備具有的5 大優(yōu)勢：清洗成本低；清洗質(zhì)量好；清洗速度快；無環(huán)境污染；對金屬無腐蝕，大大提升了養(yǎng)護的速度，進一步降低維修養(yǎng)護成本。根據(jù)隧道內(nèi)空間緊張的特點，選用最少數(shù)量的設(shè)備及與項目特性匹配下體積盡可能小的設(shè)備，都能減少維修養(yǎng)護對交通的影響。

4 應(yīng)用實例

4.1 工程背景介紹

廣州某高速公路上一座連拱隧道，全長290 m，最大埋深73 m。坡面發(fā)育呈鋸齒狀，齒峰的水流到齒谷后，以裂隙水和孔隙水的形式賦存于地層中，雨季形成表面徑流及下滲，旱季以下滲狀態(tài)、滴狀及線狀滲出。

根據(jù)鉆孔及隧道施工揭示，地下水主要賦存條件為全強風(fēng)化花崗巖地層中及弱風(fēng)化花崗巖巖體中，厚度約為2.4～38.8 m。流量測時（2007-12-15）為3.5 L/s，雨季涌水量將會大增。

本隧道于2015年進行過一次裂縫封閉處理，并進行了一次中墻開孔排水。2019年的檢測報告中，排水孔已出現(xiàn)不同程度的堵塞，大部分已完全喪失排水功能，隧道左、右線襯砌均在拱頂及拱腰存在較多的環(huán)向裂縫，長1.00～7.00 m，寬0.10～0.40 mm，局部位置存在斜向與縱向裂縫，長0.80～6.00 m，寬0.12～0.26 mm，個別位置存在網(wǎng)狀裂縫，部分裂縫存在滲水析白鈣現(xiàn)象，局部裂縫為修補后重新開裂。該裂縫均為原有裂縫，與2018年檢測結(jié)果對比，裂縫未見明顯發(fā)展，部分施工縫存在滲水、析白鈣，拱腰存在滴水現(xiàn)象。

2020年根據(jù)排水要求，對該隧道原部分排水孔位進行恢復(fù)，部分段落增加排水孔，恢復(fù)排水孔后，大量積壓的水涌出，最大流量為1.2 L/s，待水流減少并穩(wěn)定，后裝入雙層排水管，封堵管口周邊，防止流水帶走山體內(nèi)的砂石，改變圍巖壓力。施工后每季度定期（雨季增加清理次數(shù)）拔出內(nèi)管，使用高壓水射流對外管進行清洗后，替換上新的排水內(nèi)管。按計劃使用1年后檢查，排水功能保持良好狀態(tài)。

4.2 施工成果

在該案例中，通過清洗外管，更換內(nèi)管的方法保持排水通道的暢通，同時因內(nèi)外管上預(yù)留的小孔，有效的阻止了大塊的巖土通過排水通道，防止巖土流失，使用1年后檢查，排水功能保持良好狀態(tài)。因及時排水，大大降低了中隔墻上方“Y”字部位的積水水位，隧道主體結(jié)構(gòu)受力穩(wěn)定，拱頂及內(nèi)側(cè)拱腰出現(xiàn)的次生病害同比上一次排水施工后次年（2016 年）數(shù)量及程度有所降低。

通過對排水工程投入資金曲線（見圖4）比較可知，采用本文的可持續(xù)維護方式，使用的主材是水及塑料，高壓水射流裝置為自動化設(shè)備，人工數(shù)量占比較低，資金投入穩(wěn)定可預(yù)估；傳統(tǒng)的工藝中，每5 年更換一批鋼管，需要大量人工恢復(fù)排水槽環(huán)境，所需主材價格波動大，且逐年增長的趨勢，人工占比高，人工成本增加也比可持續(xù)方式的要大。投入資金可預(yù)計將增加，不利于成本控制。

圖4 維修投入資金曲線Fig.4 Maintenance Input Funding Curve

5 小結(jié)

本文討論的面向養(yǎng)護便捷性的在役連拱隧道中墻病害維修方法特點是：降低施工難度；最大限度保護隧道原有結(jié)構(gòu)，減少二次破壞，減少次生病害；及時性，便捷性；投入資金可控。能彌補傳統(tǒng)開槽排水方法中存在的不足，可為后期同類工程的施工提供技術(shù)指導(dǎo)及在更多地區(qū)做進一步推廣。