隧道病害及其防治措施分析

牛銀富

摘要：隧道災(zāi)害對隧道工程和運營有很大影響。隧道施工時的泉水運營期間的浸水、腐蝕性環(huán)境的侵蝕，在使用過程中由于各種各樣的原因?qū)е屡_地的開裂、凍害等影響隧道的正常使用和安全運營。為此分析了國內(nèi)外隧道水災(zāi)和侵蝕的研究成果，從災(zāi)害形成機制、預(yù)防方法、加強對策等方面總結(jié)并總結(jié)了隧道災(zāi)害。

關(guān)鍵詞：隧道病害;防治措施分析

1隧道工程病害

隧道工程在提供交通便利的同時，還存在隧道水災(zāi)、臺座斷裂等安全隱患。隧道健康問題的主要影響因素是隧道底座漏水、隧道底座裂縫、隧道底座變形、隧道底座剝落等病害。通過國內(nèi)某地區(qū)盾構(gòu)隧道病害分類、原因及處理措施發(fā)現(xiàn)，隧道滲漏水和裂縫是隧道病害的兩大主要原因是，根據(jù)位置的不同，病害的原因和處理方法有很大的不同，有時多個病害的共同作用會使隧道病害的原因更加復(fù)雜。目前，我國處于基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展時期，在快速建設(shè)隧道的同時，如何在隧道設(shè)計、施工和運營期間提高隧道抗病害的能力十分重要。此外，隨著隧道建設(shè)拓展，如何在海洋環(huán)境和寒冷環(huán)境等惡劣環(huán)境中保障隧道安全使用也是需要迫切解決的問題。為此，國內(nèi)外學(xué)者采用理論分析、現(xiàn)場實際檢測調(diào)查數(shù)據(jù)、室內(nèi)試驗和數(shù)值模擬等方法對隧道災(zāi)害的成因、分布規(guī)律及機理進行了大量研究。

2 隧道水災(zāi)害

2.1隧道水災(zāi)害的原因及影響隧道水災(zāi)害主要分為施工時的涌水災(zāi)害和運營時的滲漏水災(zāi)害，其中以隧道營運過程中滲漏水最為常見。為此，國內(nèi)外學(xué)者對水災(zāi)害的原因和影響進行了深入研究。張學(xué)富等研究了昆侖山隧道的實測數(shù)據(jù)，分析隧道在不同時期的滲漏水情況，提出了水災(zāi)害鏈式發(fā)展理論并進行了合理設(shè)計。此外，根據(jù)熱力學(xué)和流體力學(xué)基本理論，建立凍土多物理場耦合的三維模型，推導(dǎo)出數(shù)值計算公式，建立三維有限元多物理場耦合模型進行非線性分析。賴金星等從襯砌施工縫垂直徑向漏水、縱向水平裂縫滲水、分析了隧道浸水病害的原因，提出了進一步重建隧道的提案。排水系統(tǒng)的治理方案，包括襯砌堵漏防水系統(tǒng)修補、在施工現(xiàn)場的漏水對策、橫向的裂縫處理、點狀漏水處理等方面，改善了施工工序。提供預(yù)防隧道病害的依據(jù)。張劍比較了我國東北地區(qū)、西北地區(qū)和青藏線等典型的隧道水災(zāi)分析了隧道漏水的原因，總結(jié)了國外寒冷地區(qū)隧道的防凍措施。比較了多條排水的防凍形式，提出了具體的改善方案。劉庭金等對某淺埋箱形地鐵隧道病害機理進行分析，發(fā)現(xiàn)隧道不均勻沉降導(dǎo)致開裂是隧道水災(zāi)害的直接原因，同時導(dǎo)致了道床的脫空等一系列附加災(zāi)害造成了二次損傷。

2.2隧道水災(zāi)處理是法國國內(nèi)外學(xué)者對不同隧道浸水工作情況進行漏水機構(gòu)分析。此外，還采取預(yù)防和管理隧道漏水災(zāi)害的措施。現(xiàn)有隧道滲濾液病害機制的研究主要集中在數(shù)值研究和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析上。注水時隧道漏水對策的主要措施。毛華榮等利用注漿技術(shù)對百合隧道涌水現(xiàn)象進行封堵，總體達到了注漿堵水效果。鄭剛等針對注漿處治盾構(gòu)下滲水沉降的效果分析，同時，研究了注漿區(qū)域、注漿量對注漿提升效果。J.H.Shin等通過對耦合非線性有限元結(jié)果的分析，考慮了不同隧道后流場條件下預(yù)測地基和襯砌長期響應(yīng)的差異;幾何形狀采用地下20米制作的4個圓形隧道，根據(jù)英國倫敦和韓國首爾特別市的土壤條件我們提出并評估了一種構(gòu)建有限分支滲透率模型的方法。除阻斷措施外水的吸收，排水也對泄漏的處理有效。王玉杰等提出了隧道滲漏水預(yù)防性收集系統(tǒng)，詳細介紹了該系統(tǒng)的組成、原理及實施流程，以鄭州市的一個隧道工程為例，證明了系統(tǒng)的可行性。袁超等通過對沈丹線使用期較早的隧道浸水病害的調(diào)查我們分析了寒冷地區(qū)隧道的里地劣化機制，結(jié)合工程實例，從治理原則和體系、表層管理、排放導(dǎo)向、鋪設(shè)了冷害治理后腔治理等方面提出了治理意見。隧道滲漏水是多種因素共同作用的結(jié)果，與地質(zhì)環(huán)境、設(shè)計方案、施工過程和施工技術(shù)有關(guān)。病害的機制和理論研究很復(fù)雜。目前，隧道漏水理論的研究成果還不全面，提出的理論還沒有完成得到實際工程的驗證，我國隧道滲漏水病害的治理在一定程度上依賴工程經(jīng)驗。與普通的隧道相比，寒區(qū)隧道滲漏水的病害機理和治理則更為復(fù)雜。

3 襯砌腐蝕

隧道除了遭受水災(zāi)害之外，還遭受各種腐蝕物質(zhì)的侵蝕。多數(shù)工程實際調(diào)查顯示，腐蝕侵蝕對襯砌混凝土產(chǎn)生極大破壞，造成混凝土開裂、疏松多孔甚至成層脫落，影響隧道的實用性和安全性，縮短隧道壽命并造成極大的經(jīng)濟損失。

3.1襯砌腐蝕分類隧道易被水中侵蝕性離子腐蝕，如氯離子、硫酸基離子和碳酸基離子導(dǎo)致基板材料的剝離和裂縫的發(fā)展。襯砌混凝土腐蝕劣化形式為鹽害、碳化、堿骨材反應(yīng)及生物侵蝕中，鹽害是混凝土凝固腐蝕的最常見的形式。腐蝕劣化的原因化學(xué)過程劣化現(xiàn)象鹽害C1_、SO24、H2O的滲透擴散—保護膜破壞—超過腐蝕發(fā)生的界限濃度—鋼筋腐蝕鋼筋膨脹、銹蝕，混凝土剝落，鋼筋碳化CO2的滲透-保護膜的破壞-發(fā)生鋼筋腐蝕混凝土表面破裂，堿骨料反應(yīng)骨料中堿性材料和金屬離子剝離。

3.2對襯里腐蝕的機理及影響，國內(nèi)外學(xué)者通過人工模擬來腐蝕環(huán)境。、現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)調(diào)查、數(shù)值模擬等手段展開了大量的研究。試驗方面，多數(shù)學(xué)者采用加速劣化的室內(nèi)實驗對隧道侵蝕環(huán)境下的劣化機理進行分析。由于石膏巖中含有大量硫酸鹽成分，會造成混凝土膨脹開裂，因此對于石膏巖環(huán)境下的隧道需特別注意。陳釩等分析石膏圍欄隧道的二次瓷磚結(jié)構(gòu)破壞模式（膨脹破壞、腐蝕破壞、綜合破壞）基于塑性區(qū)域體積比解，建立了石膏圍巖隧道間隔結(jié)構(gòu)不同破壞模式的時間模型，Ma等研究了西南部長達40年以上被含硫磺的地下水曝曬的鐵路隧道的混凝土臺地，結(jié)果是：根據(jù)隧道混凝土的臺地結(jié)構(gòu)和環(huán)境條件，硫酸鹽溶液滲透到混凝土的臺地，儲存在混凝土臺地堆積的風(fēng)上表面。導(dǎo)致硫酸鹽離子含量增加并從隨著風(fēng)向水面擴散，混凝土的上風(fēng)面嚴重受損，保存在混凝土的另一面，許多學(xué)者使用數(shù)值模擬研究了有害鹽和環(huán)境相互作用的隧道退化機制和負載下降行為，Argyroudis等提出了考慮到土壤-結(jié)構(gòu)-相互作用（SSI）和鋼筋腐蝕時效效果的淺埋地鐵隧道的地震脆性曲線的數(shù)值計算方法。

4結(jié)論

隧道在施工和運營過程中會發(fā)生水災(zāi)害和臺座腐蝕等病害。過幾年隧道的浸出水和臺座裂縫是影響隧道運行的最普遍的，也是最大的病害。另外，和其他病害有共同作用。因此，對于漏水及臺座裂紋計劃和設(shè)計階段采取合理的預(yù)防和處理措施，施工階段重視提高施工質(zhì)量采用合理的方法和耐久性材料，在隧道運行階段及時檢查，防患于未然，對已有的隧道病害，要分析病害的成因和機制，采用適當(dāng)?shù)募庸檀胧档筒『Φ挠绊憽Ｖ挥性诟鱾€階段預(yù)防和控制病害的發(fā)生，才能降低隧道施工和運營成本，延長隧道的使用壽命。

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（作者單位：中鐵四局集團有限公司第七工程分公司）