運營期隧道災后病害特征及整治措施分析

王 闖， 吳 林， 胖 濤， 鄭長青

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

改革開放以來，伴隨經濟的發展和社會的進步，我國交通運輸基礎事業飛速發展，交通隧道工程的規模不斷增加。統計資料指出，截至2018年底，我國公路隧道17 738處共17 236.1 km，鐵路隧道15 117座，總長16 331 km[1]。特別是近年來，我國建設了大量的長大隧道及隧道群，線路隧線比進一步提高。比如巴陜高速米倉山隧道長度13.8 km，雅康高速新二郎山隧道13.459 km，在建的大瑞鐵路高黎貢山隧道長34.538 km，正在設計建設的川藏鐵路(隧線比82.9 %)易貢隧道長度達到了42.49 km。

大量的長大隧道及隧道群，給線路運營安全帶來一定的挑戰，隧道運營期防災救援工作日益受到重視。特別的，在發生地震、火災、交通意外、地質災害等風險事件后，隧道的可靠性將直接影響到防災救援的及時性和高效性，并對交通運輸安全性產生巨大影響[2]。鑒于此，本文在總結部分運營鐵路、公路隧道災后病害資料的基礎上，對運營期隧道受災后的病害特征及整治技術措施進行分析，以期為類似工程提供參考。

1 運營期隧道災后病害特征分析

針對隧道運營期的災害情況，李奎等基于統計原理分析了83例鐵國內外鐵路隧道運營期事故資料，指出鐵路隧道運營期間主要災害類型有火災、列車碰撞、脫軌及襯砌剝落[3]。工程實踐的經驗表明，隧道具有受到自然災害、地質災害、突發事件和人為破壞等侵害的多重性和復雜性。本文參考文獻[3]的研究成果，主要對火災、地震、極端天氣(凍害、強降水及洪水)災害下的隧道襯砌結構病害缺陷情況及特征進行分析。

1.1 火災病害特征分析

火災險情是隧道工程運營期較為常見的災害?；馂陌l生時，高溫環境會對隧道內設備和混凝土結構產生巨大損傷。相關隧道火災病害的調查結果表明，隧道火災損壞主要集中在支護結構拱部及邊墻，主要表現形式為襯砌嚴重變形、開裂、襯砌混凝土爆裂剝落、拱頂掉塊、防火涂料大面積起鼓損壞等。目前，相關學者利用溫度指標(火災溫度和燃燒時間)、損傷特征(襯砌表面顏色和燒傷區襯砌特征)、損傷深度、酥松深度和剝落深度來評估火災后隧道結構的損傷程度[4]。圖1為火災后隧道襯砌的典型燒蝕情況。

圖1 火災后隧道襯砌典型病害

1.2 地震災后病害特征分析

地震的是隧道工程運營期面臨的重大威脅，2008年的汶川大地震對震區公路隧道結構造成了嚴重的破壞，震區56座隧道中約40 %受到地震作用破壞[5]。在地震作用下，處于高地應力區段或者穿越軟弱破碎帶區域的隧道初期支護和二次襯砌常發生嚴重損壞。隧道洞身段襯砌結構的主要震害形式為襯砌出現縱向、環向和斜向裂縫并滲水；地下水積聚；襯砌掉塊、錯臺，襯砌邊墻局部或上部拱圈整體掉落；鋼筋扭曲變形甚至斷裂；路面、電纜溝開裂、錯臺，路面仰拱沉陷或隆起；鋼支撐扭曲變形、錨桿墊板脫落；隧道整體塌陷等。圖2為地震后隧道襯砌的典型損壞情況。

圖2 地震后隧道襯砌典型病害

1.3 極端自然條件下病害特征分析

對于運營期隧道工程，極端氣候下對隧道工程影響較大的莫過于寒冷季節導致的凍害、雨季強降雨引起的水害。

1.3.1 水害

資料表明，我國約70 %的運營鐵路隧道存在同程度的水害，水害程度較嚴重從而導致狀態失格的占運營隧道總數的40 %以上[6]。調研結果表明，運營期隧道水害的主要表現形式為以滲潤、滴水、流水、噴涌水現象為主的襯砌滲漏水和涌水，以及滲漏水引起的襯砌混凝土風化、腐蝕、剝落、仰拱破碎等結構破壞形式。圖3為貴廣鐵路某隧道在持續暴雨天氣影響下出現的隧道拱墻滲漏水、中心溝冒水、道床隆起開裂等災害。

圖3 強降水條件下隧道襯砌典型病害

1.3.2 凍害

隧道凍害與水害緊密相連，圍巖積水或襯砌滲漏水是產生凍害的必要條件。在寒冷地區，氣溫變化引起的地下水凍融作用等因素常會導致隧道凍害的產生。大量調查結果表明，隧道凍害的表現形式主要有兩個方面：襯砌滲漏水凍結引起的隧道凍害有拱部掛冰、邊墻結冰、軌道及道床結冰、洞內網線設備掛冰等；圍巖凍脹力造成的襯砌結構變形、開裂、掉塊等破壞形式[7]。圖4為寒區隧道常見的襯砌掛冰、襯砌凍脹開裂、隧底冒水積冰等病害。

圖4 隧道襯砌凍害典型特征

2 運營期隧道災后病害分級

受火災、地震、水害、凍害等災害類型和災害程度的影響，隧道結構的病害形式是多樣化的。針對如前所述的各個隧道災后典型病害缺陷情況，根據病害特征表現形式的不同對其進行梳理分析，具體如表1所示。其中，考慮凍害中的拱部掛冰、邊墻結冰等結構結冰病害與地下水的關系，將其定義為水害的一種表現形式。

表1 不同災害隧道襯砌病害分析

綜合考慮表1中的隧道各災后病害因素，定義隧道(襯砌)結構病害指數R(如下式1)對運營期隧道病害程度及工作性能進行綜合評價分析。

R=f(v1,v2,v3,v4,v5)

(1)

式中：v1,v2,v3,v4,v5分別為表中的變形、開裂、破損、背后空洞、水害5項病害特征因素。此外，JTG H12-2015《公路隧道養護技術規范》將隧道土建結構技術狀況的評定標準定為無或非常輕微、輕微、中等、較嚴重、嚴重五個等級，鐵運函[2004]174號《鐵路運營隧道襯砌安全等級評定暫行規定》中按照襯砌狀態及危及行車安全的程度劃分為完好(D)、輕微(C)、較嚴重(B)、嚴重(A1)、極嚴重(AA)五個等級。本文參照規范要求和已有研究成果，將運營期隧道(襯砌)結構災后病害等級分為無破壞(A)、輕微破壞(B)、中等破壞(C)、嚴重破壞(D)、損毀(E)五級，具體如表2所示。

表2 隧道災后病害評價分級

同時，根據表2中的隧道災后病害評價分級標準等級，用模糊語言方法對隧道(襯砌)結構病害指數R進行表述，如式(2)所示。

R={r1,r2,r3,r4,r5}

(2)

式中：r1,r2,r3,r4,r5分別表示隧道(襯砌)結構病害等級為A-無破壞、B-輕微破壞、C-中等破壞、D-嚴重破壞、E-損毀。

式(1)、式(2)表示可以利用隧道結構病害指數R來綜合判斷隧道災后病害特征等級，應用時應針對變形、開裂、破損、背后空洞、水害5項病害特征因素給出具體判定標準，建立相關模型開展深入細致的研究。

3 隧道災后病害整治措施

火災、地震、極端天氣等災害給隧道運營安全帶來嚴重威脅，而根據隧道災后病害的特征采取合理的整治措施來保證運營要求是隧道災后修復工作中的難點。限于篇幅，本文對襯砌開裂、襯砌背后脫空、襯砌滲漏水、隧底冒水、道床(仰拱)隆起等常見災后病害的整治措施進行說明。

3.1 襯砌裂縫

對于混凝土表層的非貫通性普通裂縫及環向貫通性裂縫，若無錯臺，且通過觀測裂縫不再繼續發展，采用騎縫錨桿(錨管)補強和注漿封縫處理。詳見圖5。

(a)騎縫錨桿(錨管)布置示意

對于襯砌拱部縱向結構性裂縫(張開型)或網狀結構性裂縫，由于該種裂縫產生已導致襯砌有效厚度減薄，造成結構一定程度的破壞，對裂縫先采用騎縫錨桿(錨管)補強，后進行套襯補強。詳見圖5、圖6。

(a)拱墻套襯橫斷面

3.2 襯砌背后空洞

整治施工前需對襯砌結構脫空情況進行驗證，掌握詳細的襯砌結構及缺陷情況，若襯砌拱部大面積(大于50 %)脫空時，缺陷范圍采用套襯補強，施作套襯時預留注漿孔，套襯施作完成并達到設計強度后，對襯砌脫空處進行鉆孔注漿回填。若襯砌拱部較小面積(小于50 %)脫空時，襯砌脫空可采用鉆孔注漿回填。詳見圖7。

圖7 隧道襯砌背后脫空注漿整治

3.3 襯砌滲漏水

針對隧道襯砌滲漏水的問題，根據滲漏水病害的特征，采用不用程度的處置措施：

(1)對于隧道內水量較小，水流分散而不便引排的拱墻施工縫、襯砌裂縫及個別出水點(面)進行襯砌內部注漿，詳見圖8。

圖8 注漿孔布置示意(“O”為注漿孔)

(2)對于邊墻具有單一點位的線流、股流、射流、水量較大，而不易采用注漿、抹面、嵌縫等堵水措施時，進行引排。詳見圖9。

(a) 襯砌橫斷面示意

(3)對于裂縫浸水、滲水、潮濕等采用襯砌內部注漿處理后仍有少量滴水、滲水，采用鑿槽嵌縫進行封堵。詳見圖10。

(a) 襯砌橫斷面示意

(4)對于襯砌局部大面積出現面漏、網狀裂縫漏水、滲水等，采用襯砌內部注漿，在注漿后集中出水點鑿槽縫進行封堵。詳見圖11。

3.4 隧底冒水

(1)對地表水來水側設置混凝土擋水墻和排水溝進行截排，防止大量降雨匯入下滲至隧道洞周。

(2)對于隧道水害段洞周地下水頭較高的情況，采用臨時鉆孔泄水降壓措施(圖12)。

圖12 鉆孔泄水降壓示意

如上圖12，在隧道兩側邊墻底鉆設橫向泄水降壓孔，將地下水引入側溝內，并采用C25微膨脹砼土封堵側溝孔。在隧道側溝及中心水溝底設置豎向泄水降壓孔，插入排水鋼管。同時，為防止水壓過大引起泄水降壓孔內地下水噴射，對泄水降壓孔端頭采取設置擋水板和引水管(圖13)。

圖13 豎向孔端頭擋水板及邊墻孔引水管設置示意(單位:mm)

3.5 隧道道床隆起

針對隧道道床隆起及底板上拱問題，為加強仰拱填充與仰拱的連接，防止道床繼續上拱，于仰拱填充頂面處施作豎向錨桿，并對隧底進行鉆孔注漿加固。詳見圖14、圖15。

圖14 隧道道床隆起段仰拱錨桿設置

4 結束語

災害事件作用下隧道結構的病害會影響線路的正常運營，本文對隧道災后病害特征及整治措施進行了詳細分析，從而為運營期隧道災后病害經濟科學的整治提供借鑒和參考。

(1)以隧道災后病害資料為基礎，系統分析和了火災、地震、極端天氣(凍害、強降雨及洪水)災害下的隧道結構病害特征，并歸納為變形、開裂、破損、背后空洞、水害六大類病害。

圖15 隧道軌下結構注漿孔布置

(2)綜合考慮變形、開裂、破損、背后空洞、滲漏水等6項病害特征因素，定義隧道(襯砌)結構病害指數對運營期隧道病害程度及工作性能進行綜合評價分析，并將運營期隧道(襯砌)結構災后病害等級分為無破壞、輕微破壞、中等破壞、嚴重破壞、損毀五級。

(3)針對襯砌開裂、襯砌背后脫空、襯砌滲漏水、隧底冒水、隧道道床(拱底)隆起常見災后病害的整治措施進行說明。