鐵路隧道災(zāi)害類型及檢測方法

摘要：在鐵路隧道建設(shè)過程中，由于施工缺陷部分隧道常出現(xiàn)拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等問題。鐵路隧道在列車荷載、人類活動以及地質(zhì)運動的作用下，極易引發(fā)各類災(zāi)害類型與特點。系統(tǒng)介紹運營鐵路隧道的災(zāi)害類型檢測方法，同時指出其不足之處，對運營鐵路災(zāi)害治理有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：運營鐵路；隧道災(zāi)害；技術(shù)方法；災(zāi)害檢測

0" "引言

截至2021年底，中國鐵路營運總里程突破15萬km，其中高鐵運營里程突破4萬km，其中投入運營的鐵路隧道17532座，長21055km，高速鐵路隧道3971座，長6473km，位居世界第一[1]。通過研究發(fā)現(xiàn)，我國相當(dāng)數(shù)量的隧道存在災(zāi)害問題，這些災(zāi)害對鐵路隧道服役性能有著嚴(yán)重的影響，減弱了隧道本體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及可靠度，對營運線路行的車安全產(chǎn)生威脅。鐵路部門每年都投入大量的人力、物力和資金對隧道災(zāi)害進行修復(fù)與整治， 但是隧道災(zāi)害的狀況卻一直沒有根本好轉(zhuǎn)。因此對鐵路隧道災(zāi)害進行分類，分析災(zāi)害的產(chǎn)生原因及其危害，積極探索科學(xué)、系統(tǒng)、快速有效的隧道災(zāi)害檢測方法，對我國鐵路隧道的發(fā)展具有重要意義。

1" "災(zāi)害類型

因為受到隧道建設(shè)過程中施工技術(shù)的影響，在鐵路隧道營運過程中，部分線路隧道常出現(xiàn)不同類型的缺陷或災(zāi)害[2]。按隧道地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生原因以及特征，可以分為如下5種類型：隧道水害、襯砌裂損、隧道凍害、震害和火災(zāi)。

1.1" " 隧道水害

隧道施工會對初始的山體地下水系統(tǒng)平衡產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致被破壞山體附近地下水往隧道周圍匯聚。附近巖層含水較多，其又和隧道襯砌相通，若襯砌的防水和排水設(shè)施損壞，勢必會產(chǎn)生隧道水害。隧道水害主要是因為隧道穿過含水地層、溶洞、地下暗河采空段，以及建設(shè)過程中襯砌防水與排水設(shè)施修建不夠完善。隧道水害主要有隧道滲漏、襯砌周圍積水以及潛流沖刷。

隧道襯砌漏水現(xiàn)象通常表現(xiàn)為為滲、滴、淌、涌等情況。隧道滲漏水會對隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、隧道內(nèi)設(shè)備、列車行車安全、基礎(chǔ)建筑以及隧道附近水環(huán)境，形成一系列不良影響和危險。

襯砌周圍積水是指運營隧道中地表水或地下水，往隧道周圍附近流動匯聚，而周圍的水無法快速被排出。若襯砌附近積累的水壓過高，則會造成襯砌破損，使原本完好的圍巖在浸水作用下軟化甚至泥化，逐漸失去承載力，同時會使襯砌所承受的壓力增大，從而引起襯砌破損。

潛流沖刷是指在地下水流動與滲流作用下，對圍巖以及襯砌產(chǎn)生溶蝕現(xiàn)象。其通常會造成襯砌結(jié)構(gòu)以及圍巖出現(xiàn)沉降等情況，使邊墻、仰拱開裂，導(dǎo)致整體道床出現(xiàn)沉降以及開裂。

1.2" " 襯砌裂損

隧道襯砌裂損的表現(xiàn)形態(tài)主要有襯砌變形、襯砌移動、襯砌開裂3種。襯砌變形一般有橫向產(chǎn)生變形和縱向產(chǎn)生變形兩種情況，多數(shù)情況下發(fā)生的為橫向產(chǎn)生變形。橫向變形是指襯砌在外力的作用下所導(dǎo)致拱軸形狀上發(fā)生的變化。襯砌移動是指整個襯砌結(jié)構(gòu)或其中某些部位發(fā)生轉(zhuǎn)動、位移及下沉等，襯砌移動也有縱向產(chǎn)生移動和橫向產(chǎn)生移動的區(qū)分。

襯砌開裂是指在襯砌變形的作用下，襯砌表面出現(xiàn)的裂紋和裂縫，以及貫穿整個襯砌表面至內(nèi)部的裂縫的統(tǒng)稱，襯砌開裂分為張裂、壓潰以及錯臺等3類。襯砌裂損會使襯砌結(jié)構(gòu)對圍巖的承載能力減弱，同時使隧道凈空減小，侵入建筑邊界，影響運營鐵路車輛的行車安全。部分裂損處還會出現(xiàn)漏水情況，引發(fā)隧道內(nèi)造成洞內(nèi)設(shè)施銹蝕，產(chǎn)生凍害，危及行車安全。

1.3" " 隧道凍害

隧道凍害是指寒冷地區(qū)和嚴(yán)寒地區(qū)的隧道內(nèi)水泥和圍巖積水凍結(jié)，引起隧道拱部掛冰、周圍墻壁結(jié)冰、襯砌脹裂等。凍害的循環(huán)發(fā)生會使得襯砌混凝土出現(xiàn)裂縫、變形、脫落、強度下降等危害，隨著凍害的不斷發(fā)展，最終甚至?xí)?dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)破損。襯砌結(jié)構(gòu)破損大大減小了襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定度與可靠度，會對運營鐵路行車安全以及正常運行產(chǎn)生不良影響。

1.4" " 震害

隧道四周有巖土介質(zhì)，地震對鐵路隧道的影響與其對地面結(jié)構(gòu)影響有很大不同。隧道震害主要分為洞口段震害和洞身震害。隧道洞口處震害主要包括洞口圍巖出現(xiàn)風(fēng)化破碎、洞口塌方、山體落石堵住洞口、端墻、擋墻開裂、排截水溝開裂變形等。通常隧道洞身的基礎(chǔ)構(gòu)造對地震抵抗能力很強，因此洞身在發(fā)生地震時，通常引發(fā)裂損或局部變形等狀況，洞身完全坍塌的狀況擇較為罕見。由于襯砌屬于剛性支護，抗彎剪切強度較弱，因此在地震時很易引起襯砌開裂破壞。開裂破壞可分為縱向裂損、橫向裂損、裂損、底板裂損等，嚴(yán)重時甚至發(fā)生襯砌坍塌。

1.5" " 火災(zāi)

隧道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，周圍環(huán)境處于密閉狀態(tài)，加之列車上的人員多，如果出現(xiàn)火災(zāi)，撲救過程非常艱難，常常引起嚴(yán)重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。引發(fā)隧道火災(zāi)的原因有：①列車電氣線路短路、燃油系統(tǒng)漏油、電氣系統(tǒng)故障產(chǎn)生電火花等；②通信與信號發(fā)生故障導(dǎo)致列車相撞，從而引發(fā)隧道火災(zāi)；③隧道內(nèi)通行的列車所載貨物含有易燃易爆品，易燃易爆品遇到明火以及熱源時發(fā)生爆炸或自燃。

2" "隧道災(zāi)害檢測方法

隧道災(zāi)害的發(fā)展是有一個過程的，若在隧道病害進一步惡化之前，就可以發(fā)現(xiàn)并及時進行整治，能夠明顯提高鐵路運營隧道的安全性。做好對隧道的檢測評估工作是十分有必要的。目前對隧道災(zāi)害檢測的方法主要有聲波透射法、地質(zhì)雷達法、回彈法、高密度電阻率法、超聲回彈綜合法、紅外熱像法、三維激光掃描法等[4]。

2.1" " 聲波透射法

聲波透射法是指利用聲波在介質(zhì)中的傳播特性及有關(guān)參數(shù)，對介質(zhì)特征和內(nèi)部的構(gòu)造與缺陷進行探測的無損檢測方法[5]。檢測過程主要是通過敲擊襯砌結(jié)構(gòu)。襯砌結(jié)構(gòu)被敲擊時，結(jié)構(gòu)表面會產(chǎn)生振動并形成聲波。結(jié)構(gòu)表層存在脫空，會使結(jié)構(gòu)本身的彎曲剛度減小，并使被測結(jié)構(gòu)中由敲擊形成的彈性波衰減，所以脫空層聲波信號與密實處信號有明顯差別。聲波透射法精確度較高、技術(shù)完善，所以使用較廣泛，但其檢測速度慢、費時，且檢測效率也較低，不適用于大面積的檢測。

2.2" " 地質(zhì)雷達法

地質(zhì)雷達法也被稱為探地雷達法， 主要工作原理如下：利用地質(zhì)雷達自身所搭載的寬帶天線，將高頻寬帶短脈沖電磁波發(fā)射到待測得目的介質(zhì)。電磁波穿過不同的介質(zhì)層，反射后再返回被接收天線接收[6]。電磁波在傳輸過程中，受到所經(jīng)過介質(zhì)的介電特性和幾何形狀的影響，電磁波的波形、路徑、磁場強度會隨著介質(zhì)不同而發(fā)生一定程度改變。可以通過回波信號的時延、形狀及頻譜特性等參數(shù)，檢測地下目標(biāo)體的深度、介質(zhì)結(jié)構(gòu)以及性質(zhì)。探地雷達具備檢測迅速、精度高、樣點密、效率高等特點，能夠連續(xù)進行檢測，檢測結(jié)果一目了然，數(shù)據(jù)分析、判斷簡單便捷，在隧道施工與檢測過程中獲得普遍應(yīng)用。地質(zhì)雷達法主要用于檢測隧道襯砌厚度、襯砌中鋼筋布置、襯砌裂損及背后空洞、襯砌周圍積水等。

2.3" " 回彈法

回彈法是指利用回彈儀對混凝土表層進行彈擊，重錘受到彈力作用后回彈一定距離，然后使用回彈儀以及回彈錘來測試回彈的高度與錘擊的數(shù)值，最后利用相關(guān)數(shù)值關(guān)系來測算出混凝土的抗壓強度。回彈法具有簡單方便、檢測快速、檢測效率高等特點，不影響混凝土的結(jié)構(gòu)強度，支持重復(fù)檢測等優(yōu)點，所以在國內(nèi)隧道工程中的使用相對普遍。其中大多用于檢測襯砌混凝土強度是否合格。

2.4" " 高密度電阻率法

高密度電阻率法是指以巖土導(dǎo)電能力的差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，在人工施加穩(wěn)定電場作用下，探測地下傳導(dǎo)電流分布規(guī)律的一種檢測方法[7]。其優(yōu)點為可以一次性實現(xiàn)對多點位完成自動測量， 具有測點密集、成本低、效率高、地質(zhì)信息豐富等特點。

2.5" " 超聲回彈綜合法

超聲回彈綜合法，是指通過混凝土超聲波檢測儀與混凝土回彈儀，在混凝土同一測點上依次檢測聲速值和回彈值，并通過對混凝土強度、表面硬度與超聲波脈沖在混凝土中擴散規(guī)律之間建立的測強公式，來推斷混凝土結(jié)構(gòu)強度性能的一項測試技術(shù)。

聲波信號在混凝土中的傳播速度能反映混凝土的緊密程度，而混凝土的緊密程度則和混凝土的硬度相關(guān)，因而聲波信號在混凝土中的速度與混凝土強度之間存在相關(guān)關(guān)系。與單一的回彈法和超聲法比較，超聲回彈綜合法能夠減小混凝土齡期和含水率對檢測的影響，彌補兩種方法之間的不足，有效提高測試精度。

2.6" " 紅外線檢測法

紅外探測技術(shù)是指使用光學(xué)成像物鏡，接受被測目標(biāo)發(fā)射出的紅外輻射能量分布，并將其反應(yīng)到紅外探測器的光敏元件上，獲取被檢測目標(biāo)與其所處背景環(huán)境之間的紅外輻射強度差距，進而得到紅外熱像圖，以此來收集背景環(huán)境信息，最后做出檢測判斷。

紅外檢測具有檢測速度快、效率高等優(yōu)點，在隧道災(zāi)害檢測中主要應(yīng)用于滲漏水檢測和火災(zāi)檢測。但由于其是利用環(huán)境溫度進行檢測，因此收集的圖像分辨率較差，且容易受到隧道內(nèi)設(shè)備的干擾，設(shè)備價格昂貴，成本較高，為此實際應(yīng)用較少。

2.7" " 三維激光掃描法

三維激光掃描技術(shù)也被稱為“實景復(fù)原技術(shù)”，它運用激光測距的基本原理，記錄了被測物體表面大量密集點的三維位置、反射率以及紋理等信息。該技術(shù)結(jié)合計算機視覺和圖像處理技術(shù)，使掃描得到的結(jié)果直接顯示為點云，可實現(xiàn)高精度、自動化的量測，具有輕便、高效、可靠、經(jīng)濟等優(yōu)點。

3" "結(jié)語

在鐵路隧道建設(shè)過程中，由于施工缺陷部分隧道常出現(xiàn)拱墻背后空洞、襯砌厚度不足等問題。鐵路隧道在列車荷載、人類活動以及地質(zhì)運動的作用下，極易引發(fā)各類災(zāi)害類型與特點。本文按隧道地質(zhì)災(zāi)害的產(chǎn)生原因以及特征，重點介紹了隧道水害、襯砌裂損、隧道凍害、震害和火災(zāi)等5種鐵路隧道災(zāi)害類型與特點。根據(jù)不同隧道災(zāi)害類型，主要分析有聲波透射法、地質(zhì)雷達法、回彈法、高密度電阻率法、超聲回彈綜合法、紅外熱像法、三維激光掃描法等檢測方法的特點。文中所述內(nèi)容對鐵路災(zāi)害治理有一定的指導(dǎo)意義，可供相關(guān)技術(shù)人員參考。

參考文獻

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