運營隧道工程災害分析與治理策略

劉 翔，胡錦鵬，鐘 康，湯 宇，蘇志來

（1.中鐵五局集團第一工程有限責任公司，長沙 410117；2.長沙理工大學 汽車與機械工程學院，長沙 410004）

隨著國民經(jīng)濟的騰飛，中國隧道工程也進入了快速發(fā)展時代。隨著我國秦嶺終南山公路隧道（總長度18.02 km，規(guī)模世界第一，總長度居世界第二）、上海市崇明隧道橋、廈門翔安過海隧道等大型工程的建設，我國也逐漸成為目前世界上隧道總量最大的國家。據(jù)統(tǒng)計，目前我國鐵路隧道規(guī)模和總長突破7 000 km和4 000 km，均居世界首位。但我國各類隧道都出現(xiàn)了不同的病害問題，以我國隧道鐵路項目為例：1997年技術(shù)狀況檢測數(shù)據(jù)顯示，目前我國運營鐵路有隧道5 000多座，大多會發(fā)生不同病害問題，有的比較嚴重，且發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象的隧道有3 270座，占總運營數(shù)量的65%。為了減少隧道病害問題，需要根據(jù)我國隧道常見的病害種類，結(jié)合工程建設的實際情況，有針對性地提出對策，減少災害損失，其對隧道災害治理具有重大意義。

1 隧道災害類型及治理技術(shù)

1.1 隧道水害

隧道施工發(fā)生漏水，引發(fā)洪澇災害，對隧道安全、洞內(nèi)建筑、行人安全，以及隧道周邊景觀產(chǎn)生一系列不良影響，嚴重漏水可引起地面和地面建筑物不均勻沉降。通過目前的大規(guī)模施工經(jīng)驗可知，許多隧道建設時面臨相應的水患風險。因此，無論是在隧道建設中還是運營階段，都要注意隧道水害的發(fā)生，嚴格控制隧道內(nèi)的漏水現(xiàn)象。

趙新永[1]對新建高鐵成都至貴陽段某隧道水害情況進行原因分析，針對孔內(nèi)設排水孔排水減壓、垂直減壓孔，側(cè)壁盲管排水口增設橫向減壓孔提出了通過溝身或側(cè)壁裂縫治理及監(jiān)測等解決該問題的技術(shù)對策。為今后高鐵工程面臨這一問題提出參考，對高鐵隧道工程具有重大的意義。同時，針對寧連高速公路大老山隧道運行維護過程中的實際情況，郭斐[2]分析了隧道水害的原因及處理方法。在建筑防水方面，施工中突破性地在地下通道右線出口設置了376層的棚孔，這也是當時國內(nèi)創(chuàng)造性的施工。此方法在源頭上有效降低了該路段隧道內(nèi)洪澇災害的發(fā)生概率，同時確保了隧道內(nèi)良好的景觀、通風效果。

另一方面，在解決水災問題上，目前技術(shù)手段從“防范、排放、阻斷和堵塞”4個方面實施了相應措施[3]。預防措施也很重要，以新隧道為例，襯里工程防水多選用防水混凝土及外貼型防水涂料，考慮到實際使用效果，外貼型防水涂料已成為鐵路隧道建設防水維護的最常用方法。當鐵路隧道發(fā)生洪澇災害時，不可能通過裝填外裝型防水涂料的方法來解決，這樣就必須增設內(nèi)防水涂料。在實際施工中，內(nèi)防水涂料的主要功能不是阻止雨水直接進入墻內(nèi)，而是防止雨水直接流入隧道。另一方面，內(nèi)防水涂料的施工方法主要有以下3種：①噴涂相應的內(nèi)防水材料，包括橡膠混凝土、橡膠混凝土等產(chǎn)品；②刮板內(nèi)的防水涂料；③涂裝的防水層。

此外，排水是治理水災的有效方法之一。對于鐵路隧道，可通過鋪設巖石暗溝、盲溝和排水溝等，或在鋪設內(nèi)設置排水孔、排水管等設施，向排水溝引入水流，增設相應的深水溝。對于長、空間大的隧道，排水溝不能滿足排水要求的，應增設導坑或疏通現(xiàn)有的平行導坑。在寒冷地區(qū)的隧道中，為了排出隧道內(nèi)的積水，必須增設防寒排水孔等，杜絕或減輕鐵路隧道的水災問題。

對地表水量比較充足的淺埋隧道，土壤地表溝壑或洼陷的積水滲漏有時會對隧道造成危害，在這種情況下通過積水疏通、溝谷埋深和溝渠排水管埋深等方法，在隧道洞頂?shù)乇斫⑤^為完善的排水系統(tǒng)阻斷地表水，防止雨水進入隧道。另外，必須在開口部的仰斜面上增加排水溝和截水溝，確保有利的位置。對地下水比較充足、隧道下部排水溝不足或排水溝深度不足的隧道，應適當增加溝渠，如將單側(cè)溝更換為兩側(cè)溝以去除地基下部積水，保證隧道下部干燥穩(wěn)定等。

1.2 隧道凍害

隨著隧道運營期的增加，寒冷地區(qū)高速公路隧道凍害問題也越來越突出，其影響程度越來越大。據(jù)計算，我國約80%的寒冷地區(qū)隧道除出現(xiàn)滲漏、路基滑移和微裂縫等常見病害外，還會發(fā)生路基膨脹、模具筑造膨脹裂縫、水泥剝離、落塊、道路覆冰及排水溝凍結(jié)等嚴重凍害。

潘文韜等[4]針對九棉高速白馬隧道現(xiàn)場凍害情況，通過有限元模擬山嶺隧道洞口凍害問題，分析了寒冷地區(qū)隧道低溫下圍巖和襯里溫度場及其隨時空的變化規(guī)律，采用抗凍鋼筋混凝土在增大襯里厚度的同時，襯里背后采用U型供熱管法，施工縫襯里背部采用二熱源法、隧道內(nèi)供暖、地源熱泵、電伴熱等。現(xiàn)場采取措施后，有效減少了冷害的發(fā)生。根據(jù)高海拔地區(qū)的防凍保溫情況，鄭波等人對川西高原隧道的冷害問題進行了現(xiàn)場分析，構(gòu)建了既節(jié)約型材又能達到保溫施工效果的帶氣格柵階梯型保溫建筑結(jié)構(gòu)和施工工藝。由此，能夠在不降低防凍功能的情況下節(jié)約型材，削減工程成本。

針對目前隧道凍害治理技術(shù)，從一般隧道的保溫隔熱、排水措施等2個方面考慮后，產(chǎn)生了不同的隧道凍害治理方式。防凍隔熱法一般利用工程保溫的隔熱性，阻斷隧道洞內(nèi)空氣環(huán)境條件與襯里式結(jié)構(gòu)的熱交流。為了在季凍區(qū)運營隧道，保溫隔熱層一般是為了避免冬季戶外空氣冷風的侵入，從而襯里表層、巷道圍巖等內(nèi)部保持原有的環(huán)境溫度，保證避免凍傷的發(fā)生。該方法設置保溫隔熱防腐層材料，根據(jù)設置部位的不同一般包括表層敷設、中間敷設、離壁敷設和雙層敷設4種方式。保溫排水法，則一般利用深埋處理水溝和防寒泄洪洞的技術(shù)（圖1）。

圖1 保溫排水法

1.3 襯砌裂損

襯砌裂損病害是現(xiàn)階段公路隧道工程的主要病害，可通過雷達無損檢測設備進行檢測，其病害發(fā)生的最本質(zhì)原因是公路隧道建材與區(qū)域風化和流水侵蝕，現(xiàn)階段該病害治理主要側(cè)重主體加固和防滲兩方面。其典型病害為墻體老化、裂縫、滲漏水，以及端壁、側(cè)壁、表面層拱的下沉收縮等。

邵珠山等[5]對襯砌裂損的原因、裂縫的分類、裂縫的檢測方法和評價標準進行了系統(tǒng)詳細的調(diào)研和總結(jié)。襯砌裂縫在一定程度上影響隧道結(jié)構(gòu)的承載能力和穩(wěn)定性，裂縫的產(chǎn)生會降低混凝土強度，嚴重時還會導致隧道坍塌，影響行人和車輛的正常安全運行。為了及時發(fā)現(xiàn)和有效治理隧道襯里裂縫，需要對襯里進行裂縫先行檢查，并根據(jù)相關(guān)標準對裂縫形態(tài)進行分析判斷。

其主要治理對策可以分為以下2部分。

1）向背襯空腔注漿：病害治理用漿材料采用水漿混合漿單液形式，其中水泥組分占80%，粉煤灰組分為1∶10 000比例添加鋁粉金屬膨脹劑，經(jīng)灌前預制漿，該配方灌漿組分預計在正式灌注后目標空腔出現(xiàn)85%的有效組分結(jié)石，根據(jù)探地雷達傳輸?shù)目涨惑w積數(shù)據(jù)，結(jié)合雷達圖示進行估算，以保證灌注的最終效果，在充分考慮滲透系數(shù)和損失系數(shù)誤差的基礎上，在目標空腔中共灌注190.51 m3的有效灌漿單位體積[6]。

2）隧道襯里加固層加固：探地雷達實際檢測結(jié)果表明，目標公路隧道工程襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)部水分液體和外界地表地下水的長期滲流已嚴重侵蝕損壞拱結(jié)構(gòu)外層，其裂縫陷入公路隧道襯砌整體結(jié)構(gòu)，形成局部惡化的惡性循環(huán)。因此，為了恢復現(xiàn)有襯里的使用能力，必須根據(jù)現(xiàn)有襯里的厚度進行加強。在病害治理施工方式的選擇上，本次加固需要充分考慮區(qū)域行駛極限的實際要求和混凝土建材的材料特質(zhì)，重點須避免加固施工中再次出現(xiàn)混凝土成品氣泡空洞的問題。選擇振動加固輔助噴射混合模型構(gòu)建混凝土的方式，在拱區(qū)和垂直區(qū)分別進行30 cm的混凝土厚度加固，使最終產(chǎn)品美觀實用[7]。

1.4 隧道震害

地震災害破壞性特別強，給隧道工程帶來更大的損害，有必要加強這一領(lǐng)域的科學研究。

段曉彬[8]采用現(xiàn)場調(diào)研的方式對“5·12”汶川地震后川、甘、陜3省56座隧道進行了震害調(diào)查；喻凌峰[9]對不同隧道埋深結(jié)構(gòu)動力應變特征及震害機理展開了深入的研究，并通過構(gòu)建三維有限元數(shù)值模擬，根據(jù)土-結(jié)構(gòu)間的相互作用關(guān)系重點研究了洞門淺覆土區(qū)域隧道結(jié)構(gòu)不同埋深下的地震動力響應和隧道襯砌的破壞機理。

在隧道建設階段，一旦發(fā)生坍塌事件，應盡快清理隧道中的坍塌體，對坍塌腔進行回填處理，同樣要根據(jù)回填體開展適當?shù)墓喔燃庸坦ぷ鳌?/p>

值得施工人員特別重視的是，在具體回填工程中，無論選擇何種回填材質(zhì)、回填方法、澆注條件和相應的澆注時間，坍塌腔中施工部位的剛度、強度、產(chǎn)狀、結(jié)理及各參數(shù)等都無法恢復到圍巖的原始狀況。這使施工中坍塌部位慣性運動變化過大的同時，也增大了支撐構(gòu)件對應力的影響，由此會產(chǎn)生諸如落塊、鑄造襯里裂紋等各種惡性現(xiàn)象，如果情況更嚴重，鑄造襯里就會坍塌從而對工程進度造成更嚴重的影響。因此，隧道開挖過程中面對塌方段，在具體處理方案中應適當結(jié)合阻尼技術(shù)。

從目前國內(nèi)隧道工程的實際施工情況來看，最常見的減震措施是減震層和減震縫的設計。分析結(jié)果表明，設計阻尼層時不僅實施困難，同時施工的生產(chǎn)成本也高。由于兩片阻尼縫與施工縫能夠很好地組合，因此該方法在具體使用流程中的生產(chǎn)成本低，同時施工困難也小。

減震縫的合理設置方法如下。

1）初支緩沖接縫的設置。在隧道工程的具體實施中，為了保證初期支出的阻尼器裂縫的處理的耐誤斷性進一步提高，在工程的具體實施時，在阻尼器裂縫長度區(qū)域內(nèi)可以進行橡膠噴射混凝土（橡膠射灑混凝土工程是將橡膠顆粒摻入到普通噴灑混凝土工程中，采用該方法可以進一步提高噴灑混凝土的彈性），在具體實施工程中噴射混凝土強度應達到該工程設計初始支撐強度的三分之一以上，在緩沖裂縫兩側(cè)5~10倍長度的區(qū)域，可采用橡膠噴射混凝土代替一般噴射混凝土，從而顯著提高工程的整體施工效率。在緩沖裂縫中噴射混凝土的強度也要逐步提高到初始支撐的實際設計強度，才能進行初始支撐與初始支撐之間緩沖施工接縫的剛度和柔性鉸接的階段性轉(zhuǎn)換，從而逐步增強構(gòu)件的抗誤斷力，改善構(gòu)件的安全性，創(chuàng)造有利的施工條件。

2）設置二襯減震縫。隧道施工中雙層地板的緩沖接縫設計，在設計實施階段，應充分根據(jù)地板站臺門的具體工況尺寸，以及具體工況的設計要求，實施同步設計，即在具體設計實施階段施工接縫和二次模地板的緩沖接縫均應為同一截面。此外，施工接縫本身也應根據(jù)現(xiàn)場情況配置中埋式橡皮止水帶或迎水帶（與保護板接觸的面），為實現(xiàn)最終的止水目的而實施背貼式止水帶設計。

2 結(jié)束語

本文對隧道運營的災害治理類型及其治理技術(shù)進行了總體分析，這對隧道工程的發(fā)展和隧道災害的治理具有重大意義。但目前在運營隧道災害管理技術(shù)方面的研究還不夠充分，現(xiàn)有的管理技術(shù)還存在很多不足之處。展望未來，加強對隧道災害治理技術(shù)和關(guān)鍵裝備的研究，推動隧道災害整治施工技術(shù)和新裝備創(chuàng)新，加強智能化災害監(jiān)測技術(shù)和智能化新型裝備的研究，從而提高災害整治工作效率，支持隧道運營發(fā)展。