既有隧道病害現(xiàn)象分類(lèi)及原因分析

盧穎明，陳禮偉

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 610031)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模逐漸擴(kuò)大。高速公路，高速鐵路建設(shè)迅猛發(fā)展，尤其是隨著西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，為了縮短道路里程，滿足列車(chē)運(yùn)行速度的需要，在山區(qū)公路鐵路建設(shè)中已越來(lái)越重視隧道方案。隧道數(shù)量也日益增多，建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大。目前我國(guó)已建成的隧道總長(zhǎng)度和總數(shù)量均居世界第一。但由于地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)、施工及造價(jià)、運(yùn)營(yíng)、維修管理等方面的原因，隧道病害問(wèn)題日益突出。有些隧道的病害已經(jīng)嚴(yán)重影響到隧道的正常使用，甚至危及行車(chē)安全，有些雖然進(jìn)行了整治，但效果不甚理想。

為了既經(jīng)濟(jì)又合理地治理隧道病害，必須科學(xué)地評(píng)價(jià)隧道病害狀況，提出切中要害的整治方案。而對(duì)隧道病害現(xiàn)象進(jìn)行分類(lèi)，并分析各種病害現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是科學(xué)評(píng)價(jià)隧道病害狀況的首要前提。俗話說(shuō)“對(duì)癥下藥”，只有對(duì)隧道病害現(xiàn)象進(jìn)行正確而合理的分類(lèi)，才能準(zhǔn)確地把握住隧道病害的原因，并進(jìn)行綜合分析，為隧道病害的維修治理提供參考依據(jù)。

1 隧道病害現(xiàn)象分類(lèi)

隧道病害是影響隧道健康運(yùn)營(yíng)的一系列不良現(xiàn)象的統(tǒng)稱(chēng)，包括襯砌混凝土病害、基底病害、附屬設(shè)施病害、洞口病害等幾大類(lèi)別。其中，由物理或化學(xué)等原因引起的襯砌混凝土開(kāi)裂、漏水、腐蝕、疏松、表面脫落或者掉塊等襯砌混凝土病害，是影響健康運(yùn)營(yíng)最主要的病害群。這些病害不僅降低了隧道結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性以及實(shí)用性，還會(huì)誘發(fā)其他類(lèi)型的病害，直接縮短隧道的使用壽命。

根據(jù)調(diào)查分析，隧道一般的病害現(xiàn)象包括襯砌開(kāi)裂、剝離、剝落及接縫錯(cuò)裂、漏水、結(jié)冰、襯砌背后空洞、圍巖掉快、流土流沙、材料老化、襯砌屈服等病害現(xiàn)象。隧道的病害是多種多樣的，分類(lèi)方法也是各有不同。本文將從產(chǎn)生病害的原因著手，介紹四種隧道病害現(xiàn)象。

2 由外力引起的隧道病害

由外力引起的隧道病害很多，如襯砌變形、開(kāi)裂、移動(dòng)、凍脹(鼓出、開(kāi)裂)、下沉，洞門(mén)前傾等。而引起隧道病害的外力又分為很多種，有松弛地壓力、偏壓蠕動(dòng)、滑坡、膨脹性土壓力，每種類(lèi)型的外力產(chǎn)生的病害現(xiàn)象也有所不同。

2.1 松弛地壓力

松弛地壓力是指圍巖自然松弛，不能支持其自重而作用在襯砌上的荷載。多以垂直壓力為主，容易導(dǎo)致隧道拱部沿隧道縱向產(chǎn)生張開(kāi)性的裂縫。而垂直壓力的大小沿隧道橫斷面多為馬鞍形分布，這也是為什么在拱腰處縱向裂縫較多的原因。還有一種松弛土壓力，當(dāng)隧道襯砌上部有較大的空洞，而空洞上部圍巖突然掉落沖擊襯砌結(jié)構(gòu)，襯砌由于承載力不足就會(huì)發(fā)生垮塌性破壞，這種病害的破壞性很大。實(shí)際工程中因?yàn)樗沙谕饬σ鸩『Φ乃淼篮芏唷Ｎ挥诟＝ㄊ↓垘r市境內(nèi)的漳龍高速公路龍門(mén)隧道由于煤層采空，襯砌回填不密實(shí)，完工后不久就產(chǎn)生局部開(kāi)裂，甚至發(fā)生圍巖坍塌掉塊現(xiàn)象［1］。巴彭公路隧道在1998年8月發(fā)生掉塊，造成車(chē)輛損傷，隧道無(wú)法正常使用，被迫關(guān)閉交通［2］。

隧道因圍巖松弛壓力產(chǎn)生病害的原因如下:

1)圍巖自重、列車(chē)振動(dòng)使圍巖松弛;

2)因風(fēng)化降低節(jié)理面的結(jié)合力;

3)砂質(zhì)圍巖中細(xì)顆粒成分流失使黏結(jié)力降低;

4)施工襯砌厚度不足;

5)襯砌劣化，接縫材料劣化。

2.2 偏壓、坡面蠕動(dòng)

隧道在偏壓、蠕動(dòng)下有兩種形式的病害:一是當(dāng)隧道走向與坡面平行時(shí)，在靠近山側(cè)拱腰處產(chǎn)生水平張拉開(kāi)裂、錯(cuò)動(dòng)，而另一側(cè)拱腰處襯砌則產(chǎn)生壓潰。二是當(dāng)隧道走向垂直坡面時(shí)，洞口一般容易產(chǎn)生被動(dòng)拉力或壓力，洞口襯砌產(chǎn)生環(huán)向裂縫，錯(cuò)臺(tái)等。廣東省清遠(yuǎn)市境內(nèi)的清遠(yuǎn)—連州一級(jí)公路107國(guó)道六甲洞隧道北口，圍巖偏壓造成隧道襯砌擠壓變形，錯(cuò)臺(tái)開(kāi)裂達(dá)70 cm，甚至發(fā)生坍塌掉塊，嚴(yán)重影響正常交通［3］。

隧道因偏壓、坡面蠕動(dòng)產(chǎn)生病害的因素有內(nèi)外兩種:

1)內(nèi)因。在設(shè)計(jì)階段，偏壓襯砌、填土、上部挖方等因素考慮不全，河側(cè)邊墻基礎(chǔ)嵌入深度不足，沒(méi)有設(shè)計(jì)仰拱;在施工階段，襯砌背后有空洞、剎肩不良、厚度不足。

2)外因。隧道選址不當(dāng)，在強(qiáng)風(fēng)化帶、軟巖滑坡體地質(zhì)地帶，埋深小、有巖堆、崩塌地、河流沖刷面等地易引發(fā)隧道病害。暴雨、地震等自然災(zāi)害也會(huì)增加病害發(fā)生的可能性。

2.3 滑坡

構(gòu)成斜坡的地表表層因地下水而產(chǎn)生的滑動(dòng)現(xiàn)象，或者隨之產(chǎn)生的移動(dòng)現(xiàn)象均稱(chēng)為滑坡。當(dāng)隧道正好處于滑坡地帶時(shí)，襯砌在靠山側(cè)拱部、邊墻產(chǎn)生水平開(kāi)裂、錯(cuò)動(dòng)，拱頂壓潰、坍塌、邊墻收斂、軌道變形、側(cè)溝錯(cuò)動(dòng)、路基變形、底鼓、地表下沉、開(kāi)裂。四川甘孜州巴塘縣境內(nèi)的波戈溪隧道進(jìn)口左側(cè)仰坡于2005年4月13日發(fā)生滑坡，仰坡下錯(cuò)最大裂縫1.6 m，嚴(yán)重威脅隧道安全［4］。

滑坡的發(fā)生原因很大一部分是滑面黏土由于地下水的作用而強(qiáng)度降低，坡體在自重或地震等外力的作用下沿滑面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)?；露嗯c水有關(guān)，當(dāng)?shù)乇硭秩牖?，或地下水上升浸?rùn)滑面，發(fā)生滑坡的可能性就比較大。另外，火山作用、地震、鉆爆開(kāi)挖都是滑坡的誘因。

2.4 膨脹性土壓

隧道承受膨脹性土壓，造成邊墻或者拱肩水平開(kāi)裂、邊墻擠出、凈空收斂大、底鼓、拱頂壓潰等病害現(xiàn)象。這種膨脹性土壓力的一般特征是圍巖位移和土壓隨時(shí)間長(zhǎng)期增長(zhǎng)，進(jìn)而產(chǎn)生襯砌破損。成昆線百家?guī)X隧道K196+566.6～K196+736.6段位于膨脹地層，修建完后拱部開(kāi)裂掉塊，起拱線處開(kāi)裂外擠錯(cuò)臺(tái)達(dá)60 mm;邊墻中部發(fā)育張性裂縫掉塊，外擠最大達(dá)150 mm。拱頂和兩側(cè)拱腰均有開(kāi)裂通縫，最長(zhǎng)達(dá)4 000 mm，裂縫寬度 10 ～20 mm［5］。

膨脹性土壓引起隧道病害的原因分內(nèi)外兩方面:

1)內(nèi)因。隧道襯砌結(jié)構(gòu)上有缺陷，背后有空洞，厚度不夠，無(wú)仰拱，直邊墻。

2)外因。隧道位于含大量蒙脫石的新第三紀(jì)泥質(zhì)巖、凝灰?guī)r、風(fēng)化變質(zhì)的結(jié)晶片巖、變質(zhì)巖、變質(zhì)安山巖、蛇紋巖、斷層破碎帶等富含膨脹性巖石中，圍巖遇水則膨脹，產(chǎn)生作用于隧道襯砌和支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力，從而引起隧道的變形破壞。

3 由襯砌材料劣化引起的隧道病害

襯砌材料劣化引起的隧道病害，視其環(huán)境、施工條件、使用條件等各不相同。病害發(fā)生的時(shí)期及發(fā)展性也大不相同，與時(shí)間有密切關(guān)系。一般而言，材料劣化種類(lèi)很多，且并不是單獨(dú)產(chǎn)生，很多情況下幾種病害現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生，相互助長(zhǎng)使病害加重。這些病害的發(fā)生、發(fā)展與隧道的地理環(huán)境、水文情況、地質(zhì)條件、防水設(shè)施、混凝土品質(zhì)、配合比、通風(fēng)條件等有密切的關(guān)系。材料劣化引起隧道病害的現(xiàn)象與原因見(jiàn)表1。

表1 材料劣化的原因和隧道病害現(xiàn)象

續(xù)表1

4 由水引起的隧道病害

水引起的病害是隧道最主要的質(zhì)量通病。在運(yùn)營(yíng)隧道中，滲漏水是最常見(jiàn)的病害，有“十洞九漏”之說(shuō)。一般情況，隧道滲漏病害的表現(xiàn)形式主要有拱頂滲水、滴水，拱腳滲水、淌水，伸縮縫部位滲水、淌水，側(cè)墻滲水、淌水，局部涌水、涌泥，道床積水、翻漿冒泥等。在寒冷地區(qū)，還會(huì)導(dǎo)致路面凍結(jié)，形成冰堆、冰坡，以及拱頂掛冰，嚴(yán)重影響了行車(chē)安全。同時(shí)，由于襯砌內(nèi)水的凍脹而對(duì)混凝土造成凍害。凍害是寒冷地帶導(dǎo)致襯砌混凝土劣化的主要原因。隧道滲漏水導(dǎo)致襯砌混凝土劣化和砂土流出，結(jié)構(gòu)承載力下降，引發(fā)病害。因此，弄清楚隧道水害的成因、機(jī)理是治理隧道水害的基礎(chǔ)。

根據(jù)楊新安等［2］人的研究，隧道水害的成因是，修建隧道，破壞了山體原始的水系平衡，改變了原有地下水的滲流規(guī)律，隧道成為所穿過(guò)山體附近地下水集聚的通道，使隧道處于地下水的包圍之中。當(dāng)隧道圍巖與含水地層連通，而襯砌的防水及排水設(shè)施、方法不完善時(shí)，隧道水害就必然要發(fā)生。將隧道的水害歸結(jié)為客觀和主觀兩個(gè)方面的原因。

4.1 客觀原因:隧道穿過(guò)含水或透水的地層

1)砂類(lèi)土和漂卵石類(lèi)土含水地層;

2)節(jié)理、裂隙發(fā)育，含裂隙水的巖層;

3)石灰?guī)r、白云巖等可溶性地層，當(dāng)有水的溶槽、溶洞或暗河等與隧道連通時(shí);

4)淺埋隧道地段，地表水可沿覆蓋層的裂隙、空隙滲透到隧道內(nèi)。

4.2 主觀原因:隧道襯砌防水及排水設(shè)施不完善

1)原建隧道襯砌防水、排水設(shè)施不完善;

2)混凝土襯砌施工質(zhì)量差，蜂窩、空隙、裂縫多，自身防水能力差;

3)防水層施工質(zhì)量不良或材質(zhì)耐久性差，使用數(shù)年后失效;

4)混凝土襯砌的施工縫、伸縮縫、沉降縫等未做好防水處理;

5)襯砌變形后產(chǎn)生的裂縫滲透水;

6)既有排水設(shè)施，如襯砌背后的暗溝、盲溝，無(wú)襯砌的輔助坑道、排水孔、暗槽等，年久失修阻塞。

隧道建設(shè)分為勘測(cè)設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收等階段，在每一個(gè)階段或材料供應(yīng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，都可能引發(fā)隧道水害。例如，設(shè)計(jì)階段對(duì)水文情況調(diào)查不仔細(xì)、對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不足、工程防水標(biāo)準(zhǔn)不合理、受力分析不夠、結(jié)構(gòu)細(xì)部防水設(shè)計(jì)不詳細(xì)等均會(huì)造成隧道滲漏。施工階段中常出現(xiàn)的附加防水層接縫處理不好導(dǎo)致漏水，防水材料品質(zhì)不過(guò)關(guān)導(dǎo)致防水失效，防水材料與基面粘結(jié)不良或不適應(yīng)等均會(huì)產(chǎn)生水害現(xiàn)象［6-8］。

另外，隧道滲漏與其他病害是密切相關(guān)的。考慮水的可流動(dòng)性和水壓的傳遞性，隧道的襯砌結(jié)構(gòu)往往要承受較高的水頭壓力，在這樣的條件下，襯砌中的任何缺陷和病害都可能成為滲漏水的通道。反過(guò)來(lái)，滲漏水又會(huì)加速各類(lèi)病害的發(fā)生和發(fā)展，影響隧道的使用性能和使用壽命。因此，隧道滲漏水實(shí)際上是隧道各種病害的綜合反映。

5 由其他原因?qū)е碌乃淼啦『?/h2>

5.1 地震

我國(guó)現(xiàn)有的隧道相當(dāng)多位于地震區(qū)，地震引起的隧道病害尤其以華北、西南和西北的鐵路、公路隧道處于高烈度者居多。例如，位于8、9度地震區(qū)的鐵路隧道，成都鐵路局有113座，北京鐵路局有110座，蘭州鐵路局有70座。這些隧道絕大部分都有病害。

地震對(duì)隧道工程的破壞相當(dāng)大，而且很多是毀滅性的破壞。1995年日本兵庫(kù)縣南部7.2級(jí)地震，造成100多座隧道損壞?！?.12”汶川大地震中寶成鐵路徽縣109隧道破壞導(dǎo)致鐵路運(yùn)輸中斷等。所以地震引起的隧道病害也應(yīng)得到充分的重視。

地震引起的隧道病害主要的表現(xiàn)形式有:

1)主體結(jié)構(gòu)襯砌裂損、錯(cuò)臺(tái)、變形、邊墻斷裂、基線移動(dòng)、崩塌、掉塊;

2)襯砌背后圍巖松動(dòng)掉落而擠壓支護(hù)結(jié)構(gòu)，使鋼筋屈曲變形;

3)路基發(fā)生底鼓，基底擠壓破壞，土砂流入，涌水翻漿;

4)洞口山體滑坡，洞門(mén)開(kāi)裂，前傾，墻端破損，嚴(yán)重的會(huì)崩塌埋沒(méi)，特殊地層塌陷;

5)引發(fā)次生災(zāi)害，如火災(zāi)、水害、毒氣、山體滑坡等。

公路鐵路隧道是道路線路的控制工程，中長(zhǎng)隧道更是國(guó)家生命線工程。為防止和減輕隧道震害，必須將綜合治理、防范為主的思想貫穿到選線、設(shè)計(jì)、施工、維修養(yǎng)護(hù)等各個(gè)階段。根據(jù)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行防震設(shè)計(jì)，對(duì)處于6度以上地區(qū)的隧道必須進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的地震安全性評(píng)價(jià)工作。

5.2 有害氣體

隧道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中有害氣體的主要來(lái)源是交通車(chē)輛、電氣設(shè)備等釋放出多種有害氣體。瓦斯隧道本身還會(huì)釋放出瓦斯氣體。在長(zhǎng)隧道中拋棄廢物也會(huì)分解出各種有害氣體，還有火災(zāi)產(chǎn)生的煙，這些都屬于有害氣體。而隧道是一個(gè)閉塞區(qū)間，一般只有進(jìn)出口處與大氣相通，隧道內(nèi)的有害氣體不能很快消散，當(dāng)積累的濃度超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)造成嚴(yán)重的危害。

1)危害養(yǎng)護(hù)維修人員和乘客的身體健康，使人中毒;

2)腐蝕隧道內(nèi)的結(jié)構(gòu)物、鋼軌、扣件等設(shè)備;

3)降低隧道內(nèi)能見(jiàn)度，妨礙行車(chē)安全和維修工作的正常進(jìn)行。

采用科學(xué)的通風(fēng)排氣設(shè)備系統(tǒng)，保持良好的通風(fēng)條件能解決隧道內(nèi)有害氣體的危害。選擇合理的通風(fēng)方式和參數(shù)，需要對(duì)隧道內(nèi)有害物質(zhì)的成分、濃度、分布范圍進(jìn)行調(diào)查。還需要對(duì)有害氣體的允許濃度標(biāo)準(zhǔn)、對(duì)人體健康的影響和改善洞內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的措施等問(wèn)題進(jìn)行深入的研究。

5.3 火災(zāi)

隧道是交通的咽喉要道，無(wú)論是公路鐵路或地鐵隧道，火災(zāi)都是極其危險(xiǎn)的。由于隧道和地鐵建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，環(huán)境密閉，人員密集，一旦發(fā)生火災(zāi)，撲救難度大，人員難以疏散，造成的損失非常大。1996年11月18日英法海峽隧道發(fā)生大火，約600 m隧道造成嚴(yán)重破壞，400 mm厚的混凝土內(nèi)壁出現(xiàn)剝離，鋼軌扭曲，中斷交通達(dá)半月，造成約2.3億英鎊的損失。還有倫敦、東京、巴黎、莫斯科地鐵發(fā)生的恐怖事件，爆炸引發(fā)火災(zāi)，讓人記憶猶新［2］。

根據(jù)大量資料統(tǒng)計(jì)，隧道和地鐵發(fā)生火災(zāi)的原因有:

1)空間狹小，能見(jiàn)度低，容易發(fā)生車(chē)禍，引發(fā)可燃物品爆炸起火;

2)隧道電氣線路或電氣設(shè)備短路，車(chē)輛電器設(shè)備短路引發(fā)火災(zāi);

3)隧道內(nèi)工作人員用火不當(dāng)?shù)纫l(fā)火災(zāi);

4)輪軌摩擦產(chǎn)生火花引起火災(zāi);

5)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗^(guò)高時(shí)遇火爆炸;

6)人為縱火或恐怖襲擊。

6 結(jié)論

1)隧道在運(yùn)營(yíng)中會(huì)出現(xiàn)滲漏水(水害)、襯砌裂損、腐蝕、凍害、震害和洞內(nèi)空氣污染等病害，還有火災(zāi)威脅。這些病害和危害嚴(yán)重威脅著隧道的安全、舒適及正常地運(yùn)營(yíng)。其中襯砌裂縫和滲漏水是隧道中最為普遍而且對(duì)隧道運(yùn)營(yíng)影響最大的病害，并且會(huì)導(dǎo)致其他病害的產(chǎn)生，是防治的重點(diǎn)。因此，在隧道規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段要預(yù)防可能的病害威脅，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì);在隧道施工階段要采取合理的高質(zhì)量的施工工藝、方法、措施和材料;在隧道運(yùn)營(yíng)階段要及時(shí)檢查，發(fā)現(xiàn)病害，分析病害成因，及時(shí)采取合理的整治設(shè)計(jì)和施工方法。如此，在各個(gè)階段都控制病害的發(fā)生，才能最終將隧道病害發(fā)生的可能性降到最低。

2)隧道病害在多種內(nèi)外因素的共同作用下表現(xiàn)的形態(tài)特征復(fù)雜多樣，要分析其原因非常困難。通過(guò)對(duì)已有隧道病害所表現(xiàn)的不同形態(tài)進(jìn)行調(diào)查分類(lèi)，分析其產(chǎn)生的機(jī)理，并將隧道病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行歸納總結(jié)，建立隧道病害數(shù)據(jù)庫(kù)，將其與專(zhuān)家系統(tǒng)相結(jié)合，這是目前隧道病害治理的發(fā)展方向。

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