隧道工程病害原因分析及防治技術(shù)探究

李鵬飛，楊江峰

(中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016)

1 公路隧道病害類型及成因分析

1.1 高溫?zé)岷εc寒區(qū)凍害

深埋長大隧道通過高地?zé)岬囟螘霈F(xiàn)不同程度的地?zé)岷栴}，影響較大的熱源多數(shù)為淺部地殼地溫場影響。隧道高溫主要危害是：影響施工人員身體健康甚至生命安全，降低勞動效率，機(jī)械設(shè)備故障率增加，影響混凝土質(zhì)量，造成部分路段出現(xiàn)路面裂縫、擁包、車轍、坑槽以及襯砌開裂等問題。

寒區(qū)凍害是指在寒冷地區(qū)，尤其是地下水比較發(fā)育時(shí)伴隨隧道初期質(zhì)量缺陷發(fā)生的季節(jié)性凍融、凍脹循環(huán)作用造成的周期性的結(jié)構(gòu)加載、卸載作用，對隧道主體結(jié)構(gòu)尤其是洞口結(jié)構(gòu)造成破壞，且極易造成隧道襯砌掛冰、道床積冰、底鼓、嚴(yán)重冰塞等病害，嚴(yán)重危及行車安全。

對于寒區(qū)凍害，調(diào)查研究表明，只有圍巖含水且含水量大于某一界限值時(shí)才會發(fā)生凍害。大多數(shù)硬巖、中硬巖是不會發(fā)生凍害的，含水量大于20%的IV、V級圍巖容易發(fā)生凍害。同一座隧道中發(fā)生凍害的部位是不同的，凍害一般發(fā)生在累計(jì)寒度大于400 ℃·d以上的洞口附近，洞內(nèi)一定范圍不會發(fā)生凍害。多數(shù)凍害發(fā)生的重要因素是隧道的初期缺陷，主要的表現(xiàn)有：隧道混凝土初期開裂；防水板鋪設(shè)不良、破損，止水帶失效；襯砌背后回填不密實(shí)、存在空洞；襯砌厚度不足；排水系統(tǒng)不完善造成排水不暢等。隧道凍害呈現(xiàn)季節(jié)規(guī)律性，春融后施工縫基本不漏水。

1.2 水害

隧道水害主要有襯砌滲漏水和路面地下水泛涌、竄流等導(dǎo)致襯砌開裂、凍脹、地基軟化、路面強(qiáng)度降低、路面濕滑等，嚴(yán)重影響行車安全。

1.3 隧道襯砌的化學(xué)腐蝕和開裂

隧道襯砌在化學(xué)侵蝕環(huán)境下，氯鹽導(dǎo)致鋼筋銹蝕，硫酸鹽等化學(xué)物質(zhì)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致混凝土損傷，鹽類結(jié)晶導(dǎo)致混凝土孔中結(jié)晶膨脹性的混凝土損傷，最終造成隧道混凝土腐蝕、酥松，成層剝落，強(qiáng)度下降及開裂，鋪底隆起、翻漿冒泥、洞內(nèi)水溝變形，降低隧道襯砌的整體承載能力，對運(yùn)營安全造成重大隱患。一般情況下隧道地下水滲入增加了水損害，導(dǎo)致混凝土腐蝕，增加了內(nèi)壁阻力，在寒冷的冬季會引發(fā)凍害，從而降低襯砌的耐久性，由此形成相互作用的惡性循環(huán)。

經(jīng)過對某隧道現(xiàn)場調(diào)查，多數(shù)破壞部位多集中在拱腳、邊墻腳、水溝溝壁、滲水的工作縫和滴水的壓漿孔附近。調(diào)查表明，滴水和滲水的部位比股水和漏水處的破壞嚴(yán)重；地下水位高的部位比低的部位破壞嚴(yán)重；通風(fēng)不良或混凝土不密實(shí)的部位比通風(fēng)良好或混凝土質(zhì)量良好的破壞嚴(yán)重。輕微破壞的混凝土，表面析出白色鹽硝，表層龜裂、剝離未露出粗骨料。嚴(yán)重破壞的混凝土，表面已剝離露出大石子，大片掉渣，潰散成豆腐渣狀。另外，混凝土完全處于水環(huán)境中，侵蝕速度較慢，但若處于干濕循環(huán)交替的環(huán)境下，則存在物理和化學(xué)的雙重腐蝕，而且物理腐蝕比化學(xué)腐蝕更快，出現(xiàn)結(jié)晶破壞也更為嚴(yán)重。

1.4 施工質(zhì)量缺陷病害

施工過程質(zhì)量缺陷主要是在隧道建設(shè)階段，由于復(fù)雜的地質(zhì)水文條件、勘察設(shè)計(jì)缺陷、施工質(zhì)量缺陷等造成隧道路面開裂、底鼓、變形，襯砌結(jié)構(gòu)脫空、厚度不足、開裂、掉塊等質(zhì)量缺陷。該類缺陷是其他各種病害的主要成因。

二襯裂縫成因分析。一是隧底結(jié)構(gòu)缺陷引發(fā)的不均勻沉降，二是二襯局部缺陷引起的局部應(yīng)力集中效應(yīng)，三是軟弱圍巖、活斷層等不良地質(zhì)大變形等原因造成。對某隧道調(diào)查發(fā)現(xiàn)，二次襯砌拱頂部位出現(xiàn)寬度0.5 mm的圈狀裂縫，對該板及鄰近的二襯進(jìn)行鉆孔排查，發(fā)現(xiàn)拱頂部位二襯厚度嚴(yán)重不足(厚度在0.05～0.2 m之間)、二襯與初期支護(hù)層間脫空嚴(yán)重。經(jīng)現(xiàn)場破檢發(fā)現(xiàn)，空腔內(nèi)防水板完好無損，初支面未見擠出、鼓包變形及滲漏水現(xiàn)象，說明既有二襯幾乎未參與結(jié)構(gòu)受力，裂縫的產(chǎn)生直接與脫空相關(guān)，推測由于二襯厚度過薄，在混凝土自重作用下內(nèi)緣混凝土局部受拉及二襯厚度不均勻?qū)е聭?yīng)力集中效應(yīng)，引發(fā)二襯混凝土開裂。

隧道路面底鼓變形成因分析。除不良水文地質(zhì)因素影響外，多數(shù)是設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量缺陷造成。對某隧道調(diào)查發(fā)現(xiàn)，瀝青路面中線縱向開裂，裂縫兩側(cè)形成明顯錯臺，已影響到隧道內(nèi)行車安全。隧底開挖后發(fā)現(xiàn)，路面以下仰拱及仰拱填充層為卵石混凝土，仰拱與填充分層不明顯；甚至為純卵石、片石或棄渣回填，混凝土總厚度僅約0.5 m，且沒有按原設(shè)計(jì)設(shè)置鋼格柵與二襯封閉成環(huán)，隧底結(jié)構(gòu)在車輛動載、上部結(jié)構(gòu)自重及圍巖荷載共同長期作用下，產(chǎn)生不均勻沉降變形，導(dǎo)致路面縱向開裂。

二襯厚度不足及背后脫空成因分析。經(jīng)過現(xiàn)場大量實(shí)例調(diào)查，主要原因是隧道欠挖或掘進(jìn)方向偏位、隧道測量放樣出現(xiàn)重大偏差、二襯臺車定位不準(zhǔn)造成。二襯與初期支護(hù)層間脫空，主要是施工工藝和人為因素引發(fā)施工過程中未按照規(guī)范要求施作且過程監(jiān)管不到位造成。

2 隧道病害防治技術(shù)

隧道維修處置的基本原則：首先，綜合調(diào)查后根據(jù)既有結(jié)構(gòu)缺陷與病害情況，綜合評價(jià)結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況；其次，對病害產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，制定針對性的維修設(shè)計(jì)方案；最后，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.1 高溫?zé)岷Ψ乐渭夹g(shù)

對于高地?zé)岬囟嗡淼?，首先，在施工階段就要重視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用復(fù)合式襯砌，并于襯砌混凝土內(nèi)參加礦粉、粉煤灰取代水泥用量，以控制水化熱與熱害疊加引起的混凝土芯部溫度和結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差；對通過導(dǎo)熱水?dāng)鄬拥囟蔚乃淼?，采用隔熱襯砌，其結(jié)構(gòu)形式為“初期支護(hù)+防水板+二次襯砌(外襯)+拱墻隔熱層+防水板+模筑襯砌(內(nèi)襯)”的結(jié)構(gòu)體系。其次，施工過程中，要加強(qiáng)通風(fēng)降溫、增設(shè)局扇降溫、冰塊降溫等措施，采取輪換休息、穿冰服等措施做好工人勞動保護(hù)，保證對施工環(huán)境危害降低。第三，隧道通車運(yùn)營以后，要制定合理的通風(fēng)方案對洞內(nèi)降溫，以滿足隧道運(yùn)營環(huán)境要求。

2.2 寒區(qū)凍害防治技術(shù)

對于寒區(qū)凍害地段隧道，首先，根據(jù)圍巖含水量，采取注漿止水方法避免凍結(jié)發(fā)生。其次，對排水系統(tǒng)采取保溫措施，在隧道洞口段設(shè)置適當(dāng)?shù)母魺釋拥缺卮胧?，采用“全包”或“半包”防水，保證良好通暢的排水系統(tǒng)。第三，加強(qiáng)過程控制，減少隧道初期質(zhì)量缺陷。主要措施有：

防水系統(tǒng)處置。第一，圍巖注漿堵水。在受凍害影響的洞口段(一般按500 m考慮)，對滲水圍巖進(jìn)行徑向注漿，降低圍巖滲透系數(shù)，減少地下水的排放。第二，結(jié)構(gòu)自身防水。襯砌混凝土采用防水混凝土，一般地段抗?jié)B等級不低于P10，地下水發(fā)育地段抗?jié)B等級不低于P12。第三，防水層防水。初期支護(hù)與二襯之間設(shè)置防水板并保證施工縫搭接質(zhì)量。第四，施工縫、變形縫防水。按照一級防水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置防水措施。第五，拱頂回填注漿。通過拱頂預(yù)埋注漿管二次注漿，注漿采用微膨脹型水泥砂漿。

排水系統(tǒng)設(shè)置。凍害地段隧道排水一般采用雙側(cè)保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞、電加熱等保溫防寒措施，輔助以出水口的盲管、泄水孔、橫溝、橫導(dǎo)洞、洞外暗溝以及保溫出水口等措施，以保證水流通暢。

保溫材料設(shè)置。隧道洞口段于初期支護(hù)與二次襯砌之間，設(shè)置5 cm厚硬質(zhì)聚氨酯保溫板加內(nèi)外兩層防水板構(gòu)成的全包裹式保溫層。隧道洞口水溝保溫材料主要有蛭石混凝土、礦渣棉、珍珠膨脹巖、泡沫聚氨酯、泡沫塑料等。

2.3 化學(xué)腐蝕防治技術(shù)

對含鹽等化學(xué)腐蝕隧道的設(shè)計(jì)、施工或整治，首先，減少地表水和地下水進(jìn)入隧道，采取地表溝谷改移或原溝鋪砌，將地表水引走以及降低地下水位等措施；其次，保證混凝土澆筑質(zhì)量，減少混凝土內(nèi)部缺陷。第三，加強(qiáng)防排水措施，減少出水地段干濕交替處腐蝕。洞內(nèi)設(shè)置“全包”式防水板，水管接頭應(yīng)緊密，適當(dāng)加密環(huán)向排水管、橫向排水盲管，縱向中心排水溝移至仰拱以下，降低地下水位。第四，二次襯砌宜采用防腐混凝土，提高混凝土性能，抵制地下水對混凝土的腐蝕；適當(dāng)加厚鋼筋保護(hù)層，提高合格率，減少鋼筋銹蝕。

2.4 施工質(zhì)量缺陷防治技術(shù)

施工質(zhì)量缺陷病害修復(fù)必須以合理的處置措施減少二次破壞為目的。如果襯砌裂縫分布廣、密度高、結(jié)構(gòu)深，存在嚴(yán)重變形或表層嚴(yán)重剝落等破壞問題，必須拆除重新施作。

拱墻襯砌缺陷處置技術(shù)。首先，輕軌套襯加固技術(shù)。主要適用于襯砌厚度評價(jià)為較薄、裂損評價(jià)為較嚴(yán)重，但是結(jié)構(gòu)尚未喪失承載能力的段落，處置要點(diǎn)是要保證輕軌與既有二襯面的密貼。其次，掛鋼筋網(wǎng)鋼纖維噴射混凝土加固，主要適用于襯砌厚度評價(jià)為略欠且裂損中等的段落，處置要點(diǎn)是新建噴射混凝土與既有二襯的可靠連接。對于二襯裂縫發(fā)育密集或二襯厚度嚴(yán)重不足(小于10 cm)或二襯混凝土強(qiáng)度等級低于C20的情形，不能采用此方案。第三，粘貼鋼帶補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)，主要適用于襯砌厚度評價(jià)為略欠、裂損中等至輕微的段落。主要作用是提高裂縫二襯的整體性并適當(dāng)改善其工作性能，其對防止拱頂二襯內(nèi)表面產(chǎn)生過大的混凝土拉應(yīng)力具有一定作用，尤其適用于拱頂、拱腰局部縱向裂縫。

隧道路面缺陷處置技術(shù)。第一，仰拱拆換技術(shù)。主要適用于路面隆起病害，因隧底缺陷導(dǎo)致路面發(fā)生錯臺斷裂、檢修道沉降傾斜，或鉆探揭示隧底混凝土厚度嚴(yán)重不足的地段。仰拱拆換中需對隧底排水系統(tǒng)進(jìn)行重建，隧底新建中心水溝與未處治段落接頭部位中心水溝應(yīng)順接，無法順接時(shí)可采用檢查井連接，確保排水通道暢通。第二，隧底注漿加固技術(shù)。主要適用于鉆探揭示芯樣厚度存在較小缺陷，且芯樣混凝土整體較為密實(shí)，局部存在虛渣松散的，且經(jīng)過多年運(yùn)營路面無隆起、無錯臺斷裂病害的。隧底注漿處置雖然是利用了注漿鋼管的微型樁支撐作用及注漿加固作用，但是其對隧底排水系統(tǒng)有不利影響。

其它質(zhì)量缺陷處置技術(shù)。二襯裂縫處治維修：對于寬度小于0.2 mm，可封縫膠直接封閉；對于寬度0.2～0.5 mm，可封縫膠封閉，低壓注膠；對于寬度大于等于0.5 mm，可V型開槽，封縫膠封閉，低壓注膠。襯砌背后脫空注漿維修：該注漿主要為填充作用，注漿壓力對于素混凝土二襯不大于0.1 MPa，對于鋼筋混凝土二襯不大于0.2 MPa，注漿時(shí)注漿鋼管不得刺破防水板，注漿期間密切關(guān)注二襯表面裂縫擴(kuò)展情況及二襯變形情況。

3 結(jié)束語

公路隧道病害治理是一項(xiàng)復(fù)雜且長期需要探究的問題，現(xiàn)階段各種處置技術(shù)必須根據(jù)實(shí)際病害情況，加以深入的調(diào)查試驗(yàn)、監(jiān)控檢測來選用，隨著我國科技進(jìn)步、交通強(qiáng)國及高質(zhì)量發(fā)展要求的不斷深入，隧道工程設(shè)計(jì)與建設(shè)將更趨合理、科學(xué)，將會有效實(shí)現(xiàn)病害的事前預(yù)防和過程控制，進(jìn)一步提升建設(shè)期施工質(zhì)量和運(yùn)營期結(jié)構(gòu)耐久。