隧道工程常見病害與施工處理技術的實踐路徑

谷鳳先

摘 要：隧道工程在施工和使用過程中往往會遭遇各種病害，如滲水、裂縫、支護不穩(wěn)和地層沉降等，如果病害處理不及時，可能導致嚴重的安全隱患?；诖?，詳細分析隧道工程中的常見病害及其成因，提出一系列施工處理技術及其實踐路徑，旨在為隧道工程施工和維護提供參考。

關鍵詞：隧道工程；常見病害；施工處理技術；實踐路徑

中圖分類號：U455.49? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2024）02-0016-03

1 隧道工程常見病害

1.1 滲漏問題

隧道工程在設計和施工過程中，常常會面臨各種技術和環(huán)境挑戰(zhàn)。其中滲漏問題尤為突出，成為影響隧道穩(wěn)定性和使用壽命的關鍵因素。

滲漏問題的發(fā)生通常源于多種原因的綜合作用，地層本身的性質決定了隧道的滲水特性，比如含水量較高或孔隙率大的地層更容易導致水分滲入隧道內部。隧道施工中的技術問題也會加劇滲漏現(xiàn)象，如施工過程中的爆破或挖掘可能會破壞原本相對密實的地層結構，從而增大滲水通道[1]。隧道支護結構的不足或施工質量問題也可能導致水分穿越隧道壁體。長時間的水侵蝕可能會進一步加速隧道結構的劣化，導致隧道的失穩(wěn)或塌方，從而給人員和財物安全帶來嚴重威脅。地下水流動性的變化、季節(jié)性的雨水滲透以及周圍環(huán)境的開發(fā)活動都可能影響隧道的滲漏情況。

1.2 結構裂縫

在長期的使用和環(huán)境影響下，隧道工程也會出現(xiàn)結構裂縫病害。無論是表面性結構裂縫還是深層結構裂縫，都會對隧道的穩(wěn)定性和使用安全帶來潛在風險。

隧道施工過程中，不恰當?shù)乇?、挖掘或材料的選用，都可能導致應力集中或內部應力不均，進而導致裂縫的產(chǎn)生。地下的地質結構變化和地震活動也是裂縫產(chǎn)生的常見原因。地層的移動或震動可能導致隧道受到不均勻的外部力，使結構產(chǎn)生應變，最終導致裂縫的形成。

隨著時間的推移，這些裂縫可能會在環(huán)境因素如溫度、濕度變化或凍融循環(huán)的影響下逐漸擴大。甚至會因為侵入水分，并通過這些裂縫進入隧道內部，對隧道材料造成腐蝕，從而引發(fā)滲漏問題，使裂縫問題進一步惡化。

1.3 支護不穩(wěn)

隧道工程中，支護結構的穩(wěn)定性對于確保隧道安全和延長其使用壽命至關重要。當支護不穩(wěn)或其完整性受到威脅時，隧道工程的安全性會受到嚴重的挑戰(zhàn)。

支護不穩(wěn)的表現(xiàn)形式多種多樣，例如支護體系的位移、變形、局部破損等，其產(chǎn)生的原因也是多方面的。地下水的沖刷和侵蝕，地層的壓力變化，隧道施工中的不當操作、選材不當，以及長期的物理或化學腐蝕都可能導致支護不穩(wěn)。

隧道施工中，若施工方法不當，例如支護的預應力設置不合理或鋼筋籠的焊接不牢固，可能導致支護的初期不穩(wěn)定。隧道工程會穿越不同的地質結構，不均勻應力、地層變化或地下水流動，都會對支護結構產(chǎn)生不利影響。地下水對隧道支護的影響尤為顯著，過多的水流會對支護結構造成沖刷，導致其材料被剝蝕、結構強度減弱。

不均勻的土壤壓力或者鄰近的建筑、交通等人為活動也可能增加隧道的外部載荷，導致支護承受過大的壓力，從而使其穩(wěn)定性下降。

1.4 地層沉降

地層沉降是由于土壤體積的減少或內部結構的重組而導致的地表下沉。地層沉降不僅可能影響隧道本身的穩(wěn)定性和完整性，還會對地表上的建筑物和基礎設施造成影響，帶來安全隱患。鄰近的建筑或基礎設施施工也可能對隧道施工區(qū)域的地層產(chǎn)生壓力或引發(fā)土壤移動，從而導致沉降。

在隧道施工中，土壤或巖石的移除會導致地下空間的形成。如果這些空間沒有得到及時和恰當?shù)闹ёo或填充，土壤可能會因重力作用而下沉。地下水流動、抽取或積聚都可能改變土壤的承載能力，尤其是在含有大量黏性土或疏松沙土的地方，地下水的變動會導致土壤的壓縮或重組，從而引發(fā)沉降。

施工中，爆破、鉆探或其他機械操作也會引起地層的振動。這種振動會導致土壤顆粒重新排列，造成沉降。隨著時間的推移，土壤可能會因為有機物的分解、化學反應或其他生物活動而發(fā)生變化，這些變化可能會影響土壤的結構和承載能力。

2 隧道工程常見病害的施工處理技術

2.1 加強防水設計與施工

為應對水的侵入和積聚，加強防水設計與施工是至關重要的步驟。由高彈性、耐磨損、耐腐蝕的材料制成的防水涂層，如聚合物、瀝青等，可為隧道壁體提供一個阻隔層，防止外部水分直接與隧道結構接觸。技術要點包括：確保涂層材料的適應性、均勻地涂抹、確保厚度一致以及充分固化等。

地下水排水系統(tǒng)包括一系列的排水渠槽、集水井和泵站，用于收集、引導并將積聚的水分排出隧道。這些系統(tǒng)的設計和施工必須考慮到地下水的流向、流速和流量。技術關鍵為：①確保渠槽的坡度和截面大小能夠滿足實際的水流需求。②集水井的布局應考慮到隧道的最低點和地下水的高潮位，以確保有效的水收集。③泵站的配置和設計要確保其在大流量時仍能有效工作，且能防止水回流。

通過防水涂層和地下水排水系統(tǒng)，可以大大降低隧道工程中的滲漏風險，確保其長期的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 采用彈性材料修補

在隧道工程中，采用彈性材料進行修補是一種常見且有效的方法，尤其是針對裂縫、接縫和局部損傷等問題。如聚氨酯、硅橡膠等彈性材料，因其出色的伸縮性和附著力而受到工程師的青睞。彈性材料具有高度的延展性和恢復性，這使得其能夠在受到外部壓力或地下環(huán)境變化的影響時，吸收并分散應力，從而減少再次損傷的可能性[2]。

彈性材料可以很好地與隧道原有的結構材料結合，形成一個均勻、連續(xù)的修補層。在修補之前，要確保裂縫或損傷部分被徹底清理，去除任何松散的碎片或塵埃，確保彈性材料能與基材完美附著。不同的隧道病害和環(huán)境條件需要選擇合適的彈性材料。例如，對于經(jīng)常暴露于水的部位，應選擇具有高度防水性的彈性材料。

大多數(shù)彈性材料都有其適宜施工的溫度范圍。因此施工時，要確保環(huán)境溫度處于控制范圍內，以確保材料的性能和耐久性。修補完成后，需要給予足夠的時間讓彈性材料完全固化。固化期間，應避免對修補部位施加任何外部壓力或載荷。

2.3 加固隧道結構支撐

加固隧道結構支撐的目的是確保隧道安全、提高其承載能力，并延長使用壽命。通過加固材料和技術強化或修復受損結構，使其重新分配荷載，從而達到加固效果。加固材料能提高隧道結構的剛度和承載能力，從而提高其對外部荷載和環(huán)境變化的抵抗能力。

在進行加固前，需要對隧道結構進行全面評估，確定加固的范圍、方式和必要性。常用的加固材料有鋼筋混凝土、碳纖維復合材料、預應力錨桿等。選擇時，應考慮隧道的使用環(huán)境、荷載情況和結構特點。采用適當?shù)氖┕すに嚭晚樞颍_保加固材料能夠與原有結構緊密結合，發(fā)揮最佳作用。例如，使用碳纖維板加固時，需要確?；谋砻娓蓛簟⒋植?，以提高附著效果。對加固過程進行嚴格的質量控制，包括材料檢驗、施工質量檢查以及后期的效果驗證。加固隧道結構支撐是一個系統(tǒng)工程，需要結合隧道的具體情況，選擇合適的方法和材料，確保施工質量，從而實現(xiàn)加固的目的。

2.4 監(jiān)測與早期干預

為應對地層沉降，對其進行有效監(jiān)測并在早期進行干預，對確保工程安全和降低維修成本至關重要?？墒褂贸两涤^測儀、水平尺、測斜儀等進行定期或連續(xù)監(jiān)測?？稍诘乇碓O立固定的標識物，如沉降標、水平基準點等，通過對比多次觀測數(shù)據(jù)，計算沉降量?？赏ㄟ^無人機、衛(wèi)星等方式獲取地表形態(tài)變化的數(shù)據(jù)，進行大面積的沉降監(jiān)測?？赏ㄟ^地下聲波探測，實時監(jiān)測地層的結構和運動。可通過地下水泵抽或改變地下水流動路徑，減少地下水對土壤的侵蝕和流失，從而控制地層沉降。

可通過向沉降區(qū)域注入水泥漿、化學漿等材料，增強土體的承載能力和穩(wěn)定性。在沉降傾向嚴重的地方，利用預應力錨桿提供額外的支撐力，增加土體的穩(wěn)定性。可采用如頂管法、盾構法等施工方法，減少對地層的擾動，從而控制沉降。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，建立地層沉降的預測模型，提前預測可能出現(xiàn)的沉降情況，并采取早期干預措施。

3 隧道工程病害施工處理技術的實踐路徑

3.1 診斷與評估分析

隧道工程病害施工處理依托于準確地診斷與評估分析，而數(shù)據(jù)收集是診斷的基礎。通過現(xiàn)場調查、紅外線掃描和無損檢測技術如超聲波、地質雷達等手段，可以獲取關于裂縫寬度、深度、位置和其他物理參數(shù)的詳細信息[3]。

實驗室分析可以進一步揭示問題的根源。對土壤和巖石樣品可以進行壓縮、抗剪、滲透等測試，為后續(xù)評估提供關鍵數(shù)據(jù)。針對隧道的具體部位和結構，可以采用專用診斷工具。例如，對于隧道襯砌，可以使用荷載板試驗和回彈儀來評估其結構完整性和承載能力。

使用3D激光掃描可以精確地記錄隧道的幾何形態(tài)和變形情況，幫助分析沉降和位移的趨勢。通過水位觀測井和滲透測試，可以得知地下水位的變化及其對隧道結構的潛在影響?；瘜W分析能檢測到是否存在可能導致腐蝕或礦化的有害化學物質，這對于鋼筋混凝土結構尤為關鍵。

3.2 選擇合適的修復材料

隧道工程病害修復中，選擇合適的材料是關鍵步驟。在決策過程中，要提前進行材料性能測試。針對特定病害，例如裂縫或空腔，可以選擇高強度混凝土或砂漿，確保它們與現(xiàn)有結構的緊密結合和持續(xù)性。

當面臨襯砌強化時，碳纖維復合材料（CFRP）是理想選擇，其輕便、高強度的特性允許其輕松貼附在不規(guī)則的表面。對于細微裂縫和止水需求，環(huán)氧樹脂或聚合物注漿因其快速固化和良好的黏結性而被廣泛采用。大面積的空洞和土體穩(wěn)定問題更適合使用水泥基注漿，這是由于它與土壤和混凝土的兼容性極好。

在應對快速止水或急需填充空間的場景中，聚氨酯泡沫的迅速反應和膨脹特性使其成為首選。在加固或局部襯砌的情況下，可以選擇不銹鋼箍或束，它們提供了出色的耐腐蝕和長期承載能力。而在需要增強土體穩(wěn)定性的地方，采用預應力錨桿可以增強土體的抗剪性并為隧道提供額外支撐。

選擇修復材料時，要考慮施工條件、經(jīng)濟性和與現(xiàn)有結構的兼容性，以確保最終選擇的材料能為隧道帶來長久且有效的修復效果。

3.3 采取專業(yè)施工方法

采取專業(yè)施工方法是實現(xiàn)有效修復的關鍵，注漿法是將材料注入裂縫或孔洞中，以填充它們并恢復結構完整性[4]。常用的注漿材料包括水泥漿、聚合物、環(huán)氧樹脂等。

對于活動裂縫，可以采用低黏度的灌漿材料進行灌注。使用預應力錨桿或其他固定裝置，將隧道襯砌固定到穩(wěn)定的巖石或土層中。這種方法適用于處理滑移、隧道變形或巖體不穩(wěn)定的問題。針對滲水和微小裂縫，可以使用具有高粘附性和耐水性的特制材料，如環(huán)氧樹脂或聚氨酯，進行封閉和密封。通過將碳纖維帶或布與專用樹脂一起應用于受損區(qū)域，增強結構的承載能力和耐久性。

對于嚴重受損的部分，最佳方法是完全切除受損部分，并用新的材料替換。對于隧道下沉或基礎不穩(wěn)定的問題，可以采用深層壓實方法，將加固材料注入地下，以增加土體的密度和承載能力。如果地下水存在問題，可以建立地下水排放系統(tǒng)，如井點系統(tǒng)或法蘭壁，以降低地下水位并減少對結構的壓力。在選擇合適的施工方法時，需要根據(jù)隧道的具體病害、地質條件、材料選擇、經(jīng)濟考慮以及長期維護要求進行綜合評估。

3.4 定期維護與后期監(jiān)測

為確保隧道長期地穩(wěn)定運行，需進行定期維護和后期檢測。制定并實施隧道內外部的巡查計劃，確保每個月至少進行一次完整檢查。重點關注裂縫、滲水點和結構變形的任何跡象。利用地質雷達技術，可以識別出隧道內部或附近的空洞、裂縫等潛在危險。這種無損檢測方法可以定期進行，以預測潛在的問題。安裝水量計或流量計在關鍵滲水區(qū)域，定期記錄滲水量，以監(jiān)測滲水狀況是否惡化[5]。

在隧道關鍵部位安裝位移傳感器或傾斜計，實時追蹤任何可能的位移或沉降，確保隧道結構的穩(wěn)定。通過安裝荷載傳感器和壓力傳感器，監(jiān)測隧道壁的荷載變化，確保其始終在安全范圍內。可針對隧道內的通風情況，安裝空氣質量傳感器，定期檢查氧氣、一氧化碳和其他有害氣體的水平。基于以上的監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定定期的維護計劃。如發(fā)現(xiàn)滲水點，立即采取措施，如封閉裂縫或加固結構。對于空洞，要進行填充或加固。

4 結束語

隧道工程病害及其施工處理技術是保障隧道工程安全、穩(wěn)定的關鍵環(huán)節(jié)，因此要持續(xù)跟蹤技術進展，深入研究病害成因與處理原理，并根據(jù)實際情況選擇合適的方法和材料，確保隧道工程在復雜的自然環(huán)境和社會經(jīng)濟背景下，仍能保持其長久的使用壽命和良好的運行狀態(tài)，為社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展提供堅實的基礎。

參考文獻

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[3] 許力之，王耀東，朱力強，等.隧道表面圖像多目標智能識別算法研究[J].鐵道學報，2022，44（9）：154-162.

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[5] 李明浩.高速鐵路隧道工程巖溶施工技術研究[J].城鎮(zhèn)建設，2023（4）：169-171.