富水山区隧道衬砌病害分析与防治措施研究
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作者:王阅章 李鸣 宿成智 张立爽 闫少泽 杨光明
摘 要：隧道作为一种特殊的地下结构工程，具有一定的隐蔽性。尤其是对于受地形地质条件限制的富水山区隧道，其面临着更为复杂的环境挑战。为了确保隧道在运营期的安全性、耐久性，本文针对富水山区隧道复杂的工程地质环境，总结了隧道衬砌典型病害，分析了隧道典型衬砌病害产生的原因，并根据其成因提出相应的预防和治理措施。研究结果可为西南富水山区公路工程设计、施工和运营提供一定的参考性。
关键词：隧道 衬砌 病害 防治措施
中图分类号：U457.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）12（b）-0039-03
Abstract： As a kind of special underground structure engineering， tunnel has certain concealment. Especially for the tunnel in the rich water mountainous area which is restricted by the topographic and geological conditions， it faces more complex environmental challenges. In order to ensure the safety and durability of tunnels during operation， this paper summarizes typical tunnel lining diseases according to the complicated engineering geological environment of tunnels in water-rich mountainous areas， analyzes the causes of typical tunnel lining diseases， and puts forward corresponding prevention and treatment measures according to their causes. The research results can provide some reference for the design， construction and operation of highway engineering in the mountainous area of southwest China.
Key Words： Tunnel; Lining; Disease; Prevention measures
近年来，随着我国交通运输行业的飞速发展，公路、铁路等基础设施建设已取得重大突破。据不完全统计，我国已建成的公路、铁路里程均居世界前列。为不断完善公路、铁路网的建设，加快推进西部大开发及交通强国战略的实施，在我国西南地区复杂山地环境下修建公路、铁路已成为不可或缺的重要基础建设项目。然而，由于西南山区沟壑纵横、地势起伏，公路、铁路经常需要穿过连绵起伏的山脉，特殊的地质环境要求施工人员必须进行隧道建设。一般而言，隧道一般处于较为隐密的地层结构中，隧道修建过程中需要对围岩和部分土体进行长时间且大断面的开挖，导致隧道施工期和运营期的稳定性、安全性常受到多因素的联合影响，隧道常见的损伤病害因素包括衬砌上部水压作用、衬砌结构的腐蚀和开裂、断层活动等，长年累月的结构损伤加剧了隧道灾害的发生，极易造成极为严重的交通事故，给人民的生命财产带来巨大的威胁。因此，准确掌握山岭隧道建设和运营阶段衬砌结构常见的病害，并根据致灾因素提出相应的防治措施，从而确保隧道的安全运营具有重大的实际工程意义。本文分析了隧道常见典型病害的成因，总结了典型病害的预防和处治措施，以此为隧道设计施工和隧道安全运营提供理论参考，在一定程度上指导工程实践。
1 衬砌典型病害
1.1 衬砌裂缝
衬砌裂缝是指衬砌混凝土结构出现开裂损伤，并且这种损伤是不可恢复的。对于隧道这种特殊的地下混凝土结构，衡量其结构安全性能的重要表征指标之一就是衬砌裂缝。大多数隧道病害的案例中，衬砌结构裂缝较为常見，其危害性或者潜在危害性也比较 大[1]。根据裂缝走向分为纵向裂缝、斜向裂缝和环向裂缝;根据裂缝产生的原因可以分为外力作用下产生的荷载裂缝和混凝土收缩徐变、温度改变等原因引起的非荷载裂缝。
1.2 衬砌渗漏水
同衬砌裂缝一样，衬砌渗漏水也是影响隧道安全运营的重要因素之一。特别是对于地下水丰富的区域，渗漏水病害时有发生。据非完全统计，我国铁路隧道，公路隧道以及城市地铁隧道中存在渗漏水病害的隧道数量大概占总隧道数量的1/3[2]。根据渗漏的形式，可以将渗漏病害分为3类：点渗漏、缝渗漏和面渗漏。根据渗漏水的形态，可以分为4类：浸渗、滴漏、渗漏、涌流。
1.3 衬砌背后空洞
隧道衬砌背后的空洞是指衬砌与围岩之间接触不密实存在空隙，是比较严重的病害之一。因为这种接触的不紧密会导致结构受力不均匀，改变二衬和围岩的受力状态，承载能力也会因此下降。根据空洞出现的部位不同，可以将其分为：拱顶处空洞、拱腰处空洞、拱墙处空洞。
2 成因分析 公路隧道作为一种特殊的大型混凝土结构工程，其跨度是比较大的，赋存环境复杂多样，周围地质环境、气候、水质等对隧道的影响都比较大。隧道病害发生的原因可以大致归为两类，一类是外力和自然环境等因素引起的，称为外部因素;一类是设计、施工、运营管理等过程里的人为因素，称为内部因素。
3 预防和治理措施
目前我国公路隧道的维修与养护逐渐进入高峰期[3]，在运营期间出现的各类病害不仅给国家经济造成巨大的损失，有时候甚至会给人身安全带来威胁。公路隧道属于地下隐蔽工程，其位置的特殊性和环境的隐蔽性造成了病害处置十分困难，并且一旦发生病害，就难以根治。因此正确、迅速判断出造成衬砌病害的原因并及时采取合适的治理措施，不仅降低了维护管理的成本，而且也保障了过路行人和行车的生命安全。目前，针对衬砌裂缝、渗漏水、衬砌背后空洞的预防和治理措施已经取得了一定的成果[4-7]。
3.1 裂缝的预防和治理措施
（1）裂缝的预防措施。
混凝土结构是一种脆性材料，不可避免会产生缝隙。如何规避或者降低缝隙的产生需要学者不断的研究和总结。从裂缝的预防的角度，在混凝土配合比设计和原材料选取上应考虑降低混凝土水化热，同时提高抗裂性能和体积稳定性;在混凝土浇筑过程中的施工质量控制;以及混凝土的养护时间和养护工艺。
（2）裂缝的治理措施。
根据裂缝的常见治理措施，可以将其分为封堵型治理和结构补强型。封堵型包括直接涂抹、骑缝注浆、凿槽嵌缝，其实质上是在一定范围内使用裂缝封闭胶对裂缝本身进行闭合处理，主要适用于非受力原因或者历史受力造成的裂缝封堵;结构补强型包括围岩注浆、衬砌背后注浆、锚喷网支护、套衬补强、增设仰拱、拆除重建，适用于外力引起且有扩展趋势的扩展裂缝治理，通常使用环氧砂浆治理，其缺点是对结构可能会造成二次伤害，对防排水系统也可能会产生一定破坏。
3.2 渗漏水的预防和治理措施
（1）渗漏水的预防措施。
从渗漏水的成因来看，对于渗漏水的预防主要从以下几点：①控制注浆圈的渗透性：通过改变注浆圈的渗透系数，使流量处于一定的范围内，避免突涌水;②防水板布设标准规范：防水板与初支面秘贴，保证防水板不会掉落，并且防水板的周围不可弯曲;③合理设置排水系统：在地下水发育、含水层明显地段，同时存在长期水源补给，可考虑设置泄水洞。
（2）渗漏水的治理措施。
在高富水地区，如何合理地处置隧道衬砌渗漏水的问题对山岭隧道工程安全运营至关重要，为了达到一个防水可靠，排水通畅，运营期间不渗不漏，基本干燥的目的，将渗漏水病害治理过程大致分为两大类：一类是从防水的角度考虑，对于渗漏表面积大，但是渗漏水量不大的地方，可以采用表面封闭、凿缝填充，对于渗漏水量较大的可以考虑进行深层注浆、喷涂高性能防水材料、加设内衬。而另一类治理过程是从排水的角度考虑，比如变形缝、施工缝发生较少的渗漏水时，可以利用外侧进行导流设置导流槽。对于衬砌背后积水严重的情况可以选择“铺管引排”的方式，比如采用布设盲沟的措施将积水排走。
3.3 空洞的预防和治理措施
（1）空洞的预防措施。
从空洞成因来看，空洞的预防主要从以下几点：①围岩体加固：发现围岩体松散时，需要对其进行喷射混凝土，严重时需要进行注浆加固;②合理处置超挖：施工过程中超挖现象时有发生，对于超挖部分，需要对其加设钢筋网片、喷射混凝土等;③防水板布设标准规范：防水板的施工要求与初支面秘贴、稳固，同时需要避免凸点。
（2）空洞的治理措施。
同时对空洞进行治理是十分必要的，空洞的存在不仅降低围岩的自承能力，还会降低衬砌的承载能力，可能会引起大范围的衬砌裂缝甚至出现衬砌掉块，同时对于地下水位较高的地区，空洞可以作为水的通道。为了防止围岩松弛扩大，恢复衬砌和围岩共同承载的能力，同时提高止水效果。从空洞范围大小来看，如果二次衬砌背后出现小范围的空洞，可以采取在病害位置进行钻孔灌注水泥浆或者砂浆;当二次衬砌出现大范围空洞，一般考虑将二次衬砌整体或者部分凿除，然后对凿除部位进行修复补强处理。
实际工程中，上述三种典型病害并非单独出现，当我们只考虑其中一种病害而忽略其衍生病害的时候就会造成治理失败，因此我们需要考虑多种病害耦合的情况，综合采用多种治理措施互相结合的方式对这种耦合病害进行联合治理。当衬砌裂缝和渗漏水同时存在时，先处理渗漏水病害，再处理裂缝的病害，可以采取“防排水+套衬补强”的治理方法;当衬砌空洞和渗漏水同时存在时，首先处理渗漏水的病害，其次解决空洞的病害，可以采取“防排水+回填灌浆”的治理方法;当衬砌空洞和衬砌开裂同时存在时，从外到内的治理顺序，采取“回填灌浆+套衬补强”的治理方法;当衬砌空洞，衬砌开裂和渗漏水三者同时存在时，先处理渗漏水的问题，然后从外到内，采取“防排水+回填灌浆+套衬补强”，必要时可以考虑打入锚杆加固围岩。
4 结语
在隧道整个生命期里，不可避免会在施工期和运营期内产生一些不同类型、不同程度的衬砌病害问题，他们往往会给衬砌结构带来安全隐患，甚至威胁到行人和行车的生命财產安全。因此本文总结了三种常见的隧道衬砌病害，分析了衬砌裂缝、衬砌渗漏水以及衬砌背后空洞的病害成因，总结了这些病害的预防和治理措施。在一定程度上可以为富水山区隧道建设以及衬砌结构病害的防治提供一些参考，具有一定的工程实际性。
参考文献
[1] 崔达.新型隧道衬砌裂缝修补材料研制及性能试验研究[D].西安：长安大学， 2017.
[2] 林春金.运营隧道衬砌渗漏水机理及注浆治理研宄[D].济南：山东大学， 2017.
[3] 李世强.重庆涪丰石高速方斗山隧道病害处治方案研究[D].西安：长安大学，2018.
[4] 何云.运营地铁隧道渗漏水监测与风险预警研究[D].武汉：华中科技大学，2018.
[5] 李晓斌.衬砌背后空洞对隧道结构安全性影响及其防治措施研究[D].成都：西南交通大学，2017.
[6] 刘劫，董武，龚成明.衬砌缺陷防治技术在运营铁路隧道中的应用研宄[J].现代隧道技术，2019， 56（6）：157-161，180.
[7] 谢立广，杨群.隧道衬砌环向裂缝的成因分析及预防建议[J].公路，2020，65（5）：347-352.
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