公路隧道常見病害及防治措施研究

張 強

（山西省陽泉市交通運輸局，山西 陽泉 045000）

隨著交通運輸事業的不斷發展,隧道建設也得到長足發展。作為高速公路的重要組成部分，隧道對整個高速公路項目的建設起著不可或缺的作用。隧道結構作為地下空間結構中的一種，由于施工質量不佳、工程地質條件惡劣、工程材料的選用不合理等因素影響，隧道結構病害制約著交通運輸事業的快速發展，不僅會嚴重威脅隧道內部的行車安全，還會縮短隧道的整個使用壽命周期[1-2]。本文以國道307、省道315中隧道、陽泉天子廟隧道存在的襯砌結構開裂、隧道水害、襯砌腐蝕、襯砌結構背后空洞和不密實等常見病害為例，分析其產生原因，并指出其致災后果。提出了病害的預防措施，總結歸納了當前隧道病害常用的治理方法，介紹了具體實例中隧道的病害處治技術，為以后處理類似隧道工程問題提供參考。

1 常見隧道結構病害

隧道作為高速公路的組成部分，其病害的發生會顯著降低高速公路的服務水平，因此對隧道結構的病害進行分類，研究病害產生原因及致災后果具有很重要的工程實踐和現實意義。

1.1 襯砌裂損

隧道結構的襯砌裂損是指隧道的襯砌結構表面出現裂縫，按裂縫成因主要分為拉伸斷裂、斷層、破碎3種形式[3]。隧道結構的襯砌裂縫產生主要由襯砌承載力為主的外力原因和襯砌結構內部的應力重分布引起。

襯砌裂損病害是許多隧道病害的基礎，當隧道結構出現裂損時，其影響及危害如下：a）圍巖壓力傳遞到襯砌上，由于裂損的存在，襯砌結構承載力下降；b）襯砌的裂損不斷擴張會誘發襯砌的脫落掉塊，尤其是拱頂的掉塊，直接影響行車安全；c）襯砌裂損導致滲漏水的出現，尤其冬季低溫導致的滲漏水結冰，嚴重的影響運營安全；d）在隧道運營過程中進行修復襯砌裂損時，難度大、處置效果欠佳、維修成本高。

國道307某隧道運營時間較長，由于圍巖地質變化及不均勻荷載影響，大量的環向裂紋分布于隧道，同時平行于隧道軸線方向少量分布有縱向裂紋，對隧道的安全帶來極大的隱患。

1.2 隧道水害

隧道水害是公路隧道在使用過程中經常會遇到的一些常見病害。隧道運營過程中的水害常見的有隧道滲漏滴水、拱頂滲水、成股的射流等類型，有的公路隧道經過巖溶發育區，甚至存在地層涌水等病害[4-5]，輕則會增加隧道內的濕度，影響設備正常使用，腐蝕設備結構，影響設備使用壽命，而且容易引起襯砌開裂和滲透變形，重則涌突水直接淤埋隧道、沖毀行車，造成人員傷亡，對運營車輛的安全造成一定威脅。

隧道水害的發展是隨時間變化的動態發展過程。隧道未受到開挖擾動前，其處于穩定狀態，圍巖體內沒有裂隙或裂隙處于閉合狀態；其后，隨著隧道的開挖，隧道內形成臨空面，圍巖受力狀態由原來的三向變為二向，同時由于開挖爆破等擾動，大量裂隙產生，此時裂隙水便沿孔隙不斷流出。圖1為國道307上一隧道滲漏水示意圖，該隧道修建于20世紀80年代，修建時間較早，洞身存在滴水、漏水現象，局部地區滲水較為嚴重。之所以發生滲水是因為隧道運營時間長，裂隙水的不斷滲流和劣化作用，使得圍巖結構軟化、穩定性降低。圍巖體的裂紋隨著時間的推移而逐漸增多并貫通，于是便形成了隧道的滲漏水害。

圖1 隧道滲漏水

1.3 襯砌腐蝕

隧道襯砌結構的腐蝕主要來自襯砌背后環境中的地下水，由于隧道結構內壁存在有毛細孔道、襯砌結構的變形裂縫或者其他的空洞，使得地下水進入隧道襯砌結構并形成了隧道滲流，同時因為水和混凝土間的相互作用，物理腐蝕和化學腐蝕同時作用于襯砌結構，導致隧道內部結構的承載力等力學性能降低[6]。如果腐蝕不引起重視并及時處理，會導致腐蝕的進一步發展，致使隧道內部結構退化加劇。總的來說腐蝕的因素主要有3個，第一，腐蝕的介質等因素的存在；第二，隧道襯砌結構存在容易腐蝕的部位和地段；第三，地下水活動性強，且存在一定的腐蝕介質和因子。

山西省煤炭資源豐富，在靠近礦產資源分布區的隧洞中水體所含腐蝕性化學元素較為豐富，例如Fe2+、Fe3+、SO42-的大量存在，使隧洞混凝土腐蝕速度大大加快。圖2為陽泉天子廟隧道襯砌腐蝕示意圖。通過觀察統計，隧道中襯砌內壁多數施工縫及其周圍存在腐蝕現象，附著物厚度約在1～20 mm，析出物顏色為白色及鐵銹色，主要是由于山西地區水文礦物成分造成的。分析其產生原因，主要包括以下兩方面：a）隧洞中局部施工縫、變形縫處理不密實而導致滲漏水不斷通過，為襯砌腐蝕的發生創造了條件。b）圍巖中含有的大量硫化礦物發生復雜的化學反應，使隧洞地下水受到污染，加速了混凝土的腐蝕。

1.4 拱背空洞或不密實

襯砌背后空洞也是隧道常見病害中的一種，由于其不像襯砌裂損和滲漏水害那么直觀可見，其潛在危害性更大。拱背后的空洞或者欠密實區容易形成積水區，導致隧道內部出現滲漏水；圍巖和襯砌結構不能有效地結合，易出現應力集中，導致裂縫的出現或者襯砌破損等病害。

圖2 襯砌腐蝕

造成拱背空洞有很多原因，主要分為：a）由于隧道施工過程中爆破開挖情況較差，造成超挖，而施工單位又回填不密實，產生空洞而無法發揮支護作用；b）二次襯砌時混凝土質量不合格，拱頂厚度達不到設計要求，混凝土有蜂窩或離析現象；c）模板架設原因導致頂部下沉量過大，拱頂襯砌混凝土下沉脫空形成空洞；d）施工單位在施工時原材料質量把關不嚴，例如混凝土水灰比過大、砂粒過細、隧道內通風條件不佳等都會引起混凝土收縮量不合要求，導致襯砌混凝土受重力作用下沉脫空，從而形成空洞[7]。

2 隧道病害預防措施

隨著我國大量交通工程的建成和運行，公路隧道慢慢進入運營和管理期，大量隧道病害的存在，使得花費在隧道維修管理上的人力、物力和財力將大幅增長。而預防是最好的治理，對隧道病害進行預防比治理更具意義。其預防措施如表1所示。

表1 隧道病害預防措施表

3 隧道常見病害處治技術

3.1 襯砌裂損處治技術

對襯砌裂損破壞進行治理前應當正確掌握裂紋開裂的原因及其程度、范圍，并考慮施工措施、安全、經濟效果等。通過分析裂紋開展程度，采取有效措施，阻止裂縫區域擴展。目前，國內外隧道襯砌加固方法有很多，主要包括密封加固方法，加強保護板加固、金屬網加固方法，襯砌加固方法和拱加固方法，內表面強化方法和部分重建和改造等方法[8]。

針對國道307某隧道襯砌中分布有大量的環向裂紋及部分縱向裂紋，交通管理部門首先分析了其發生原因是由于該隧道運營時間較長導致圍巖應力發生變化、應力分布不均，部分區段圍巖應力超過襯砌極限承載力，導致襯砌產生裂紋、變形。其次考慮到雖然襯砌發生裂損，但是其整體依然具有較大承載力，所以首先對裂紋處進行了化學灌漿，通過修補根治了襯砌滲漏水以及混凝土內部的鋼筋銹蝕問題。其后對隧道中襯砌內鼓的裂損部位采用了較為傳統的噴錨加固技術，該方法具有工作快、對行車干擾少等優點，確保了隧道安全的同時技術方案也較為經濟。

3.2 滲漏水處治技術

施工期間，施工工具和隧道由于滲漏水的影響，給隧道工程建設帶來巨大損失。例如寒冷地區隧道，由于滲漏導致凍融破壞頻發；山區巖溶洞發育較好的地段修建隧道，地下涌水量大，水害也十分嚴重。滲漏水的處治十分必要，滲漏水處治技術如表2所示。

表2 滲漏水常用處治技術

前文所提國道307某隧道由于存在滲漏水，所以采取過常規的噴射混凝土堵水處置技術，但一段時間過后發現仍有滲水現象。通過分析發現這是由于采用封堵的方式可以短期將水逼回裂隙，但是同時也改變了圍巖受力條件，導致應力重分布，裂隙得以繼續擴展，封堵的水壓力再次增加，隨著時間推移，水壓力增加至封堵材料所能承載的極限值時，水便再次從封堵處流出。

因此針對該隧道再次出現滲漏水情況，采取了將滲漏水處的襯砌混凝土鑿開，埋入直徑為5 mm的膠管，再用防水堵漏劑封堵膠管周邊。采用該措施后，治理效果十分明顯。

當然，并非采取噴射技術進行封堵便不可行，重要的是材料選擇很重要，例如新型材料成巖砂漿已經得到了較好的應用，該材料具有抗侵蝕、抗滲、抗干縮的特性，同時還可提高抗壓強度與早期強度。將其與防排水措施結合，在隧洞滲漏水治理中達到十分良好的效果。

3.3 襯砌腐蝕處治技術

關于隧道襯砌防腐蝕措施，必須依據可靠的勘察和設計，從隧道工程地質實際情況入手，查找問題的根源和水環境所含有腐蝕性介質的組成，以確定其具體的襯砌侵蝕原因，此時方可因地制宜地采取預防措施。

山西陽泉市天子廟隧道位于陽泉陽煤集團四礦界內，地下煤層采空區為多層重復采動，地形地質條件復雜。針對隧洞部分區段存在襯砌腐蝕的情況，管理部門果斷采取了有效的治理方案：首先鑿除已腐蝕襯砌部分至新鮮巖石處，找到水體滲出部位并截流收集，再用管道將水排出，同時對鋼筋除銹、對襯砌的外露面進行堿化處理，對鋼筋銹蝕部分涂環氧砂漿后，最后采用了壓力灌漿密封。工程治理效果十分明顯。

關于襯砌腐蝕不可依賴于發現問題后再進行處理，而應當從預防做起，防止襯砌腐蝕的發生，減少經濟損失。首先應當提高襯砌結構的密實性和整體性。隧道襯砌施工使用防水混凝土，襯砌則可保持較好的穩定性和完整性，侵蝕性水也不容易滲透到混凝土內部，從而提高了襯砌的耐久性，減少侵蝕的影響。一般應當使用分級骨料與防水混凝土、添加劑混合。應當避免因溫度變化而引起的混凝土施工裂縫，不能整體澆筑時應當設置施工縫。其次，采用抗腐蝕硫酸鹽水泥、高抗硫酸鹽水泥、低堿和高抗硫酸鹽水泥、高鋁水泥、石膏礦渣水泥等，從而最大限度地提高耐腐蝕性。第三，防、排、堵、截結合，以排為主，降低襯砌的腐蝕。

3.4 拱背空洞或不密實處治技術

山西通往河北的東大門省道S315陽井線某隧道洞內曾發生襯砌混凝土脫落，事后發現脫落處襯砌背后存在空洞，究其原因是空洞導致襯砌局部荷載增大，同時因地下水對圍巖的軟化作用，造成襯砌抗力降低而坍塌掉落。為了防止圍巖松弛的擴大，即刻檢測到空洞處進行注漿處理，使襯砌和圍巖達到緊密貼合狀態。考慮到空洞會誘發圍巖松弛，還采取了錨桿補強，阻止了松弛的進一步發展。

總的來說，目前襯砌背后空洞較多采用的是回填壓漿的方法，當襯砌受空洞影響，嚴重變形甚至即將失效時，應當采取局部改建或全斷面改建的措施。在治理過程中可以采取多種補強方式結合，從而發揮多種處治措施的優點。

4 結語

伴隨我國隧道建設快速發展，一些營運中的隧道病害頻繁發生，直接威脅到隧道的結構和交通運營的安全。常見的隧道病害主要包括：襯砌結構開裂、隧道水害、襯砌腐蝕、襯砌結構背后空洞和不密實等，在分析每種病害產生原因及致災后果的基礎上，提出了隧道病害的預防措施，以求提高襯砌結構的承載力、圍巖自穩性、底板穩定性。針對每種病害類型，提出了相應的處治措施，預防與治理結合，供以后處理類似隧道工程問題時參考。