山岳隧道襯砌開裂滲水成因分析與治理對策

■蘇香龍

（福建省交通工程造價站，福州 350001）

由于場地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)的復(fù)雜性、建筑材料、設(shè)計施工等因素，山岳隧道常產(chǎn)生病害，如襯砌裂隙、隧道滲水、襯砌背后空隙和襯砌鋼筋銹蝕等。 在這些隧道病害中，襯砌裂隙和隧道滲水是主要類型[1]。 襯砌裂隙為隧道滲漏提供路徑，降低襯砌結(jié)構(gòu)承載性能，襯砌結(jié)構(gòu)混凝土剝落。 隧道滲漏加速襯砌鋼筋銹蝕， 使以有襯砌裂縫進一步擴展，并且使路面潮濕，減小車輛與路面摩阻力，危害交通安全。 隧道襯砌裂縫與隧道滲水是山岳隧道病害的主要類型，影響隧道安全運營，因此，隧道襯砌裂縫與隧道滲水成因分析是隧道安全評價和修復(fù)對策研究的關(guān)鍵。 本文依托山岳隧道實際，在國內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，總結(jié)山岳隧道裂縫類型和成因的基礎(chǔ)上，深入分析山岳隧道襯砌裂縫和路面結(jié)構(gòu)滲水的病害情況及成因，提出山岳隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)開裂滲水治理對策。

1 山岳隧道裂縫類型與成因分析

1.1 裂縫類型

Fei 等[1]調(diào)查中國大陸90 座高速公路隧道病害情況（圖1），研究顯示隧道病害包括隧道襯砌退化、隧道排水系統(tǒng)堵塞、襯砌混凝土剝落、襯砌背后脫空、襯砌裂縫和滲水等，其中出現(xiàn)襯砌裂縫隧道達73 座， 占比81%； 出現(xiàn)隧道滲水達62 座， 占比68%， 說明隧道襯砌裂縫和隧道滲水已經(jīng)成為隧道病害的主要類型。Lee 等[2]搜集266 個山岳隧道襯砌裂縫數(shù)據(jù)， 分析隧道襯砌裂縫特征和隧道裂縫成因，將隧道襯砌裂縫根據(jù)空間分布和特性分成八種類型，提出隧道襯砌裂縫原因診斷方法。 其搜集的隧道資料包括日本87 座、臺灣55 座、大陸99 座、德國6 座等，共涵蓋122 座鐵路隧道、127 座高速公路隧道和17 座水工隧道。 研究認為，山岳隧道病害包括：襯砌裂縫、隧道滲水、襯砌混凝土剝落、襯砌變形、接縫變形、襯砌鼓包、仰拱涌起或沉陷、仰拱開裂、仰拱泥漿突涌和混凝土蜂窩等，從隧道病害現(xiàn)象占比（圖2）可以看出，山岳隧道病害中，襯砌裂縫占82%，隧道滲水占44%，是山岳隧道病害的主要類型。 綜上所述，襯砌裂縫和隧道滲水是山岳隧道的主要病害類型。

圖1 中國大陸高速公路隧道病害分布

圖2 山岳隧道病害分布

1.1 裂縫成因

Lee 等[2]深入分析了山岳隧道襯砌裂縫類型與成因， 認為非結(jié)構(gòu)裂縫是隧道襯砌裂縫的主要原因，具體成因如表1 所示。 結(jié)合前人的研究，以福建省羅寧高速飛鸞嶺隧道為例，進行詳細分析。 羅寧高速飛鸞嶺隧道是一座上下行分離的雙洞四車道高速公路特長隧道，根據(jù)2017 年6 月28 日福建省高速公路達通檢測有限公司《羅寧高速公路飛鸞嶺上行隧道專項檢測》《2017 年度國省干線公路網(wǎng)重點隧道檢測分報告——飛鸞嶺隧道》統(tǒng)計，飛鸞嶺隧道上行洞身襯砌裂縫共248 處，裂縫總長860.8 m；飛鸞嶺隧道下行洞身襯砌裂縫共148 處，裂縫總長754.6 m。 襯砌裂縫主要為縱向裂縫、環(huán)向裂縫和斜向裂縫。 典型裂縫分布如圖3 所示。 根據(jù)表1 山岳隧道襯砌裂縫類型與成因相關(guān)關(guān)系，結(jié)合飛鸞嶺隧道工程實際， 飛鸞嶺隧道襯砌裂縫成因主要包括：（1）縱向裂縫：產(chǎn)生裂縫的原因主要是隧道地質(zhì)條件存在偏壓、設(shè)計承載力不夠、隧道周邊欠挖部位未進行處理使襯砌的厚度不夠或施工時邊墻與拱頂回填不密實等， 縱向裂縫對隧道穩(wěn)定性影響較大；（2）環(huán)向裂縫：主要是由于圍巖壓力變化、地基不均勻沉降、變形縫、施工縫處理不當(dāng)?shù)纫蛩匾?，大多?shù)發(fā)生在洞口、存在不良地質(zhì)及軟硬巖層接觸地帶，環(huán)向裂縫對隧道穩(wěn)定性影響不大。 （3）斜向裂縫：斜向裂縫一般是由于混凝土斜截面上的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力超過混凝土的抗拉或抗剪強度所致，斜向裂縫對隧道穩(wěn)定性影響次于縱向裂縫。

表1 隧道襯砌裂縫類型與成因

圖3 飛鸞嶺隧道典型裂縫分布

2 山岳隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)滲水病害情況及原因分析

2.1 病害情況

山岳隧道常遇見斷層分布和隧道滲水問題，以福州城區(qū)北向第二通道工程北嶺隧道為例，隧址區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育， 隧址發(fā)育11 條斷層構(gòu)造帶及8 條節(jié)理裂隙密集帶，斷層構(gòu)造帶內(nèi)巖體破碎，典型斷層分布如圖4 所示；斷層區(qū)裂隙水發(fā)育，隧道施工中，裂隙水大量入滲不僅影響隧道施工和安全運營（圖5），還可能影響地下水環(huán)境和周圍居民用水。斷裂帶與隧道軸線平行或者小角度相交，斷層區(qū)圍巖破碎、松散、強度低、滲透性大、地下水富集。 因斷層區(qū)存在，產(chǎn)生裂隙水滲流，裂隙水滲流將對隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部高水壓力作用，局部高水壓作用對隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響很大，易使隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂滲水（圖6）。當(dāng)富水?dāng)鄬优c隧道斜交，地下水壓力可能使仰拱以及隧道路面結(jié)構(gòu)上浮，使路面結(jié)構(gòu)開裂滲水，影響路面安全運營[3-4]。

圖4 北嶺隧道典型斷層分布

圖5 北嶺隧道施工涌出的大量裂隙水

圖6 斷層裂隙水滲流產(chǎn)生的局部高水壓力引發(fā)的隧道襯砌開裂滲水

2.2 成因分析

陳健蕾等[5]2011 年通過對貴州省崇尊高速、清鎮(zhèn)高速、 鎮(zhèn)勝高速等46 座隧道滲漏水情況的調(diào)查分析，分別從滲漏形式、滲漏狀態(tài)、滲漏部位等方面總結(jié)出了貴州省分離式隧道及連拱隧道的滲漏特點，84%的滲漏狀態(tài)為滲水，91%的滲漏形式為線滲漏，61%的滲漏位于邊墻，隧道滲水主要原因為襯砌裂縫和施工接縫滲水。Wang 等[6]對中國公路隧道裂縫和漏水災(zāi)害的統(tǒng)計分析， 指標(biāo)包括裂縫密度、平均裂縫長度、裂縫寬度、漏水寬度和漏水狀態(tài)等，共統(tǒng)計了116 座公路隧道。統(tǒng)計表明，92.4%隧道滲水是由于裂隙滲流，隧道滲水最有效的防護手段是切斷裂隙滲流。 結(jié)合前人的研究，以羅寧高速飛鸞嶺隧道為例，飛鸞嶺隧道上行洞身滲水痕跡（干）共7 處、滲水共60 處；飛鸞嶺隧道下行洞身滲水共1 處；滲漏水痕跡（干）共3 處。典型滲水如圖7 所示。綜合場地工程與水文地質(zhì)條件， 羅寧高速飛鸞嶺隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)滲水成因主要包括：（1）設(shè)計因素：隧道工程場地水文地質(zhì)條件不足，特別是未查明斷層區(qū)分布、圍巖條件和地下水補給條件；設(shè)計中未考慮山岳隧道局部高水壓、 裂隙滲流對隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)的影響， 地下水設(shè)計計算存在不足， 對于截斷裂隙滲流沒有很好的措施；（2）施工因素：襯砌混凝土施工質(zhì)量，施工縫、變形縫止水處理不當(dāng)；初期支護表面平整度差，使防水板未能密貼初期支護， 砼澆筑后防水板拉裂或在襯砌背后形成空腔水囊，隧道襯砌背后出現(xiàn)空洞積水；防水板搭接施工、施工保護措施不力；（3）材料因素：排水管容易擠壓變形、淤堵而導(dǎo)致排水劣化，使作用在襯砌結(jié)構(gòu)地下水壓力增大， 在襯砌薄弱的地方產(chǎn)生地下水滲漏。

圖7 飛鸞嶺隧道滲水

3 隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)開裂滲水治理對策

針對隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)開裂滲水成因分析，在設(shè)計施工階段，應(yīng)提出有針對性的治理措施；在運營階段，局部隧道襯砌滲水開裂，要進行及時修復(fù)[7]。

設(shè)計施工階段，針對傳統(tǒng)隧道防排水弊端，將S型土工網(wǎng)和泡沫水泥砂漿外包土工布排水管引入隧道排水系統(tǒng)，如圖8（a）所示，復(fù)合排水管主要為在外包裹土工布，內(nèi)部放置S 型土工網(wǎng)，如圖8（b）所示，間隙用泡沫砂漿填充。 土工網(wǎng)由上下兩層為可滲透性的土工布，可防細顆粒和碳酸鈣沉淀引發(fā)的淤堵；中間層為雙層布置S 型排水板形成排水通道，使用高滲透性的泡沫砂漿填充，在保證透水能力的同時保護S 型土工網(wǎng)。 基于復(fù)合排水管的隧道防排水系統(tǒng)可分為防水系統(tǒng)、環(huán)向盲管排水、橫向排水系統(tǒng)和縱向排水系統(tǒng)（圖9）。 施工要點如下：（1）環(huán)向排水系統(tǒng)主要由環(huán)向復(fù)合排水管構(gòu)成，沿隧道縱長每5～15 m 設(shè)置1 道， 在隧道兩側(cè)與縱向排水管相連，將環(huán)向入滲水導(dǎo)入縱向排水管。 （2）橫向排水系統(tǒng)主要位于底板下方，由橫向復(fù)合排水管及碎石墊層構(gòu)成， 在路基底下間隔5～15 m 設(shè)置排水管，排水管上下層使用碎石墊層填充，涌入的地下水通過橫向復(fù)合排水管導(dǎo)入邊溝集束排水管。（3）縱向排水系統(tǒng)由沿隧道縱向?qū)ΨQ布置的縱向復(fù)合排水管及邊溝集束排水管組成，縱向復(fù)合排水管收集環(huán)向?qū)氲乃賹?dǎo)入邊溝集束排水管，進而將地下水排出隧道。 （4）針對地下水壓力對隧道路面結(jié)構(gòu)的影響，在仰拱路面結(jié)構(gòu)下方設(shè)置排水減壓系統(tǒng)，自下而上依次為碎石墊層、橫向排水管、土工布、土工膜等，連接橫向排水管和縱向排水管，將地下水及時排水，降低隧道路面結(jié)構(gòu)開裂滲水風(fēng)險。

圖8 復(fù)合排水管結(jié)構(gòu)布置

圖9 基于復(fù)合排水管的隧道全斷面排水布置

運營期間隧道襯砌開裂滲水修復(fù)可采用注入環(huán)氧樹脂封閉裂縫，或者在襯砌表面采用聚氨酯涂層（圖10）。 更為嚴重情形，可通過在襯砌背后形成防滲帷幕進行修復(fù)（圖11）。

圖10 隧道襯砌裂縫修復(fù)

圖11 襯砌背后防滲帷幕

4 結(jié)論

依托山岳隧道實際， 在國內(nèi)外相關(guān)研究基礎(chǔ)上，本文首先總結(jié)山岳隧道裂縫類型和隧道滲水現(xiàn)象，深入分析山岳隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)開裂滲水成因，最后提出山岳隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)開裂滲水治理對策。 主要結(jié)論如下：（1）隧道襯砌裂縫主要分為縱向裂縫、橫向裂縫和斜向裂縫，隧道襯砌裂縫形成力學(xué)因素包括臨近邊坡變形、圍巖擠壓、地震、地下水壓力等， 非力學(xué)因素包括襯砌混凝土質(zhì)量、混凝土材料劣化襯砌背后空洞和襯砌厚度不足等。 縱向裂縫屬于由于橫向拉張應(yīng)力產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫，橫向裂縫大多由于隧道縱向不均勻沉降、 混凝土干縮、溫度應(yīng)力和施工接縫產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)裂縫，斜向裂縫由于斜向張應(yīng)力產(chǎn)生，常見于隧道入口。 非結(jié)構(gòu)裂縫是隧道襯砌裂縫的主要原因。 （2）對于隧道而言，通過襯砌裂縫和施工接縫滲漏會帶來不利影響， 隧道滲水主要原因為襯砌裂縫和施工接縫滲水， 統(tǒng)計表明，92.4%隧道滲水是由于裂隙滲流，隧道滲水最有效的防護手段是切斷裂隙滲流。 （3）在隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)開裂滲水成因分析基礎(chǔ)上，采用基于復(fù)合排水管的隧道全斷面防排水系統(tǒng)，將地下水對隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響以及由于地下水引起的隧道襯砌和路面結(jié)構(gòu)開裂滲水制止在隧道設(shè)計施工階段。 （4）運營期間隧道襯砌開裂滲水修復(fù)可采用注入環(huán)氧樹脂封閉裂縫，或者在襯砌表面采用聚氨酯涂層。 更為嚴重情形，可通過在襯砌背后形成防滲帷幕進行修復(fù)。