開裂隧道襯砌有壓滲水室內模型試驗研究

李建輝，李 潔，王純皎，陳常科，朱碧堂

（1. 中國鐵路南寧局集團有限公司工務部，廣西 南寧 530029； 2. 華東交通大學江西省地下空間技術開發工程研究中心，江西南昌 330013； 3. 華東交通大學土木建筑學院，江西 南昌 330013）

統計數據顯示，2010—2019 年我國鐵路運營里程從9.12 萬km 增長至13.99 萬km， 鐵路客運量2019 年達366 002.26 萬人次[1]。 隨著鐵路建設規模的擴大及線路的持續增長，隧道工程數量也迅速增加，但在隧道工程快速發展的同時，我國在建隧道發生險情或工程事故也時有發生，由于勘察設計或施工因素造成大量隧道在竣工后不久或運營階段發生襯砌開裂、漏水、剝落、錯臺甚至垮塌事故。 據調查統計，國內建成10 年以上的隧道，約80%存在襯砌開裂、滲漏水病害現象[2]。 而對于山嶺隧道，常穿過破碎帶等不良地質區，在雨季時，強降雨補充了地下水，短時間內會增加地應力的量值，給隧道結構帶來額外的承載[3]，隧道要承受巨大的水壓和滲水帶來的多種危害。 目前水壓監測多采用預先埋設水壓計的方法，但由于隧道發生滲漏水具有一定的隨機性， 往往無法預先確定最危險的滲漏位置。在隧道維養過程中，如果通過無損檢測手段，掃描確定滲漏點和最大水壓位置，從而及時采取監測預警和防控措施，對隧道安全運營意義重大。

目前， 已有學者對紅外熱像檢測技術在土木工程中的應用進行了研究。Haack 等[4-8]采用紅外熱像法對隧道襯砌中肉眼難以觀察的空隙、空洞、建筑立面上的缺陷進行了檢測。 Inagaki[9]和Barreira[10]使用紅外熱像圖診斷隧道、堤岸、大壩、管道及維護結構等表面出現的溫差來判定滲漏點。Sun 等[11-15]利用紅外熱像儀研究砂巖及其他金屬材料出現的裂紋及斷裂過程。Clark 等[16]將紅外熱像技術應用于混凝土和砌體橋梁的無損檢測中， 判定橋體上的滲水區域。張慧慧[17]基于巖石滲水病害的實驗研究，驗證了利用最小紅外輻射溫度可以確定石質文物滲水的嚴重程度。 以上文獻初步驗證了紅外熱像法運用于定性檢測土木結構開裂滲水的可行性。 豆海濤等[18]基于室內模型研究，分析了滲水溫度、流量及位置等因素對紅外輻射特征的影響。 吳杭彬等[19]基于紅外熱成像技術，劃定隧道管壁上的滲水區域，并以紅外熱像圖為依據對滲水類型、 滲水位置進行判斷。 總的來看，上述研究主要針對紅外熱像技術在檢測隧道滲漏應用方面進行了初步驗證，但并未提出查找最危險滲漏點和最大水壓位置的定量方法。

本文以益湛鐵路線卿家巷隧道為研究背景，設計了一套模擬隧道襯砌裂縫有壓滲水的室內模型，試驗制作了4 種典型裂縫條件的試塊，研究不同水壓作用下，裂縫周邊的溫度場情況。 通過試驗裝置測定的滲水大小和由紅外熱像儀得到的溫度場，研究不同裂縫條件下滲水量、水壓與紅外熱像圖之間的定量關系，從而提出確定最大滲水壓力位置的方法。

1 項目概況

益湛鐵路線卿家巷隧道位于湖南省永州市雙牌村，為單線隧道，隧道中心里程為K393+542，全長2 046 m，襯砌結構為復合式襯砌，隧道于2009年建成通車。

圖1 為V 級圍巖中易發生隧道結構破損的隧道支護結構，不加寬時，隧道開挖跨度為6.5 m，高9.08 m。初襯采用錨噴支護結構，錨桿長度3 m 且設置環向間距0.8 m， 設計噴射C20 混凝土厚度為20 cm，同時在拱墻及仰拱處設置格柵鋼架；初襯與二襯之間設置防水層并預留7 cm 變形量；拱部、邊墻處設計二襯厚度為35 cm， 仰拱處設計二襯厚度為40 cm，均為C25 混凝土。

圖1 卿家巷隧道V 級圍巖復合襯砌斷面圖（單位：cm）Fig.1 Tunnel support in Grade V rock of the Qingjiaxiang Tunnel（Unit：cm）

圖2 為卿家巷隧道縱斷面圖。 隧道所在地貌為低山丘陵，地層主要由上覆第四系全新統坡洪積粉質黏土、坡積粉質黏土夾角礫土或坡殘積粉質黏土夾黏土和下伏基巖組成，基巖為跳馬澗組石英砂巖和砂巖夾頁巖。除洞口外，隧道主要穿越基巖。在施工中發現隧道在里程D3K69+890 和D3K69+910 處穿越兩條破碎帶， 在里程D1K69+331 和D3K69+816 處分別穿越一處落水洞和一條溝谷，屬于V 級圍巖。 斷層帶位于D3K69+816 處溝谷附近，上覆巖土層厚約62 m，在降雨時水會向溝谷匯集。 地下水為第四系土層孔隙潛水及基巖裂隙水， 在溝谷地段，常年有較大水流。

圖2 卿家巷隧道中線縱斷面圖Fig.2 Longitudinal section of the Qingjiaxiang Tunnel axis

卿家巷隧道運營10 年后，在靠近上述Ⅴ級不良圍巖處的拱頂部位滲水嚴重， 同時邊墻處也有滲水情況。 鑿開后發現，隧道頂部存在多處空洞、防水板切割二襯等問題，導致二襯厚度嚴重不足，最薄僅有7 mm，隧道病害進一步發展還可能產生隧道掉塊砸上客車，嚴重危及行車和旅客安全。 另外，隧道有3處開裂嚴重縱向裂縫，其中2 處位于D1K69+207 至D1K69+225 段左右兩側起拱線處，寬度分別為0.1～11 mm 和0.1～5 mm，長度分別為18.2 m 和13.4 m；另外1 處位于D1K69+267 至D1K69+285 拱腰至拱頂處，為貫通裂縫，裂縫寬度為0.1～4 mm，長度為18 m。 3 條裂縫寬度范圍較大，根據我國《鐵路橋隧建筑物狀態評定標準》中隧道襯砌裂縫分級（表1），3 條裂縫等級屬AA～B。

表1 我國《鐵路橋隧建筑物狀態評定標準》中隧道襯砌裂縫分級Tab.1 Classification of tunnel lining cracks in Railway Bridge and Tunnel Building State Evaluation Standards in China

為確保鐵路運輸安全，卿家巷隧道臨時在滲漏水部位采取打泄水孔降壓，然后進行封堵，從而防止水壓過大引起隧道結構性破壞，并同時對列車進行限速運行。 但由于目前技術無法找到準確的滲漏點和最大水壓部位，以至于有些打孔位置并不在滲水點上，排水效果較差。 如何準確找出滲水點，對隧道襯砌外水壓進行實時監測預警，并及時采取防控措施是保障隧道安全的重要一環。

2 室內模型試驗裝置

2.1 試驗裝置設計

目前對于隧道水壓的監測，常采用預埋水壓計的方式， 但由于隧道發生滲漏水具有一定的隨機性，往往無法預先確定最危險的滲漏位置。 本文擬通過紅外熱像圖探索裂縫尺寸、水壓大小、滲流面積、滲流量與溫度場之間的定量關系，從而提出確定危險滲漏點和最大水壓的位置。 為此，設計了襯砌裂縫有壓滲流裝置，如圖3 所示。 裝置主體由紅外熱像儀、帶裂縫的混凝土試塊、水箱和空壓機組成。 紅外熱像儀用來拍攝試塊滲漏的熱像圖，通過熱像圖確定試塊表面的溫度場變化及滲透面積等；帶裂縫的混凝土試塊通過埋設預埋件與裝滿水的水箱緊密相連，用于模擬襯砌外側水壓作用；空壓機通過輸氣管和閥門與水箱一側透明液位計相連，從而對水箱施加空氣壓力。 整個混凝土試塊一側與大氣接觸模擬隧道襯砌內表面，外側與壓力水體接觸模擬襯砌外側。

圖3 帶裂縫砼試塊水力滲透試驗裝置Fig.3 Diagram of the experimental setup for hydraulic test through a cracked concrete block

試驗采用日本Avio R550 紅外熱像儀， 拍照時能記錄32 000 個溫度數據， 再由溫度數據繪制紅外熱像圖。 儀器測溫范圍在-40～650 ℃， 靈敏度為0.025 ℃。 儀器出廠前，曾送往上海計量測試技術研究院進行檢測，測量誤差均在±2 ℃。 此外，在實驗前，使用測溫槍和紅外熱像儀同時對人體手腕部指定區域進行溫度測試，以驗證紅外熱像儀精度。 試驗進行時室溫為28 ℃， 使用測溫槍對腕部指定區域測量10 次，最終平均值為36.06 ℃；紅外熱像圖顯示腕部指定區域平均溫度為34.34 ℃。 兩設備測溫差異在±2 ℃，測量結果較可靠。

2.2 試驗方案

根據卿家巷隧道現場統計分析，在滲水嚴重混凝土區域，裂縫寬度在0.1～11 mm，多數集中于0.1～5 mm。 吳斌[20]基于對云南省普通國道干線公路隧道滲漏水病害的調查， 總結出小于等于1 mm 的小裂縫數量遠多于1 ～3 mm 的中裂縫，而大于3 mm 的大裂縫最少，但大裂縫幾乎全部滲水，中裂縫大多滲水，小裂縫只有小半滲水，由此可知，裂縫寬度對隧道滲漏水病害存在一定影響。 參考《鐵路橋隧建筑物狀態評定標準》中隧道襯砌裂縫分級所給出的幾個分級臨界值，本次試驗設計了4 種帶有不同尺寸裂縫的混凝土試塊，如圖4 所示，砼試塊強度為C30，試塊尺寸為400 mm×400 mm×300 mm。裂縫尺寸設計如表2 所示。

圖4 試塊和裂縫尺寸（單位：mm）Fig.4 Concrete blocks and various crack dimensions (Unit: mm)

表2 裂縫尺寸Tab.2 Crack dimensions

根據隧道埋深和現場水文條件，預估隧道現場水壓不超過600 kPa，考慮到實驗安全，本次實驗采用逐級加壓法，水壓從常壓狀態增加至50，100，200 kPa 和400 kPa，每級荷載持續時間為30 min。

2.3 試驗過程

本試驗分為兩個步驟， 首先室內制備不同裂縫規格的混凝土試塊， 待試塊達到28 d 養護強度后，連接水箱及空壓機，然后開展水力滲透試驗。

試塊混凝土標號為C30，1 m3混凝土配比為水泥∶水∶砂∶石=410∶205∶642.25∶1 192.75。 試樣制備過程如下：

1） 提前制好用以模擬裂縫不同規格尺寸厚度的棉布、鋼筋、預埋件及定制的混凝土試塊模具；

2） 用定制好的模具制作混凝土試塊，在試塊澆筑前套入預埋件，預埋件連接好底部鐵盤，防止混凝土在未成型前漏出， 再提前固定住用來模擬裂縫的棉布及鋼筋；

3） 向模具內澆筑混凝土，澆筑時確保棉布沒有移位，在澆筑至距離表面25 mm 時放入鋼筋，防止加壓時混凝土試塊開裂；

4） 澆筑完成后，1～2 d 后拆除模板， 隨后養護28 d。

制作混凝土試塊時，澆注了3 個150 mm×150 mm×150 mm 的立方體試塊用來檢驗試塊強度，待試塊養護完成后， 使用混凝土壓力試驗機對本次試驗制作的混凝土抗壓強度進行了檢測，結果如表3。 混凝土強度平均值為48.9 MPa，標準偏差為0.5 MPa。 混凝土試塊制作且養護完成后， 即可開始進行水力滲透試驗，試驗過程如下：

表3 立方體試塊抗壓強度Tab.3 Compressive strength of concrete blocks

1） 將預埋件突出部分連接密封圈及水箱，水箱再依次連接調壓閥及空壓機， 連接部分均為法蘭連接，連接方式如圖5 所示；

圖5 裝置連接示意圖Fig.5 Diagram of device connection

2） 連接完成后將水箱內的水注滿并且靜置12 h，盡量使試塊在常壓下達到飽和狀態；

3） 試驗前在試塊正前方架設好紅外熱像儀，通過水平儀保證儀器水平放置， 隨后打開紅外熱像儀準備記錄拍照；

4） 向連接好的水箱中加滿水，水位加至液位計可見的最上方刻度處，同時打開壓力表，記錄此時液位計刻度和氣體壓力；

5） 先將調壓閥調至零刻度， 再打開空壓機，通過扭轉調壓閥控制壓力，每次加壓過后都恒壓30 min，每單位時間讀一次玻璃管刻度記錄滲流量， 并使用紅外熱像儀拍照；

6） 整理滲流量數據及紅外熱像圖，分析紅外熱像圖中溫度數據與水壓、裂縫尺寸之間的關系。

3 結果與討論

3.1 滲流速度的影響因素

3.1.1 裂縫寬度對滲流速度的影響

圖6 為滲透壓力分別為100 kPa 和400 kPa條件下不同裂縫寬度混凝土試塊的滲流速度。 由圖可知，裂縫寬度越大的試塊，滲流速度越快。 并且在剛開始加壓時，滲流速度較大，特別是裂縫寬度大（如5 mm 裂縫）的試塊，隨后滲流速度逐漸降低并趨于穩定值，主要原因在于：①剛開始加壓時，氣壓會將水箱內的水壓縮，在試驗中滲流速度是通過液位計的液位變化進行計算的， 而液位計安裝于較為細長的管道中。 初始加壓時，氣壓作用會導致液位一定程度的下降； ②在壓力增大時，混凝土內部的滲流范圍會增大，在恒壓的前一段時間，增加的區域開始“吸收水分”，在恒壓一定時間后，范圍內的混凝土達到“飽和狀態”，此后滲流速度有所降低且趨于穩定。

圖6 相同滲壓、不同裂縫條件下的滲流速度比較Fig.6 Seepage velocities under different crack widths with identical water pressure

3.1.2 滲透水壓對滲流速度的影響

圖7 為裂縫寬度分別為0.4 mm 和3 mm 條件下滲流速度與滲壓大小的關系。 由圖7 可知，對于相同裂縫寬度的試塊，滲流速度隨壓力的增加而增大，并且在裂縫寬度和壓力一定時，滲水區周圍混凝土逐漸“吸飽水分”，滲流速度隨時間緩慢降低，并趨于穩定值。

圖7 相同裂縫寬度、不同滲壓條件下的滲流速度Fig.7 Seepage velocities under different pressure with identical crack widths

3.2 試塊表面滲流面積的影響因素

3.2.1 裂縫條件對滲流面積的影響

圖8 為不同裂縫條件下的滲流面積， 其中0.4 mm 和1 mm 寬的裂縫未貫穿混凝土試塊，而3 mm 和5 mm 寬的裂縫則貫穿了混凝土試塊。實驗結果表明， 貫穿裂縫由于有直接的滲流通道，水會直接從滲流通道滲出，表面觀察到的滲流處往往就是裂縫處，而非貫穿裂縫沒有直接的滲流通道，水要滲透大面積的混凝土，而后慢慢從內部向外表面滲出，所以非貫穿裂縫往往觀察到較大的滲流面積。

圖8 不同裂縫條件下的滲流面積Fig.8 Leakage areas under various cracks

3.2.2 水壓對滲流面積的影響

圖9 為寬3 mm 和5 mm 貫穿裂縫混凝土試塊在不同水壓條件下觀察面的滲流面積隨滲透壓力變化的曲線，圖10 和圖11 分別為兩試塊在不同壓力下的照片和紅外熱像圖(上方為照片，下方為紅外熱像圖)。 由圖可知：

圖9 不同水壓下3 mm 貫穿裂縫試塊、5 mm 貫穿裂縫試塊表面滲流面積Fig.9 Surface seepage area of 3 mm penetrating crack test block and 5 mm penetrating crack test block under different water pressure

圖10 3 mm 貫穿裂縫混凝土試塊在逐步加壓后觀察面的滲流面積變化Fig.10 Water seepage behavior of test block 3 mm after gradual pressurization

圖11 5 mm 貫穿裂縫混凝土試塊在逐步加壓后觀察面的滲流面積變化Fig.11 Water seepage behavior of test block 5 mm after gradual pressurization

1） 3 mm 和5 mm 貫穿裂縫均屬于較大裂縫，由于已經存在較寬滲流通道，試塊背后的水可在常壓狀態下滲流至試塊觀察面，裂縫寬度越大則常壓下觀察面的滲流面積越大；

2） 試塊背后水壓從常壓加至200 kPa 過程中，3 mm 貫穿裂縫混凝土試塊觀察面滲流面積增幅較大， 而5 mm 貫穿裂縫混凝土試塊觀察面滲流面積增幅較小，說明在貫穿條件下，裂縫越寬，觀察面的滲流面積受水壓的影響越??；

3） 3 mm 貫穿裂縫混凝土試塊背后水壓從常壓增至100 kPa 過程中，觀察面滲流面積增大較明顯，而背后水壓從100 kPa 增至400 kPa 過程中， 觀察面滲流面積增幅大大減少。 說明當水壓到達一定值后，再增大背后水壓，試塊觀察面的滲流面積也不會有明顯增加。

3.3 滲漏點及其周邊溫度場

3.3.1 紅外熱像溫度場

圖12 為3 mm 貫穿裂縫在常壓作用下的普通照片和紅外熱像溫度場。 兩張照片均由Avio R550紅外熱像儀拍攝并經過數據處理得到。 對比兩張圖可見， 普通照片表面并沒有肉眼可見的滲水情況，而紅外熱像圖卻可以看到明顯的溫度差。 從綠色的9.4 ℃到深藍色的7.3 ℃，溫度逐漸降低。 試塊周邊不受滲漏水影響， 溫度為9.1～9.4 ℃（綠色），溫度相對較高；而試塊中間受滲漏水影響較大，由外向內，溫度由9.1 ℃逐漸降低至8.3 ℃(從淺藍逐漸變深)，溫度較周邊低，而且越靠近裂縫，溫度越低；裂縫處溫度范圍最低，7.3～8.3 ℃。 多組實驗數據顯示， 中間區域平均溫度相較總平均溫度低0.1～0.2 ℃。

圖12 3 mm 裂縫在常壓下的普通照片及紅外熱像圖形成的溫度場Fig.12 Photo and temperature field obtained by Avio R550 thermal imaging camera of 3 mm crack under normal pressure

3.3.2 滲水點的識別

圖13（a）和圖13（b）均為Avio R550 拍攝出的3 mm 貫穿裂縫混凝土試塊在50 kPa 作用下的普通照片和紅外熱像溫度場。 單看普通照片裂縫及裂縫下方表面均有滲水，而紅外熱像溫度場在裂縫上方表現出深藍色，溫度為8.5～9.0 ℃，裂縫下方由上至下則逐漸由深藍變為淺藍， 溫度由9.0 ℃增加至10.2 ℃。 可以推斷主要滲水位置為裂縫上方。

3.3.3 溫度的影響因素

試驗過程中發現，同一試塊水壓越大，紅外熱像儀器觀察出的滲漏處與周邊的溫差就越大，紅外熱像溫度場上的顏色差異就越明顯。 究其原因是水壓越大，滲水量越多，滲流速度越快，滲水位置與周邊混凝土的溫差就越大。 所以影響溫度的主要因素是滲水量。

試驗中，嘗試過降低水箱內的水溫，并觀測滲水處的紅外熱像溫度場與周邊差異是否會更明顯。 向水箱內灌水之前，將準備好的冰塊放入水中，使水溫降至-1～0 ℃，再灌入水箱，觀察滲水處與周邊混凝土溫差是否會增大。但效果并不明顯，原因是試驗在冬天進行，水的一般溫度在6～8 ℃，加冰后水的溫度在-1～ 0 ℃，加入水箱后，水溫因為接觸混凝土試塊而逐漸升高，水的溫度并不能維持在-1～0 ℃，溫度升高后與冬天的常溫水溫差不大， 觀察出的溫差不明顯。

4 結論

為了探究裂縫條件、滲壓與紅外熱像圖之間的關系，使紅外熱像技術發揮更大作用，設計了用以模擬隧道襯砌裂縫有壓滲水的室內模型。 在每種不同裂縫條件的試塊背后從常壓開始逐步加大水壓，使用紅外熱像儀進行觀察記錄溫度數據，同時記錄滲流量，得出以下結論：

1） 滲流量與裂縫寬度及水壓大小密切相關，并且滲流量最大處往往溫度最低。 采用紅外熱像儀能夠準確掃描隧道內最小溫度點，從而確定最合適的打孔泄壓位置。

2） 在相同裂縫條件下，水壓越大，滲流速度越快；相同水壓下，裂縫越發展，滲流速度越大。

3） 與貫穿裂縫相比，非貫穿裂縫的表面滲流區域往往更大；貫穿裂縫有直接的滲流通道，水通過滲流通道遇到較小阻力，在常壓時也會滲出；非貫穿裂縫沒有直接的滲流通道，水需要滲透過混凝土層， 在混凝土中大面積滲透后才會在表面滲出，所以表面滲出面積較大；水滲出混凝土表面后，存在穩定的滲流通道，表面的滲流面積增幅會減小。

4） 實驗中，試塊的中心區域溫度往往會低于四周0.2 ℃左右；水壓越大，裂縫越寬，試塊表面滲水就越多，滲水處與周邊混凝土紅外熱像溫度場差異越明顯；同時，紅外熱像儀能夠較準確的找出主要滲水點，因為滲水處溫度更低。