隧道工程病害原因分析及防治技術探究

李鵬飛，楊江峰

(中交二公局第三工程有限公司，陜西 西安 710016)

1 公路隧道病害類型及成因分析

1.1 高溫熱害與寒區凍害

深埋長大隧道通過高地熱地段會出現不同程度的地熱害問題，影響較大的熱源多數為淺部地殼地溫場影響。隧道高溫主要危害是：影響施工人員身體健康甚至生命安全，降低勞動效率，機械設備故障率增加，影響混凝土質量，造成部分路段出現路面裂縫、擁包、車轍、坑槽以及襯砌開裂等問題。

寒區凍害是指在寒冷地區，尤其是地下水比較發育時伴隨隧道初期質量缺陷發生的季節性凍融、凍脹循環作用造成的周期性的結構加載、卸載作用，對隧道主體結構尤其是洞口結構造成破壞，且極易造成隧道襯砌掛冰、道床積冰、底鼓、嚴重冰塞等病害，嚴重危及行車安全。

對于寒區凍害，調查研究表明，只有圍巖含水且含水量大于某一界限值時才會發生凍害。大多數硬巖、中硬巖是不會發生凍害的，含水量大于20%的IV、V級圍巖容易發生凍害。同一座隧道中發生凍害的部位是不同的，凍害一般發生在累計寒度大于400 ℃·d以上的洞口附近，洞內一定范圍不會發生凍害。多數凍害發生的重要因素是隧道的初期缺陷，主要的表現有：隧道混凝土初期開裂；防水板鋪設不良、破損，止水帶失效；襯砌背后回填不密實、存在空洞；襯砌厚度不足；排水系統不完善造成排水不暢等。隧道凍害呈現季節規律性，春融后施工縫基本不漏水。

1.2 水害

隧道水害主要有襯砌滲漏水和路面地下水泛涌、竄流等導致襯砌開裂、凍脹、地基軟化、路面強度降低、路面濕滑等，嚴重影響行車安全。

1.3 隧道襯砌的化學腐蝕和開裂

隧道襯砌在化學侵蝕環境下，氯鹽導致鋼筋銹蝕，硫酸鹽等化學物質與水泥水化產物發生化學反應導致混凝土損傷，鹽類結晶導致混凝土孔中結晶膨脹性的混凝土損傷，最終造成隧道混凝土腐蝕、酥松，成層剝落，強度下降及開裂，鋪底隆起、翻漿冒泥、洞內水溝變形，降低隧道襯砌的整體承載能力，對運營安全造成重大隱患。一般情況下隧道地下水滲入增加了水損害，導致混凝土腐蝕，增加了內壁阻力，在寒冷的冬季會引發凍害，從而降低襯砌的耐久性，由此形成相互作用的惡性循環。

經過對某隧道現場調查，多數破壞部位多集中在拱腳、邊墻腳、水溝溝壁、滲水的工作縫和滴水的壓漿孔附近。調查表明，滴水和滲水的部位比股水和漏水處的破壞嚴重；地下水位高的部位比低的部位破壞嚴重；通風不良或混凝土不密實的部位比通風良好或混凝土質量良好的破壞嚴重。輕微破壞的混凝土，表面析出白色鹽硝，表層龜裂、剝離未露出粗骨料。嚴重破壞的混凝土，表面已剝離露出大石子，大片掉渣，潰散成豆腐渣狀。另外，混凝土完全處于水環境中，侵蝕速度較慢，但若處于干濕循環交替的環境下，則存在物理和化學的雙重腐蝕，而且物理腐蝕比化學腐蝕更快，出現結晶破壞也更為嚴重。

1.4 施工質量缺陷病害

施工過程質量缺陷主要是在隧道建設階段，由于復雜的地質水文條件、勘察設計缺陷、施工質量缺陷等造成隧道路面開裂、底鼓、變形，襯砌結構脫空、厚度不足、開裂、掉塊等質量缺陷。該類缺陷是其他各種病害的主要成因。

二襯裂縫成因分析。一是隧底結構缺陷引發的不均勻沉降，二是二襯局部缺陷引起的局部應力集中效應，三是軟弱圍巖、活斷層等不良地質大變形等原因造成。對某隧道調查發現，二次襯砌拱頂部位出現寬度0.5 mm的圈狀裂縫，對該板及鄰近的二襯進行鉆孔排查，發現拱頂部位二襯厚度嚴重不足(厚度在0.05～0.2 m之間)、二襯與初期支護層間脫空嚴重。經現場破檢發現，空腔內防水板完好無損，初支面未見擠出、鼓包變形及滲漏水現象，說明既有二襯幾乎未參與結構受力，裂縫的產生直接與脫空相關，推測由于二襯厚度過薄，在混凝土自重作用下內緣混凝土局部受拉及二襯厚度不均勻導致應力集中效應，引發二襯混凝土開裂。

隧道路面底鼓變形成因分析。除不良水文地質因素影響外，多數是設計和施工質量缺陷造成。對某隧道調查發現，瀝青路面中線縱向開裂，裂縫兩側形成明顯錯臺，已影響到隧道內行車安全。隧底開挖后發現，路面以下仰拱及仰拱填充層為卵石混凝土，仰拱與填充分層不明顯；甚至為純卵石、片石或棄渣回填，混凝土總厚度僅約0.5 m，且沒有按原設計設置鋼格柵與二襯封閉成環，隧底結構在車輛動載、上部結構自重及圍巖荷載共同長期作用下，產生不均勻沉降變形，導致路面縱向開裂。

二襯厚度不足及背后脫空成因分析。經過現場大量實例調查，主要原因是隧道欠挖或掘進方向偏位、隧道測量放樣出現重大偏差、二襯臺車定位不準造成。二襯與初期支護層間脫空，主要是施工工藝和人為因素引發施工過程中未按照規范要求施作且過程監管不到位造成。

2 隧道病害防治技術

隧道維修處置的基本原則：首先，綜合調查后根據既有結構缺陷與病害情況，綜合評價結構的技術狀況；其次，對病害產生的原因進行分析，制定針對性的維修設計方案；最后，結合現場實際情況動態優化設計。

2.1 高溫熱害防治技術

對于高地熱地段隧道，首先，在施工階段就要重視結構設計，采用復合式襯砌，并于襯砌混凝土內參加礦粉、粉煤灰取代水泥用量，以控制水化熱與熱害疊加引起的混凝土芯部溫度和結構內外溫差；對通過導熱水斷層地段的隧道，采用隔熱襯砌，其結構形式為“初期支護+防水板+二次襯砌(外襯)+拱墻隔熱層+防水板+模筑襯砌(內襯)”的結構體系。其次，施工過程中，要加強通風降溫、增設局扇降溫、冰塊降溫等措施，采取輪換休息、穿冰服等措施做好工人勞動保護，保證對施工環境危害降低。第三，隧道通車運營以后，要制定合理的通風方案對洞內降溫，以滿足隧道運營環境要求。

2.2 寒區凍害防治技術

對于寒區凍害地段隧道，首先，根據圍巖含水量，采取注漿止水方法避免凍結發生。其次，對排水系統采取保溫措施，在隧道洞口段設置適當的隔熱層等保溫措施，采用“全包”或“半包”防水，保證良好通暢的排水系統。第三，加強過程控制，減少隧道初期質量缺陷。主要措施有：

防水系統處置。第一，圍巖注漿堵水。在受凍害影響的洞口段(一般按500 m考慮)，對滲水圍巖進行徑向注漿，降低圍巖滲透系數，減少地下水的排放。第二，結構自身防水。襯砌混凝土采用防水混凝土，一般地段抗滲等級不低于P10，地下水發育地段抗滲等級不低于P12。第三，防水層防水。初期支護與二襯之間設置防水板并保證施工縫搭接質量。第四，施工縫、變形縫防水。按照一級防水標準設置防水措施。第五，拱頂回填注漿。通過拱頂預埋注漿管二次注漿，注漿采用微膨脹型水泥砂漿。

排水系統設置。凍害地段隧道排水一般采用雙側保溫水溝、中心深埋水溝、防寒泄水洞、電加熱等保溫防寒措施，輔助以出水口的盲管、泄水孔、橫溝、橫導洞、洞外暗溝以及保溫出水口等措施，以保證水流通暢。

保溫材料設置。隧道洞口段于初期支護與二次襯砌之間，設置5 cm厚硬質聚氨酯保溫板加內外兩層防水板構成的全包裹式保溫層。隧道洞口水溝保溫材料主要有蛭石混凝土、礦渣棉、珍珠膨脹巖、泡沫聚氨酯、泡沫塑料等。

2.3 化學腐蝕防治技術

對含鹽等化學腐蝕隧道的設計、施工或整治，首先，減少地表水和地下水進入隧道，采取地表溝谷改移或原溝鋪砌，將地表水引走以及降低地下水位等措施；其次，保證混凝土澆筑質量，減少混凝土內部缺陷。第三，加強防排水措施，減少出水地段干濕交替處腐蝕。洞內設置“全包”式防水板，水管接頭應緊密，適當加密環向排水管、橫向排水盲管，縱向中心排水溝移至仰拱以下，降低地下水位。第四，二次襯砌宜采用防腐混凝土，提高混凝土性能，抵制地下水對混凝土的腐蝕；適當加厚鋼筋保護層，提高合格率，減少鋼筋銹蝕。

2.4 施工質量缺陷防治技術

施工質量缺陷病害修復必須以合理的處置措施減少二次破壞為目的。如果襯砌裂縫分布廣、密度高、結構深，存在嚴重變形或表層嚴重剝落等破壞問題，必須拆除重新施作。

拱墻襯砌缺陷處置技術。首先，輕軌套襯加固技術。主要適用于襯砌厚度評價為較薄、裂損評價為較嚴重，但是結構尚未喪失承載能力的段落，處置要點是要保證輕軌與既有二襯面的密貼。其次，掛鋼筋網鋼纖維噴射混凝土加固，主要適用于襯砌厚度評價為略欠且裂損中等的段落，處置要點是新建噴射混凝土與既有二襯的可靠連接。對于二襯裂縫發育密集或二襯厚度嚴重不足(小于10 cm)或二襯混凝土強度等級低于C20的情形，不能采用此方案。第三，粘貼鋼帶補強技術，主要適用于襯砌厚度評價為略欠、裂損中等至輕微的段落。主要作用是提高裂縫二襯的整體性并適當改善其工作性能，其對防止拱頂二襯內表面產生過大的混凝土拉應力具有一定作用，尤其適用于拱頂、拱腰局部縱向裂縫。

隧道路面缺陷處置技術。第一，仰拱拆換技術。主要適用于路面隆起病害，因隧底缺陷導致路面發生錯臺斷裂、檢修道沉降傾斜，或鉆探揭示隧底混凝土厚度嚴重不足的地段。仰拱拆換中需對隧底排水系統進行重建，隧底新建中心水溝與未處治段落接頭部位中心水溝應順接，無法順接時可采用檢查井連接，確保排水通道暢通。第二，隧底注漿加固技術。主要適用于鉆探揭示芯樣厚度存在較小缺陷，且芯樣混凝土整體較為密實，局部存在虛渣松散的，且經過多年運營路面無隆起、無錯臺斷裂病害的。隧底注漿處置雖然是利用了注漿鋼管的微型樁支撐作用及注漿加固作用，但是其對隧底排水系統有不利影響。

其它質量缺陷處置技術。二襯裂縫處治維修：對于寬度小于0.2 mm，可封縫膠直接封閉；對于寬度0.2～0.5 mm，可封縫膠封閉，低壓注膠；對于寬度大于等于0.5 mm，可V型開槽，封縫膠封閉，低壓注膠。襯砌背后脫空注漿維修：該注漿主要為填充作用，注漿壓力對于素混凝土二襯不大于0.1 MPa，對于鋼筋混凝土二襯不大于0.2 MPa，注漿時注漿鋼管不得刺破防水板，注漿期間密切關注二襯表面裂縫擴展情況及二襯變形情況。

3 結束語

公路隧道病害治理是一項復雜且長期需要探究的問題，現階段各種處置技術必須根據實際病害情況，加以深入的調查試驗、監控檢測來選用，隨著我國科技進步、交通強國及高質量發展要求的不斷深入，隧道工程設計與建設將更趨合理、科學，將會有效實現病害的事前預防和過程控制，進一步提升建設期施工質量和運營期結構耐久。