運營隧道結構健康評價指標及其檢測分析

金煜皓、王桂萱、謝偉、楊甜甜

（1.徐州工程學院土木工程學院，江蘇 徐州 221018；2 大連大學建筑工程學院，遼寧 大連 116622）

0 引言

運營隧道結構所處工作條件、地質條件均十分復雜，影響其結構健康狀態的病害很多[1]。然而，并不是所有病害都會對隧道安全產生重要影響，故而，在進行運營隧道結構健康評價時，應綜合考慮影響隧道結構健康狀態的代表性病害[2-3]。對運營隧道結構健康評價而言，科學合理的評價指標對結構健康評價至關重要。本文基于已有研究成果，選取具有代表性的病害，并給出適當的檢測方法，進而提出針對運營隧道病害的有效處理措施，這些措施有利于保證運營隧道結構安全性。

1 運營隧道結構健康評價指標

運營隧道結構的不健康狀態指的是其遭受各種程度的損傷、破損、污染等。主要表現為：襯砌裂損、襯砌材質裂化、滲漏水、背后空洞、凍害、洞內空氣污染等不同類型。具體體現在以下方面：襯砌裂縫、襯砌變形、襯砌剝落（指標值越大，對隧道安全越不利）；強度指標、厚度指標（檢測斷面襯砌混凝土測點平均強度/設計襯砌混凝土強度；檢測斷面襯砌厚度/設計襯砌厚度，指標值越小，對隧道安全越不利）；滲漏水狀態（滲漏越嚴重，對隧道安全越不利）；背后空洞深度（深度越大，對隧道安全越不利）；凍結深度（深度越大，對隧道安全越不利）；CO 濃度、顆粒物（煙霧）濃度（濃度越高，對隧道安全越不利）等。

2 運營隧道結構病害檢測

運營隧道健康評價結果合理性的基礎和前提在于病害（評價指標）數據來源是否準確可靠。基于某運營隧道實際工程，對上述評價指標的檢測手段、方法和布置方案等進行闡述。

該運營隧道是一條南北走向的城市道路隧道，分為上下行雙洞雙車道。此次檢測以洞口為起始點，編號為K+000，車行方向為正方向，里程數逐漸遞增。該運營隧道設計緊貼地形地貌，符合城市規劃要求，具有較高的通行效能和交通安全性。然而，由于隧道運營中存在諸多問題，如襯砌裂損、襯砌材質裂化、滲漏水等，因此需要定期開展檢測和評估工作，以保證運營隧道的安全性與可靠性。

在兩條隧道內分別布置30 個斷面，各150 個測區，可以查明襯砌強度及襯砌表面裂縫分布情況。在運營隧道襯砌表面進行地質雷達測線的布置，依據測線數據得到雷達圖像，并進行分析研究，有效地獲取襯砌厚度信息及可能存在的背后空洞分布情況等重要參數。

3 檢測內容及方法

3.1 光纖傳感器監測襯砌裂縫

3.1.1 光纖光柵裂縫計

光纖光柵裂縫計是一種可靠且經濟實惠的光纖傳感器，用于查明結構裂縫的位置和尺寸。相比傳統的監測設備，光纖光柵裂縫計具備多項優點：它比傳統傳感器能更大范圍地測量裂縫，且其更為便攜、能夠承受的工作溫度范圍大。同時，其可重復、可靠的性能和出色的測量分辨率，使其成為工程結構裂縫監測的最佳選擇。

3.1.2 光纖光柵裂縫計裂縫監測布置

在該隧道混凝土襯砌表面安裝光纖光柵裂縫計，用于監測襯砌開裂情況，每重點監測斷面布置5 個光纖光柵裂縫計，分別布置于隧道側壁、拱頂以監測裂縫情況：兩側壁分別布置1 個，拱頂左、中、右側各布置1 個（見圖1）。

圖1 光纖監測斷面位置（單位：mm）

光纖光柵傳感器鋪設工作如下：在選定的關鍵斷面處將光纖光柵裂縫計粘貼在運營隧道襯砌表面，在與裂縫正交的光纖光柵裂縫計處使用保護罩對傳感器進行防護，如圖2 所示，以保證裂縫計的使用壽命并能降低外界因素對傳感數據的影響。另外，由于光纖傳感對溫度的敏感性，故需布設僅對溫度敏感的傳感器來達到溫度補償的目的，見圖3。

圖2 光纖光柵裂縫計布設

圖3 溫度補償傳感器

3.2 襯砌變形檢測

使用激光式橫斷面測量儀，通過其數據處理和結果輸出等功能，可以便捷地獲得運營隧道襯砌變形、變形速度和變形量等參數。

3.3 襯砌變形及強度檢測

3.3.1 襯砌變形檢測工具

主要應用激光式橫斷面測量儀。

3.3.2 襯砌強度檢測工具及其布置

主要應用ZC3-A 型回彈儀、卷尺、碳化深度測試儀等。

此次檢測涉及的每個斷面都設有5 個測區，其空間位置分布如圖4所示。襯砌強度計算過程如下：首先在運營隧道襯砌表面劃分檢測區（20cm×20cm），打磨掉表面附著物后，用回彈儀水平正對襯砌表面回彈16 次，記錄讀數，根據標準曲線得出回彈強度推測值，最后計算出該測區襯砌強度值。

圖4 隧道斷面測區部位

3.4 襯砌厚度及背后空洞檢測

3.4.1 襯砌厚度、背后空洞檢測工具

地質雷達用于檢測運營隧道襯砌厚度和背后空洞，其原理是利用寬帶高頻電磁波信號探測介質分布，通過天線連續拖動獲取斷面的掃描圖像，通過分析反射波的特征差異來判斷襯砌背后空洞。為進一步分析該運營隧道實際空洞情況，可使用Groundvision 和Reflexw 雷達數據處理軟件，進行資料后處理。

3.4.2 襯砌厚度及背后空洞檢測布置

布置10 條地質雷達測線，共計全長3795m，通過對地質雷達圖像的分析，可以準確地得出襯砌厚度及背后空洞等分布情況。測線布置及背后空洞如圖6所示，取運營隧道襯砌內部缺陷平面位置為例。

圖6 0～200m 隧道襯砌背后空洞平面位置

3.5 最冷月平均氣溫、凍結深度檢測

最冷月平均氣溫可以通過天氣預報及相關資料獲得。凍結深度的測量方法較多，主要包括直接測量法、推測深度法等。其中，直接測量法是通過對巖土體的鉆孔、開挖、切割等方法，對巖土體進行實際測量，得到相關溫度數據后，再計算得到凍結深度；推測深度法則是根據凍融循環的規律，結合圍巖溫度、氣溫和地形等地理環境因素來推算凍結深度。

3.6 CO 濃度、顆粒物（煙霧）濃度檢測

運營隧道內CO 濃度和顆粒物濃度可分別使用CO 傳感器及激光粒子計數器等儀器進行測量。

4 運營隧道結構病害處理措施

4.1 運營隧道襯砌裂縫處理

3mm 以下較小裂縫，應選用注射膠進行修復；較大的裂縫需要采用更復雜的處理方式，如灌漿處理、特殊材料加固等。

4.2 運營隧道襯砌變形處理

針對不同程度和類型的結構變形，在進行修復時需要選擇不同的處理方式。當裂縫較小時，可選用注漿加固技術開展修復；而對于較為復雜的變形情況，則需要采用襯砌加固等更復雜的技術進行處理。這種定制化的結構修復方案可以有效提高修復質量和效率。

4.3 運營隧道襯砌剝落處理

可采用多種處理措施來處理，包括局部修補、重建襯砌、加裝襯砌水泥板等方法。其具體選擇要考慮到剝落部位、原因、性質等諸多方面：對于剝落嚴重的部位，需要采用重建襯砌進行修復，以實現結構的穩定和安全；而針對剝落輕微的部位，可以采用局部修補的方法進行處理，以保障結構的整體性和安全性。

4.4 運營隧道滲漏水處理

處理運營隧道滲漏水的方法常見的有機械密封和化學密封兩種。考慮到滲漏水的時間和地質環境，常用的處理方式包括注漿法、排水法和補漏法等多種形式。

4.5 運營隧道襯砌背后空洞處理

處理運營隧道襯砌背后空洞的方法通常有：注漿法、聚合物灌漿法和夾層注漿法等。注漿法是將特定材料注入運營隧道襯砌與圍巖之間的空洞中，使其填滿并能夠牢固地與襯砌和圍巖結合；聚合物灌漿法是將特定的聚合物注入空洞中，聚合物會自行膨脹，使材料填滿空洞；夾層注漿法是通過將注漿材料高壓注入夾層中，從而使夾層中的空洞消失，并填充空隙，以提高夾層的穩定性和強度的工程方法。針對已形成的空洞，應慎重處理，不得影響隧道的安全性和穩定性。

4.6 運營隧道凍害及有害氣體防治

隔熱法是在襯砌表面與二襯間設置隔熱材料，可采用隔熱法有效防止凍害發生；CO 濃度、顆粒物（煙霧）等有害氣體可采用隧道通風的方式進行處理。

5 結語

本文總結了影響運營隧道結構健康狀態的代表性病害，確定評價指標，針對實際工程項目提出適宜的檢測評價指標方法；最后，給出處理運營隧道病害的有效措施。后續工作將結合運營隧道結構健康評價指標選取及其檢測，構建科學合理的運營隧道結構健康評價指標體系，這是運營隧道結構健康評價的關鍵環節。