既有隧道病害现象分类及原因分析

卢颖明，陈礼伟

(中铁西南科学研究院有限公司，成都 610031)

随着国民经济的发展，我国交通基础设施建设规模逐渐扩大。高速公路，高速铁路建设迅猛发展，尤其是随着西部大开发战略的逐步实施，为了缩短道路里程，满足列车运行速度的需要，在山区公路铁路建设中已越来越重视隧道方案。隧道数量也日益增多，建设规模也越来越大。目前我国已建成的隧道总长度和总数量均居世界第一。但由于地质条件、设计、施工及造价、运营、维修管理等方面的原因，隧道病害问题日益突出。有些隧道的病害已经严重影响到隧道的正常使用，甚至危及行车安全，有些虽然进行了整治，但效果不甚理想。

为了既经济又合理地治理隧道病害，必须科学地评价隧道病害状况，提出切中要害的整治方案。而对隧道病害现象进行分类，并分析各种病害现象产生的原因是科学评价隧道病害状况的首要前提。俗话说“对症下药”，只有对隧道病害现象进行正确而合理的分类，才能准确地把握住隧道病害的原因，并进行综合分析，为隧道病害的维修治理提供参考依据。

1 隧道病害现象分类

隧道病害是影响隧道健康运营的一系列不良现象的统称，包括衬砌混凝土病害、基底病害、附属设施病害、洞口病害等几大类别。其中，由物理或化学等原因引起的衬砌混凝土开裂、漏水、腐蚀、疏松、表面脱落或者掉块等衬砌混凝土病害，是影响健康运营最主要的病害群。这些病害不仅降低了隧道结构的安全性、耐久性以及实用性，还会诱发其他类型的病害，直接缩短隧道的使用寿命。

根据调查分析，隧道一般的病害现象包括衬砌开裂、剥离、剥落及接缝错裂、漏水、结冰、衬砌背后空洞、围岩掉快、流土流沙、材料老化、衬砌屈服等病害现象。隧道的病害是多种多样的，分类方法也是各有不同。本文将从产生病害的原因着手，介绍四种隧道病害现象。

2 由外力引起的隧道病害

由外力引起的隧道病害很多，如衬砌变形、开裂、移动、冻胀(鼓出、开裂)、下沉，洞门前倾等。而引起隧道病害的外力又分为很多种，有松弛地压力、偏压蠕动、滑坡、膨胀性土压力，每种类型的外力产生的病害现象也有所不同。

2.1 松弛地压力

松弛地压力是指围岩自然松弛，不能支持其自重而作用在衬砌上的荷载。多以垂直压力为主，容易导致隧道拱部沿隧道纵向产生张开性的裂缝。而垂直压力的大小沿隧道横断面多为马鞍形分布，这也是为什么在拱腰处纵向裂缝较多的原因。还有一种松弛土压力，当隧道衬砌上部有较大的空洞，而空洞上部围岩突然掉落冲击衬砌结构，衬砌由于承载力不足就会发生垮塌性破坏，这种病害的破坏性很大。实际工程中因为松弛外力引起病害的隧道很多。位于福建省龙岩市境内的漳龙高速公路龙门隧道由于煤层采空，衬砌回填不密实，完工后不久就产生局部开裂，甚至发生围岩坍塌掉块现象［1］。巴彭公路隧道在1998年8月发生掉块，造成车辆损伤，隧道无法正常使用，被迫关闭交通［2］。

隧道因围岩松弛压力产生病害的原因如下:

1)围岩自重、列车振动使围岩松弛;

2)因风化降低节理面的结合力;

3)砂质围岩中细颗粒成分流失使黏结力降低;

4)施工衬砌厚度不足;

5)衬砌劣化，接缝材料劣化。

2.2 偏压、坡面蠕动

隧道在偏压、蠕动下有两种形式的病害:一是当隧道走向与坡面平行时，在靠近山侧拱腰处产生水平张拉开裂、错动，而另一侧拱腰处衬砌则产生压溃。二是当隧道走向垂直坡面时，洞口一般容易产生被动拉力或压力，洞口衬砌产生环向裂缝，错台等。广东省清远市境内的清远—连州一级公路107国道六甲洞隧道北口，围岩偏压造成隧道衬砌挤压变形，错台开裂达70 cm，甚至发生坍塌掉块，严重影响正常交通［3］。

隧道因偏压、坡面蠕动产生病害的因素有内外两种:

1)内因。在设计阶段，偏压衬砌、填土、上部挖方等因素考虑不全，河侧边墙基础嵌入深度不足，没有设计仰拱;在施工阶段，衬砌背后有空洞、刹肩不良、厚度不足。

2)外因。隧道选址不当，在强风化带、软岩滑坡体地质地带，埋深小、有岩堆、崩塌地、河流冲刷面等地易引发隧道病害。暴雨、地震等自然灾害也会增加病害发生的可能性。

2.3 滑坡

构成斜坡的地表表层因地下水而产生的滑动现象，或者随之产生的移动现象均称为滑坡。当隧道正好处于滑坡地带时，衬砌在靠山侧拱部、边墙产生水平开裂、错动，拱顶压溃、坍塌、边墙收敛、轨道变形、侧沟错动、路基变形、底鼓、地表下沉、开裂。四川甘孜州巴塘县境内的波戈溪隧道进口左侧仰坡于2005年4月13日发生滑坡，仰坡下错最大裂缝1.6 m，严重威胁隧道安全［4］。

滑坡的发生原因很大一部分是滑面黏土由于地下水的作用而强度降低，坡体在自重或地震等外力的作用下沿滑面产生运动。滑坡多与水有关，当地表水侵入滑面，或地下水上升浸润滑面，发生滑坡的可能性就比较大。另外，火山作用、地震、钻爆开挖都是滑坡的诱因。

2.4 膨胀性土压

隧道承受膨胀性土压，造成边墙或者拱肩水平开裂、边墙挤出、净空收敛大、底鼓、拱顶压溃等病害现象。这种膨胀性土压力的一般特征是围岩位移和土压随时间长期增长，进而产生衬砌破损。成昆线百家岭隧道K196+566.6～K196+736.6段位于膨胀地层，修建完后拱部开裂掉块，起拱线处开裂外挤错台达60 mm;边墙中部发育张性裂缝掉块，外挤最大达150 mm。拱顶和两侧拱腰均有开裂通缝，最长达4 000 mm，裂缝宽度 10 ～20 mm［5］。

膨胀性土压引起隧道病害的原因分内外两方面:

1)内因。隧道衬砌结构上有缺陷，背后有空洞，厚度不够，无仰拱，直边墙。

2)外因。隧道位于含大量蒙脱石的新第三纪泥质岩、凝灰岩、风化变质的结晶片岩、变质岩、变质安山岩、蛇纹岩、断层破碎带等富含膨胀性岩石中，围岩遇水则膨胀，产生作用于隧道衬砌和支护结构上的土压力，从而引起隧道的变形破坏。

3 由衬砌材料劣化引起的隧道病害

衬砌材料劣化引起的隧道病害，视其环境、施工条件、使用条件等各不相同。病害发生的时期及发展性也大不相同，与时间有密切关系。一般而言，材料劣化种类很多，且并不是单独产生，很多情况下几种病害现象同时发生，相互助长使病害加重。这些病害的发生、发展与隧道的地理环境、水文情况、地质条件、防水设施、混凝土品质、配合比、通风条件等有密切的关系。材料劣化引起隧道病害的现象与原因见表1。

表1 材料劣化的原因和隧道病害现象

续表1

4 由水引起的隧道病害

水引起的病害是隧道最主要的质量通病。在运营隧道中，渗漏水是最常见的病害，有“十洞九漏”之说。一般情况，隧道渗漏病害的表现形式主要有拱顶渗水、滴水，拱脚渗水、淌水，伸缩缝部位渗水、淌水，侧墙渗水、淌水，局部涌水、涌泥，道床积水、翻浆冒泥等。在寒冷地区，还会导致路面冻结，形成冰堆、冰坡，以及拱顶挂冰，严重影响了行车安全。同时，由于衬砌内水的冻胀而对混凝土造成冻害。冻害是寒冷地带导致衬砌混凝土劣化的主要原因。隧道渗漏水导致衬砌混凝土劣化和砂土流出，结构承载力下降，引发病害。因此，弄清楚隧道水害的成因、机理是治理隧道水害的基础。

根据杨新安等［2］人的研究，隧道水害的成因是，修建隧道，破坏了山体原始的水系平衡，改变了原有地下水的渗流规律，隧道成为所穿过山体附近地下水集聚的通道，使隧道处于地下水的包围之中。当隧道围岩与含水地层连通，而衬砌的防水及排水设施、方法不完善时，隧道水害就必然要发生。将隧道的水害归结为客观和主观两个方面的原因。

4.1 客观原因:隧道穿过含水或透水的地层

1)砂类土和漂卵石类土含水地层;

2)节理、裂隙发育，含裂隙水的岩层;

3)石灰岩、白云岩等可溶性地层，当有水的溶槽、溶洞或暗河等与隧道连通时;

4)浅埋隧道地段，地表水可沿覆盖层的裂隙、空隙渗透到隧道内。

4.2 主观原因:隧道衬砌防水及排水设施不完善

1)原建隧道衬砌防水、排水设施不完善;

2)混凝土衬砌施工质量差，蜂窝、空隙、裂缝多，自身防水能力差;

3)防水层施工质量不良或材质耐久性差，使用数年后失效;

4)混凝土衬砌的施工缝、伸缩缝、沉降缝等未做好防水处理;

5)衬砌变形后产生的裂缝渗透水;

6)既有排水设施，如衬砌背后的暗沟、盲沟，无衬砌的辅助坑道、排水孔、暗槽等，年久失修阻塞。

隧道建设分为勘测设计、施工、验收等阶段，在每一个阶段或材料供应等关键环节出现问题，都可能引发隧道水害。例如，设计阶段对水文情况调查不仔细、对地下水的运动规律认识不足、工程防水标准不合理、受力分析不够、结构细部防水设计不详细等均会造成隧道渗漏。施工阶段中常出现的附加防水层接缝处理不好导致漏水，防水材料品质不过关导致防水失效，防水材料与基面粘结不良或不适应等均会产生水害现象［6-8］。

另外，隧道渗漏与其他病害是密切相关的。考虑水的可流动性和水压的传递性，隧道的衬砌结构往往要承受较高的水头压力，在这样的条件下，衬砌中的任何缺陷和病害都可能成为渗漏水的通道。反过来，渗漏水又会加速各类病害的发生和发展，影响隧道的使用性能和使用寿命。因此，隧道渗漏水实际上是隧道各种病害的综合反映。

5 由其他原因导致的隧道病害

5.1 地震

我国现有的隧道相当多位于地震区，地震引起的隧道病害尤其以华北、西南和西北的铁路、公路隧道处于高烈度者居多。例如，位于8、9度地震区的铁路隧道，成都铁路局有113座，北京铁路局有110座，兰州铁路局有70座。这些隧道绝大部分都有病害。

地震对隧道工程的破坏相当大，而且很多是毁灭性的破坏。1995年日本兵库县南部7.2级地震，造成100多座隧道损坏。“5.12”汶川大地震中宝成铁路徽县109隧道破坏导致铁路运输中断等。所以地震引起的隧道病害也应得到充分的重视。

地震引起的隧道病害主要的表现形式有:

1)主体结构衬砌裂损、错台、变形、边墙断裂、基线移动、崩塌、掉块;

2)衬砌背后围岩松动掉落而挤压支护结构，使钢筋屈曲变形;

3)路基发生底鼓，基底挤压破坏，土砂流入，涌水翻浆;

4)洞口山体滑坡，洞门开裂，前倾，墙端破损，严重的会崩塌埋没，特殊地层塌陷;

5)引发次生灾害，如火灾、水害、毒气、山体滑坡等。

公路铁路隧道是道路线路的控制工程，中长隧道更是国家生命线工程。为防止和减轻隧道震害，必须将综合治理、防范为主的思想贯穿到选线、设计、施工、维修养护等各个阶段。根据有关规范进行防震设计，对处于6度以上地区的隧道必须进行专门的地震安全性评价工作。

5.2 有害气体

隧道在运营过程中有害气体的主要来源是交通车辆、电气设备等释放出多种有害气体。瓦斯隧道本身还会释放出瓦斯气体。在长隧道中抛弃废物也会分解出各种有害气体，还有火灾产生的烟，这些都属于有害气体。而隧道是一个闭塞区间，一般只有进出口处与大气相通，隧道内的有害气体不能很快消散，当积累的浓度超过一定值时，会造成严重的危害。

1)危害养护维修人员和乘客的身体健康，使人中毒;

2)腐蚀隧道内的结构物、钢轨、扣件等设备;

3)降低隧道内能见度，妨碍行车安全和维修工作的正常进行。

采用科学的通风排气设备系统，保持良好的通风条件能解决隧道内有害气体的危害。选择合理的通风方式和参数，需要对隧道内有害物质的成分、浓度、分布范围进行调查。还需要对有害气体的允许浓度标准、对人体健康的影响和改善洞内空气环境质量的措施等问题进行深入的研究。

5.3 火灾

隧道是交通的咽喉要道，无论是公路铁路或地铁隧道，火灾都是极其危险的。由于隧道和地铁建筑结构的复杂性，环境密闭，人员密集，一旦发生火灾，扑救难度大，人员难以疏散，造成的损失非常大。1996年11月18日英法海峡隧道发生大火，约600 m隧道造成严重破坏，400 mm厚的混凝土内壁出现剥离，钢轨扭曲，中断交通达半月，造成约2.3亿英镑的损失。还有伦敦、东京、巴黎、莫斯科地铁发生的恐怖事件，爆炸引发火灾，让人记忆犹新［2］。

根据大量资料统计，隧道和地铁发生火灾的原因有:

1)空间狭小，能见度低，容易发生车祸，引发可燃物品爆炸起火;

2)隧道电气线路或电气设备短路，车辆电器设备短路引发火灾;

3)隧道内工作人员用火不当等引发火灾;

4)轮轨摩擦产生火花引起火灾;

5)隧道内瓦斯浓度过高时遇火爆炸;

6)人为纵火或恐怖袭击。

6 结论

1)隧道在运营中会出现渗漏水(水害)、衬砌裂损、腐蚀、冻害、震害和洞内空气污染等病害，还有火灾威胁。这些病害和危害严重威胁着隧道的安全、舒适及正常地运营。其中衬砌裂缝和渗漏水是隧道中最为普遍而且对隧道运营影响最大的病害，并且会导致其他病害的产生，是防治的重点。因此，在隧道规划和设计阶段要预防可能的病害威胁，进行合理的设计;在隧道施工阶段要采取合理的高质量的施工工艺、方法、措施和材料;在隧道运营阶段要及时检查，发现病害，分析病害成因，及时采取合理的整治设计和施工方法。如此，在各个阶段都控制病害的发生，才能最终将隧道病害发生的可能性降到最低。

2)隧道病害在多种内外因素的共同作用下表现的形态特征复杂多样，要分析其原因非常困难。通过对已有隧道病害所表现的不同形态进行调查分类，分析其产生的机理，并将隧道病害产生的原因进行归纳总结，建立隧道病害数据库，将其与专家系统相结合，这是目前隧道病害治理的发展方向。

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