水下隧道衬砌结构服役安全及其保障对策思考

何川，刘四进，张玉春，封坤

（西南交通大学土木工程学院 交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031）

一、前言

随着经济社会的快速发展、互联互通需求的剧增，人类跨越江河湖海等水域阻隔的现实需求逐步增多，目前，解决水域交通阻隔问题的主要手段有轮渡、桥梁、水下隧道等三种[1～4]。人类跨越水域交通阻隔的方式已经由轮渡方式逐步向“遇水架桥”式陆面跨越为主导、“水下隧道”地下联通方式兴盛的大方向发展。我国在近期以及今后相当长的一段时期内都将处于水下隧道建设的高速发展期[5,6]。

然而，在修建水下隧道的同时，施工、运营阶段水下隧道结构开裂和破损现象时有发生，给水下隧道衬砌结构的长期安全服役带来巨大的挑战。如施工期间的瑞士Sorrenberg内燃气隧道，广州地铁1号线、2号线部分区间，上海地铁7号线、9号线，武汉长江隧道等均出现过结构开裂及渗水现象[7]。施工期劣损及运营期的不良养护，极易进一步引发钢筋锈蚀，混凝土腐蚀、剥落、掉块等不同程度的病害，降低结构的承载安全性，增加工程的维修和养护成本。如迪拜的Shindagha海底隧道在建成10年后进行维修，维修费用高达建造费用的2倍。类似工程案例还有：日本近70%的隧道发生衬砌裂损病害，伦敦北线地铁盾构隧道管片被硫酸侵蚀后有开裂现象，运营不足20年的香港地铁部分区间及上海打浦路越江隧道的钢筋及连接件锈蚀问题，台湾高雄港过港海底隧道在运营20年后出现结构裂损、渗漏水、钢板锈蚀等问题，日本青函海底隧道在运营10年后出现严重的渗漏和腐蚀现象，厦门海底隧道的钢筋及初期支护锈蚀等[8～10]。通常而言，水下隧道存在的种种病害，均与水下隧道工程周边环境及复杂的服役环境密切相关，如图1、图2所示。

我国目前正处于水下隧道建设的高峰期，在如此大量、快速的建设背景下，如何保障重大水下隧道结构在设计、施工、运营、维修养护等全寿命周期内乃至长寿命使用条件下安全服役，已成为广大科技工作者面临的严峻挑战和重大课题。

二、隧道衬砌结构安全面临的问题

在隧道修建及运营的过程中，由于设计和施工不良、侵蚀环境的影响、突发自然灾害与突发事故等原因，导致隧道衬砌结构出现不同类型、不同程度的劣损和病害。

（一）复杂地质条件导致的结构安全问题

图1 运营隧道复杂的服役环境

图2 水下隧道工程周边环境示意图

随着一大批长度更长、水压更大、地质条件更加复杂及建设条件更加恶劣的隧道工程相继进入规划和建设过程中，我国隧道建设将从既有城市软土环境向强透水地层、软弱互层、风化槽段、穿越岩层、孤石及硬岩凸起等复杂地质环境转变，地层岩性软硬不均，围岩物理力学参数离散性较大，导致荷载分布不均，隧道所受荷载的准确评价与量化包络变得更为困难，严重影响隧道结构的设计和施工安全。如：厦门西通道隧道（长6.33 km，穿越多个风化槽段）、厦门南通道隧道（长13 km，局部埋深100～150 m，穿越多个强风化槽段）、舟山大陆连岛工程隧道（长17 km，海水深度深、隧道长、存在国际级航道和光缆等敏感物）及汕头苏埃湾海底隧道（盾构法施工，长5.5 km，局部地段穿越岩层，且设计地震烈度高达Ⅷ度），还有距离更长、建设条件更加恶劣的琼州海峡（最短海域宽度为18.8 km，最大水深达100 m）、渤海湾海峡（约为108 km）和台湾海峡通道工程（最短直线距离为120 km）。

水下隧道在穿越复杂地质条件和多变环境的同时，长期承受的水压力将进一步加大，在隧道衬砌结构服役期内将承受较高的水、土荷载作用，材料非线性和几何非线性特征明显，加之河床的天然冲刷、海水的动力作用、交通运营振动等的累积作用，可导致隧道结构的受力状态发生改变，严重威胁隧道结构的服役安全。如在复杂多变的地质环境中，由于设计和施工不良、管片选型不当、盾构机姿态控制不佳、注浆压力过大、千斤顶推力不均匀、水土荷载考虑不周等原因，隧道主体结构在施工期与运营期会出现管片错台、管片开裂、管片掉块、渗漏水、不均匀沉降等病害，如图3所示。

（二）侵蚀环境作用导致的结构安全问题

据统计，我国现役处于亚健康状态的隧道约占20%～30%，同样的，据统计，日本有1 600多座公路隧道均存在材料劣化现象[8]，侵蚀环境的持续致损作用严重威胁了隧道结构的长期服役安全。

图3 设计和施工不合理等原因导致的结构劣损

在正常服役周期内，隧道衬砌结构常处于复杂的岩土环境中，将同时受到荷载环境（水土恒定荷载，疲劳荷载，瞬时荷载）和侵蚀环境（温湿度，CO2、氯盐、酸、碱等）的长期共同作用，加之荷载尤其是高水压下周围氯离子侵蚀的加速促进作用，隧道衬砌结构材料和构件的力学性能将不断出现累积损伤及明显的性能劣化（见图4），如混凝土腐蚀和钢筋锈蚀导致结构开裂、破碎掉块、衬砌损毁等，影响衬砌结构承载能力并进而威胁结构的服役安全[12]。

（三）突发自然灾害导致的结构安全问题

通常而言，因受到周围地层的约束作用，地下结构比地上结构的振动幅度小，且由于盾构隧道属于多体拼接的柔性结构，具有较强的抗震性能[13]。但在强震条件下，隧道工程震害依然较突出，如1923年的日本关东大地震、1995年的日本阪神大地震和1999年的台湾大地震等强震作用均导致地铁站和区间隧道出现严重震害[14]。在2008年的5·12汶川地震中，成都部分地铁盾构区间的震害特征明显，出现管片劣损、剥落、错台和渗漏水等形式的震害[15]。上述震害虽未对隧道主体结构产生致命破坏，但依然会对隧道结构的长期耐久性能产生影响。

（四）突发事故灾害导致的结构安全问题

隧道在运营的过程中，由于人为和管理等因素的影响，火灾、列车撞击、货车冲撞、爆炸等突发事故时有发生，加之缺少运营期的健康检测、监测和结构维护，使其“带病服役”，导致服役年限降低。高速公路隧道火灾和爆炸问题，高速铁路隧道内列车脱轨和撞击问题等，将不可避免地导致隧道衬砌结构的劣损，影响隧道结构整体的稳定，危及结构安全。

目前，我国水下隧道工程数量最多、建设规模最大、技术难度最复杂、发展速度最快，使得在结构设计、施工及维护过程中出现的问题增多，问题复杂度进一步加大，加之现代隧道工程正向超大断面、超埋深、超高水压与超长线性方向发展，如何保障我国隧道工程的系统可靠性及长期安全性是我们面临的一大技术挑战。

三、典型区域的水下隧道服役现状调查

以上海地区黄浦江越江隧道和地下交通隧道等水下隧道工程为基础（见图5），开展现场调研，重点分析既有水下隧道结构的服役现状及运营期的主要病害。

从隧道的运营调查结果发现，由于工程地质、水文地质、周围环境，加之设计、施工期处置不当，调研隧道在服役过程中均存在不同程度的病害，给隧道正常服役带来了巨大的安全隐患，如部分越江隧道出现严重的渗漏水、管片裂损明显和错台、侧施工缝漏水、进线电缆封堵孔漏水、管片接头破损或漏水、圆隧道与工作井接头漏水、圆隧道车道板裂缝、防撞墙裂缝、后浇板斜裂缝、管片开裂、沥青路面坑洞等。

其中，严重的渗漏水、隧道结构差异沉降增大、泥沙流失将导致结构荷载变异，促使结构开裂或原有裂缝增大，加速结构损伤和劣化；同时，腐蚀性地下水会加重对隧道结构及内部设施的侵蚀，增大隧道结构的耐久性损伤，使隧道处于带病害服役状态，降低服役隧道结构的可靠性，危及行车安全。图6为隧道结构不均匀沉降及渗漏水病害情况。

图4 隧道衬砌结构的腐蚀劣化

图5 上海地区水下隧道工程分布图

四、水下隧道结构长寿命安全保障对策及思考

从隧道建设、结构性能退化、自然灾害、突发事故灾害等方面探寻隧道结构长寿命安全保障对策，确保隧道全寿命周期内乃至长寿命要求下结构的服役安全。

（一）隧道建设方面的结构安全保障对策

目前，我国正处于隧道建设的高速发展阶段，地铁、高速铁路、电力管廊等水下隧道工程急剧增多，水下勘测、设计荷载、机械施工、新材料、安全保障等方面均面临重大挑战。

（1）新型勘测手段的推广、应用与探索。随着现代信息技术和智能化的发展，地震反射、瞬变电磁法、测井、孔内电视等新型勘测手段采用从整体宏观控制与微观测试相结合的勘察、测试等方法，获取地质信息，修正地层参数，弥补传统地质钻孔勘察的局限性。通过地质分析与工程物探相结合、地震方法与地磁方法相结合，共同解决隧道不良地质构造的超前预报问题。

（2）改进并完善隧道结构的荷载理论。分析既有隧道衬砌结构的常用荷载计算方法发现，当前大多数隧道衬砌结构在设计时仅考虑静态恒定荷载，未对施工全工序过程中的荷载演变进行仔细考量，如在施工期的特定环境下，结构可能处于最危险的状态，其安全风险未得到全面、准确的控制。因此，应完善现有隧道的荷载理论，突出建设全过程中的荷载演变，考虑施工期荷载、运营期的特殊荷载、结构劣损后“减载效应”的影响。

（3）开发隧道工程整体化、全寿命设计方法。综合考虑隧道建设环境条件、技术标准、使用功能与防灾救援、施工技术与安全风险等因素，进行考虑多类多因素的隧道整体化设计；运用“系统最优”“全寿命成本”等新理念和全寿命时变性分析方法进行隧道结构的全寿命设计，使隧道在全寿命周期中的总体结构性能（安全、适用、耐久、经济、美观、环保等）达到最优或优化。

图6 隧道结构不均匀沉降及渗漏水病害情况

（4）机械化、信息化施工的推广。目前我国隧道施工方法已从传统的钻爆法、明挖法，向盾构法优先、钻爆与明挖相结合的方向发展，随着我国制造水平的不断提高，以及地铁盾构、铁路隧道等施工经验与技术的累积，我国已具备了使用盾构、掘进机修建高难度隧道工程的技术能力。随着人类不断地开发地下资源，城市深部地下空间开发、地下城市及地下综合管廊建设等不断进步，机械化、信息化施工技术将必然得到深入发展，应优先为地下空间的开发创造有利条件。

（5）突破重大隧道结构的安全评价系统方法。研究隧道结构安全状态评价方法，形成风险评价模型并进行风险等级划分，建立区域针对性、地质条件针对性、结构针对性的隧道结构安全评价体系。

（6）开发隧道结构安全性与健康状态智能评价与预警软件系统。研究开发隧道结构安全性和健康状态智能评价与预警软件系统，可以实现对隧道结构安全性与健康状态的智能评价，并能对结构安全性进行预测预警。

（二）结构性能退化方面的结构安全保障对策

为转变工程界存在的“重建设、轻维护”现象，忽视隧道结构劣化、老化对隧道结构长期安全性与耐久性的不利影响，亟需转换思维，从结构全寿命安全性及经济性成本分析的角度，变被动维修为主动控制和主动预防，全面系统地从可靠度和耐久性设计、质量控制技术、综合性防护体系、全寿命防腐蚀等方面出发，防控重大隧道结构劣化、老化等安全风险。

（1）研究重大隧道建成初期及运营期的结构性能。在隧道结构建造和运营的全过程中，其结构性能将随着内外环境的不同，发生不同类型的响应。建成初期，荷载及结构量化较为准确，对其结构性能判定较为准确，但由于运营期荷载的不确定性、随机性以及外部作用的持续性，服役隧道结构性能的准确评价面临极大的挑战。为此，应采用理论分析、室内试验、数值模拟等手段，结合有代表性的点、线乃至区域隧道现场测试结果，建立重大隧道结构全寿命性能评价方法和理论体系。

（2）加快修订定量设计、可靠度量的耐久性设计规范。以可靠性理论为基础，综合考虑隧道结构的岩土环境、腐蚀环境以及服务运营环境的特点，构建全面、考虑多因素耦合影响的隧道结构耐久性定量设计理论，从国家及行业监管层面制定隧道结构耐久性设计规范，从预可行性研究、设计阶段起，全面持续重视隧道结构的长期安全性及耐久性。

（3）建立隧道结构全寿命周期的质量控制标准与防护体系。加强施工期隧道结构的施工质量控制标准和监控，对混凝土水灰比、混凝土保护层厚度、混凝土氯离子扩散系数等关键结构的耐久性的重要参数进行重点控制，配制高耐久性混凝土；采用全寿命成本分析理论，开展隧道结构防腐蚀方案设计，增加结构安全储备。

（4）加强新材料、新型防腐蚀技术、信息化耐久性监测技术的研究。加强新型耐久性材料的研发与应用推广；开展混凝土防腐、钢筋主动防腐等新技术、新工艺研究；加强全寿命耐久性监测技术和监控体系研发；从产学研相结合的角度推广新成果快速应用。

（三）自然灾害作用下隧道结构的安全保障对策

隧道作为地下结构具有较好的抗震性能，一般情况下其震害并不如地面结构严重，但其作为交通运输的生命线工程，特别是隧道破坏后的修复与重建工作，从难度、经济性、工期等各个方面相比地面建筑的震害处理都处于劣势，因此，隧道工程尤其是重大隧道的地震安全保障显得尤为重要。

（1）建立地震作用下隧道结构安全保障体系的核心目标。确保设防烈度地震作用下隧道结构不发生或者发生轻度破坏，稍作修复便可继续使用；关键线路隧道在震后能够通过修复手段恢复原设计使用功能；建立健全隧道震后震害辨识、评估和应急机制，使地震时相关隧道的地震响应及震害特征能迅速被反馈和评估，并投入到抢险救灾和灾后重建工作中去；形成完整的震后隧道修复和重建的评定标准、技术措施和方案比选准则体系，为震后隧道结构的修复或重建以及修复或重建的方案和技术提供参考。

（2）隧道的抗震规划、设计和施工。对于在规划建设中的隧道结构，从规划、设计到施工阶段均应按规范要求进行隧道结构的抗减震设计，并充分考虑震后隧道的震害反馈和应急预案。在规划设计阶段，充分考虑我国的地质、地形条件，尽量避免隧道处于高烈度地震区、活动断裂带、不稳定边坡等位置，从场地、地震烈度等多个方面进行方案比选，对于高烈度地震区、重要隧道工程、穿越特殊地质条件的隧道应进行专门的抗震设计研究。

（3）抗震设防技术。在抗震设防技术上，大力研发适用于隧道结构抗减震的措施、材料和技术，将地下结构抗减震技术从理论阶段推广到广泛应用阶段，并逐渐形成针对浅埋、偏压、断层等地震易损地质段的隧道抗减震技术体系。

（四）突发事故灾害作用下隧道结构的安全保障对策

隧道在运营过程中面临爆炸、火灾、车辆撞击等灾害事故，影响结构安全。

（1）加快推进重大隧道结构的安全保障体系的建立及完善。以风险理论为基础，综合考虑隧道运营环境、地区经济、国家战略等因素，统筹公共安全、交通运输、建筑等行业，广泛吸纳设计、建设、运营、科研、装备、材料等机构和单位的意见，加快完善隧道结构的安全保障标准和规范体系。

（2）对危险化学品车辆等重大危险源的防范。隧道在运营的过程中，液化石油气车辆、重型货车等重大危险源是可能造成隧道结构破坏的重要风险源之一，应加强采用新技术、法律、法规等多方面措施，禁止危险化学品运输车辆进入重大隧道结构。

（3）加强隧道结构损伤致害机理、防护技术、设备设施以及新材料的科学研究。开展重特大火灾、爆炸、列车撞击等作用下重大隧道结构损伤机理及力学行为研究；研究既有劣化、老化结构在突发灾害（爆炸、火灾等）下的结构安全保障技术；加强对重大灾害的预警、探测、防护技术及设备的研发工作；加强推进新型防火涂料、防火板等隧道结构安全防护材料的研发。

五、结语

目前，我国是水下隧道工程建设规模最大、技术难度最复杂、发展速度最快的国家，工程建设及运营维护过程中出现的问题不断增多，问题复杂程度也正在逐步扩大，随着现代隧道工程向超大断面、超大埋深、超高水压及超长距离等方向发展，如何保障我国大量修建的水下隧道工程的系统可靠性及长期安全性是广大科技工作者面临的严峻挑战。

全寿命周期内，水下隧道处于复杂水土荷载环境、内部运营环境以及内外多变侵蚀环境的长期交互耦合作用下，隧道结构性能持续渐进性地发生损伤、劣化和性能衰退。鉴于此，针对短期内大量修建的水下隧道工程，当前科研任务的重点为开展全寿命周期内隧道结构性能保持计划，准确、合理、可控地确保全寿命周期内水下隧道的结构安全，并在全寿命周期安全保障的基础上，科学规划、分步实施，开展水下隧道结构的“延寿工程”，拓展已建及待建重大水下隧道结构的使用寿命，实施水下隧道结构长寿命安全保障战略。

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