寒区公路隧道病害现状分析

焦鹏飞

（1.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026；2.辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心，辽宁 沈阳 110111 3.辽宁大通公路工程有限公司，辽宁 沈阳 110111）

寒区公路隧道病害现状分析

焦鹏飞1、2、3

（1.吉林大学建设工程学院，吉林 长春 130026；2.辽宁省交通规划设计院有限责任公司公路养护技术研发中心，辽宁 沈阳 110111 3.辽宁大通公路工程有限公司，辽宁 沈阳 110111）

以辽宁省在役高速公路隧道为研究背景，结合现场实际检查工作，通过实地对隧道病害的调查和描述以及地质雷达、隧道断面仪等检查手段，分析目前寒区隧道的病害现状，详细描述隧道渗漏水、衬砌开裂、厚度不足等病害特征，同时总结隧道的修建年份、病害所处区域的围岩级别、衬砌厚度等物理因素对病害发展的影响。研究表明：目前寒区高速公路隧道的病害主要集中在衬砌的开裂、渗漏水、二衬厚度不足及围岩脱空等。衬砌的开裂及二衬厚度不足的现象存在于每个隧道，衬砌渗漏水的隧道达到64.5%。同时根据统计分析发现，衬砌病害受运营时间、围岩级别的影响明显。其检查分析结果为隧道后期的养护和维修提供一定的参考。

隧道病害；耐久性；围岩环境；修建时间

1 引言

根据相关资料显示，目前辽宁省在役高速公路隧道共二百余个，随着公路网的日趋完善，隧道工程的在建项目逐年减少，根据发达国家的公路隧道建设经验［1-2］，其公路工程的发展历程大致经历三个阶段：大规模建设的第一阶段；建、养并重的第二阶段；大范围维修重建的第三阶段。根据辽宁省交通系统的发展程度，目前可以判断隧道工程正处于第三阶段，而且更加偏向隧道的运营养护。

辽宁省地处寒区及滨海环境，由于北方地区的自然地理条件，温度、冻胀等因素加剧了公路隧道病害的发展，极大的降低在役隧道的耐久性和使用寿命，给交通安全带来巨大隐患。许多专家和学者对运营隧道病害问题高度重视。吴梦军等［3］依托于海南、重庆、甘肃、四川等地在役公路隧道，分析了隧道病害现状提出了相关加固处治建议；刘海京等［4］根据国内外隧道的病害研究现状，总结了隧道病害的特点和研究方法，提出了病害研究的总体思路；吴江斌等［5-6］基于隧道病害的传统分析方法，提出了定量化隧道病害的分级技术，同时对铁路隧道的病害现状和检查方法进行了总结；马晓良［7］等研究了寒区隧道的冻害发生机理及相应的防治措施技术；袁超等［8］以沈丹高速公路在役老旧隧道为基础，分析了物理因素和化学因素对衬砌裂化的影响。由于隧道所处环境的差异，目前大多数调查研究都基于特定的地区进行。但对寒区高速公路隧道病害的研究还比较少。

本文以辽宁地区高速公路隧道为背景，通过对隧道的实地检查调查，总结目前公路隧道病害现状，并基于围岩条件等物理环境对病害发展的影响因素进行了探讨。

2 隧道概况

辽宁省高速公路隧道主要位于冬三、冬四区，属寒冷地区，2016年对该区域隧道的病害情况进行实地检查，主要统计了隧道洞口、洞门、衬砌、路面、检修道、排水设施、衬砌净空及衬砌厚度等病害情况，结合 《公路隧道养护技术规范》 （JTG H12-2015）对隧道的总体技术状况进行了评定，通过对每一项指标的状况评分，结合公式1计算隧道的总体状况值，同时结合隧道土建状况评定分类限界值对隧道技术状况进行分类，土建结构技术状况评定分类界限值见表1。

式中，JGCIi—分项状况值，值域 0～4；wi—分项权重。

表1 土建结构技术状况评定分类界限值

鉴于隧道数量较多，仅给出不同运营时间隧道的等级评定见表2。从现场检查情况可以反映出，目前高速公路隧道均处在病害较严重状态，绝大多数隧道处于2类、3类状态，存在一定的破损现象。

表2 隧道技术状况表

由于隧道所处区域为寒区，温差、降水等因素造成的冻害影响，明显加速了隧道的劣化进程，从图1可知，运行年限在4年以下的隧道，3类技术状况隧道比例为14.8%，而运行4年以上的隧道的3类技术状况比例上升至84.6%。从这一现象可以发现，目前公路隧道的技术状况已逐年呈现出老化趋势，病害发展趋势迅速。因此对隧道开展定期检查工作，明确病害的主要形式，分析病害产生因素已刻不容缓。依托于辽宁地区高速公路隧道的检查工作，明确了该地区隧道病害的主要形式为：衬砌裂损，渗漏水，排水设施不畅，衬砌厚度不足、背后空洞，检修道破损等。本文将通过病害的实际检查和调查对在役高速公路隧道状况进行统计分析，明确影响因素，为接下来隧道的养护和整治工作提供参考依据。

图1 隧道运行年限与技术状况

3 公路隧道病害现状

通过对隧道外观以及相关探测，目前高速公路隧道的病害主要集中在衬砌开裂、渗漏水、衬砌厚度不足、背后脱空，检修道破损、排水设施堵塞等病害。下面将通过具体病害展开详细分析。

3.1 衬砌开裂

在隧道修筑过程中由于施工方法，地质条件，围岩压力以及在修筑后围岩内部环境的变化，衬砌的老化，行车荷载等众多因素的影响，衬砌将发生一系列的变化，直接导致隧道衬砌开裂，隧道开裂的表现形式主要有：衬砌的纵向裂缝，斜向裂缝，环向裂缝，网状裂缝以及衬砌掉块等。

通过检查发现，在隧道的众多病害中，衬砌的开裂是最普遍且最严重的现象。每个隧道都存在裂缝的现象，裂缝最多的隧道达到200多条，裂缝的长度也长短不一，在调查的隧道中，最长的裂缝达到76m。裂缝的分布区域多集中在左右拱腰位置，以某隧道为例，隧道共有裂缝140条，其中拱腰处的裂缝为86条，占比达61.4%。

鉴于篇幅有限本文仅给出某一区域9个隧道的裂缝情况，见表3。

表3 隧道衬砌裂缝统计表

从表中可以看出，隧道衬砌均存在开裂现象，裂缝最多的隧道达209条，从裂缝的分布上看，纵向裂缝存在较多，所占比例为58.5%，斜向裂缝较少仅为1.0%。各类裂缝比例见图2所示。从受力分析可知，拱腰处裂缝多为衬砌内侧混凝土收拉所致，环向裂缝主要是由于不均匀沉降荷载、围岩受力变化以及施工缝处理不当所致，而斜向裂缝多由环向应力和纵向应力的组合导致产生的拉应力造成［9］，因此综合隧道的裂缝位置及形态可知，拱腰处的纵向、斜向裂缝对隧道的危险性最大。隧道的众多纵向裂缝给隧道的安全带来了极大的威胁。

图2 各类裂缝比例

3.2 衬砌渗漏水

水是隧道等地下结构的一大 “克星”，衬砌的渗漏水会导致隧道结构裂化程度的加剧，降低衬砌混凝土的强度，在北方寒区由于温度场作用，衬砌渗水会使隧道结构产生冻胀应力，加速裂缝的发展，导致恶性循环，同时严重渗水还会造成隧道衬砌挂冰，路面结冰，造成极大的安全隐患。因此渗漏水作为隧道检查的一项重要内容来进行检查。

通过检查发现，目前高速公路隧道大多存在渗漏水现象，主要表现形式为衬砌表面的浸渗以及小范围的滴漏，极少数隧道存在涌流现象。渗漏水隧道占比为64.5%。由于隧道所处不同的区域性，根据隧道所在位置将其划分为10个区域，各区域隧道渗水比例见图3。

图3 不同区域隧道渗水比例

从图3中可以看出，不同区域中隧道仍存在明显的漏水现象，渗水严重的地区，隧道渗水比例达到100%。在寒区，衬砌的渗漏水必然导致冬季的冻胀问题，冻胀力迫使衬砌结构膨胀，使得原有结构的破坏加剧，而加剧破坏的结构又会导致渗水的加剧。形成了恶性循环，加速了结构的裂化程度和进程。

3.3 衬砌厚度不足

通过对隧道二衬厚度检查发现，在所检查的隧道中，每个隧道都存在二衬厚度不足的现象，二衬厚度检查图像见图4，二衬厚度局部不足的隧道所占比例达到100%。以某一区域9个隧道为例，二衬厚度合格率见表4。

图4 衬砌厚度检查图像

表4 二次衬砌厚度合格率

从表4中可以看出，隧道衬砌厚度的合格率在运营6年以上的隧道中大部分已经低于50%，存在严重的安全隐患，同时对比不同厚度处的围岩性质发现，在围岩性质较差的区域隧道二衬厚度合格比率要明显低于围岩性质好的区段。以编号1的隧道为例，其厚度不足的分布情况表5所示。

表5 不同围岩级别二衬厚度不足比例

3.4 其他病害情况

衬砌开裂、渗漏水、二次衬砌厚度不足的情况在所检查的隧道中所占比例较大，是目前高速公路隧道存在的主要问题，也是影响隧道运营安全的重要隐患，同时隧道还存在着其他病害如：排水设施的堵塞，洞门混凝土起层剥落，内装饰防火涂层脱落，路面裂缝，检修道结构破损等。在所检查的隧道中，有34个隧道洞门存在起层剥落现象，56个隧道路面存在裂缝，其中5个隧道路面病害严重， 82个隧道检修道存在不同程度的破损，69个隧道存在不同程度的防火涂层脱落，86个隧道存在排水设施堵塞的现象。

4 影响因素分析

关于隧道病害的成因，许多学者都进行过研究，关宝树对此类问题作出深入分析，认为隧道病害的产生主要有两大因素：一是内部因素，二是外部因素，外力、环境等因素为外因，隧道的设计、施工以及建筑材料等属于内因，还有学者认为隧道的裂化可分为物理因素和化学因素，如围岩压力、冻胀等属于物理因素，而隧道钢筋的锈蚀、硫化反应等属化学因素。本文以公路隧道的检查情况为基础，从统计学的角度细化隧道的病害影响因素。

（1） 时间因素

隧道的运营时间在很大程度上决定了病害的种类、数量及程度，从隧道整体技术状况指标上分析，运营4年期的隧道技术状况要优于运营14年期的隧道，随着运营时间的增长，隧道整体技术状况在不断降低。

（2）围岩性质因素

从二次衬砌厚度不足这一病害情况可知，Ⅲ级围岩病害比例为14.1%，而Ⅴ级围岩病害比例为73.2%。随着围岩性质的变差，病害数量明显增加。

（3） 冻胀因素

本文中所依托的高速公路隧道地处寒区，由于隧道的渗水情况必然会引起冬季的的冻胀问题，渗水隧道所占比例为64.5%，在渗漏水隧道中可以明显发现隧道的裂缝、二衬厚度等问题要明显高于非渗水隧道。

除了上述影响因素外，隧道的交通运营量，日常维护养护情况等因素也是影响隧道病害的客观条件，鉴于篇幅限制，不进行详细统计分析。

5 隧道病害实例分析

5.1 隧道概况

某区域一个隧道，全长为1570m。隧道一般断面形式为三心圆拱形曲墙式断面，建筑限界净高5.0m，衬砌类型为复合式衬砌，二衬为 （钢筋）混凝土结构，路面类型为沥青混凝土面层的复合式路面结构。洞身采用深埋中心排水沟排水，路面采用单侧路缘排水沟排水。隧道于2008年通车，2015年单车道年平均日交通量为1047pcu/（d·ln）， 隧道养护等级为二级。

5.2 病害情况

衬砌共有25条裂缝，其中有11条纵向裂缝，有13条环向裂缝，1处网状裂缝；检修道盖板损坏23块，检修道侧壁损坏24处，总长度为80.2m；12处瓷砖破损，累计面积为5.84m2，3处瓷砖脱落，累计面积为7.15m2，40处防火涂层脱落，累计面积为520.79m2；隧道设计厚度为650mm，实测最小厚度为69.4mm，二次衬砌厚度合格率为52.3%，多处出现初支不密实现象。

图5 衬砌裂缝

图6 检修道破损

图7 衬砌渗漏水

图8 衬砌厚度不足

隧道病害主要集中在衬砌的开裂、渗水、厚度不足以及检修道的破损等见图5～图8所示。隧道的围岩条件较差为Ⅳ、Ⅴ类，运营时间为8年，同时渗漏水现象加剧了隧道衬砌的裂化，导致隧道衬砌病害较为严重，衬砌后的脱空不密实以及二衬的厚度不足等现象，促使病害发展较快。

6 结论

依托辽宁省现役高速公路隧道的检查，总结目前公路隧道运营现状，为高速公路隧道的养护和维修工作提供相关资料。

（1）目前寒区高速公路隧道的主要病害集中在衬砌的开裂，渗水，衬砌的脱空及厚度不足等问题。

（2）隧道衬砌的病害现象受运营时间、隧道所处地区的围岩性质等因素影响明显。

（3）衬砌渗漏水是寒区公路隧道的重要病害，在所检查的隧道中，渗水隧道占比64.5%，由于寒区的季节效应，渗漏水会加剧衬砌裂缝，围岩病害的发生，应将衬砌渗漏水作为今后养护工作的重点。

［1］冯冀蒙，仇文革，王玉锁，等.既有隧道病害分布规律及围岩环境等级划分研究 ［J］.现代隧道技术，2013（04）：35-41.

［2］关宝树.隧道工程维修管理要点集 ［M］.北京 人民交通出版社，2004.

［3］吴梦军，张永兴，刘新荣.公路隧道病害处治技术研究［J］.地下空间与工程学报，2007（05）：967-971.

［4］刘海京，夏才初，朱合华，等.隧道病害研究现状与进展［J］.地下空间与工程学报，2007（05）：947-953.

［5］吴江滨.浅谈隧道病害分级技术 ［J］.岩石力学与工程学报，2003 （S1）： 2422-2425.

［6］吴江滨，张顶立，王梦恕.铁路运营隧道病害现状及检查评估 ［J］.中国安全科学学报，2003（06）：52-55+83.

［7］马晓良，董新平.寒冷及严寒地区隧道冻害发生机理及防治［J］.地下空间与工程学报，2014（S2）：1996-1999.

［8］袁超，李树忱，李术才，等.寒区老旧隧道病害特征及治理方法研究 ［J］.岩石力学与工程学报，2011（S1）：3354-3361.

［9］刘会迎.公路隧道病害成因机理及防治措施研究 ［D］.成都：西南交通大学，2007：58～61.

Analysis of Highway Tunnel Disease Status in Cold Region

JIAO Peng-fei

By taking Liaoning province highway tunnel as research background,this article combined site actual detection work through detection means contain survey of tunnel disease in fact,description and geological radar,as well as tunnel section instrument.It analyzes cold district tunnel of disease status currently,describes disease features such as tunnel leakage water,lining masonry cracking,and thickness insufficient in great detail;meanwhile,it is summarized physical factors on disease development of effect like built year of tunnel,surrounding rock level belongs to rock,and lining masonry thickness.Studies show that diseases of highway tunnel in cold area at present focus on the crack of lining and leakage water,inadequate thickness of the repeated lining and the collapse of surrounding rock.Lining cracking and the lack of secondary lining thickness exist in each tunnel,lining of tunnel seepage water to reach 64.5%.Based on the statistical analysis,it is found that diseases of lining subject to hours of operation and level of surrounding rock distinctly.This detection and analysis provide some references to the tunnel late maintenance and repairs.

tunnel damage,durability,surrounding environment,time of building

U457+.2

A

1008-3812（2017）04-001-05

2017-06-18

焦鹏飞 （1982— ），男，内蒙古集宁人，高级工程师。研究方向：桥梁隧道检查、加固、设计。