运营期隧道渗漏水病害无损检测及处治措施研究

雪彦鹏，何杰，高斌，江东

（1重庆中信沪渝高速公路有限公司，重庆 401336；2北京中交桥宇科技有限公司，北京 100102）

运营期隧道渗漏水病害无损检测及处治措施研究

雪彦鹏1，何杰2，高斌2，江东2

（1重庆中信沪渝高速公路有限公司，重庆 401336；2北京中交桥宇科技有限公司，北京 100102）

该文以某山区高速公路运营隧道渗漏水病害检测及处治为工程背景，通过地质雷达无损探测及水质检测，确定了隧道的渗漏水的分布范围和主要成因，在隧道渗漏区域采用“排、截”等方式对其进行综合治理，同时在隧道渗漏水检测及处治等方面提供一定的参考价值，促进大量运营期渗漏水隧道能够继续保持良好的运营状态。

隧道病害；综合检测方法；病害机理；综合处治

0 前言

近年来，随着我国高速公路隧道的大量建设，隧道渗漏水成为最为常见的病害之一，不仅危害隧道结构和周围环境，严重的已影响到行车和洞内设施安全，已经成为运营隧道的第一大顽疾[1]。

最初，人们主要靠简单的人工巡查来检测隧道病害，判断的依据也仅仅来源于肉眼的观察以及传统测量工具的数值。近年来，公路隧道检测技术发展迅速，地质雷达、红外热成像、超声检测等多种无损检测方法均已成功运用于隧道检测中，对掌握隧道病害内部机理提供了更加有利的参考[2-6]。

公路隧道的防渗漏工作应当结合实际对施工技术的可行性、运营养护的经济性和耐久性等因素进行权衡。简单的说，就是要做到因地制宜、综合治理、保护环境、防排堵截相结合，保证隧道正常运营和使用，但尚未形成一套具体、详细且针对性强的处治方法[7]。

1 工程概况

1.1 隧道概况

某山区高速公路运营隧道方向由西向东，最大埋深471m。为深埋特长分离式隧道，建筑限界净空为10.50×5m，左右线间距18~30m。左线长6015m，右线长6002.077m。

隧道自通车以来，左右洞进口段约3000m范围内，出现衬砌施工缝、变形缝、衬砌拱腰部、电缆沟涌水，路面隆起等现象（图1），严重影响行车安全。

图1 隧道现场病害照片

1.2 水文地质

近几年雨水量统计如表1所示，其中雨量多集中在夏季，每年5至9月份的降水量占全年的70%，且多有春旱或伏旱的特点。

表1 近几年雨水量统计表

隧址区属构造溶蚀侵蚀低山及溶蚀平台地貌，地形切割较大，高差230～918.9m。为南北向展布的长条状山脉。

该区主体构造为背斜，存在1断裂，全长33km，在该区长14km；存在1断层，在隧道进洞口沿北35°东展布，倾向北西，倾角20°～25°，呈压扭性，断层破碎带宽1～5m。

沿隧道轴线方向，地表无常年的地表溪流，只是随降雨有季节性溪流。在隧道轴线左右500m范围内共发现5处池塘，地表泉和井出露不发育，在区域范围内垂直于隧道沿伸方向的灰岩区有多处地下暗河出口，水量随降雨量变化明显。地下水主要富集于断层附近，施工过程中所遇到主要的不良地质是断层、岩溶、瓦斯气体和石膏。

2 隧道结构背后含水区域检测

目前大量物探技术理论和设备均取得长足的进步，探水方面运用较为成熟的有红外热成像探测技术、脉冲回波探测技术、地质雷达等。通过对比各类物探技术的理论和现场实施特点，该次采用地质雷达法检测。

2.1 地质雷达探测

地质雷达探测原理如图2所示，我们一般以脉冲反射波的形式体现雷达图，通过对雷达检测资料的后处理我们可获知地下介质的分布情况以及介电常数变化面的位置等参数[8-9]。

图2 地质雷达探测原理

电磁波在遇到相对介电常数明显变化的地质情况时会产生反射和透射现象，这种现象主要受异常变化界面的电磁波反射系数影响：

式中：r— 界面电磁波反射系数；

ε1—第一层介质的相对介电常数；

ε2—第二层介质的相对介电常数。

如图3所示，岩土体介电常数随着含水量增大而增大，多数干燥的地下介质，其相对介电常数值＜10，水的相对介电常数是81。

图3 不同含水率下岩体介电常数

基于以上地质雷达探测原理的分析，干燥混凝土与水的介电常数相差较大的基础，在分界面易得到电磁波反射系数，地质雷达用于结构背后探水具有独到的优势。

2.2 现场检测方法

沿隧道纵向布置4条测线，分别位于左右拱腰的边墙。根据实际情况，避开照明及电缆桥架等障碍物，最终确定雷达测线位置。测线布置见图4。

图4 雷达检测线布置示意图

衬砌背后缺陷及含水检查采用地质雷达，配备500MHz屏蔽天线，探测深度2～3m。

检测过程中，对发现的疑似含水区域，在原有测线的两侧加密布设测线，确定含水影响区域。

2.3 地质雷达标定方法

检测之前应在每座隧道已知厚度部位 （一般在洞口明洞地段二次衬砌厚度可用常规方法测量地段）或与隧道衬砌材料相同的其他预制件上测定衬砌混凝土的介电常数或电磁波速度。然后根据雷达图像的分层情况找出衬砌与空气（围岩）的界面，确定衬砌混凝土的介电常数或电磁波速度，使确定的介电常数代入后的处理厚度结果与现场实际测量的厚度结果相吻合。

根据标定的检测参数，对相应隧道进行检测。

2.4 参数调试

选取隧道中已知的衬砌、路面背后含水位置或者出现严重破损的位置作为试验段，采用地质雷达进行探测，得到探测结果后安排专业人员进行数据分析和解读，对疑似含水区域进行钻孔验证，从而调试参数，提高探测效果和准确性。

2.5 检测结果

通过对地质雷达探测得到的原始雷达波进行时间静校正、去直流漂移、增益、背景去除、巴特沃斯带通一维滤波及滑动平均等二维滤波处理，压制和剔除干扰波，突出有效波，分析电磁波典型特征，解析雷达图像，图5为典型衬砌背后含水、富水地质雷达图像，且均通过钻孔验证。

图5 地质雷达滤波图（衬砌结构背后）

经统计，隧道左右幅结构背后含水情况分类统计见表2、表3。

表2 左幅结构背后含水情况统计表

表3 右幅结构背后含水情况统计表

3 隧道渗漏水成因分析

（1）山体水文地质较差，山体地质复杂。山体中有集中水存在，岩层、裂隙和堆积层含有大量的裂隙水和孔隙性地下水，坡面植被茂盛；主体构造为背斜，存在1断裂、1断层，为水害提供了水源和通道。这也是施工中存在很大麻烦的原因。

（2）根据竣工资料，二衬与初支在墙角合为一体，沿防水板下渗水流只能通过纵、横向排水管排泄，若纵、横向排水管造成堵塞，必将导致进入二衬和初支之间水流形成密闭水仓，形成有压水。同时受围岩裂隙发育，其有压水头会进一步增加。也是造成拱顶喷射的原因。

（3）根据现场疏通边沟情况来看，沟底淤沙（泥）严重，基本堵塞边沟，基于此，水中夹带物质有可能堵塞排水管道，这也是边沟和电缆槽间水系乱穿的原因。造成排水不畅。

（4）隧道所在山体含煤层，通过先前检测和该次现场勘察均表明局部漏水处的水含有腐蚀性，但腐蚀程度较轻。

（5）水从损坏的防水结构裂缝以及施工缝渗出；衬砌开裂也为渗漏水提供通道。

隧道排水不畅是隧道病害的一个主要因素，也是引发该隧道灾害的第一大毒药[10]。

3.1 隧道衬砌渗漏水处治措施

隧道防排水设计应当做到因地制宜、综合治理、排截结合，加强水害的防、排、隔处治措施。隧道渗漏水治理设计不降低原有技术标准，治理设计应考虑原结构整体性，减少损伤原有结构。同时，考虑施工对隧道运营的影响，尽量减少干扰。

3.2 隧道衬砌纵、斜向渗水点治理

（1）衬砌的上部（拱脚以上）主要靠封堵，引导地下水集中在下部，而衬砌的下部应以引排为主。

（2）衬砌表面清理：安装竖向塑料排水管位置处，清洗干净衬砌四周，去除尘土、薄膜、反碱、油漆、表面涂层及其他杂物，铲除损害结构，彻底浸透表面但不留积水。

（3）沿渗水处开一个外14cm宽、内16cm宽、7.5cm深的梯形槽，将水引入最近的排水管中。

（4）集水半管、排水管应用Φ4铁丝卡固定，铁丝卡间距50cm。

（5）集水半管与环向排水管、集水半管与集水半管交接处刷一层“立止水”瞬间堵漏剂，将搭接处搭接密实。

（6）距渗水裂缝轴线两边各15cm共30cm范围内环向涂刷1～2mm厚“优止水”高效防水剂。

（7）现场根据渗水量的大小和边沟堵塞情况选择合理的排水位置，边沟严重堵塞或渗水量较小的情况下，可将衬砌渗水由软管导入至电缆槽内且保证渗水不接触电缆槽内管线。

（8）相邻点若距离小于1m则合并处理，里程相同高程不同时以较高位置为起点凿槽埋管，若超过1m则分别处理。

（9）防水涂层宜强调多层，每层可稍薄，成分配比、涂抹方向应不同。

隧道衬砌点状、纵、斜向渗水点具体处治方法及治理工艺图如图6、图7所示。

图6 隧道衬砌点状、纵、斜向渗水点处治方法

图7 隧道衬砌点状、纵、斜向渗水点治理工艺图

3.3 隧道施工缝及环向裂缝渗水治理

（1）清洗干净待施工的混凝土四周，去除尘土、薄膜、反碱、油漆、表面涂层及其他杂物，铲除损害结构，彻底浸透表面但不留积水。

（2）沿裂缝环向开一个外14cm宽、内16cm宽、10cm深的梯形槽，梯形槽的环向高度根据渗水长度调整，渗水长度小于等于400cm的，自拱脚向上刻槽至渗水最高位置，渗水长度大于400cm的，按照“上堵下排”的原则，梯形槽自电缆槽顶部起高400cm，超过400cm的上部出水口，应采用堵漏剂进行堵漏处理。

（3）梯形槽内环向布设3根Φ50引水管，引水管穿过二次衬砌即可，引水管与水平线夹角15°，靠近围岩一侧用土工布包扎，靠近梯形槽处安装Φ50弯头。

（4）将Φ100mm的半管嵌入槽中，应用Φ4铁丝卡固定，铁丝卡间距50cm。

（5）用快速堵漏剂填实半管周围，并涂上1mm厚高效遇水膨胀剂，再填1mm厚快速堵漏剂，梯形槽其余空间用聚合物防水砂浆充填密实。

（6）距施工缝中心左右各15cm共30cm范围内环向涂刷聚合物防水砂浆1～2mm厚。

（7）现场根据渗水量的大小和边沟堵塞情况，选择合理的排水位置；边沟严重堵塞或渗水量较小的情况下，可将衬砌渗水由软管导入至电缆槽内且保证渗水不接触电缆槽内管线。

（8）快速堵漏剂和聚合物防水砂浆的具体配比要求、施工方法和养护要求见快速堵漏剂和聚合物防水砂浆的产品说明。

（9）施工时注意保护隧道内管线，不得破坏。

（10）防水涂层宜强调多层，每层可稍薄，成分配比、涂抹方向应不同。

施工缝及环向裂缝渗水具体治理方法及治理工艺如图8、图9所示。

图8 施工缝及环向裂缝渗水治理方法

图9 施工缝及环向裂缝渗水治理工艺图

3.4 隧道衬砌点状涌流排水治理

隧道衬砌点状涌流排水治理的方式与3.3隧道施工缝及环向裂缝渗水治理的方式大同小异，整个步骤也基本相同，主要区别有如下几点。

（1）引水沟槽内环向钻设孔深150cm，并在端头安装Φ50弯头，再钻孔植入三根Φ6钢筋锚固防止涌水冲击引流透水管，这里区别于3.3中第三步。

（2）将Φ100mm的半管嵌入槽中过后，还需要在电缆槽盖板边缘上开Φ120mm的孔，这里区别于3.3中第四步。

具体的衬砌点状涌流排水治理方法及治理工艺如图10、图11所示。

图10 衬砌点状涌流排水治理方法

图11 衬砌点状涌流排水治理工艺图

3.5 处治措施评价

从以上措施可以总结出，对于隧道衬砌表面渗漏水的整治主要包括封补、注浆、充填、引排四个方面的工序。

（1）裂缝封补：主要对渗漏水裂缝做全面封堵以及对衬砌整体做结构的补强，大大改善衬砌结构的整体性和水平方向的抗变形能力。

（2）围岩注浆：主要利用化学浆液在衬砌、充填防水层外形成一个隔水帷幕，对水流进行封堵，此举可以实现治理效果的长久化。

（3）壁后充填：对衬砌壁后空洞或裂隙处填充浆液，使衬砌所受荷载均匀分布，提高结构的承载能力和抗变形能力。

（4）集中引排：在渗漏水处设置引水管进行集中引排，有效缓解裂隙水压力对隧道衬砌的破坏。

4 结论

（1）公路隧道由于地质、设计、施工、养护等多方面的因素，运营期隧道渗漏水已成为影响隧道正常运行的重要病害，需及时处治，改善隧道运营状态。

（2）地质雷达技术在隧道结构背后渗漏水探测过程中有良好的理论优势，实施过程中通过合理布设测线、现场设备标定和参数调试，探测精度可以极大地提高。

（3）公路隧道属于岩土工程领域，隧道渗漏水产生原因具有复杂性和不确定性的特点，应按照“防、排、堵、截”结合的方式，发挥各类常规处治方法的优势，达到经济合理的技术效果。

（4）该隧道衬砌结构渗漏水处治方案综合考虑施工技术的可行性、运营养护的经济性和耐久性等因素。为隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全提供了一套详细且针对性强的处治方案。

[1]陈建勋.公路工程试验检测人员考试用书——隧道[M].北京：人民交通出板社，2010：102-125.

[2]豆海涛，黄宏伟，薛亚东.隧道衬砌渗漏水红外辐射特征影响因素试验研究 [J].岩石力学与工程学报，2011（12）：2426-2434.

[3]余曼丽，潘伟，朱若寒.红外成像检测技术在工程中的应用及其发展[J].国外建材科技，2007（3）：51-54.

[4]洪代玲.隧道衬砌无损检测技术的发展[J].世界隧道，1997（1）：17-32.

[5]全朝红，陈程，龚术.超声脉冲回波在隧道衬砌结构完整性检测中的应用[J].工程地球物理学报，2010（4）： 197-200.

[6]曾昭发，刘四新，王者江，等.探地雷达方法原理及应用[M].北京：科学出版社，2006：152-180.

[7]陈建勋，罗彦斌，姜久纯.运营公路隧道安全评估[J].现代隧道技术，2006，8（4）：68-71.

[8]同济大学健康诊断课题组.公路隧道健康诊断的应用技术研究报告[D].上海：同济大学，2006.

[9]姜松湖.铁路隧道病害（变异）诊断专家系统[J].隧道与地下工程，1992(12)：192-195.

[10]聂智平，朱少华，赵白文，等.关于某隧道群病害原因分析及结构安全性评估[J].华中科技大学学报：城市科学版，2003（9）：42-45.

责任编辑：孙苏，李红

Study on Nondestructive Testing and Treatment Measuresof Water Seepage in Tunnels During the Operation Period

Based on the detection and treatment of water seepagein theoperating tunnel of an expressway in the mountainous area,the distribution range and the main cause of water seepage in the tunnel are determined by the non-destructive detection of geological radar and water quality.Meanwhile,the methods likedraining and severing are adopted to comprehensively treat the problem in theseepage area.It can provide some references for similar programsand help retain thesmooth operation of thedefected tunnel.

tunnel defect;comprehensivedetection method;defect mechanism;comprehensivetreatment

U457.2

A

1671-9107（2017）10-0033-05

10.3969 ／j.issn.1671-9107.2017.10.033

2017-08-07

雪彦鹏（1972-），男，宁夏固原人，本科，高级工程师，主要从事道路建设与养护工作。