山岳隧道衬砌开裂渗水成因分析与治理对策

■苏香龙

（福建省交通工程造价站，福州 350001）

由于场地工程地质与水文地质的复杂性、建筑材料、设计施工等因素，山岳隧道常产生病害，如衬砌裂隙、隧道渗水、衬砌背后空隙和衬砌钢筋锈蚀等。 在这些隧道病害中，衬砌裂隙和隧道渗水是主要类型[1]。 衬砌裂隙为隧道渗漏提供路径，降低衬砌结构承载性能，衬砌结构混凝土剥落。 隧道渗漏加速衬砌钢筋锈蚀， 使以有衬砌裂缝进一步扩展，并且使路面潮湿，减小车辆与路面摩阻力，危害交通安全。 隧道衬砌裂缝与隧道渗水是山岳隧道病害的主要类型，影响隧道安全运营，因此，隧道衬砌裂缝与隧道渗水成因分析是隧道安全评价和修复对策研究的关键。 本文依托山岳隧道实际，在国内外相关研究基础上，总结山岳隧道裂缝类型和成因的基础上，深入分析山岳隧道衬砌裂缝和路面结构渗水的病害情况及成因，提出山岳隧道衬砌和路面结构开裂渗水治理对策。

1 山岳隧道裂缝类型与成因分析

1.1 裂缝类型

Fei 等[1]调查中国大陆90 座高速公路隧道病害情况（图1），研究显示隧道病害包括隧道衬砌退化、隧道排水系统堵塞、衬砌混凝土剥落、衬砌背后脱空、衬砌裂缝和渗水等，其中出现衬砌裂缝隧道达73 座， 占比81%； 出现隧道渗水达62 座， 占比68%， 说明隧道衬砌裂缝和隧道渗水已经成为隧道病害的主要类型。Lee 等[2]搜集266 个山岳隧道衬砌裂缝数据， 分析隧道衬砌裂缝特征和隧道裂缝成因，将隧道衬砌裂缝根据空间分布和特性分成八种类型，提出隧道衬砌裂缝原因诊断方法。 其搜集的隧道资料包括日本87 座、台湾55 座、大陆99 座、德国6 座等，共涵盖122 座铁路隧道、127 座高速公路隧道和17 座水工隧道。 研究认为，山岳隧道病害包括：衬砌裂缝、隧道渗水、衬砌混凝土剥落、衬砌变形、接缝变形、衬砌鼓包、仰拱涌起或沉陷、仰拱开裂、仰拱泥浆突涌和混凝土蜂窝等，从隧道病害现象占比（图2）可以看出，山岳隧道病害中，衬砌裂缝占82%，隧道渗水占44%，是山岳隧道病害的主要类型。 综上所述，衬砌裂缝和隧道渗水是山岳隧道的主要病害类型。

图1 中国大陆高速公路隧道病害分布

图2 山岳隧道病害分布

1.1 裂缝成因

Lee 等[2]深入分析了山岳隧道衬砌裂缝类型与成因， 认为非结构裂缝是隧道衬砌裂缝的主要原因，具体成因如表1 所示。 结合前人的研究，以福建省罗宁高速飞鸾岭隧道为例，进行详细分析。 罗宁高速飞鸾岭隧道是一座上下行分离的双洞四车道高速公路特长隧道，根据2017 年6 月28 日福建省高速公路达通检测有限公司《罗宁高速公路飞鸾岭上行隧道专项检测》《2017 年度国省干线公路网重点隧道检测分报告——飞鸾岭隧道》统计，飞鸾岭隧道上行洞身衬砌裂缝共248 处，裂缝总长860.8 m；飞鸾岭隧道下行洞身衬砌裂缝共148 处，裂缝总长754.6 m。 衬砌裂缝主要为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝。 典型裂缝分布如图3 所示。 根据表1 山岳隧道衬砌裂缝类型与成因相关关系，结合飞鸾岭隧道工程实际， 飞鸾岭隧道衬砌裂缝成因主要包括：（1）纵向裂缝：产生裂缝的原因主要是隧道地质条件存在偏压、设计承载力不够、隧道周边欠挖部位未进行处理使衬砌的厚度不够或施工时边墙与拱顶回填不密实等， 纵向裂缝对隧道稳定性影响较大；（2）环向裂缝：主要是由于围岩压力变化、地基不均匀沉降、变形缝、施工缝处理不当等因素引起，大多数发生在洞口、存在不良地质及软硬岩层接触地带，环向裂缝对隧道稳定性影响不大。 （3）斜向裂缝：斜向裂缝一般是由于混凝土斜截面上的拉应力或剪应力超过混凝土的抗拉或抗剪强度所致，斜向裂缝对隧道稳定性影响次于纵向裂缝。

表1 隧道衬砌裂缝类型与成因

图3 飞鸾岭隧道典型裂缝分布

2 山岳隧道衬砌和路面结构渗水病害情况及原因分析

2.1 病害情况

山岳隧道常遇见断层分布和隧道渗水问题，以福州城区北向第二通道工程北岭隧道为例，隧址区断裂构造发育， 隧址发育11 条断层构造带及8 条节理裂隙密集带，断层构造带内岩体破碎，典型断层分布如图4 所示；断层区裂隙水发育，隧道施工中，裂隙水大量入渗不仅影响隧道施工和安全运营（图5），还可能影响地下水环境和周围居民用水。断裂带与隧道轴线平行或者小角度相交，断层区围岩破碎、松散、强度低、渗透性大、地下水富集。 因断层区存在，产生裂隙水渗流，裂隙水渗流将对隧道衬砌结构产生局部高水压力作用，局部高水压作用对隧道衬砌结构影响很大，易使隧道结构产生开裂渗水（图6）。当富水断层与隧道斜交，地下水压力可能使仰拱以及隧道路面结构上浮，使路面结构开裂渗水，影响路面安全运营[3-4]。

图4 北岭隧道典型断层分布

图5 北岭隧道施工涌出的大量裂隙水

图6 断层裂隙水渗流产生的局部高水压力引发的隧道衬砌开裂渗水

2.2 成因分析

陈健蕾等[5]2011 年通过对贵州省崇尊高速、清镇高速、 镇胜高速等46 座隧道渗漏水情况的调查分析，分别从渗漏形式、渗漏状态、渗漏部位等方面总结出了贵州省分离式隧道及连拱隧道的渗漏特点，84%的渗漏状态为渗水，91%的渗漏形式为线渗漏，61%的渗漏位于边墙，隧道渗水主要原因为衬砌裂缝和施工接缝渗水。Wang 等[6]对中国公路隧道裂缝和漏水灾害的统计分析， 指标包括裂缝密度、平均裂缝长度、裂缝宽度、漏水宽度和漏水状态等，共统计了116 座公路隧道。统计表明，92.4%隧道渗水是由于裂隙渗流，隧道渗水最有效的防护手段是切断裂隙渗流。 结合前人的研究，以罗宁高速飞鸾岭隧道为例，飞鸾岭隧道上行洞身渗水痕迹（干）共7 处、渗水共60 处；飞鸾岭隧道下行洞身渗水共1 处；渗漏水痕迹（干）共3 处。典型渗水如图7 所示。综合场地工程与水文地质条件， 罗宁高速飞鸾岭隧道衬砌和路面结构渗水成因主要包括：（1）设计因素：隧道工程场地水文地质条件不足，特别是未查明断层区分布、围岩条件和地下水补给条件；设计中未考虑山岳隧道局部高水压、 裂隙渗流对隧道衬砌和路面结构的影响， 地下水设计计算存在不足， 对于截断裂隙渗流没有很好的措施；（2）施工因素：衬砌混凝土施工质量，施工缝、变形缝止水处理不当；初期支护表面平整度差，使防水板未能密贴初期支护， 砼浇筑后防水板拉裂或在衬砌背后形成空腔水囊，隧道衬砌背后出现空洞积水；防水板搭接施工、施工保护措施不力；（3）材料因素：排水管容易挤压变形、淤堵而导致排水劣化，使作用在衬砌结构地下水压力增大， 在衬砌薄弱的地方产生地下水渗漏。

图7 飞鸾岭隧道渗水

3 隧道衬砌和路面结构开裂渗水治理对策

针对隧道衬砌和路面结构开裂渗水成因分析，在设计施工阶段，应提出有针对性的治理措施；在运营阶段，局部隧道衬砌渗水开裂，要进行及时修复[7]。

设计施工阶段，针对传统隧道防排水弊端，将S型土工网和泡沫水泥砂浆外包土工布排水管引入隧道排水系统，如图8（a）所示，复合排水管主要为在外包裹土工布，内部放置S 型土工网，如图8（b）所示，间隙用泡沫砂浆填充。 土工网由上下两层为可渗透性的土工布，可防细颗粒和碳酸钙沉淀引发的淤堵；中间层为双层布置S 型排水板形成排水通道，使用高渗透性的泡沫砂浆填充，在保证透水能力的同时保护S 型土工网。 基于复合排水管的隧道防排水系统可分为防水系统、环向盲管排水、横向排水系统和纵向排水系统（图9）。 施工要点如下：（1）环向排水系统主要由环向复合排水管构成，沿隧道纵长每5～15 m 设置1 道， 在隧道两侧与纵向排水管相连，将环向入渗水导入纵向排水管。 （2）横向排水系统主要位于底板下方，由横向复合排水管及碎石垫层构成， 在路基底下间隔5～15 m 设置排水管，排水管上下层使用碎石垫层填充，涌入的地下水通过横向复合排水管导入边沟集束排水管。（3）纵向排水系统由沿隧道纵向对称布置的纵向复合排水管及边沟集束排水管组成，纵向复合排水管收集环向导入的水再导入边沟集束排水管，进而将地下水排出隧道。 （4）针对地下水压力对隧道路面结构的影响，在仰拱路面结构下方设置排水减压系统，自下而上依次为碎石垫层、横向排水管、土工布、土工膜等，连接横向排水管和纵向排水管，将地下水及时排水，降低隧道路面结构开裂渗水风险。

图8 复合排水管结构布置

图9 基于复合排水管的隧道全断面排水布置

运营期间隧道衬砌开裂渗水修复可采用注入环氧树脂封闭裂缝，或者在衬砌表面采用聚氨酯涂层（图10）。 更为严重情形，可通过在衬砌背后形成防渗帷幕进行修复（图11）。

图10 隧道衬砌裂缝修复

图11 衬砌背后防渗帷幕

4 结论

依托山岳隧道实际， 在国内外相关研究基础上，本文首先总结山岳隧道裂缝类型和隧道渗水现象，深入分析山岳隧道衬砌和路面结构开裂渗水成因，最后提出山岳隧道衬砌和路面结构开裂渗水治理对策。 主要结论如下：（1）隧道衬砌裂缝主要分为纵向裂缝、横向裂缝和斜向裂缝，隧道衬砌裂缝形成力学因素包括临近边坡变形、围岩挤压、地震、地下水压力等， 非力学因素包括衬砌混凝土质量、混凝土材料劣化衬砌背后空洞和衬砌厚度不足等。 纵向裂缝属于由于横向拉张应力产生的结构裂缝，横向裂缝大多由于隧道纵向不均匀沉降、 混凝土干缩、温度应力和施工接缝产生的非结构裂缝，斜向裂缝由于斜向张应力产生，常见于隧道入口。 非结构裂缝是隧道衬砌裂缝的主要原因。 （2）对于隧道而言，通过衬砌裂缝和施工接缝渗漏会带来不利影响， 隧道渗水主要原因为衬砌裂缝和施工接缝渗水， 统计表明，92.4%隧道渗水是由于裂隙渗流，隧道渗水最有效的防护手段是切断裂隙渗流。 （3）在隧道衬砌和路面结构开裂渗水成因分析基础上，采用基于复合排水管的隧道全断面防排水系统，将地下水对隧道衬砌结构影响以及由于地下水引起的隧道衬砌和路面结构开裂渗水制止在隧道设计施工阶段。 （4）运营期间隧道衬砌开裂渗水修复可采用注入环氧树脂封闭裂缝，或者在衬砌表面采用聚氨酯涂层。 更为严重情形，可通过在衬砌背后形成防渗帷幕进行修复。