隧道工程病害原因分析及防治技术探究

2022-08-25李鹏飞杨江峰

黑龙江交通科技 2022年7期

李鹏飞，杨江峰

(中交二公局第三工程有限公司，陕西西安 710016)

1 公路隧道病害类型及成因分析

1.1 高温热害与寒区冻害

深埋长大隧道通过高地热地段会出现不同程度的地热害问题，影响较大的热源多数为浅部地壳地温场影响。隧道高温主要危害是：影响施工人员身体健康甚至生命安全，降低劳动效率，机械设备故障率增加，影响混凝土质量，造成部分路段出现路面裂缝、拥包、车辙、坑槽以及衬砌开裂等问题。

寒区冻害是指在寒冷地区，尤其是地下水比较发育时伴随隧道初期质量缺陷发生的季节性冻融、冻胀循环作用造成的周期性的结构加载、卸载作用，对隧道主体结构尤其是洞口结构造成破坏，且极易造成隧道衬砌挂冰、道床积冰、底鼓、严重冰塞等病害，严重危及行车安全。

对于寒区冻害，调查研究表明，只有围岩含水且含水量大于某一界限值时才会发生冻害。大多数硬岩、中硬岩是不会发生冻害的，含水量大于20%的IV、V级围岩容易发生冻害。同一座隧道中发生冻害的部位是不同的，冻害一般发生在累计寒度大于400 ℃·d以上的洞口附近，洞内一定范围不会发生冻害。多数冻害发生的重要因素是隧道的初期缺陷，主要的表现有：隧道混凝土初期开裂；防水板铺设不良、破损，止水带失效；衬砌背后回填不密实、存在空洞；衬砌厚度不足；排水系统不完善造成排水不畅等。隧道冻害呈现季节规律性，春融后施工缝基本不漏水。

1.2 水害

隧道水害主要有衬砌渗漏水和路面地下水泛涌、窜流等导致衬砌开裂、冻胀、地基软化、路面强度降低、路面湿滑等，严重影响行车安全。

1.3 隧道衬砌的化学腐蚀和开裂

隧道衬砌在化学侵蚀环境下，氯盐导致钢筋锈蚀，硫酸盐等化学物质与水泥水化产物发生化学反应导致混凝土损伤，盐类结晶导致混凝土孔中结晶膨胀性的混凝土损伤，最终造成隧道混凝土腐蚀、酥松，成层剥落，强度下降及开裂，铺底隆起、翻浆冒泥、洞内水沟变形，降低隧道衬砌的整体承载能力，对运营安全造成重大隐患。一般情况下隧道地下水渗入增加了水损害，导致混凝土腐蚀，增加了内壁阻力，在寒冷的冬季会引发冻害，从而降低衬砌的耐久性，由此形成相互作用的恶性循环。

经过对某隧道现场调查，多数破坏部位多集中在拱脚、边墙脚、水沟沟壁、渗水的工作缝和滴水的压浆孔附近。调查表明，滴水和渗水的部位比股水和漏水处的破坏严重；地下水位高的部位比低的部位破坏严重；通风不良或混凝土不密实的部位比通风良好或混凝土质量良好的破坏严重。轻微破坏的混凝土，表面析出白色盐硝，表层龟裂、剥离未露出粗骨料。严重破坏的混凝土，表面已剥离露出大石子，大片掉渣，溃散成豆腐渣状。另外，混凝土完全处于水环境中，侵蚀速度较慢，但若处于干湿循环交替的环境下，则存在物理和化学的双重腐蚀，而且物理腐蚀比化学腐蚀更快，出现结晶破坏也更为严重。

1.4 施工质量缺陷病害

施工过程质量缺陷主要是在隧道建设阶段，由于复杂的地质水文条件、勘察设计缺陷、施工质量缺陷等造成隧道路面开裂、底鼓、变形，衬砌结构脱空、厚度不足、开裂、掉块等质量缺陷。该类缺陷是其他各种病害的主要成因。

二衬裂缝成因分析。一是隧底结构缺陷引发的不均匀沉降，二是二衬局部缺陷引起的局部应力集中效应，三是软弱围岩、活断层等不良地质大变形等原因造成。对某隧道调查发现，二次衬砌拱顶部位出现宽度0.5 mm的圈状裂缝，对该板及邻近的二衬进行钻孔排查，发现拱顶部位二衬厚度严重不足(厚度在0.05～0.2 m之间)、二衬与初期支护层间脱空严重。经现场破检发现，空腔内防水板完好无损，初支面未见挤出、鼓包变形及渗漏水现象，说明既有二衬几乎未参与结构受力，裂缝的产生直接与脱空相关，推测由于二衬厚度过薄，在混凝土自重作用下内缘混凝土局部受拉及二衬厚度不均匀导致应力集中效应，引发二衬混凝土开裂。

隧道路面底鼓变形成因分析。除不良水文地质因素影响外，多数是设计和施工质量缺陷造成。对某隧道调查发现，沥青路面中线纵向开裂，裂缝两侧形成明显错台，已影响到隧道内行车安全。隧底开挖后发现，路面以下仰拱及仰拱填充层为卵石混凝土，仰拱与填充分层不明显；甚至为纯卵石、片石或弃渣回填，混凝土总厚度仅约0.5 m，且没有按原设计设置钢格栅与二衬封闭成环，隧底结构在车辆动载、上部结构自重及围岩荷载共同长期作用下，产生不均匀沉降变形，导致路面纵向开裂。

二衬厚度不足及背后脱空成因分析。经过现场大量实例调查，主要原因是隧道欠挖或掘进方向偏位、隧道测量放样出现重大偏差、二衬台车定位不准造成。二衬与初期支护层间脱空，主要是施工工艺和人为因素引发施工过程中未按照规范要求施作且过程监管不到位造成。

2 隧道病害防治技术

隧道维修处置的基本原则：首先，综合调查后根据既有结构缺陷与病害情况，综合评价结构的技术状况；其次，对病害产生的原因进行分析，制定针对性的维修设计方案；最后，结合现场实际情况动态优化设计。

2.1 高温热害防治技术

对于高地热地段隧道，首先，在施工阶段就要重视结构设计，采用复合式衬砌，并于衬砌混凝土内参加矿粉、粉煤灰取代水泥用量，以控制水化热与热害叠加引起的混凝土芯部温度和结构内外温差；对通过导热水断层地段的隧道，采用隔热衬砌，其结构形式为“初期支护+防水板+二次衬砌(外衬)+拱墙隔热层+防水板+模筑衬砌(内衬)”的结构体系。其次，施工过程中，要加强通风降温、增设局扇降温、冰块降温等措施，采取轮换休息、穿冰服等措施做好工人劳动保护，保证对施工环境危害降低。第三，隧道通车运营以后，要制定合理的通风方案对洞内降温，以满足隧道运营环境要求。

2.2 寒区冻害防治技术

对于寒区冻害地段隧道，首先，根据围岩含水量，采取注浆止水方法避免冻结发生。其次，对排水系统采取保温措施，在隧道洞口段设置适当的隔热层等保温措施，采用“全包”或“半包”防水，保证良好通畅的排水系统。第三，加强过程控制，减少隧道初期质量缺陷。主要措施有：

防水系统处置。第一，围岩注浆堵水。在受冻害影响的洞口段(一般按500 m考虑)，对渗水围岩进行径向注浆，降低围岩渗透系数，减少地下水的排放。第二，结构自身防水。衬砌混凝土采用防水混凝土，一般地段抗渗等级不低于P10，地下水发育地段抗渗等级不低于P12。第三，防水层防水。初期支护与二衬之间设置防水板并保证施工缝搭接质量。第四，施工缝、变形缝防水。按照一级防水标准设置防水措施。第五，拱顶回填注浆。通过拱顶预埋注浆管二次注浆，注浆采用微膨胀型水泥砂浆。

排水系统设置。冻害地段隧道排水一般采用双侧保温水沟、中心深埋水沟、防寒泄水洞、电加热等保温防寒措施，辅助以出水口的盲管、泄水孔、横沟、横导洞、洞外暗沟以及保温出水口等措施，以保证水流通畅。

保温材料设置。隧道洞口段于初期支护与二次衬砌之间，设置5 cm厚硬质聚氨酯保温板加内外两层防水板构成的全包裹式保温层。隧道洞口水沟保温材料主要有蛭石混凝土、矿渣棉、珍珠膨胀岩、泡沫聚氨酯、泡沫塑料等。

2.3 化学腐蚀防治技术

对含盐等化学腐蚀隧道的设计、施工或整治，首先，减少地表水和地下水进入隧道，采取地表沟谷改移或原沟铺砌，将地表水引走以及降低地下水位等措施；其次，保证混凝土浇筑质量，减少混凝土内部缺陷。第三，加强防排水措施，减少出水地段干湿交替处腐蚀。洞内设置“全包”式防水板，水管接头应紧密，适当加密环向排水管、横向排水盲管，纵向中心排水沟移至仰拱以下，降低地下水位。第四，二次衬砌宜采用防腐混凝土，提高混凝土性能，抵制地下水对混凝土的腐蚀；适当加厚钢筋保护层，提高合格率，减少钢筋锈蚀。

2.4 施工质量缺陷防治技术

施工质量缺陷病害修复必须以合理的处置措施减少二次破坏为目的。如果衬砌裂缝分布广、密度高、结构深，存在严重变形或表层严重剥落等破坏问题，必须拆除重新施作。

拱墙衬砌缺陷处置技术。首先，轻轨套衬加固技术。主要适用于衬砌厚度评价为较薄、裂损评价为较严重，但是结构尚未丧失承载能力的段落，处置要点是要保证轻轨与既有二衬面的密贴。其次，挂钢筋网钢纤维喷射混凝土加固，主要适用于衬砌厚度评价为略欠且裂损中等的段落，处置要点是新建喷射混凝土与既有二衬的可靠连接。对于二衬裂缝发育密集或二衬厚度严重不足(小于10 cm)或二衬混凝土强度等级低于C20的情形，不能采用此方案。第三，粘贴钢带补强技术，主要适用于衬砌厚度评价为略欠、裂损中等至轻微的段落。主要作用是提高裂缝二衬的整体性并适当改善其工作性能，其对防止拱顶二衬内表面产生过大的混凝土拉应力具有一定作用，尤其适用于拱顶、拱腰局部纵向裂缝。

隧道路面缺陷处置技术。第一，仰拱拆换技术。主要适用于路面隆起病害，因隧底缺陷导致路面发生错台断裂、检修道沉降倾斜，或钻探揭示隧底混凝土厚度严重不足的地段。仰拱拆换中需对隧底排水系统进行重建，隧底新建中心水沟与未处治段落接头部位中心水沟应顺接，无法顺接时可采用检查井连接，确保排水通道畅通。第二，隧底注浆加固技术。主要适用于钻探揭示芯样厚度存在较小缺陷，且芯样混凝土整体较为密实，局部存在虚渣松散的，且经过多年运营路面无隆起、无错台断裂病害的。隧底注浆处置虽然是利用了注浆钢管的微型桩支撑作用及注浆加固作用，但是其对隧底排水系统有不利影响。

其它质量缺陷处置技术。二衬裂缝处治维修：对于宽度小于0.2 mm，可封缝胶直接封闭；对于宽度0.2～0.5 mm，可封缝胶封闭，低压注胶；对于宽度大于等于0.5 mm，可V型开槽，封缝胶封闭，低压注胶。衬砌背后脱空注浆维修：该注浆主要为填充作用，注浆压力对于素混凝土二衬不大于0.1 MPa，对于钢筋混凝土二衬不大于0.2 MPa，注浆时注浆钢管不得刺破防水板，注浆期间密切关注二衬表面裂缝扩展情况及二衬变形情况。