运营隧道工程灾害分析与治理策略

刘 翔，胡锦鹏，钟 康，汤 宇，苏志来

（1.中铁五局集团第一工程有限责任公司，长沙 410117；2.长沙理工大学 汽车与机械工程学院，长沙 410004）

随着国民经济的腾飞，中国隧道工程也进入了快速发展时代。随着我国秦岭终南山公路隧道（总长度18.02 km，规模世界第一，总长度居世界第二）、上海市崇明隧道桥、厦门翔安过海隧道等大型工程的建设，我国也逐渐成为目前世界上隧道总量最大的国家。据统计，目前我国铁路隧道规模和总长突破7 000 km和4 000 km，均居世界首位。但我国各类隧道都出现了不同的病害问题，以我国隧道铁路项目为例：1997年技术状况检测数据显示，目前我国运营铁路有隧道5 000多座，大多会发生不同病害问题，有的比较严重，且发生不稳定现象的隧道有3 270座，占总运营数量的65%。为了减少隧道病害问题，需要根据我国隧道常见的病害种类，结合工程建设的实际情况，有针对性地提出对策，减少灾害损失，其对隧道灾害治理具有重大意义。

1 隧道灾害类型及治理技术

1.1 隧道水害

隧道施工发生漏水，引发洪涝灾害，对隧道安全、洞内建筑、行人安全，以及隧道周边景观产生一系列不良影响，严重漏水可引起地面和地面建筑物不均匀沉降。通过目前的大规模施工经验可知，许多隧道建设时面临相应的水患风险。因此，无论是在隧道建设中还是运营阶段，都要注意隧道水害的发生，严格控制隧道内的漏水现象。

赵新永[1]对新建高铁成都至贵阳段某隧道水害情况进行原因分析，针对孔内设排水孔排水减压、垂直减压孔，侧壁盲管排水口增设横向减压孔提出了通过沟身或侧壁裂缝治理及监测等解决该问题的技术对策。为今后高铁工程面临这一问题提出参考，对高铁隧道工程具有重大的意义。同时，针对宁连高速公路大老山隧道运行维护过程中的实际情况，郭斐[2]分析了隧道水害的原因及处理方法。在建筑防水方面，施工中突破性地在地下通道右线出口设置了376层的棚孔，这也是当时国内创造性的施工。此方法在源头上有效降低了该路段隧道内洪涝灾害的发生概率，同时确保了隧道内良好的景观、通风效果。

另一方面，在解决水灾问题上，目前技术手段从“防范、排放、阻断和堵塞”4个方面实施了相应措施[3]。预防措施也很重要，以新隧道为例，衬里工程防水多选用防水混凝土及外贴型防水涂料，考虑到实际使用效果，外贴型防水涂料已成为铁路隧道建设防水维护的最常用方法。当铁路隧道发生洪涝灾害时，不可能通过装填外装型防水涂料的方法来解决，这样就必须增设内防水涂料。在实际施工中，内防水涂料的主要功能不是阻止雨水直接进入墙内，而是防止雨水直接流入隧道。另一方面，内防水涂料的施工方法主要有以下3种：①喷涂相应的内防水材料，包括橡胶混凝土、橡胶混凝土等产品；②刮板内的防水涂料；③涂装的防水层。

此外，排水是治理水灾的有效方法之一。对于铁路隧道，可通过铺设岩石暗沟、盲沟和排水沟等，或在铺设内设置排水孔、排水管等设施，向排水沟引入水流，增设相应的深水沟。对于长、空间大的隧道，排水沟不能满足排水要求的，应增设导坑或疏通现有的平行导坑。在寒冷地区的隧道中，为了排出隧道内的积水，必须增设防寒排水孔等，杜绝或减轻铁路隧道的水灾问题。

对地表水量比较充足的浅埋隧道，土壤地表沟壑或洼陷的积水渗漏有时会对隧道造成危害，在这种情况下通过积水疏通、沟谷埋深和沟渠排水管埋深等方法，在隧道洞顶地表建立较为完善的排水系统阻断地表水，防止雨水进入隧道。另外，必须在开口部的仰斜面上增加排水沟和截水沟，确保有利的位置。对地下水比较充足、隧道下部排水沟不足或排水沟深度不足的隧道，应适当增加沟渠，如将单侧沟更换为两侧沟以去除地基下部积水，保证隧道下部干燥稳定等。

1.2 隧道冻害

随着隧道运营期的增加，寒冷地区高速公路隧道冻害问题也越来越突出，其影响程度越来越大。据计算，我国约80%的寒冷地区隧道除出现渗漏、路基滑移和微裂缝等常见病害外，还会发生路基膨胀、模具筑造膨胀裂缝、水泥剥离、落块、道路覆冰及排水沟冻结等严重冻害。

潘文韬等[4]针对九棉高速白马隧道现场冻害情况，通过有限元模拟山岭隧道洞口冻害问题，分析了寒冷地区隧道低温下围岩和衬里温度场及其随时空的变化规律，采用抗冻钢筋混凝土在增大衬里厚度的同时，衬里背后采用U型供热管法，施工缝衬里背部采用二热源法、隧道内供暖、地源热泵、电伴热等。现场采取措施后，有效减少了冷害的发生。根据高海拔地区的防冻保温情况，郑波等人对川西高原隧道的冷害问题进行了现场分析，构建了既节约型材又能达到保温施工效果的带气格栅阶梯型保温建筑结构和施工工艺。由此，能够在不降低防冻功能的情况下节约型材，削减工程成本。

针对目前隧道冻害治理技术，从一般隧道的保温隔热、排水措施等2个方面考虑后，产生了不同的隧道冻害治理方式。防冻隔热法一般利用工程保温的隔热性，阻断隧道洞内空气环境条件与衬里式结构的热交流。为了在季冻区运营隧道，保温隔热层一般是为了避免冬季户外空气冷风的侵入，从而衬里表层、巷道围岩等内部保持原有的环境温度，保证避免冻伤的发生。该方法设置保温隔热防腐层材料，根据设置部位的不同一般包括表层敷设、中间敷设、离壁敷设和双层敷设4种方式。保温排水法，则一般利用深埋处理水沟和防寒泄洪洞的技术（图1）。

图1 保温排水法

1.3 衬砌裂损

衬砌裂损病害是现阶段公路隧道工程的主要病害，可通过雷达无损检测设备进行检测，其病害发生的最本质原因是公路隧道建材与区域风化和流水侵蚀，现阶段该病害治理主要侧重主体加固和防渗两方面。其典型病害为墙体老化、裂缝、渗漏水，以及端壁、侧壁、表面层拱的下沉收缩等。

邵珠山等[5]对衬砌裂损的原因、裂缝的分类、裂缝的检测方法和评价标准进行了系统详细的调研和总结。衬砌裂缝在一定程度上影响隧道结构的承载能力和稳定性，裂缝的产生会降低混凝土强度，严重时还会导致隧道坍塌，影响行人和车辆的正常安全运行。为了及时发现和有效治理隧道衬里裂缝，需要对衬里进行裂缝先行检查，并根据相关标准对裂缝形态进行分析判断。

其主要治理对策可以分为以下2部分。

1）向背衬空腔注浆：病害治理用浆材料采用水浆混合浆单液形式，其中水泥组分占80%，粉煤灰组分为1∶10 000比例添加铝粉金属膨胀剂，经灌前预制浆，该配方灌浆组分预计在正式灌注后目标空腔出现85%的有效组分结石，根据探地雷达传输的空腔体积数据，结合雷达图示进行估算，以保证灌注的最终效果，在充分考虑渗透系数和损失系数误差的基础上，在目标空腔中共灌注190.51 m3的有效灌浆单位体积[6]。

2）隧道衬里加固层加固：探地雷达实际检测结果表明，目标公路隧道工程衬砌结构内部水分液体和外界地表地下水的长期渗流已严重侵蚀损坏拱结构外层，其裂缝陷入公路隧道衬砌整体结构，形成局部恶化的恶性循环。因此，为了恢复现有衬里的使用能力，必须根据现有衬里的厚度进行加强。在病害治理施工方式的选择上，本次加固需要充分考虑区域行驶极限的实际要求和混凝土建材的材料特质，重点须避免加固施工中再次出现混凝土成品气泡空洞的问题。选择振动加固辅助喷射混合模型构建混凝土的方式，在拱区和垂直区分别进行30 cm的混凝土厚度加固，使最终产品美观实用[7]。

1.4 隧道震害

地震灾害破坏性特别强，给隧道工程带来更大的损害，有必要加强这一领域的科学研究。

段晓彬[8]采用现场调研的方式对“5·12”汶川地震后川、甘、陕3省56座隧道进行了震害调查；喻凌峰[9]对不同隧道埋深结构动力应变特征及震害机理展开了深入的研究，并通过构建三维有限元数值模拟，根据土-结构间的相互作用关系重点研究了洞门浅覆土区域隧道结构不同埋深下的地震动力响应和隧道衬砌的破坏机理。

在隧道建设阶段，一旦发生坍塌事件，应尽快清理隧道中的坍塌体，对坍塌腔进行回填处理，同样要根据回填体开展适当的灌溉加固工作。

值得施工人员特别重视的是，在具体回填工程中，无论选择何种回填材质、回填方法、浇注条件和相应的浇注时间，坍塌腔中施工部位的刚度、强度、产状、结理及各参数等都无法恢复到围岩的原始状况。这使施工中坍塌部位惯性运动变化过大的同时，也增大了支撑构件对应力的影响，由此会产生诸如落块、铸造衬里裂纹等各种恶性现象，如果情况更严重，铸造衬里就会坍塌从而对工程进度造成更严重的影响。因此，隧道开挖过程中面对塌方段，在具体处理方案中应适当结合阻尼技术。

从目前国内隧道工程的实际施工情况来看，最常见的减震措施是减震层和减震缝的设计。分析结果表明，设计阻尼层时不仅实施困难，同时施工的生产成本也高。由于两片阻尼缝与施工缝能够很好地组合，因此该方法在具体使用流程中的生产成本低，同时施工困难也小。

减震缝的合理设置方法如下。

1）初支缓冲接缝的设置。在隧道工程的具体实施中，为了保证初期支出的阻尼器裂缝的处理的耐误断性进一步提高，在工程的具体实施时，在阻尼器裂缝长度区域内可以进行橡胶喷射混凝土（橡胶射洒混凝土工程是将橡胶颗粒掺入到普通喷洒混凝土工程中，采用该方法可以进一步提高喷洒混凝土的弹性），在具体实施工程中喷射混凝土强度应达到该工程设计初始支撑强度的三分之一以上，在缓冲裂缝两侧5~10倍长度的区域，可采用橡胶喷射混凝土代替一般喷射混凝土，从而显著提高工程的整体施工效率。在缓冲裂缝中喷射混凝土的强度也要逐步提高到初始支撑的实际设计强度，才能进行初始支撑与初始支撑之间缓冲施工接缝的刚度和柔性铰接的阶段性转换，从而逐步增强构件的抗误断力，改善构件的安全性，创造有利的施工条件。

2）设置二衬减震缝。隧道施工中双层地板的缓冲接缝设计，在设计实施阶段，应充分根据地板站台门的具体工况尺寸，以及具体工况的设计要求，实施同步设计，即在具体设计实施阶段施工接缝和二次模地板的缓冲接缝均应为同一截面。此外，施工接缝本身也应根据现场情况配置中埋式橡皮止水带或迎水带（与保护板接触的面），为实现最终的止水目的而实施背贴式止水带设计。

2 结束语

本文对隧道运营的灾害治理类型及其治理技术进行了总体分析，这对隧道工程的发展和隧道灾害的治理具有重大意义。但目前在运营隧道灾害管理技术方面的研究还不够充分，现有的管理技术还存在很多不足之处。展望未来，加强对隧道灾害治理技术和关键装备的研究，推动隧道灾害整治施工技术和新装备创新，加强智能化灾害监测技术和智能化新型装备的研究，从而提高灾害整治工作效率，支持隧道运营发展。