运营期过江盾构隧道渗漏原因及机理综述

柳富勇，杨鹏宇，李东彪，李加虎

（1.南京交通运营管理集团有限公司，江苏 南京 211899；2.中交隧桥（南京）技术有限公司，江苏 南京 211800；3.中交基础设施养护集团有限公司隧道养护技术研发中心）

0 引言

随着我国经济高速发展，城市间运输对交通隧道设施需求不断增加，越来越多的过江隧道被建成并投入使用。水下隧道主要是用盾构法施工建成，由于盾构隧道结构多缝的特点[1]，渗漏成为其运营期间的安全隐患之一[2-4]。在盾构隧道投入使用期间，因土层地质差异、化学物质的侵蚀、隧道内部荷载作用、地层和隧道自身的不均匀沉降等因素产生的渗漏问题较为严重，威胁隧道运营安全。渗漏会导致隧道内部路面湿滑，影响行车安全；同时还会导致隧道内环境湿度增大，威胁安全检测、照明等设备的使用寿命和运行安全。已有的运营期盾构隧道渗漏案例表明，长期渗漏会加剧隧道本身的结构变形，隧道渗漏是由小到大逐步发展的，若不及时治理，后续将对盾构隧道本身造成巨大的危害[5，6]。本文通过系统调研综述了过江盾构隧道渗漏原因与机理，基于现有渗漏机理相关的数值模拟、模型试验、理论解析研究，从隧道管片结构和接缝渗漏两方面进行总结与分析，提出现有隧道渗漏研究的不足及相应改进建议，为过江盾构隧道渗漏研究及应用提供参考。

1 过江盾构隧道渗漏类型

1.1 按隧道渗漏部位进行分类

按照渗漏部位[7-11]，过江盾构隧道工程渗漏可分为管片环缝渗漏、上层拱顶渗漏、螺栓孔渗漏等，如图1所示。

图1 过江盾构隧道不同部位渗漏

1.2 按隧道渗漏形式分类

按照渗漏的形式[12，13]，过江盾构隧道工程渗漏可分为点渗漏、线渗漏、面渗漏，如图2所示。点渗漏的特点为渗漏面积小，各渗漏点相对独立，彼此间未连成线状或者面状，一般渗漏点面积不超过1m2。线渗漏的特点为渗漏点连接成线，多指变形缝、结构缝、裂缝等处出现的渗漏，这种渗漏部位清晰、渗漏比较集中。面渗漏的范围比较大[14]，渗漏发生的位置彼此联系形成大片状渗漏。

图2 过江盾构隧道不同形式渗漏

1.3 按隧道渗漏水量分类

按照渗漏水量[15，16]，过江盾构隧道工程渗漏可分为湿渍、渗水、水珠、滴漏、涌水等，如图3所示。湿渍表现为隧道衬砌表面出现湿润的色泽变化，但无明显渗漏，用手触摸发生渗漏的衬砌表面有湿润感，但并不会沾上明显水滴。渗水表现为盾构隧道衬砌表面能观察到水膜现象，用手触摸明显会有水沾到手上。水珠表现为隧道结构表面会有水滴滴落，但是滴落速度较慢，间隔超过一分钟。滴漏表现为隧道结构表面有连贯的滴水现象，水滴不间断滴落，滴落频率不低于一分钟一滴。涌水表现为隧道结构表面有水呈股状喷出或涌出，水量相对较大，涌水会在隧道路面上形成明显水洼。

2 过江盾构隧道产生渗漏病害的影响因素

国内外学者针对隧道渗漏的研究大多针对某项案例[17-19]，缺乏足够的数据，不具有普遍适用性。过江盾构隧道渗漏病害原因较为复杂，通过对国内过江盾构隧道渗漏原因的整理，可将渗漏影响因素归结为四点：水文地质条件因素、设计因素、施工因素及运营期环境因素。

2.1 水文地质条件因素

水文地质条件因素主要包括土层地质因素和水文条件因素两个方面，具体渗漏成因及机理分析见表1。

2.2 设计因素

过江盾构隧道在设计期间，应充分考虑隧道所处地质条件因素及工作环境水压影响，否则易造成设计理念不合理及选材不当等问题，导致渗漏发生，具体成因及机理见表2。

表2 设计因素引发渗漏成因及机理

2.3 施工因素

施工因素包括防水层失效、衬砌自防水失效、接缝防水系统失效、排水系统失效等方面，具体成因及机理见表3；我国部分过江盾构隧道防排水系统如图4所示。

表3 施工因素引发渗漏成因及机理

图4 我国典型过江盾构隧道防排水系统示意图

2.4 运营期环境因素

运营期环境因素包括服役期季节变化、交通荷载影响等方面，具体成因及机理见表4。

表4 运营期环境因素引发渗漏成因及机理

3 过江盾构隧道渗漏机理研究

国内不少学者对过江盾构隧道渗漏机理展开研究，通过数值模拟、模型试验、理论解析等方法考虑了水文地质条件、外部荷载、管片接缝状态等因素对隧道接缝渗漏与管片结构渗漏的影响。

3.1 数值模拟方法

过江盾构隧道渗漏数值模拟是通过改变隧道某一运营期因素，对比改变前后隧道渗漏发生的改变，研究这一因素对隧道渗漏的影响以及引发渗漏的机理。国内外学者的研究多集中于外部荷载、离子侵蚀、接缝张开等因素对隧道渗漏的影响。

隧道接缝渗漏的数值模拟以环缝为主；离子侵蚀方面的研究[20]多为氯离子的侵蚀路径、扩散规律，从而分析管片劣化机理；还有一些学者[21-23]研究了隧道纵向不均匀沉降、地震荷载[24，25]等引起的衬砌环和管片间螺栓的破坏机理，认为管片环之间的接缝变形会导致接缝张开和错位，引发渗漏。国内外关于纵缝渗漏的研究相对较少，隧道纵向变形下，纵缝张开造成渗漏的影响不容忽视，建议重视对管片纵缝渗漏的影响研究。

过江盾构隧道管片渗漏程度是通过改变管片渗透系数与土体渗透系数的比值来建立[26]。现有的对管片结构渗漏的研究以隧道埋深[27-29]、水位[30，31]等因素的影响为主。管片防水失效的主要原因为裂缝的产生和发展，诸多研究只是考虑现有裂缝造成渗漏的机理及影响，不同条件下管片表面裂缝的发展，隧道管片渗漏与裂缝发展之间的恶性循环等方面的研究较为欠缺，建议之后重视不同因素下的隧道管片裂缝发展对隧道渗漏影响的研究。

3.2 模型试验方法

过江盾构隧道渗漏模型试验是根据相似原理，对现有工程实例进行等比例缩小，对实际工程的隧道运营及渗漏病害进行模拟，研究隧道不同部位、不同缝宽渗漏产生的影响和规律等；也有学者通过室内试验的方法，模拟隧道局部，设置隧道工作水压荷载等，对隧道接缝防水材料的失效机理进行研究。

管片接缝渗漏研究方面的模型试验多以改变隧道渗漏部位、渗漏缝宽为主，分析不同部位和缝宽下的渗漏规律、隧道响应、地层响应等。有学者[32，33]提出临界缝宽不受渗漏位置影响，与土的级配、不均匀系数相关，临界缝宽状态下漏水速率与渗漏方向有较大关联。实际情况中，管片错台造成的渗漏影响不容忽视，建议重视错台量对隧道渗漏影响的研究；隧道接缝防水材料失效的试验多考虑错台、水压的影响，由于实际过江隧道渗漏中所受水压为动水压，试验中多为静水加载，由此产生的误差建议加以改进。

国内学者[34，35]对管片结构渗漏的研究主要通过模拟过江盾构隧道在逐级增加土压力、水压力、衬砌结构损伤等条件下的渗漏来研究的。由于管片自身结构的渗漏程度、渗漏裂缝实际发展不易控制等因素使管片渗漏的实现较为困难，现有的针对隧道管片渗漏的模型试验研究对于结构损伤与渗漏之间的恶性发展缺乏考虑；建议增长渗漏试验时间，研究结构损伤的发展及对隧道渗漏的影响。

3.3 理论解析方法

在过江盾构隧道渗漏理论解析方法的研究方面，大多数学者对于环缝渗漏的研究集中于环缝张开量的临界值和计算方法、隧道纵向曲率半径与环缝渗漏的关系等。

现有学者[36-39]提出两种研究隧道渗漏的理论模型，第一种是等效刚度模型，将隧道简化为一个刚体，忽略管片间剪切力的影响，通过管片间小角度的刚体转动实现隧道的不均匀沉降；这一模型忽略接头渗漏的影响，后来被改进，引入环缝影响系数。另一种为剪切错台变形模型，将隧道的变形视为剪切错台的情况，管片错台引起管片间环面发生剪切，导致隧道接缝防水系统失效。等效刚度模型与管片剪切错台模型示意图如图5 所示。目前的结构分析单独考虑等效刚度或剪切错台，现阶段并没有能同时考虑隧道环间转动和错台变形的模型，建议在已有模型基础上提出一个更加完善的模型。现有的理论解析方法的研究多集中在接缝渗漏的研究，对隧道管片渗漏的研究较为欠缺。在过江盾构隧道运营期内，隧道管片结构渗漏也是影响隧道寿命的一大重要因素，建议引起学者们的关注。

图5 现有的两种研究隧道纵向结构分析模型

4 结语

随着我国隧道技术不断发展，过江盾构隧道渗漏整治技术有明显的跃进，但渗漏治理问题仍是过江盾构隧道工程在运营期的一大难题。在进行过江盾构隧道渗漏处置和日常养护时，应全面了解渗漏的机理及影响因素，根据实际项目情况制定合理的治理养护方案，这样才能确保隧道使用寿命长久、运营稳定。本文综述了过江盾构隧道渗漏类型、影响因素以及渗漏机理。主要结论如下：

①过江盾构隧道渗漏可按渗漏部位、渗水形式、渗水量分为不同类型。按照渗漏部位，可分为拱顶渗漏、环缝渗漏、螺栓孔渗漏等；按照渗漏的形式，可分为点渗漏、线渗漏、面渗漏；按照渗漏水量，可分为湿渍、渗水、水珠、滴漏、涌水。

②过江盾构隧道渗漏病害产生的影响因素包括水文地质条件因素、设计因素、施工因素、运营期环境因素等。

③在过江盾构隧道渗漏机理方面，多为二维渗漏模型，该模型具有一定的局限性，且无法对纵缝渗漏进行较好的模拟；纵缝渗漏的模拟相对较少，但由于“竖鸭蛋”变形，隧道纵缝的渗漏不容忽视，建议引起重视，同时实际隧道渗漏是多因素耦合的，建议考虑多因素共同作用下的渗漏。

④过江盾构隧道渗漏的模拟试验主要集中于接缝渗漏，考虑了接缝张开量、错台量、渗漏位置、密封垫失效等因素对接缝渗漏的影响，而温度、离子浓度等因素对渗漏的影响也不容忽视，建议加以重视；另外，试验时间相对较短，无法体现隧道管片结构损伤的发展对渗漏的影响，建议增加试验时间，重视渗漏发展的研究。

⑤已有的过江盾构隧道结构分析模型的研究集中于等效刚度模型，考虑了隧道不均匀沉降、环缝张开量、错台量对渗漏的影响，对于剪切错台模型的计算分析较少，建议深入对剪切错台模型结构受力与渗漏机理的研究。