对隧道的常见病害与施工技术的研究

　　摘要：随着我国国民经济的飞速发展发展。我国的隧道建设取得了很大的进步，已建铁路隧道、公路隧道接近9000座，总里程超过5000公里。我国地域辽阔所以各地自然条件差异很大，公路隧道所穿越山体的工程地质及水文地质条件复杂多变，涉及到地质、设计、施工、运营、维修管理等方面，随着隧道的飞速建设，隧道病害问题也日益突出。本文根据国内外常见的隧道病害进行论述，笔者对隧道病害特点进行了分析，结合相关的文献与规范指出了目前存在的问题，文章对隧道的常见病害做了相应的研究，对其成因以及整治提出隧道健康诊断与维修加固方法。
　　关键词：隧道病害；隧道健康诊断；隧道维修与加固
　　
　　我国的隧道建设完成投入运营后，不仅要加强公路隧道的运营管理和运行时期的养护维修，由其是在交通量较大的隧道段，要定期进行的维修与养护，提高应对突发性灾害的抢险能力，而且，还需要加大对公路隧道各种的病害治理以及照明、通风、隧道安全、监控设施等方面的投入，有必要展开系统、全面的隧道病害研究，同时完善隧道运行的管理机制，全面提高我国公路隧道的运营管理水平，延长我国隧道的使用年限。
　　一、隧道病害的成因
　　隧道病害表观特征与病害成因具有紧密联系，且研究者已经根据实际的经验总结了若干病害现象与成因之间关系，并取得了宝贵的经验，以下为一些常见病害的原因总结。隧道渗漏水是由于修建隧道破坏了山体原始的水系统平衡，隧道成为所穿越山体附近地下水集聚的通道。在工程勘测设计中对其工程地质及水文地质情况了解得不够仔细，对衬砌周围地下水源、水量、流向及水质勘察不全；有时还缺乏反映防水材料性能的室内实验数据和对结构抗渗、抗腐蚀的具体要求；另外由于施工和监理中存在的问题也是形成水害的原因。气温变化是冻融交替的主要原因。衬砌周围冬季冻结、夏季融化范围的围岩沿衬砌周围各最大冻结深度连成的圈叫季节冻融圈。衬砌裂损的类型：衬砌开裂，衬砌变形，衬砌腐蚀破坏，衬砌背后空洞，仰拱破碎，路基下沉，路面翻浆冒泥。衬砌裂损的整治：整治衬砌裂损病害，首先要消灭已有的衬砌裂损对结构及运营的一切危害，并防止裂损扩大。其次是采取以稳固围岩为主，稳固岩体与加固村砌相结合的综合治理措施。工程中改善隧道内空气污染的方法是用射流风机或竖井把新鲜空气引进隧道冲淡隧道内的有害物质浓度，或者将隧道的污染空气排出洞外，使空气质量满足要求。出现CO浓度超标和烟雾透光率不够的主要原因是风机数量不够或者风机出现故障，治理方法是合理的增加风机数量，科学的设置风机的开启程序，对于风机出现故障要及时检查和维修。运营中的照明病害主要是照明光源如灯具等发生损坏而没有及时更换，供配电系统和线路故障等。照明病害的治理方法主要是根据检测结果及时更换损坏的照明
　　灯具，要经常检修和处理供配电系统和线路出现故障。隧道噪音病害治理就是在洞室表面采取一定的吸声处理措施，即在顶拱、顶棚或边墙上布置一定数量的吸声材料，或在洞顶聚焦点上设置空间吸声体，减少声波的反射能量与次数，降低噪音的混响声级，缩短混响时间，使总的声压有所减小。隧道运营病害主要是防火设施、自动火灾检测系统、手动报警按钮和紧急电话等安全运营设施发生故障。防火设施的故障是长期不用而造成设备生锈老化，或者是由于蓄水池无水和消防管道故障等以致发生火灾时无法使用，自动火灾检测系统故障是发生火灾时没有向隧道监控室发出火灾信号，手动报警按钮和紧急电话故障是发生火灾时无法使用，这些都会延误救援时机而造成不应有的损失。以上为隧道各主要方面病害的原因，对各种病害的分析不是很到位。一者由于笔者水平有限，二者由于隧道病害成因复杂，具有多样性和不确定性，尚需要根据病害现场分析结果或利用模型试验，进一步研究病害成因的基本规律。
　　二、隧道工程常见的病害和病害的分级
　　现阶段国内外公路隧道病害基本可分为衬砌病害和运营病害两大类。其中衬砌病害有渗漏水、衬砌裂损、冻害、衬砌腐蚀等，而运营病害有CO浓度过高、烟雾浓度大、隧道能见度不够、隧道内亮度不够，车辆高速驶入驶出隧道时产生的“黑洞”和“白洞”效应、隧道内噪音超标、运营安全病害、监控系统出现故障、路面病害等等。隧道内各种病害一般不是单独存在的，而是互相作用、多种情况共同影响形成的。现在国内外用分级来描叙病害的程度。只有对隧道病害程度进行恰当的分级，才能对隧道检测得到的结果进行综合分析，从而科学地评估隧道病害状况。
　　1.1根据衬砌开裂的分级
　　主要是由于地层应力场和地下水的相互作用、温度和收缩应力作用、等各方面因素的影响导致隧道衬砌结构物会开裂变形，现有的衬砌开裂分级一般分为以下几类：
　　1.1.1按裂缝的宽度
　　我国《铁路工务技术手册一隧道》中，按裂缝的宽度将裂缝分为四级，即毛裂纹f≤0．3mm)、小裂纹(0．3～2mm)、中裂缝(2～20mm)、大裂缝(>20mm)。
　　1.1.2采用定量和定性相结合的方法
　　我国《铁路桥隧建筑物劣化隧道评定标准》采用定量和定性相结合的方法将隧道开裂分为五级：AA(极严重)：长度L>10m，宽度a>5mm，且变形继续发展，有可能掉落；A(严重)：L为5～10m，但a>5mm；开裂使衬砌呈块状，在外力作用下有可能崩塌和剥落；B(较重)：L<5m且5mm≥a≥3mm；裂缝有发展，但速度不快；C(中等)：L<5m且a<3mm；D(轻微)：一般龟裂或无发展状态。
　　1.2根据渗漏水的分级
　　渗漏水是隧道中最常见的病害。在我国的铁路隧道养护工作中，根据渗漏水程度将渗漏水定性的分为润湿、渗水、滴水、漏水、射水、涌水六级。
　　1.3按衬砌剥落、剥离的分级
　　按美国《公路和铁路交通隧道检查手册》中，剥落分为三级，即轻度的(表面砂浆流失深度小于6mm，可见到粗骨料)、中度的(表面砂浆流失深度达6～12mm，粗骨料间的砂浆也有流失)、重度的(砂浆和粗骨料均有流失，且深度25mm以上)；剥离也分为三级，即轻度的(混凝土剥离的厚度小于12mm，或直径达75～150mm)、中度的(混凝土剥离的厚度达12～25mm或直径达150mm)，重度的(混凝土剥离的厚度超过25mm，直径超过150mm)。
　　1.4衬砌材料劣化的分级
　　日本《道路隧道维持管理便览》采用衬砌有效厚度与设计厚度的比值作为衬砌材料劣化程度的分级划分指标：当比值小于1／2时，定为危险级；当比值为1／2～2／3时，定为迟早有危险级；当劣化范围是极小部分时，可降低一级。
　　1.5衬砌变形、移动、下沉的分级我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准一隧道》的分级，以净空
　　位移量测的变形速度为衬砌变形的判断指标，大于10mm／a或2mm／月为危险级，3～10mm／a可定为早晚有危险级，l～3mm可定为将来有危险级；当发展趋势是加速时，要提高1级。
　　三、隧道施工问题的解决方法
　　（1）按“新奥法”的施工原则进行施工
　　首先洞口施工。土方施工采用机械化作业，石方爆破主要用浅眼台阶爆破法，底部和边坡用小炮松动爆破，预留保护层厚1.5m～2m，在明洞路堑开挖前，首先进行排水设施施工。做好天沟、截水沟，并做好防渗和支护工作，保证边坡稳定。其次，洞身开挖。根据围岩级别和设计要求并结合现场实际地质情况采用相应的开挖方法：洞口段采用台阶法预留核心土开挖、Ⅳ级、Ⅴ级围岩一般地段采用台阶法开挖、Ⅲ级围岩地段采用全断面法开挖。Ⅴ级围岩段超前支护设计采用42超前注浆小导管了；Ⅳ级围岩
　　段及Ⅳ级膨胀性围岩段超前支护设计采用25超前锚杆。2、初期支护：包括钢支撑、锚杆、钢筋网及喷射混凝土，围岩级别不一样，所采取的支护方式不一样，在现场实际施工中，一般根据超前地质预报情况、围岩量测及现场地质情况来综合判定是否采用设计支护参数，当综合判定的设计支护参数高于或低于设计时，应及时通知有关单位，通过变更来改变设计支护参数。
　　最后防排水层施工和仰拱。防排水是按照“防排堵截相结合”综合治理的原则。力争形成完整的防排水体系，使隧道防水可靠，排水畅通，运营期隧道内不渗不漏，基本干燥。本隧道采用复合式衬砌。施工防排水前先对初期支护进行验收，验收标准：保证表面平顺，无钢筋、锚杆头；对围岩量测及拱顶沉降数据进行分析，确保该段围岩稳定；最后隧道二次衬砌采用复合式衬砌支护结构，衬砌均按新奥法原理设计，采用柔性支护体系的复合式衬砌，隧道二次衬砌结构采用C30模筑(钢筋)混凝土或C30模
　　筑防水(钢筋)混凝土。为保证二次衬砌质量，提高工效，二次衬砌采用12m长的液压模板台车施工，混凝土罐车运料，输送泵送入模，振捣采用插入式振捣器配合附着式振捣器。为了保证每板混凝土接缝处的防水要求，在接缝处设置橡胶止水带。仰拱采用全幅施工，上面铺设仰拱栈桥。仰拱开挖后，立即安装仰拱拱架并喷射C25混凝土达到设计厚度，使初期支护及时闭合成环。中心水沟在仰拱浇筑完成后，仰拱填充施工前安装就位。如仰拱开挖后基坑内有积水，采用潜水泵抽排至已施工好的中心水沟内排出洞外。仰拱回填施工完成后，仰拱栈桥暂不挪开，保证施工车辆的通行。实践证明，及时施作仰拱，不仅起到早闭合、防塌方的效果，而且能保证洞内道路的畅通，对搞好洞内排水及文明施工、防止隧道基底软化等都是非常有利的。
　　（2）超前地质预测预报
　　超前地质预测预报工作采用多种手段互相验证。根据各种探测方法的特点，可分为长距离控制预报、中距离预报、短距离验证预报。长距离宏观控制预报:在隧道穿过的采空区地段以及断层带，在洞身水平方向上采用TSP203超前地质预测预报系统进行距离100m～150m的预报(采用100m的成果)。中距离预报:
　　采用仪器(地质雷达、红外线探测仪、HSP水平声波反射法)和超前地质钻孔进行的距离在30m的验证预报。短距离预报:地质素描法和采用长钻孔进行的距离小于30m的预报。超前地质预报建立一个地质信息系统，通过多种方法收集地质信息，进行综合分析、判断，编制信息预报成果，由主管技术人员予以复核。为变更设计、施工提供决策依据，及时调整施工方法和支护参数。
　　（3）施工通风
　　施工通风是使洞内作业面空气达环境标准所采取的主要措施，洞内空气质量的好坏，直接关系到洞内施工人员的身心健康和洞内工程的施工进度。目前对于短隧道采取的通风方式主要是压入式通风，对于长大隧道而言，前期采用压入式通风，当隧道掘进至一定长度后，将采用巷道式通风，巷道式通风充分利用隧道，通过将通风机安设于洞内，并设置风门，洞内空气在左右线存在压差的情况下形成排风系统，达到良好的通风功效和通风能力。在实际实施过程中，可根据通风情况，适当增设射流风机，以达到加快风速，增强洞内空气循环能力的目的。
　　四、结语
　　隧道属于地下工程，施工中岩体变化较大，虽然我们现在可以通过各种先进的科学手段对前方地质进行预判，可是受各种因素影响，施工难题也在不断涌现。因此就要求我们在施工中不断的探索，一边施工一边总结经验教训，保质保量的完成施工任务，同时隧道建设应该及时开展隧道病害研究，按照科学合理的思路，以理性、量化的方法评估病害，提高我国隧道维修方面的水平，使整个交通建设水平上一个台阶，以更好的运行质量服务广大人民。
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