隧道工程常见病害与施工处理技术的实践路径

谷凤先

摘 要：隧道工程在施工和使用过程中往往会遭遇各种病害，如渗水、裂缝、支护不稳和地层沉降等，如果病害处理不及时，可能导致严重的安全隐患。基于此，详细分析隧道工程中的常见病害及其成因，提出一系列施工处理技术及其实践路径，旨在为隧道工程施工和维护提供参考。

关键词：隧道工程；常见病害；施工处理技术；实践路径

中图分类号：U455.49                               文献标识码：A                               文章编号：2096-6903（2024）02-0016-03

1 隧道工程常见病害

1.1 渗漏问题

隧道工程在设计和施工过程中，常常会面临各种技术和环境挑战。其中渗漏问题尤为突出，成为影响隧道稳定性和使用寿命的关键因素。

渗漏问题的发生通常源于多种原因的综合作用，地层本身的性质决定了隧道的渗水特性，比如含水量较高或孔隙率大的地层更容易导致水分渗入隧道内部。隧道施工中的技术问题也会加剧渗漏现象，如施工过程中的爆破或挖掘可能会破坏原本相对密实的地层结构，从而增大渗水通道[1]。隧道支护结构的不足或施工质量问题也可能导致水分穿越隧道壁体。長时间的水侵蚀可能会进一步加速隧道结构的劣化，导致隧道的失稳或塌方，从而给人员和财物安全带来严重威胁。地下水流动性的变化、季节性的雨水渗透以及周围环境的开发活动都可能影响隧道的渗漏情况。

1.2 结构裂缝

在长期的使用和环境影响下，隧道工程也会出现结构裂缝病害。无论是表面性结构裂缝还是深层结构裂缝，都会对隧道的稳定性和使用安全带来潜在风险。

隧道施工过程中，不恰当地爆破、挖掘或材料的选用，都可能导致应力集中或内部应力不均，进而导致裂缝的产生。地下的地质结构变化和地震活动也是裂缝产生的常见原因。地层的移动或震动可能导致隧道受到不均匀的外部力，使结构产生应变，最终导致裂缝的形成。

随着时间的推移，这些裂缝可能会在环境因素如温度、湿度变化或冻融循环的影响下逐渐扩大。甚至会因为侵入水分，并通过这些裂缝进入隧道内部，对隧道材料造成腐蚀，从而引发渗漏问题，使裂缝问题进一步恶化。

1.3 支护不稳

隧道工程中，支护结构的稳定性对于确保隧道安全和延长其使用寿命至关重要。当支护不稳或其完整性受到威胁时，隧道工程的安全性会受到严重的挑战。

支护不稳的表现形式多种多样，例如支护体系的位移、变形、局部破损等，其产生的原因也是多方面的。地下水的冲刷和侵蚀，地层的压力变化，隧道施工中的不当操作、选材不当，以及长期的物理或化学腐蚀都可能导致支护不稳。

隧道施工中，若施工方法不当，例如支护的预应力设置不合理或钢筋笼的焊接不牢固，可能导致支护的初期不稳定。隧道工程会穿越不同的地质结构，不均匀应力、地层变化或地下水流动，都会对支护结构产生不利影响。地下水对隧道支护的影响尤为显著，过多的水流会对支护结构造成冲刷，导致其材料被剥蚀、结构强度减弱。

不均匀的土壤压力或者邻近的建筑、交通等人为活动也可能增加隧道的外部载荷，导致支护承受过大的压力，从而使其稳定性下降。

1.4 地层沉降

地层沉降是由于土壤体积的减少或内部结构的重组而导致的地表下沉。地层沉降不仅可能影响隧道本身的稳定性和完整性，还会对地表上的建筑物和基础设施造成影响，带来安全隐患。邻近的建筑或基础设施施工也可能对隧道施工区域的地层产生压力或引发土壤移动，从而导致沉降。

在隧道施工中，土壤或岩石的移除会导致地下空间的形成。如果这些空间没有得到及时和恰当的支护或填充，土壤可能会因重力作用而下沉。地下水流动、抽取或积聚都可能改变土壤的承载能力，尤其是在含有大量黏性土或疏松沙土的地方，地下水的变动会导致土壤的压缩或重组，从而引发沉降。

施工中，爆破、钻探或其他机械操作也会引起地层的振动。这种振动会导致土壤颗粒重新排列，造成沉降。随着时间的推移，土壤可能会因为有机物的分解、化学反应或其他生物活动而发生变化，这些变化可能会影响土壤的结构和承载能力。

2 隧道工程常见病害的施工处理技术

2.1 加强防水设计与施工

为应对水的侵入和积聚，加强防水设计与施工是至关重要的步骤。由高弹性、耐磨损、耐腐蚀的材料制成的防水涂层，如聚合物、沥青等，可为隧道壁体提供一个阻隔层，防止外部水分直接与隧道结构接触。技术要点包括：确保涂层材料的适应性、均匀地涂抹、确保厚度一致以及充分固化等。

地下水排水系统包括一系列的排水渠槽、集水井和泵站，用于收集、引导并将积聚的水分排出隧道。这些系统的设计和施工必须考虑到地下水的流向、流速和流量。技术关键为：①确保渠槽的坡度和截面大小能够满足实际的水流需求。②集水井的布局应考虑到隧道的最低点和地下水的高潮位，以确保有效的水收集。③泵站的配置和设计要确保其在大流量时仍能有效工作，且能防止水回流。

通过防水涂层和地下水排水系统，可以大大降低隧道工程中的渗漏风险，确保其长期的稳定性和安全性。

2.2 采用弹性材料修补

在隧道工程中，采用弹性材料进行修补是一种常见且有效的方法，尤其是针对裂缝、接缝和局部损伤等问题。如聚氨酯、硅橡胶等弹性材料，因其出色的伸缩性和附着力而受到工程师的青睐。弹性材料具有高度的延展性和恢复性，这使得其能够在受到外部压力或地下环境变化的影响时，吸收并分散应力，从而减少再次损伤的可能性[2]。

弹性材料可以很好地与隧道原有的结构材料结合，形成一个均匀、连续的修补层。在修补之前，要确保裂缝或损伤部分被彻底清理，去除任何松散的碎片或尘埃，确保弹性材料能与基材完美附着。不同的隧道病害和环境条件需要选择合适的弹性材料。例如，对于经常暴露于水的部位，应选择具有高度防水性的弹性材料。

大多数弹性材料都有其适宜施工的温度范围。因此施工时，要确保环境温度处于控制范围内，以确保材料的性能和耐久性。修补完成后，需要给予足够的时间让弹性材料完全固化。固化期间，应避免对修补部位施加任何外部压力或载荷。

2.3 加固隧道结构支撑

加固隧道结构支撑的目的是确保隧道安全、提高其承载能力，并延长使用寿命。通过加固材料和技术强化或修复受损结构，使其重新分配荷载，从而达到加固效果。加固材料能提高隧道结构的刚度和承载能力，从而提高其对外部荷载和环境变化的抵抗能力。

在进行加固前，需要对隧道结构进行全面评估，确定加固的范围、方式和必要性。常用的加固材料有钢筋混凝土、碳纤维复合材料、预应力锚杆等。选择时，应考虑隧道的使用环境、荷载情况和结构特点。采用适当的施工工艺和顺序，确保加固材料能够与原有结构紧密结合，发挥最佳作用。例如，使用碳纤维板加固时，需要确保基材表面干净、粗糙，以提高附着效果。对加固过程进行严格的质量控制，包括材料检验、施工质量检查以及后期的效果验证。加固隧道结构支撑是一个系统工程，需要结合隧道的具体情况，选择合适的方法和材料，确保施工质量，从而实现加固的目的。

2.4 监测与早期干预

为应对地层沉降，对其进行有效监测并在早期进行干预，对确保工程安全和降低维修成本至关重要。可使用沉降观测仪、水平尺、测斜仪等进行定期或连续监测。可在地表设立固定的标识物，如沉降标、水平基准点等，通过对比多次观测数据，计算沉降量。可通过无人机、卫星等方式获取地表形态变化的数据，进行大面积的沉降监测。可通过地下声波探测，实时监测地层的结构和运动。可通过地下水泵抽或改变地下水流动路径，减少地下水对土壤的侵蚀和流失，从而控制地层沉降。

可通过向沉降区域注入水泥浆、化学浆等材料，增强土体的承载能力和稳定性。在沉降倾向严重的地方，利用预应力锚杆提供额外的支撑力，增加土体的稳定性。可采用如顶管法、盾构法等施工方法，减少对地层的扰动，从而控制沉降。通过监测数据的统计分析，建立地层沉降的预测模型，提前预测可能出现的沉降情况，并采取早期干预措施。

3 隧道工程病害施工处理技术的实践路径

3.1 诊断与评估分析

隧道工程病害施工处理依托于准确地诊断与评估分析，而数据收集是诊断的基础。通过现场调查、红外线扫描和无损检测技术如超声波、地质雷达等手段，可以获取关于裂缝宽度、深度、位置和其他物理参数的详细信息[3]。

实验室分析可以进一步揭示问题的根源。对土壤和岩石样品可以进行压缩、抗剪、渗透等测试，为后续评估提供关键数据。针对隧道的具体部位和结构，可以采用专用诊断工具。例如，对于隧道衬砌，可以使用荷载板试验和回弹仪来评估其结构完整性和承载能力。

使用3D激光扫描可以精确地记录隧道的几何形态和变形情况，帮助分析沉降和位移的趋势。通过水位观测井和渗透测试，可以得知地下水位的变化及其对隧道结构的潜在影响。化学分析能检测到是否存在可能导致腐蚀或矿化的有害化学物质，这对于钢筋混凝土结构尤为关键。

3.2 选择合适的修复材料

隧道工程病害修复中，选择合适的材料是关键步骤。在决策过程中，要提前进行材料性能测试。针对特定病害，例如裂缝或空腔，可以选择高强度混凝土或砂浆，确保它们与现有结构的紧密结合和持续性。

当面临衬砌强化时，碳纤维复合材料（CFRP）是理想选择，其轻便、高强度的特性允许其轻松贴附在不规则的表面。对于细微裂缝和止水需求，环氧树脂或聚合物注浆因其快速固化和良好的黏结性而被广泛采用。大面积的空洞和土体稳定问题更适合使用水泥基注浆，这是由于它与土壤和混凝土的兼容性极好。

在应对快速止水或急需填充空间的场景中，聚氨酯泡沫的迅速反应和膨胀特性使其成为首选。在加固或局部衬砌的情况下，可以选择不锈钢箍或束，它们提供了出色的耐腐蚀和长期承载能力。而在需要增强土体稳定性的地方，采用预应力锚杆可以增强土体的抗剪性并为隧道提供额外支撑。

选择修复材料时，要考虑施工条件、经济性和与现有结构的兼容性，以确保最终选择的材料能为隧道带来长久且有效的修复效果。

3.3 采取专业施工方法

采取专业施工方法是实现有效修复的关键，注浆法是将材料注入裂缝或孔洞中，以填充它们并恢复结构完整性[4]。常用的注浆材料包括水泥浆、聚合物、环氧树脂等。

对于活动裂缝，可以采用低黏度的灌浆材料进行灌注。使用预应力锚杆或其他固定装置，将隧道衬砌固定到稳定的岩石或土层中。这种方法适用于处理滑移、隧道变形或岩体不稳定的问题。针对渗水和微小裂缝，可以使用具有高粘附性和耐水性的特制材料，如环氧树脂或聚氨酯，进行封闭和密封。通过将碳纤维带或布与专用树脂一起应用于受损区域，增强结构的承载能力和耐久性。

对于严重受损的部分，最佳方法是完全切除受损部分，并用新的材料替换。对于隧道下沉或基础不稳定的问题，可以采用深层压实方法，将加固材料注入地下，以增加土体的密度和承载能力。如果地下水存在问题，可以建立地下水排放系统，如井点系统或法兰壁，以降低地下水位并减少对结构的压力。在选择合适的施工方法时，需要根据隧道的具体病害、地质条件、材料选择、经济考虑以及长期维护要求进行综合评估。

3.4 定期维护与后期监测

为确保隧道长期地稳定运行，需进行定期维护和后期检测。制定并实施隧道内外部的巡查计划，确保每个月至少进行一次完整检查。重点关注裂缝、渗水点和结构变形的任何迹象。利用地质雷达技术，可以识别出隧道内部或附近的空洞、裂缝等潜在危险。这种无损检测方法可以定期进行，以预测潜在的问题。安装水量计或流量计在关键渗水区域，定期记录渗水量，以监测渗水状况是否恶化[5]。

在隧道关键部位安装位移传感器或倾斜计，实时追踪任何可能的位移或沉降，确保隧道结构的稳定。通过安装荷载传感器和压力传感器，监测隧道壁的荷载变化，确保其始终在安全范围内。可针对隧道内的通风情况，安装空气质量传感器，定期检查氧气、一氧化碳和其他有害气体的水平。基于以上的监测数据，制定定期的维护计划。如发现渗水点，立即采取措施，如封闭裂缝或加固结构。对于空洞，要进行填充或加固。

4 结束语

隧道工程病害及其施工处理技术是保障隧道工程安全、稳定的关键环节，因此要持续跟踪技术进展，深入研究病害成因与处理原理，并根据实际情况选择合适的方法和材料，确保隧道工程在复杂的自然环境和社会经济背景下，仍能保持其长久的使用寿命和良好的运行状态，为社会经济的持续发展提供坚实的基础。

参考文献

[1] 王征.公路隧道无损检测技术与病害处理[J].黑龙江交通科技，2022，45（10）：115-117.

[2] 徐婧媛.淺谈隧道渗漏水原因分析及技术处理措施[J].智能建筑与工程机械，2022，4（9）：37-39.

[3] 许力之，王耀东，朱力强，等.隧道表面图像多目标智能识别算法研究[J].铁道学报，2022，44（9）：154-162.

[4] 罗仁立，陶伟明，舒俊良，等.中老铁路友谊隧道石盐地层工程建设关键技术[J].铁道标准设计，2023，67（2）：103-108+117.

[5] 李明浩.高速铁路隧道工程岩溶施工技术研究[J].城镇建设，2023（4）：169-171.