交通隧道养护中研发和推广新技术、新材料的思考

曹彦国

(天津铁道职业技术学院，天津 300240)

交通隧道养护中研发和推广新技术、新材料的思考

曹彦国

(天津铁道职业技术学院，天津 300240)

目前国内交通隧道中有相当数量的隧道已经运营30余年，新建隧道也逐渐出现不同程度的病害，而隧道病害状态的检测及维修管理技术的研发远远满足不了需要。文中对国内外运营交通隧道病害检测及水害、衬砌裂缝的治理新技术的研发和应用情况进行分析对比，建议我国相关部门加大投入、制定规范，积极研发和推广使用新技术，真正提高隧道运营质量。

隧道；状态检测；衬砌裂缝；新技术；新材料

2013年11月初在中央电视台热播的微纪实系列片《美国城市设施大调查》引起我国工程界人人士的强烈反响，日本也早就有人提出了“2020年警钟”和“日本将从建设大国变成修缮大国”的预言。据2010年统计，我国建成的铁路隧道总长度已经超过7000km，预计到2020年前，将建设5000座铁路隧道，长度超过9000km；公路隧道7384座，计5122.6km，且以每年300km的速度增长；目前有20多个城市在建地下铁道。十二五末全国城市轨道交通运营里程将达到3000km。一方面隧道的数量在急剧上升，部分隧道已经出现不同程度的病害，其中的高速铁路和高速公路留给隧道病害检测和维修的“天窗时间”极其有限。另一方面有相当数量的老隧道已经到了其使用寿命的中后期，可谓“人到中年”，再加上设计、施工存在的缺陷以及维修养护不及时不彻底，这些老隧道成为病害多发而且严重，给交通安全带来许多隐患。究其原因主要是对“预防为主、早期发现、及时治理、对症下药”贯彻得不好，尤其是早期发现的环节上技术手段严重落后，治理技术也是土办法多，新材料、新工艺、新设备研发和使用都相对于施工技术水平落后很多，因此建议铁路和公路运营管理部门加大投入、积极研发、大力推广隧道病害检测及治理的新技术。

1 运营隧道状态检测新技术

1.1 运营隧道衬砌裂缝状态检测新技术

日本经过长期研究，相继开发了激光、红外线及CCD相机进行衬砌表面摄影的衬砌裂缝检测技术，为隧道衬砌裂缝检测提供了及时、高效、信息化的手段。2012年3月26日，中央电视台新闻频道播报了日本的隧道裂缝检查车，快速便捷且能检测到0.2mm宽的衬砌裂缝，并且直接通过计算机可绘制隧道衬砌检查结果三维图。(如图1、图2)。

图1 日本隧道裂缝检测车在隧道中快速行驶中进行检测工作的电视截图

图2 日本隧道裂缝检测车检测结果绘制的三维衬砌图及病害情况分析图电视截图

同样欧洲各国也在开展这方面的研发工作，例如应用探地雷达技术、红外热成像技术检查隧道衬砌裂缝。瑞士的AMBERG公司研制了GPRs 5000检测系统，法国HIGH公司研制了ATLAS 70检测系统，德国SPACETEC公司研制了TS检测系统。

图3为国外研发的激光扫描隧道衬砌检测仪原理图，激光器以极高的速度旋转对隧道衬砌进行扫描并测量衬砌表面反射，通过获得的高分辨率图像来评价衬砌裂缝、剥落和其他可视的的异常现象。图4则显示的是利用激光进行隧道衬砌扫描并利用热成像技术拍摄衬砌表面的裂缝及红外图，通过温度梯度判定衬砌表面的渗水沁湿、衬砌内部及背后的空腔及其中的地下水情况。

图3 隧道激光扫描检测工作原理

图4 欧洲开发的红外线热成像隧道衬砌检测系统1.配备照明设备和保护驱动的扫描头；2.电子控制面板；3.动力柜；4.从隧道拱顶开始的检测扫描轮廓线；5.衬砌表面记录单元；6.检测方向；7.供电线路；8.可视表面的反射线；9.发出的照射(热成像)；10.对已记录单元区域照射；11.检测车行进方向

目前国内进行道衬砌裂缝自动检测性能影响因素模型试验和实际应用研究结果显示，检测车的行驶速度不超过5km/h时，图像较为清晰且无明显的几何变形，最大的行驶速度不超过10km/h，还没有此项技术研发成果应用的报导。

1.2 衬砌背后密实状态及地下水等状态检测新技术

日本佐藤工业开发的隧道衬砌自动敲击声检查装置如图5所示。一次可检测30m2的范围隧道衬砌，并能自动判断衬砌病害。另外一种通过脉冲锤和加速度传感器装置组成的检测系统可检测出衬砌厚度、衬砌混凝土强度以及衬砌背后的空洞。另外日本还研制出了地质雷达检测车，如图6所示：

图5 自动敲击衬砌检测车照片

图6 探地雷达检测车工作原理图(日本)

在我国也有例如日照市信德隧道检测工程有限公司在开发一系列隧道检测设备，但是科技含量和自动化程度较低(图7)，对比就可发现，国内在此方面的研发投入严重不足，其工作质量和效率就可想而知了。

1.3 隧道净空限界状态检测新技术

奥地利、法国等都在较高精度的铁路隧道净空检测车方面进行了大量的研发，主要是利用激光脉冲的发射与反射之间的时间间隔来进行检测量测。日前国外采用激光技术及计算机图像处理技术、智能机器人技术等开发的地铁限界检测车正常检测车运行速度可以达到120km/h的时速。

我国铁路部门曾经在2012年左右以铁道部科技计划项目开展了隧道限界检测车动态标定装置的研究。目前还仅仅停留在对工作原理的研究分析，论述了隧道限界检测车进行动态标定的原理、方法和过程及提出了基于数字图像采集和处理的隧道限界检测车动态标定方案。李儒英等进行的研究试验装置在南京地铁接触网参数检测车上对1号线进行了现场检测试验，检测效果得到真实验证。北京交通大学研发了采用了德国SICK公司的脉冲式激光测距仪L M S 200作为断面测量设备和高速运动物体瞬时姿态精确测量技术的地铁隧道限界检测系统经在北京地铁5号线的进行了限界检测试验等相关实地检测，号称其检测时的设备随车运行速度可以达到300 km/ h的高速。其测量装置包括无源和有源两部分设备.无源部分由结构简单的反射镜构成，以一定间隔固定于轨道旁，如每个车站可安装一个；有源部分由激光器、幕布、摄像机和图像处理设备等组成，车载安装。另外的类似技术也有报道，但是目前技术可能还不成熟，离广泛推广应用还有一定的距离。

1.4 隧道内移动式火灾检测及消防新技术

日本在公路隧道中应用了悬挂移动式消防车。如图8所示，消防车悬挂于隧道顶部的专用轨道上，移动速度最大可达60km/h。消防车由行走机构、检测判断系统、灭火系统组成，灵活机动，能及时扑灭早期火灾。

图7 日照市信德隧道检测工程有限公司网站提供的探地雷达隧道检测工作照片

图8 日本悬挂移动式公路隧道消防车示意图

我国也在研制悬挂式智能消防机器人方面取得一定进展，目前成都慧拓自动控制技术有限公司已经有新产品出售，它本身还配备有音频收发器用于音频广播和语音对讲、超声波雷达用于探测障碍物、可见光相机和红外线热成像仪、并能够自由旋转、灭火弹、控制器、车载控制计算机、通讯设备。具有自动实时巡检、保护人身安全、及时报警、及时灭火处理、远程监控、远程实时通讯、数据可保存回放以便于分析总结等优点。

1.5 隧道变形检测技术

目前对于施工隧道的变形检测的设备相对较多，而对于长期发展缓慢的运营隧道变形检测目前还基本处于手推式、定点检测的水平，与长大隧道数量急剧增长的形势明显不适应。

奥地利的Plasser公司研发的Email250高速轨检车、意大利“阿基米德”号综合检测车都搭载有运用摄影测量技术或激光辅助图像处理技术的高带铁路隧道变形检测设备。

2 隧道衬砌开裂及水害治理新技术

2.1 注浆技术

注浆技术已经不算是新技术了，但是其在治理隧道水害方面有着特殊的效果必须加以重游。因为好的注浆效果既回填了衬砌背后的空洞，堵塞了渗漏水通道，改善了衬砌结构的受力条件，还满足了治水先治裂的需要。注浆技术目前在隧道病害整治中应用得比较广泛，但是在应用高性能的注浆材料上还缺乏意识，另外也缺乏统一的标准。

日本SHO-BOND公司开发的混凝土裂缝“壁可”注浆修补方法属于专利产品和工艺，修补效果可靠，压力控制均匀，材料性能稳定，硬化强度耐久，操作简便易行。国内目前还没有看到注浆技术的专利产品。

目前国内市场上比较有技术含量的主要注浆材料有：水溶性聚胺酯、丙凝、乙凝、水溶性聚胺酯与高强度聚胺酯混合液、弹性环氧树脂、EAA(改性环氧树脂)水泥浆等。从上海地铁1号线和广州地铁1号线的结构裂缝注浆效果看，水溶性聚胺酯的止水效果通常6-9个月，这是由于水溶性聚胺酯遇水发泡成为含气海绵体，且与裂缝的混凝土表面粘结力很低，在列车行驶振动条件下，海绵体逐步被破坏，重新漏水;丙凝、乙凝是一种低强度胶凝体，在列车行驶振动和外水压力作用下，不出1个月胶凝体就被一点点挤出，重新漏水;弹性环氧注浆液粘度较高，且与水不相溶，在裂缝漏水的条件下灌注效果不太理想;高强聚胺酯混合液，可灌性和强度均较好，在广州地铁1号线东山口站注浆封堵裂缝收到良好效果，但浆材价格较贵;EAA〔改性环氧)浆液由于粘度可调至与水接近，与水有良好的相容性，且与混凝土有良好的亲和力，固结体强度高于混凝土，因而是一种性能优良、耐久性和化学稳定性良好的注浆材料，在广州地铁1号线和上海地铁1号线注浆堵漏均收到良好的效果；叶林宏教授对注浆材料在混凝土中渗透机理进行了深入研究，建立了新的渗透理论，并研发的“中化-798”系列产品应用效果很好，值得推广。

2.2 水泥基渗透结晶型防水材料

水泥基渗透结晶型防水材料的简写为CCCW，这种材料系由普通硅酸盐水泥、石英砂或硅砂、带有活性功能基团的化学复合物组成。它以粉状形式供应用户。大多数的应用是仅仅与水拌合(有的情况下还要加入化学添加剂)，调配成可以涂刷或喷涂的浆料。它不仅形成一个有效的防水涂层，而且原本含有的活性化学复合物，向混凝土内部渗透，与混凝土中的水分、Ca(OH)2产生化学反应，形成不溶的结晶体复合物，进而靠结晶体增长填塞毛细通道。这些结晶体，通常可以增长到0.4mm，大于混凝土毛细管的最大直径，从而使混凝土致密、防水。

国外品牌的水泥基渗透结晶型防水材料有德国VANDEX牌(后转售到瑞士)、加拿大XYPEX、ERMQUIK、KRYSTOL、新加坡的FORMDEX、美国的PENETRON、法国的DIPSEC、澳大利亚的CRYSTAL、日本的PANDEX等数十个品牌，形成系列产品。

国内对水泥基渗透结晶型防水材料研制取得重大进展的是同济大学，其专利产品是“建筑用水泥基渗透结晶型防水材料及其制备方法”。为推广此项技术的应用，国家下发了国家标准。

2.3 自闭型聚合物水泥防水涂料

自闭型聚合物水泥防水涂料，其代表产品是由日本大关化学有限公司发明的PARATEX防水由原液和混合材组成；原液的主要成分是特殊变性乙烯酢酸树脂系列共同合成树脂的乳状胶，混合材主要是由高铝水泥迁移金属组成。之所以称之为自闭型，就是由于将该防水材料涂于开裂的混凝土衬结构上时，该防水材料在水的作用下，经物理和化学反应产生体积膨胀使裂缝自行封闭。

其过程如图9所示。首先，渗入的水被涂膜吸收，裂缝附近的防水涂膜，使进水通道变窄，抑制了水的侵入。接着，涂膜在树脂中的活性胶凝剂作用下形成碳酸钙的吸附、固化和堆积，堵塞进水通道，从而使裂缝自行封闭。

图9 自闭型聚合物水泥防水涂膜闭合混凝土裂缝的过程示意图

PARATEX防水材料可根据不同的防水要求调整原液和混合材的配比；比例不同，其延伸率、硬度、黏结力不同；混合材比例越低，柔韧性越好，延伸率越大，反之，混合材比例越高，硬度越高，延伸率降低。

2.4 喷膜防水堵漏技术

瞬凝型丙烯酸盐水泥喷膜材料是在丙烯酸盐注浆液基础上开发的，在日、美、加、德、英、瑞士等国有良好应用。除有亲水性、凝固时间可控的优点外，还因浆液中有消除毒性的拮抗剂，特别是具有增加膨胀性能的成分，可以高压无气喷涂设备喷涂在围岩或混凝土基面防水、堵漏很有效。

该材料中含有较高浓度丙烯酸盐，具有较好的伸缩性，材料的主剂含有大量的钙和镁，与混凝土中材质相近，相互间具有较好的亲和力，与水泥水化物组合强度不低，能够在冷冻或干湿交替多次后不破坏，通过加入添加剂及变换引发体系，改变了丙稀酸盐聚合后的聚集态，得到了一种固化后具有高弹、高韧以及较高粘结力的丙烯酸盐水泥喷膜材料。图10为施工工艺简图。

2.5 电渗透防渗技术

电渗透防渗技术是通过低压电流将毛细管(孔)中的水分子进行电离子化并使其向湿的一侧移动的新技术。电渗透防渗除湿技术已经应用在伦敦的Walthamstow中央地铁站解决公交站与地铁车站之间地下通道的严重渗水问题，应用在香港地铁中环站机场线地下快线通道解决了长期困扰的渗漏问题，广州地铁在6号线东湖站进行了试验段，郑州市地下高压电缆隧道、云南省高速公路一藤蔑山隧道，大连港海之韵广场综合管廊防渗工程等都成为电渗技术成功的实例。

3 结语

不难看出，我国在对于交通隧道的养护方面新技术研发投入严重不足。相比较而言，水害及衬砌开裂的整治材料方面的研发和推广应用较为积极，但也存在着规范性不足的问题，尤其是铁路部门没有制定铁路隧道维修养护规范；而在运营隧道状态检测、及时发现病害等方面的技术研发要尤其落后于实际需要。面对铁路公路建设的快速发展和不断提速、运输量的不断加大，留给隧道养护维修的时间非常有限，只有积极研发或者引进先进的隧道状态检测新技术、隧道病害治理新材料、新工艺并加大推广力度，才能做到“预防为主、早期发现、及时治理、对症下药”，提高运营质量。对高速铁路铁和高速公路隧道更是如此。

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Some Thoughts about the Research and Development and the Promotion of New technologies and Materials Concerning the Maintenance of Traffic Tunnels

CAO Yan-guo

(TianjinRailwayVocationalandTechnicalCollege,Tianjin, 300240)

At present, a considerable amount of traffic tunnels have been in operation for more than 30 years and varying degrees of defects showed up gradually in the new established ones. However, the detection of the defect conditions and the development of the technology of their maintenance and management can never meet the needs. This paper made an analysis and comparison about the detection of defects of present traffic tunnels and the development and application of new technologies of the governance of damages by water and lining cracks in China and abroad. Based on that, relative departments were recommended to increase investment and make regulations to actively develop new technologies and promote their use in order to truly improve the quality of the operation of the tunnels.

tunnel; condition detection; lining cracks; new technologies; new materials

2014-01-07

曹彦国(1963-)，男，山西省永济人，副教授，研究方向桥梁隧道结构工程技术，现从事学校管理工作。

U25

A

1673-582X(2015)02-0066-06