公路隧道常见病害及防治措施研究

张 强

（山西省阳泉市交通运输局，山西 阳泉 045000）

随着交通运输事业的不断发展,隧道建设也得到长足发展。作为高速公路的重要组成部分，隧道对整个高速公路项目的建设起着不可或缺的作用。隧道结构作为地下空间结构中的一种，由于施工质量不佳、工程地质条件恶劣、工程材料的选用不合理等因素影响，隧道结构病害制约着交通运输事业的快速发展，不仅会严重威胁隧道内部的行车安全，还会缩短隧道的整个使用寿命周期[1-2]。本文以国道307、省道315中隧道、阳泉天子庙隧道存在的衬砌结构开裂、隧道水害、衬砌腐蚀、衬砌结构背后空洞和不密实等常见病害为例，分析其产生原因，并指出其致灾后果。提出了病害的预防措施，总结归纳了当前隧道病害常用的治理方法，介绍了具体实例中隧道的病害处治技术，为以后处理类似隧道工程问题提供参考。

1 常见隧道结构病害

隧道作为高速公路的组成部分，其病害的发生会显著降低高速公路的服务水平，因此对隧道结构的病害进行分类，研究病害产生原因及致灾后果具有很重要的工程实践和现实意义。

1.1 衬砌裂损

隧道结构的衬砌裂损是指隧道的衬砌结构表面出现裂缝，按裂缝成因主要分为拉伸断裂、断层、破碎3种形式[3]。隧道结构的衬砌裂缝产生主要由衬砌承载力为主的外力原因和衬砌结构内部的应力重分布引起。

衬砌裂损病害是许多隧道病害的基础，当隧道结构出现裂损时，其影响及危害如下：a）围岩压力传递到衬砌上，由于裂损的存在，衬砌结构承载力下降；b）衬砌的裂损不断扩张会诱发衬砌的脱落掉块，尤其是拱顶的掉块，直接影响行车安全；c）衬砌裂损导致渗漏水的出现，尤其冬季低温导致的渗漏水结冰，严重的影响运营安全；d）在隧道运营过程中进行修复衬砌裂损时，难度大、处置效果欠佳、维修成本高。

国道307某隧道运营时间较长，由于围岩地质变化及不均匀荷载影响，大量的环向裂纹分布于隧道，同时平行于隧道轴线方向少量分布有纵向裂纹，对隧道的安全带来极大的隐患。

1.2 隧道水害

隧道水害是公路隧道在使用过程中经常会遇到的一些常见病害。隧道运营过程中的水害常见的有隧道渗漏滴水、拱顶渗水、成股的射流等类型，有的公路隧道经过岩溶发育区，甚至存在地层涌水等病害[4-5]，轻则会增加隧道内的湿度，影响设备正常使用，腐蚀设备结构，影响设备使用寿命，而且容易引起衬砌开裂和渗透变形，重则涌突水直接淤埋隧道、冲毁行车，造成人员伤亡，对运营车辆的安全造成一定威胁。

隧道水害的发展是随时间变化的动态发展过程。隧道未受到开挖扰动前，其处于稳定状态，围岩体内没有裂隙或裂隙处于闭合状态；其后，随着隧道的开挖，隧道内形成临空面，围岩受力状态由原来的三向变为二向，同时由于开挖爆破等扰动，大量裂隙产生，此时裂隙水便沿孔隙不断流出。图1为国道307上一隧道渗漏水示意图，该隧道修建于20世纪80年代，修建时间较早，洞身存在滴水、漏水现象，局部地区渗水较为严重。之所以发生渗水是因为隧道运营时间长，裂隙水的不断渗流和劣化作用，使得围岩结构软化、稳定性降低。围岩体的裂纹随着时间的推移而逐渐增多并贯通，于是便形成了隧道的渗漏水害。

图1 隧道渗漏水

1.3 衬砌腐蚀

隧道衬砌结构的腐蚀主要来自衬砌背后环境中的地下水，由于隧道结构内壁存在有毛细孔道、衬砌结构的变形裂缝或者其他的空洞，使得地下水进入隧道衬砌结构并形成了隧道渗流，同时因为水和混凝土间的相互作用，物理腐蚀和化学腐蚀同时作用于衬砌结构，导致隧道内部结构的承载力等力学性能降低[6]。如果腐蚀不引起重视并及时处理，会导致腐蚀的进一步发展，致使隧道内部结构退化加剧。总的来说腐蚀的因素主要有3个，第一，腐蚀的介质等因素的存在；第二，隧道衬砌结构存在容易腐蚀的部位和地段；第三，地下水活动性强，且存在一定的腐蚀介质和因子。

山西省煤炭资源丰富，在靠近矿产资源分布区的隧洞中水体所含腐蚀性化学元素较为丰富，例如Fe2+、Fe3+、SO42-的大量存在，使隧洞混凝土腐蚀速度大大加快。图2为阳泉天子庙隧道衬砌腐蚀示意图。通过观察统计，隧道中衬砌内壁多数施工缝及其周围存在腐蚀现象，附着物厚度约在1～20 mm，析出物颜色为白色及铁锈色，主要是由于山西地区水文矿物成分造成的。分析其产生原因，主要包括以下两方面：a）隧洞中局部施工缝、变形缝处理不密实而导致渗漏水不断通过，为衬砌腐蚀的发生创造了条件。b）围岩中含有的大量硫化矿物发生复杂的化学反应，使隧洞地下水受到污染，加速了混凝土的腐蚀。

1.4 拱背空洞或不密实

衬砌背后空洞也是隧道常见病害中的一种，由于其不像衬砌裂损和渗漏水害那么直观可见，其潜在危害性更大。拱背后的空洞或者欠密实区容易形成积水区，导致隧道内部出现渗漏水；围岩和衬砌结构不能有效地结合，易出现应力集中，导致裂缝的出现或者衬砌破损等病害。

图2 衬砌腐蚀

造成拱背空洞有很多原因，主要分为：a）由于隧道施工过程中爆破开挖情况较差，造成超挖，而施工单位又回填不密实，产生空洞而无法发挥支护作用；b）二次衬砌时混凝土质量不合格，拱顶厚度达不到设计要求，混凝土有蜂窝或离析现象；c）模板架设原因导致顶部下沉量过大，拱顶衬砌混凝土下沉脱空形成空洞；d）施工单位在施工时原材料质量把关不严，例如混凝土水灰比过大、砂粒过细、隧道内通风条件不佳等都会引起混凝土收缩量不合要求，导致衬砌混凝土受重力作用下沉脱空，从而形成空洞[7]。

2 隧道病害预防措施

随着我国大量交通工程的建成和运行，公路隧道慢慢进入运营和管理期，大量隧道病害的存在，使得花费在隧道维修管理上的人力、物力和财力将大幅增长。而预防是最好的治理，对隧道病害进行预防比治理更具意义。其预防措施如表1所示。

表1 隧道病害预防措施表

3 隧道常见病害处治技术

3.1 衬砌裂损处治技术

对衬砌裂损破坏进行治理前应当正确掌握裂纹开裂的原因及其程度、范围，并考虑施工措施、安全、经济效果等。通过分析裂纹开展程度，采取有效措施，阻止裂缝区域扩展。目前，国内外隧道衬砌加固方法有很多，主要包括密封加固方法，加强保护板加固、金属网加固方法，衬砌加固方法和拱加固方法，内表面强化方法和部分重建和改造等方法[8]。

针对国道307某隧道衬砌中分布有大量的环向裂纹及部分纵向裂纹，交通管理部门首先分析了其发生原因是由于该隧道运营时间较长导致围岩应力发生变化、应力分布不均，部分区段围岩应力超过衬砌极限承载力，导致衬砌产生裂纹、变形。其次考虑到虽然衬砌发生裂损，但是其整体依然具有较大承载力，所以首先对裂纹处进行了化学灌浆，通过修补根治了衬砌渗漏水以及混凝土内部的钢筋锈蚀问题。其后对隧道中衬砌内鼓的裂损部位采用了较为传统的喷锚加固技术，该方法具有工作快、对行车干扰少等优点，确保了隧道安全的同时技术方案也较为经济。

3.2 渗漏水处治技术

施工期间，施工工具和隧道由于渗漏水的影响，给隧道工程建设带来巨大损失。例如寒冷地区隧道，由于渗漏导致冻融破坏频发；山区岩溶洞发育较好的地段修建隧道，地下涌水量大，水害也十分严重。渗漏水的处治十分必要，渗漏水处治技术如表2所示。

表2 渗漏水常用处治技术

前文所提国道307某隧道由于存在渗漏水，所以采取过常规的喷射混凝土堵水处置技术，但一段时间过后发现仍有渗水现象。通过分析发现这是由于采用封堵的方式可以短期将水逼回裂隙，但是同时也改变了围岩受力条件，导致应力重分布，裂隙得以继续扩展，封堵的水压力再次增加，随着时间推移，水压力增加至封堵材料所能承载的极限值时，水便再次从封堵处流出。

因此针对该隧道再次出现渗漏水情况，采取了将渗漏水处的衬砌混凝土凿开，埋入直径为5 mm的胶管，再用防水堵漏剂封堵胶管周边。采用该措施后，治理效果十分明显。

当然，并非采取喷射技术进行封堵便不可行，重要的是材料选择很重要，例如新型材料成岩砂浆已经得到了较好的应用，该材料具有抗侵蚀、抗渗、抗干缩的特性，同时还可提高抗压强度与早期强度。将其与防排水措施结合，在隧洞渗漏水治理中达到十分良好的效果。

3.3 衬砌腐蚀处治技术

关于隧道衬砌防腐蚀措施，必须依据可靠的勘察和设计，从隧道工程地质实际情况入手，查找问题的根源和水环境所含有腐蚀性介质的组成，以确定其具体的衬砌侵蚀原因，此时方可因地制宜地采取预防措施。

山西阳泉市天子庙隧道位于阳泉阳煤集团四矿界内，地下煤层采空区为多层重复采动，地形地质条件复杂。针对隧洞部分区段存在衬砌腐蚀的情况，管理部门果断采取了有效的治理方案：首先凿除已腐蚀衬砌部分至新鲜岩石处，找到水体渗出部位并截流收集，再用管道将水排出，同时对钢筋除锈、对衬砌的外露面进行碱化处理，对钢筋锈蚀部分涂环氧砂浆后，最后采用了压力灌浆密封。工程治理效果十分明显。

关于衬砌腐蚀不可依赖于发现问题后再进行处理，而应当从预防做起，防止衬砌腐蚀的发生，减少经济损失。首先应当提高衬砌结构的密实性和整体性。隧道衬砌施工使用防水混凝土，衬砌则可保持较好的稳定性和完整性，侵蚀性水也不容易渗透到混凝土内部，从而提高了衬砌的耐久性，减少侵蚀的影响。一般应当使用分级骨料与防水混凝土、添加剂混合。应当避免因温度变化而引起的混凝土施工裂缝，不能整体浇筑时应当设置施工缝。其次，采用抗腐蚀硫酸盐水泥、高抗硫酸盐水泥、低碱和高抗硫酸盐水泥、高铝水泥、石膏矿渣水泥等，从而最大限度地提高耐腐蚀性。第三，防、排、堵、截结合，以排为主，降低衬砌的腐蚀。

3.4 拱背空洞或不密实处治技术

山西通往河北的东大门省道S315阳井线某隧道洞内曾发生衬砌混凝土脱落，事后发现脱落处衬砌背后存在空洞，究其原因是空洞导致衬砌局部荷载增大，同时因地下水对围岩的软化作用，造成衬砌抗力降低而坍塌掉落。为了防止围岩松弛的扩大，即刻检测到空洞处进行注浆处理，使衬砌和围岩达到紧密贴合状态。考虑到空洞会诱发围岩松弛，还采取了锚杆补强，阻止了松弛的进一步发展。

总的来说，目前衬砌背后空洞较多采用的是回填压浆的方法，当衬砌受空洞影响，严重变形甚至即将失效时，应当采取局部改建或全断面改建的措施。在治理过程中可以采取多种补强方式结合，从而发挥多种处治措施的优点。

4 结语

伴随我国隧道建设快速发展，一些营运中的隧道病害频繁发生，直接威胁到隧道的结构和交通运营的安全。常见的隧道病害主要包括：衬砌结构开裂、隧道水害、衬砌腐蚀、衬砌结构背后空洞和不密实等，在分析每种病害产生原因及致灾后果的基础上，提出了隧道病害的预防措施，以求提高衬砌结构的承载力、围岩自稳性、底板稳定性。针对每种病害类型，提出了相应的处治措施，预防与治理结合，供以后处理类似隧道工程问题时参考。