运营公路隧道渗漏水病害特征成因及控制措施分析

李雪琪，张素磊,2，鲍 彤，周 明，岑佳能

（1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033；2.青建集团股份公司，山东 青岛 266071；3.慈溪市交通建设工程质量监督站，浙江 宁波 315300）

引言

根据国家交通运输部统计数据，我国的高速公路隧道建设数量于2018 年底达17 738 座，总建设里程高达17 236 km，其中特长高速公路隧道1 058 座，总里程4 706 km，长隧道4 315 座，总里程7 422 km［1］。随着隧道数量的增加，大量运营公路隧道出现了衬砌裂损、衬砌渗漏水和衬砌结构劣化等现象。现有统计表明：衬砌渗漏水现象普遍存在于运营超过10 年的公路隧道［2］。隧道渗漏水不断侵蚀衬砌结构，造成衬砌保护层厚度不足、钢筋锈蚀、混凝土开裂等现象，大幅度降低了结构安全性，为隧道运营安全埋下了巨大隐患［3］。衬砌渗漏水病害引起了大量专家的关注，并进行了一系列的研究，薛晓辉等［2］基于山西省公路隧道渗漏水病害数据，探讨了衬砌渗漏水机理。刘庭金、钭逢光等［4-5］基于现场检测资料，揭示了连拱隧道衬砌渗漏水分布规律。李沿宗［6］结合现场检测资料对铁路隧道衬砌结构的渗漏水特征进行了总结。应伟［7］通过对某隧道衬砌渗漏水进行了统计分析，分别就不同形式的渗漏水病害提出了相应的治理建议。邹育麟等［8-11］结合隧道现场检测数据，对裂缝及渗漏水病害的分布特征及种类进行了统计，并从多方面综合分析了衬砌渗漏水的成因。谈识［12］结合数值计算软件对不同排水条件下衬砌外水压力进行了分析。葛玉强等［13］针对性的介绍了新型隧道中埋式防排水技术。张素磊等［14］依托某公路隧道，揭示了已有公路隧道防排水系统存在的不足，基于此提出了新型的防排水结构。可见，已有的隧道渗漏水研究成果有着重要的参考价值，但隧道工程存在较强的区域性特征，受所处水文地质环境影响较大，且不同年代建成的隧道，衬砌渗漏水程度存在一定差异。

1 隧道概况

调研的隧道主要位于杭州市西南部，隧址区地层地貌层次明显，地形呈多样化，以丘陵、山地为主，区域地质构造繁杂，夏季及初秋期间降雨量较大，隧道渗漏水现象尤为突出。统计的27 座隧道均位于国省道，单条隧道最长为3 005 m、最短51 m，运营10 年以内的隧道12 座、超过20 年的老旧隧道7 座，隧道信息统计见图1。

图1 隧道信息统计

2 隧道渗漏水病害特征分析

2.1 渗漏水分类

根据《公路隧道养护技术规范》（JTG H12—2015）的规定，依据渗漏水严重程度将衬砌渗漏水进行定性划分：（1）浸渗：衬砌表面潮湿，无明显渗水点。（2）滴漏：衬砌表面存在点滴状渗水现象。（3）涌流：衬砌表面存在股状渗水现象或存在线流状渗水现象。（4）喷射：地下水从衬砌表面喷射出来。

检测过程中存在浸渍、滴漏、涌流3 种类型的渗漏水现象，并无喷射现象，典型的衬砌渗漏水病害见图2。

图2 衬砌渗漏水病害

共检测衬砌渗漏水417 处，不同类型渗流水统计见图3。可见，衬砌渗漏水以浸渗为主、共364 处占87%，滴漏51 处占12%，涌流2 处占比不足0.5%。

图3 渗漏水类型统计

图4 渗漏水所处位置统计

2.2 渗漏水位置统计

图4 为衬砌渗漏水所处位置统计图。可见177处渗漏水位于衬砌裂缝位置，217 处位于三缝位置，其他位置仅有23 处。隧道经过一定时间的服役后，隧道衬砌结构的开裂及三缝位置止水条的老化为围岩裂隙水、地表降水等提供了渗漏的通道，因此，渗漏水位于裂缝及三缝位置的比例高达94.5%。

衬砌裂缝和三缝位置不同类型渗漏水状态统计见图5，可见在衬砌裂缝处和三缝处，渗漏水均以浸渗形式为主，涌流形式的渗漏水仅有2 处，相比于衬砌裂缝处，三缝处更易出现滴漏。

图5 渗漏水状态统计图

2.3 裂缝处渗漏水特征分析

2.3.1 裂缝类型对渗漏水影响分析

根据衬砌裂缝空间分布特征，衬砌裂缝可以分为三类：环向、纵向、斜向裂缝，见图6。

图6 衬砌裂缝病害

衬砌裂缝处渗漏水统计见表1。可见，裂缝位置渗漏水以浸渗为主，共计165 处，占比93%，滴漏共计11 处，主要分布于拱部位置，涌流1 处位于拱脚。渗漏水多数为浸渗，通常不会对隧道运营安全造成影响，涌流、喷射现象一般发生较少，表明隧道防排水系统虽然局部存在缺陷，但没有完全失效。环向裂缝是渗漏水主要部位之一，渗水一般发生在边墙和拱脚位置沿裂缝呈线状分布，渗漏水程度相对较轻；大多会在衬砌应力集中位置和衬砌强度不足区域出现纵向、斜向裂缝，该位置也是渗漏水频发位置。

表1 裂缝处渗漏水统计（处）

2.3.2 裂缝宽度对渗漏水影响分析

结合《混凝土结构设计规范》（GB50010—2010）的规定，并根据实际检测结果，将裂缝宽度分为4 类：＜0.2 mm、0.2 ～1.0 mm、1.0 ～3.0 mm、＞3.0 mm，分别为微裂缝、小裂缝、中裂缝和大裂缝。对裂缝的不同宽度分布特征进行了统计分析，得到衬砌裂缝主要为小裂缝，共计3 722 条、小裂缝数量占裂缝总数的80%，其次是中裂缝585 条、微裂缝288 条和大裂缝78 条，统计结果见图7。可以看出，裂缝宽度越大，裂缝位置出现渗漏水的概率就越大。其中，在微裂缝中渗水比例仅为1%，通常是由混凝土干燥收缩引起，一般不会对衬砌结构安全性产生影响，而大裂缝中渗水比例高达19%，通常是由结构荷载引起，且部分为贯穿性裂缝，渗水特征表现为大面积的浸渗，部分呈线状滴水现象。

图7 裂缝渗漏比例统计

2.4 三缝处渗漏水特征分析

调研渗漏水共417 处，三缝处渗漏水达217 处，其中，根据渗漏水严重程度统计得，浸渗共183 处，滴漏33 处，涌流1 处。三缝处渗漏水程度多位于拱脚及边墙位置，一般在拱脚处呈小面积的浸渗，在拱顶及拱腰位置渗漏水相对较少，渗水量大小不一，受水文地质情况影响，通常呈条带状渗水，严重时存在点状滴漏，见图8。衬砌渗漏水某些位置干湿交替，由于盐类物质结晶膨胀，以及各种化学离子侵蚀的影响，施工缝两侧衬砌的腐蚀现象较为严重，衬砌表层剥蚀现象较普遍，见图9。

图8 三缝处渗水

图9 三缝处衬砌腐蚀

3 渗漏水病害成因分析

3.1 裂缝处渗漏水成因分析

复合式衬砌结构中防排水系统是隧道整体防排水的关键所在，但是在现场铺设过程时防水板与二次衬砌之间总会留有孔隙，地下水顺着孔隙渗流到二衬；结构自防水为最终防线，而衬砌荷载及收缩变形产生的裂缝，为水提供了渗水通道，地下水最终会从这些裂缝渗出，复合式衬砌隧道防排水系统见图10。

图10 防排水系统

根据裂缝类型及裂缝宽度张开程度，渗漏水程度也有所不同。特别是建成超过二十年的老隧道，在早期建设的石砌隧道不设防水层或防水层严重老化，基本失效，渗水直接从衬砌裂缝处渗出，在拱脚漫流延伸至路面，直接影响行车安全。此外，排水盲管局部堵塞，排水不畅引起衬砌水压上升，高水压情况下裂缝处更易发生喷射、涌流现象，造成衬砌结构进一步劣化。

在调查中发现，某些隧道渗漏水周边存在“泛碱”现象，衬砌表面存在白色结晶物，见图11。原因在于衬砌结构受地下水中离子化学作用而侵蚀，析出盐类结晶体积膨胀亦使衬砌胀裂破坏，此外参与到碳酸盐的结晶过程中的酸性侵蚀，会导致衬砌结构松散，强度降低［15］。

3.2 三缝处渗漏水成因分析

分析结果表明，公路隧道渗漏水最严重的地方位于三缝处，并且三缝位置渗水现象占渗水总数的一半以上。隧道防水层破坏后，地下水将会渗入防水板，并在防水层与二次衬砌之间淤积、漫流，隧道衬砌混凝土一般具有防渗功能，而三缝位置一般采用止水条或止水带进行防水，但由于施工质量缺陷以及运营期间的衬砌变形等因素，三缝位置一般为隧道防排水的薄弱环节，因此，三缝位置的渗漏水现象要比裂缝位置的严重，隧道三缝处防水见图12，三缝处排水系统一旦破坏，地下水将由排水盲管渗入隧道，引发更为严重的渗漏水现象。

图12 隧道三缝处防排水

可见，水是渗漏水现象产生的前提条件，存在渗水通道是必要条件，虽然现有的隧道防排水系统较为完善，但受限于施工质量，防水板很难做到密不透水，地下水渗入防水板与二衬之间，由于两者之间没有排水通道，积水只能从裂缝、三缝等薄弱环节渗出。

4 渗漏水治理方法

4.1 治理原则

（1）渗漏水治理应根据水质地质条件和渗水量大小，采取“以排为主”或“以堵为主”的不同思路，针对性治理。（2）针对目前隧道衬砌渗漏水的现状，建议结合隧址区地质条件，设计研发新型防排水系统，如在防水板与二衬之间增设排水通道，当防水板破损后，仍可有效排水，同时在运营过程中发生渗漏，也可以通过直接封堵裂缝来治理渗漏水。

4.2 治理措施

渗漏形态为浸渗或滴漏时，可采取灌缝密封，当水压较大渗漏严重，存在涌流、喷射时，可先进行钻孔排水泄压。对于存在渗水现象的环向裂缝，根据裂缝宽度采取对应的治理措施：当裂缝宽度＜0.2 mm时，可在裂缝处涂抹密封胶；当宽度＞0.2 mm 时，可采用凿槽嵌补法进行处治。而对于受力不均引起的纵向、斜向裂缝，为了消除安全隐患，必须治理。

5 结语

（1）隧道衬砌渗漏水主要位于衬砌裂缝和三缝处，浸渗占87%，滴漏和涌流占13%；衬砌裂缝处渗水占42%，三缝处渗水占52%，其他位置渗水占6%。纵向裂缝、斜向裂缝处渗漏水较严重，而裂缝宽度越大渗漏水现象越频繁；相比于衬砌裂缝处，衬砌三缝处更易发生滴漏现象，原因在于止水条失效后地下水将直接由循环缝渗入隧道。（2）根据衬砌裂缝和三缝处渗漏水的分布特征，对衬砌渗漏水成因进行了深入剖析，并阐述了不同严重程度及不同位置衬砌渗漏水的治理建议。