我国城市隧道病害修复工程研究综述

刘光炎 王升福 吕 亮 张东杰

(东华理工大学 土木与建筑工程学院 南昌 330013)

引言

城市隧道工程主要包括解决城市交通拥挤问题的地下铁道、公路隧道或穿越障碍物的各种地下通道以及各种市政地下工程和地下人防设施等[1]。21世纪我国城市地下隧道工程建设迅速发展[2-3]，现有世界上最长的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道——港珠澳大桥沉管隧道，中国规模最大的城市隧道群——杭州紫之隧道等。截至2020年底,国内共有45个城市开通城轨交通运营线路244条,运营线路总长7969.7km，其中地铁运营线路6280.8km[4]。此外，有超过10000km的水工隧道及大量综合管廊，而且我国公路隧道每年都新增1100km，是世界上公路隧道规模最大的国家[5]。为拓展城市地下空间，城市隧道工程建设未来几十年仍会保持增长趋势。由于长时间运营使用，隧道会在人为或者自然因素的作用下发生各类病害。病害的产生会影响隧道交通安全，最终导致隧道使用寿命减少，造成巨大社会经济损失。相关学者对我国多座公路隧道进行调研，发现其中65%的隧道已进入到养护维修期，近1/3的隧道存在衬砌结构裂缝和渗漏水等病害。大量数据表明，我国城市地下铁路、公路等运营隧道将从建设高峰期逐渐过渡到病害修复高峰期[6]。

然而，城市隧道病害修复研究涉及理论、技术、材料等方面，涉及的专业面较广，导致国内城市隧道病害修复研究内容较少。陈湘生等[5]介绍了隧道中常见的几种病害类型和目前国内外常用的几种隧道病害检测技术；关宝树[7]结合国内和日本隧道衬砌病害加固试验与工程实例，介绍了多种补强修复方法，适用范围以及注意事项等；向晓军[8]以龙泉山隧道的病害治理为背景,围绕“不断道施工”措施，对所采用的新技术 、新材料、新设备、新工艺等做了介绍；马伟斌等[9]通过对铁路隧道病害类型的归纳和原因分析，总结出了一套适用于运营铁路隧道的病害整治技术体系。此外，中国《公路隧道养护技术规范》[10]等规范明确了修复隧道衬砌结构破损、裂缝和渗漏水等常见病害的方法。

截至目前，隧道病害修复相关研究主要集中在病害分类、病害修复方法、材料等方面，关于隧道病害修复理论等方面的深入研究较少，而且在隧道病害修复体系及修复研究发展方向等方面的文献鲜有报道。随着城市隧道病害现象不断出现，病害修复研究将愈发重要。深入展开系统、全面的城市隧道病害修复工程研究，有利于提高修复效率与质量，避免运营城市隧道受病害困扰，同时对保障我国城市地下空间安全具有重要理论价值与实际意义。

1 我国城市运营隧道病害修复工程研究现状

解决后期隧道病害问题是保障城市隧道安全、持久运营的关键[11]；病害隧道修复需根据隧道使用功能、年限、所处地理位置等采取不同的修复手段和方法[12]。目前，有关城市运营隧道病害修复工程主要包括病害修复理论、方法、材料、设备等研究[13-14]。

1.1 城市运营隧道常见病害

城市隧道病害有普遍性、复杂性、典型性、反复性、区域性等特点[13]。目前，常见隧道病害有诸如隧道漏水、衬砌腐蚀、衬砌裂损、隧道冻害、洞门损坏、整体道床裂损、附属结构物损坏等类型[15]，表1为我国近年来出现的一些城市运营隧道病害现象。可看出目前我国城市隧道病害多以渗漏水、裂缝等类型为主[5,16]。同时，由于大部分城市隧道处于地下水位以下，常年受地下水作用，易产生隧道腐蚀、冻害等病害。特别是近年来，随着我国城市地下空间分层开发战略的持续推进，新建隧道下穿运营隧道等引起的运营隧道不均匀沉降、开裂等病害现象突出。除此之外，运营隧道附属结构物问题频出，如通风、照明不良、洞门塌陷等。

表1 我国城市隧道主要病害类型示例

1.2 城市隧道病害修复理论

针对城市隧道病害的出现，国内学者提出了部分病害修复理论，但室内隧道病害模型试验成本高，能够模拟工况较少，难以得出普遍规律，所以相关理论研究成果相对较少[11]。王湛等[24]采用三维有限元模型分析了套管法在隧道修复施工过程的应用，认为隧道变形和应力最大值基本发生在隧道顶部开口处，修复时需注意加强结构受力分析和止水措施。邱三月等[25]利用损伤力学的方法，建立岩体在节理损伤情况下的物理方程，通过理论计算得到了节理岩体损伤和能考虑加固修复效应的单元安全系数Fs，并建立了相应的数值计算程序；罗彦斌等[26]采用T-S模糊故障树计算方法模拟公路隧道冻害各底事件的重要度并进行分析，认为防止隧道病害发生需加强对隧道衬砌材料劣化和材料耐久性的研究。林楠等[27]以软土地区某地铁盾构隧道结构病害为背景，通过建立盾构隧道管片三维有限元模型，分析盾构隧道病害演化发展机理和给出隧道病害修复措施，为解决隧道结构病害发展过程及修复提供理论参考。赵金等[28]从运营隧道病害特征入手，得出隧道在滑坡推力作用下的受力图示和荷载计算公式，为避免滑坡区域运营隧道出现病害提供了设计思路。丁小兵等[29]以上海地铁隧道病害为背景，基于故障树理论对隧道病害进行定量计算分析，为隧道病害的预防和修复提供理论支持，同时为保证特大城市地铁运营安全的实践奠定了基础。

现有试验进行模拟时大多数仅涉及一种或几种修复技术，实际工程中往往是多种隧道修复技术一起进行，存在个体性与整体性差异。此外，现有理论研究模拟的修复加固时间有限，实际工程中对隧道修复加固是一个长期复杂的过程，某些地铁隧道往往要运营70～100年，因此部分城市隧道病害修复理论研究成果应用于实际隧道病害修复工程还有一定差距。

1.3 常见隧道病害修复方法

隧道病害常见修复方法根据修复病害类型分为隧道衬砌裂损修复、衬砌渗漏水修复、基底下沉与翻浆冒泥修复、隧道底鼓修复、隧道明洞修复、洞门损坏修复及冻害修复等，各病害类型具体修复方法如表2所示。可以看出，运营隧道修复方法整体上以原位修复为主，不主张大拆大建，而且大部分修复方法能起到良好的修复效果。除此之外，隧道渗漏水和裂缝修复通常同时进行，其修复方法较为成熟和完整；隧道沉降、底鼓、附属物等修复方法类型则相对较少，体系比较单一。

除表2一些传统修复方法外，陈荣国[31]对南昆线运营期间部分隧道出现渗漏水提供了解决措施，对富水地区铁路隧道渗漏水修复有一定参考意义；白云等[32]在上海外环隧道接头裂缝修复时，采用热接法更换OMEGA止水带，为运营沉管隧道接头裂缝修复提供了指导；曾涛[33]在上海轨道交通11号线支线修复工程中，利用液氮快速冻结技术，为隧道结构修复施工提供了强度条件；陈洪凯等[34]对常见的7种公路隧道病害修复技术做了归纳总结，提出加大对城市公路隧道病害修复及治理研究具有重要工程意义。此外，国内众多城市隧道病害修复方法中，注浆加固修复法是一种较为传统有效的衬砌加固修复方法，由国外沿用而来，被大量应用于衬砌开裂、变形、渗漏水等隧道病害的修复过程中，如上海轨交运营隧道的修复成功例。之后，注浆加固技术不断创新、优化：固结注浆和小口径钻具切割结合处理法[35]、“微扰动”注浆法、“轨枕离缝注浆+表面封闭”处理法[36]等方法在城市隧道病害修复工程上取得了一些进展，不过其实用性及普遍性还仍有待考量。裂缝修复主要为对内部充填灌浆和对外部开口封堵为主，随着新型粘贴堵缝材料的出现，修复效率逐渐提高，如碳纤维布(CFRP)在修复西安地铁三号线冻融裂缝上的首次应用[37]。渗漏水病害修复常按照点、线、面3种形式采取不同的治理方法，目前已有许多关于隧道渗漏水修复的相关报道[38-39]，但我国运营城市隧道渗漏水的修复措施，始终没有脱离“一封补，二注浆，三充填，四引排”的综合修复措施[40]。

目前，国内隧道病害修复方法虽经历了一段时期的发展，但现有修复方法种类仍偏少，而且缺少城市隧道修复独立的分支体系。城市运营隧道周边环境复杂，人员、隧道线路密集，病害修复时所需安全系数较高，当以其他隧道传统方法展开修复时，会存在巨大的安全隐患。同时，当出现复杂病害类型或是多种病害伴随出现时，现有修复方法将会出现协调性不足，修复功能不完整等缺陷。因此，应扩充城市隧道修复方法数量及内容，吸取国外先进修复技术及经验，在合理性、经济性、时效性等方面不断改进。

1.4 主要修复材料

城市运营隧道病害修复工程中常用到的材料主要有锚杆、钢拱架、钢筋、混凝土及注浆材料等[14]。其中，注浆材料使用范围最广，其按主要成分分为有机注浆材料、无机注浆材料和复合注浆材料。有机注浆材料粘度低、可灌性和渗透性好、固化时间可控，在隧道注浆修复作业中应用十分广泛，主要有环氧树脂、丙烯酰胺类浆材、聚氨酯类浆材、甲基丙烯酸酯类浆材等。不过其耐久性相对较差，且有一定程度的毒性，易污染环境并危及人类身体健康。针对有机注浆材料存在的缺点，汪在芹等[41]、邹海良等[42]通过对环氧树脂类材料进行改性，使得改性后的环氧树脂注浆材料既具备良好的灌浆性能又降低了毒性。此外，有机多元复合绿色注浆材料如MOH材料[43]、MICP材料[44]等的研究及应用也有报道。无机注浆材料以水泥类浆料为主，其材耐久性相对较高、无毒性且价格便宜，但流动性较差，可灌性不高，一定程度上限制了其应用范围。因此，部分学者针对无机注浆材料的缺点进一步深化研究和改良，得到了以超细水泥、水泥—水玻璃、CFRP(碳纤维增强复合材料)[45]、磷酸盐快速修复材料(MKPC)[46]等新型注浆材料。无机和有机注浆材料本身仍存在一定程度的缺陷，无法进一步满足各类注浆施工要求，复合注浆材料将两者结合，弥补了使用单一材料的不足。熊进等[47]将水泥和化学浆液复合，并在三峡工程断层带施工中取得了成功应用；立止水、优止水、水泥基TGRM特种灌浆料等复合灌浆浆料在隧道病害修复中都取得了良好的效果。

隧道修复材料特别是注浆材料类型发展较快，种类多样，大体上能满足近期各类运营隧道病害修复的使用需求，但传统材料使用数量居多，其材料性质、功能、环保性[48]等相对较差。此外，国内学者对各类型病害修复材料的应用效果研究较多，但针对病害修复材料的选型研究相对较少，鉴于每种材料都有其特点及其适用范围，应根据不同病害类型、病害程度及工程量等进行材料快速选型研究，便于提高施工速度和做到充分发挥修复材料使用性能[14]。

1.5 通用型及专用型修复设备

国内运营隧道病害修复设备可分为通用型设备和专用型设备[49]。通用型设备多为建筑工程领域采用的机械设备，这些设备技术成熟，类型多，但质量良莠不齐，而且国内在隧道病害修复通用设备配套方面研究不多，常靠经验和感官认识去选购配套设备，未能综合考虑设备技术性能、可靠性、维护便捷性和成本等因素。专用型设备研究相对较少，严重制约了我国城市运营隧道病害综合修复技术水平的提升，在城市地铁隧道方面，主要有病害整治台架、单一功能整治台车、铁路平板车台架、组合式多功能作业合车等[14]；城市公路隧道方面，因作业空间大，全自动及机械化设备安装实施更加可行，如国内自主研发的JC3B1250型三臂拱架安装台车用于隧道软弱围岩施工支护时钢拱架的安装等。

通用型修复设备主要随常用机械设备的革新而提升性能，总体上变化不大；专用型设备发展趋势较明显，其修复效率高，使用单一修复设备满足多种修复功能，得到推广，如高压灌浆设备、隧道排水管道疏通设备、隧道内轨道和衬砌壁冲洗设备等等。随着科技发展，机械化、智能化、自动化程度更高的隧道病害综合修复作业设备将成为该领域的发展方向。

2 城市运营隧道病害修复研究中存在的不足及发展方向

2.1 存在的不足

城市运营隧道病害修复研究是涉及力学、材料学、工程地质学等众多学科和领域的综合性课题，目前在隧道修复研究方面还存在以下不足：

(1)病害修复理论研究涉及修复技术较少，未做到将各类病害修复类型的综合模拟，而实际工程往往各类修复措施共同进行，理论研究存在整体性不足缺陷[11]；现有理论研究的修复加固时间与实际工程存在差异，理论研究时效性暂不能切实与实际应用贴合。

(2)现有修复方法种类不多，体系不完整，没有成系统的规范或说明；对于某些复杂类型病害，使用传统方法修复效果较差，修复技术急需革新[11]。

(3)隧道病害修复材料性能差异较大，每种材料的特性及适用范围选取研究较少，不能根据每种材料各自适用条件结合隧道病害实际情况合理选取相适应的材料，未充分发挥材料使用性能[30]。

(4)国内运营隧道病害修复设备在质量上层次不依，体系不够完备；相应专用修复设备研究较少，影响我国运营隧道病害综合修复技术水平的提升[50]。

2.2 发展方向

目前，我国城市运营隧道病害修复工程研究领域积累了部分经验，但其研究相对于隧道建设工程领域较落后，也相对比较独立，不能满足工程建设的发展需求，应加强以下几个方面的研究：

(1)城市运营隧道病害修复工程病害类型研究。对城市隧道病害的类型、破坏程度、出现原因、出现时间等因素进行分级与定量化处理，分级采用定性和定量相结合的指标，并根据病害的地理位置，不断总结整合，建立完整的城市隧道病害识别体系。

(2)隧道病害促进初始设计合理化研究。根据病害出现类型，分析病害产生的根本原因及影响因素，反推初始设计的不足，合理优化设计方法，从设计源头控制运营隧道病害的发生。

(3)修复理论、方法、材料、设备研究。弥补修复理论和方法技术单一性缺陷，针对不同的病害，得出不同的、有针对性的修复加固理论及方法；修复材料更加多元化，并根据不同病害类型、病害程度等因素，研究综合修复材料选型方案，充分发挥材料使用性能；增加对隧道修复设备的研发重视，合理管控设备体系，各类修复设备做到参数化、技术化、规范化、多样化。

(4)隧道病害修复工程标准及建设运营标准体系的研究。总结国内外修复经验，制定和完善我国城市运营隧道病害修复规范，为修复工程提供理论和技术指导，促使隧道病害修复工程更加标准化。同时，提升运营技术及管理水平的系统性、安全理念及相应的技术体系和机制，形成长效的安全运营保障政策和标准体系，通过技术水平的提升促进城市运营隧道的高质量发展。

3 结论

近些年来，我国城市运营隧道暴露出众多隧道病害问题，隧道修复工程将面临重大机遇和挑战。虽然我国在城市隧道修复研究中取得了一些进展及成就，但在修复理论、方法、材料、设备等方面还存在着缺陷。随着我国经济的不断发展，施工技术、方法和设备的不断进步，修复研究也急需不断革新，逐步保证修复工程的完整性和有效性。同时，隧道病害修复是一项系统性工程，必须将所涉及的方方面面结合起来进行系统研究，形成系统和体系，方能提高修复效率和质量。总之，只有重视城市运营隧道病害修复研究，未雨绸缪，才能保证在隧道修复高峰期来临时，采取及时有效的修复措施，延长隧道使用寿命,减少隧道病害安全事故发生。