运营隧道结构健康评价指标及其检测分析

金煜皓、王桂萱、谢伟、杨甜甜

（1.徐州工程学院土木工程学院，江苏 徐州 221018；2 大连大学建筑工程学院，辽宁 大连 116622）

0 引言

运营隧道结构所处工作条件、地质条件均十分复杂，影响其结构健康状态的病害很多[1]。然而，并不是所有病害都会对隧道安全产生重要影响，故而，在进行运营隧道结构健康评价时，应综合考虑影响隧道结构健康状态的代表性病害[2-3]。对运营隧道结构健康评价而言，科学合理的评价指标对结构健康评价至关重要。本文基于已有研究成果，选取具有代表性的病害，并给出适当的检测方法，进而提出针对运营隧道病害的有效处理措施，这些措施有利于保证运营隧道结构安全性。

1 运营隧道结构健康评价指标

运营隧道结构的不健康状态指的是其遭受各种程度的损伤、破损、污染等。主要表现为：衬砌裂损、衬砌材质裂化、渗漏水、背后空洞、冻害、洞内空气污染等不同类型。具体体现在以下方面：衬砌裂缝、衬砌变形、衬砌剥落（指标值越大，对隧道安全越不利）；强度指标、厚度指标（检测断面衬砌混凝土测点平均强度/设计衬砌混凝土强度；检测断面衬砌厚度/设计衬砌厚度，指标值越小，对隧道安全越不利）；渗漏水状态（渗漏越严重，对隧道安全越不利）；背后空洞深度（深度越大，对隧道安全越不利）；冻结深度（深度越大，对隧道安全越不利）；CO 浓度、颗粒物（烟雾）浓度（浓度越高，对隧道安全越不利）等。

2 运营隧道结构病害检测

运营隧道健康评价结果合理性的基础和前提在于病害（评价指标）数据来源是否准确可靠。基于某运营隧道实际工程，对上述评价指标的检测手段、方法和布置方案等进行阐述。

该运营隧道是一条南北走向的城市道路隧道，分为上下行双洞双车道。此次检测以洞口为起始点，编号为K+000，车行方向为正方向，里程数逐渐递增。该运营隧道设计紧贴地形地貌，符合城市规划要求，具有较高的通行效能和交通安全性。然而，由于隧道运营中存在诸多问题，如衬砌裂损、衬砌材质裂化、渗漏水等，因此需要定期开展检测和评估工作，以保证运营隧道的安全性与可靠性。

在两条隧道内分别布置30 个断面，各150 个测区，可以查明衬砌强度及衬砌表面裂缝分布情况。在运营隧道衬砌表面进行地质雷达测线的布置，依据测线数据得到雷达图像，并进行分析研究，有效地获取衬砌厚度信息及可能存在的背后空洞分布情况等重要参数。

3 检测内容及方法

3.1 光纤传感器监测衬砌裂缝

3.1.1 光纤光栅裂缝计

光纤光栅裂缝计是一种可靠且经济实惠的光纤传感器，用于查明结构裂缝的位置和尺寸。相比传统的监测设备，光纤光栅裂缝计具备多项优点：它比传统传感器能更大范围地测量裂缝，且其更为便携、能够承受的工作温度范围大。同时，其可重复、可靠的性能和出色的测量分辨率，使其成为工程结构裂缝监测的最佳选择。

3.1.2 光纤光栅裂缝计裂缝监测布置

在该隧道混凝土衬砌表面安装光纤光栅裂缝计，用于监测衬砌开裂情况，每重点监测断面布置5 个光纤光栅裂缝计，分别布置于隧道侧壁、拱顶以监测裂缝情况：两侧壁分别布置1 个，拱顶左、中、右侧各布置1 个（见图1）。

图1 光纤监测断面位置（单位：mm）

光纤光栅传感器铺设工作如下：在选定的关键断面处将光纤光栅裂缝计粘贴在运营隧道衬砌表面，在与裂缝正交的光纤光栅裂缝计处使用保护罩对传感器进行防护，如图2 所示，以保证裂缝计的使用寿命并能降低外界因素对传感数据的影响。另外，由于光纤传感对温度的敏感性，故需布设仅对温度敏感的传感器来达到温度补偿的目的，见图3。

图2 光纤光栅裂缝计布设

图3 温度补偿传感器

3.2 衬砌变形检测

使用激光式横断面测量仪，通过其数据处理和结果输出等功能，可以便捷地获得运营隧道衬砌变形、变形速度和变形量等参数。

3.3 衬砌变形及强度检测

3.3.1 衬砌变形检测工具

主要应用激光式横断面测量仪。

3.3.2 衬砌强度检测工具及其布置

主要应用ZC3-A 型回弹仪、卷尺、碳化深度测试仪等。

此次检测涉及的每个断面都设有5 个测区，其空间位置分布如图4所示。衬砌强度计算过程如下：首先在运营隧道衬砌表面划分检测区（20cm×20cm），打磨掉表面附着物后，用回弹仪水平正对衬砌表面回弹16 次，记录读数，根据标准曲线得出回弹强度推测值，最后计算出该测区衬砌强度值。

图4 隧道断面测区部位

3.4 衬砌厚度及背后空洞检测

3.4.1 衬砌厚度、背后空洞检测工具

地质雷达用于检测运营隧道衬砌厚度和背后空洞，其原理是利用宽带高频电磁波信号探测介质分布，通过天线连续拖动获取断面的扫描图像，通过分析反射波的特征差异来判断衬砌背后空洞。为进一步分析该运营隧道实际空洞情况，可使用Groundvision 和Reflexw 雷达数据处理软件，进行资料后处理。

3.4.2 衬砌厚度及背后空洞检测布置

布置10 条地质雷达测线，共计全长3795m，通过对地质雷达图像的分析，可以准确地得出衬砌厚度及背后空洞等分布情况。测线布置及背后空洞如图6所示，取运营隧道衬砌内部缺陷平面位置为例。

图6 0～200m 隧道衬砌背后空洞平面位置

3.5 最冷月平均气温、冻结深度检测

最冷月平均气温可以通过天气预报及相关资料获得。冻结深度的测量方法较多，主要包括直接测量法、推测深度法等。其中，直接测量法是通过对岩土体的钻孔、开挖、切割等方法，对岩土体进行实际测量，得到相关温度数据后，再计算得到冻结深度；推测深度法则是根据冻融循环的规律，结合围岩温度、气温和地形等地理环境因素来推算冻结深度。

3.6 CO 浓度、颗粒物（烟雾）浓度检测

运营隧道内CO 浓度和颗粒物浓度可分别使用CO 传感器及激光粒子计数器等仪器进行测量。

4 运营隧道结构病害处理措施

4.1 运营隧道衬砌裂缝处理

3mm 以下较小裂缝，应选用注射胶进行修复；较大的裂缝需要采用更复杂的处理方式，如灌浆处理、特殊材料加固等。

4.2 运营隧道衬砌变形处理

针对不同程度和类型的结构变形，在进行修复时需要选择不同的处理方式。当裂缝较小时，可选用注浆加固技术开展修复；而对于较为复杂的变形情况，则需要采用衬砌加固等更复杂的技术进行处理。这种定制化的结构修复方案可以有效提高修复质量和效率。

4.3 运营隧道衬砌剥落处理

可采用多种处理措施来处理，包括局部修补、重建衬砌、加装衬砌水泥板等方法。其具体选择要考虑到剥落部位、原因、性质等诸多方面：对于剥落严重的部位，需要采用重建衬砌进行修复，以实现结构的稳定和安全；而针对剥落轻微的部位，可以采用局部修补的方法进行处理，以保障结构的整体性和安全性。

4.4 运营隧道渗漏水处理

处理运营隧道渗漏水的方法常见的有机械密封和化学密封两种。考虑到渗漏水的时间和地质环境，常用的处理方式包括注浆法、排水法和补漏法等多种形式。

4.5 运营隧道衬砌背后空洞处理

处理运营隧道衬砌背后空洞的方法通常有：注浆法、聚合物灌浆法和夹层注浆法等。注浆法是将特定材料注入运营隧道衬砌与围岩之间的空洞中，使其填满并能够牢固地与衬砌和围岩结合；聚合物灌浆法是将特定的聚合物注入空洞中，聚合物会自行膨胀，使材料填满空洞；夹层注浆法是通过将注浆材料高压注入夹层中，从而使夹层中的空洞消失，并填充空隙，以提高夹层的稳定性和强度的工程方法。针对已形成的空洞，应慎重处理，不得影响隧道的安全性和稳定性。

4.6 运营隧道冻害及有害气体防治

隔热法是在衬砌表面与二衬间设置隔热材料，可采用隔热法有效防止冻害发生；CO 浓度、颗粒物（烟雾）等有害气体可采用隧道通风的方式进行处理。

5 结语

本文总结了影响运营隧道结构健康状态的代表性病害，确定评价指标，针对实际工程项目提出适宜的检测评价指标方法；最后，给出处理运营隧道病害的有效措施。后续工作将结合运营隧道结构健康评价指标选取及其检测，构建科学合理的运营隧道结构健康评价指标体系，这是运营隧道结构健康评价的关键环节。