盧穎明，陳禮偉

(中鐵西南科學研究院有限公司，成都 610031)

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國交通基礎設施建設規(guī)模逐漸擴大。高速公路，高速鐵路建設迅猛發(fā)展，尤其是隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的逐步實施，為了縮短道路里程，滿足列車運行速度的需要，在山區(qū)公路鐵路建設中已越來越重視隧道方案。隧道數(shù)量也日益增多，建設規(guī)模也越來越大。目前我國已建成的隧道總長度和總數(shù)量均居世界第一。但由于地質(zhì)條件、設計、施工及造價、運營、維修管理等方面的原因，隧道病害問題日益突出。有些隧道的病害已經(jīng)嚴重影響到隧道的正常使用，甚至危及行車安全，有些雖然進行了整治，但效果不甚理想。

為了既經(jīng)濟又合理地治理隧道病害，必須科學地評價隧道病害狀況，提出切中要害的整治方案。而對隧道病害現(xiàn)象進行分類，并分析各種病害現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是科學評價隧道病害狀況的首要前提。俗話說“對癥下藥”，只有對隧道病害現(xiàn)象進行正確而合理的分類，才能準確地把握住隧道病害的原因，并進行綜合分析，為隧道病害的維修治理提供參考依據(jù)。

1 隧道病害現(xiàn)象分類

隧道病害是影響隧道健康運營的一系列不良現(xiàn)象的統(tǒng)稱，包括襯砌混凝土病害、基底病害、附屬設施病害、洞口病害等幾大類別。其中，由物理或化學等原因引起的襯砌混凝土開裂、漏水、腐蝕、疏松、表面脫落或者掉塊等襯砌混凝土病害，是影響健康運營最主要的病害群。這些病害不僅降低了隧道結構的安全性、耐久性以及實用性，還會誘發(fā)其他類型的病害，直接縮短隧道的使用壽命。

根據(jù)調(diào)查分析，隧道一般的病害現(xiàn)象包括襯砌開裂、剝離、剝落及接縫錯裂、漏水、結冰、襯砌背后空洞、圍巖掉快、流土流沙、材料老化、襯砌屈服等病害現(xiàn)象。隧道的病害是多種多樣的，分類方法也是各有不同。本文將從產(chǎn)生病害的原因著手，介紹四種隧道病害現(xiàn)象。

2 由外力引起的隧道病害

由外力引起的隧道病害很多，如襯砌變形、開裂、移動、凍脹(鼓出、開裂)、下沉，洞門前傾等。而引起隧道病害的外力又分為很多種，有松弛地壓力、偏壓蠕動、滑坡、膨脹性土壓力，每種類型的外力產(chǎn)生的病害現(xiàn)象也有所不同。

2.1 松弛地壓力

松弛地壓力是指圍巖自然松弛，不能支持其自重而作用在襯砌上的荷載。多以垂直壓力為主，容易導致隧道拱部沿隧道縱向產(chǎn)生張開性的裂縫。而垂直壓力的大小沿隧道橫斷面多為馬鞍形分布，這也是為什么在拱腰處縱向裂縫較多的原因。還有一種松弛土壓力，當隧道襯砌上部有較大的空洞，而空洞上部圍巖突然掉落沖擊襯砌結構，襯砌由于承載力不足就會發(fā)生垮塌性破壞，這種病害的破壞性很大。實際工程中因為松弛外力引起病害的隧道很多。位于福建省龍巖市境內(nèi)的漳龍高速公路龍門隧道由于煤層采空，襯砌回填不密實，完工后不久就產(chǎn)生局部開裂，甚至發(fā)生圍巖坍塌掉塊現(xiàn)象［1］。巴彭公路隧道在1998年8月發(fā)生掉塊，造成車輛損傷，隧道無法正常使用，被迫關閉交通［2］。

隧道因圍巖松弛壓力產(chǎn)生病害的原因如下:

1)圍巖自重、列車振動使圍巖松弛;

2)因風化降低節(jié)理面的結合力;

3)砂質(zhì)圍巖中細顆粒成分流失使黏結力降低;

4)施工襯砌厚度不足;

5)襯砌劣化，接縫材料劣化。

2.2 偏壓、坡面蠕動

隧道在偏壓、蠕動下有兩種形式的病害:一是當隧道走向與坡面平行時，在靠近山側拱腰處產(chǎn)生水平張拉開裂、錯動，而另一側拱腰處襯砌則產(chǎn)生壓潰。二是當隧道走向垂直坡面時，洞口一般容易產(chǎn)生被動拉力或壓力，洞口襯砌產(chǎn)生環(huán)向裂縫，錯臺等。廣東省清遠市境內(nèi)的清遠—連州一級公路107國道六甲洞隧道北口，圍巖偏壓造成隧道襯砌擠壓變形，錯臺開裂達70 cm，甚至發(fā)生坍塌掉塊，嚴重影響正常交通［3］。

隧道因偏壓、坡面蠕動產(chǎn)生病害的因素有內(nèi)外兩種:

1)內(nèi)因。在設計階段，偏壓襯砌、填土、上部挖方等因素考慮不全，河側邊墻基礎嵌入深度不足，沒有設計仰拱;在施工階段，襯砌背后有空洞、剎肩不良、厚度不足。

2)外因。隧道選址不當，在強風化帶、軟巖滑坡體地質(zhì)地帶，埋深小、有巖堆、崩塌地、河流沖刷面等地易引發(fā)隧道病害。暴雨、地震等自然災害也會增加病害發(fā)生的可能性。

2.3 滑坡

構成斜坡的地表表層因地下水而產(chǎn)生的滑動現(xiàn)象，或者隨之產(chǎn)生的移動現(xiàn)象均稱為滑坡。當隧道正好處于滑坡地帶時，襯砌在靠山側拱部、邊墻產(chǎn)生水平開裂、錯動，拱頂壓潰、坍塌、邊墻收斂、軌道變形、側溝錯動、路基變形、底鼓、地表下沉、開裂。四川甘孜州巴塘縣境內(nèi)的波戈溪隧道進口左側仰坡于2005年4月13日發(fā)生滑坡，仰坡下錯最大裂縫1.6 m，嚴重威脅隧道安全［4］。

滑坡的發(fā)生原因很大一部分是滑面黏土由于地下水的作用而強度降低，坡體在自重或地震等外力的作用下沿滑面產(chǎn)生運動?；露嗯c水有關，當?shù)乇硭秩牖?，或地下水上升浸潤滑面，發(fā)生滑坡的可能性就比較大。另外，火山作用、地震、鉆爆開挖都是滑坡的誘因。

2.4 膨脹性土壓

隧道承受膨脹性土壓，造成邊墻或者拱肩水平開裂、邊墻擠出、凈空收斂大、底鼓、拱頂壓潰等病害現(xiàn)象。這種膨脹性土壓力的一般特征是圍巖位移和土壓隨時間長期增長，進而產(chǎn)生襯砌破損。成昆線百家?guī)X隧道K196+566.6～K196+736.6段位于膨脹地層，修建完后拱部開裂掉塊，起拱線處開裂外擠錯臺達60 mm;邊墻中部發(fā)育張性裂縫掉塊，外擠最大達150 mm。拱頂和兩側拱腰均有開裂通縫，最長達4 000 mm，裂縫寬度 10 ～20 mm［5］。

膨脹性土壓引起隧道病害的原因分內(nèi)外兩方面:

1)內(nèi)因。隧道襯砌結構上有缺陷，背后有空洞，厚度不夠，無仰拱，直邊墻。

2)外因。隧道位于含大量蒙脫石的新第三紀泥質(zhì)巖、凝灰?guī)r、風化變質(zhì)的結晶片巖、變質(zhì)巖、變質(zhì)安山巖、蛇紋巖、斷層破碎帶等富含膨脹性巖石中，圍巖遇水則膨脹，產(chǎn)生作用于隧道襯砌和支護結構上的土壓力，從而引起隧道的變形破壞。

3 由襯砌材料劣化引起的隧道病害

襯砌材料劣化引起的隧道病害，視其環(huán)境、施工條件、使用條件等各不相同。病害發(fā)生的時期及發(fā)展性也大不相同，與時間有密切關系。一般而言，材料劣化種類很多，且并不是單獨產(chǎn)生，很多情況下幾種病害現(xiàn)象同時發(fā)生，相互助長使病害加重。這些病害的發(fā)生、發(fā)展與隧道的地理環(huán)境、水文情況、地質(zhì)條件、防水設施、混凝土品質(zhì)、配合比、通風條件等有密切的關系。材料劣化引起隧道病害的現(xiàn)象與原因見表1。

表1 材料劣化的原因和隧道病害現(xiàn)象

續(xù)表1

4 由水引起的隧道病害

水引起的病害是隧道最主要的質(zhì)量通病。在運營隧道中，滲漏水是最常見的病害，有“十洞九漏”之說。一般情況，隧道滲漏病害的表現(xiàn)形式主要有拱頂滲水、滴水，拱腳滲水、淌水，伸縮縫部位滲水、淌水，側墻滲水、淌水，局部涌水、涌泥，道床積水、翻漿冒泥等。在寒冷地區(qū)，還會導致路面凍結，形成冰堆、冰坡，以及拱頂掛冰，嚴重影響了行車安全。同時，由于襯砌內(nèi)水的凍脹而對混凝土造成凍害。凍害是寒冷地帶導致襯砌混凝土劣化的主要原因。隧道滲漏水導致襯砌混凝土劣化和砂土流出，結構承載力下降，引發(fā)病害。因此，弄清楚隧道水害的成因、機理是治理隧道水害的基礎。

根據(jù)楊新安等［2］人的研究，隧道水害的成因是，修建隧道，破壞了山體原始的水系平衡，改變了原有地下水的滲流規(guī)律，隧道成為所穿過山體附近地下水集聚的通道，使隧道處于地下水的包圍之中。當隧道圍巖與含水地層連通，而襯砌的防水及排水設施、方法不完善時，隧道水害就必然要發(fā)生。將隧道的水害歸結為客觀和主觀兩個方面的原因。

4.1 客觀原因:隧道穿過含水或透水的地層

1)砂類土和漂卵石類土含水地層;

2)節(jié)理、裂隙發(fā)育，含裂隙水的巖層;

3)石灰?guī)r、白云巖等可溶性地層，當有水的溶槽、溶洞或暗河等與隧道連通時;

4)淺埋隧道地段，地表水可沿覆蓋層的裂隙、空隙滲透到隧道內(nèi)。

4.2 主觀原因:隧道襯砌防水及排水設施不完善

1)原建隧道襯砌防水、排水設施不完善;

2)混凝土襯砌施工質(zhì)量差，蜂窩、空隙、裂縫多，自身防水能力差;

3)防水層施工質(zhì)量不良或材質(zhì)耐久性差，使用數(shù)年后失效;

4)混凝土襯砌的施工縫、伸縮縫、沉降縫等未做好防水處理;

5)襯砌變形后產(chǎn)生的裂縫滲透水;

6)既有排水設施，如襯砌背后的暗溝、盲溝，無襯砌的輔助坑道、排水孔、暗槽等，年久失修阻塞。

隧道建設分為勘測設計、施工、驗收等階段，在每一個階段或材料供應等關鍵環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能引發(fā)隧道水害。例如，設計階段對水文情況調(diào)查不仔細、對地下水的運動規(guī)律認識不足、工程防水標準不合理、受力分析不夠、結構細部防水設計不詳細等均會造成隧道滲漏。施工階段中常出現(xiàn)的附加防水層接縫處理不好導致漏水，防水材料品質(zhì)不過關導致防水失效，防水材料與基面粘結不良或不適應等均會產(chǎn)生水害現(xiàn)象［6-8］。

另外，隧道滲漏與其他病害是密切相關的?？紤]水的可流動性和水壓的傳遞性，隧道的襯砌結構往往要承受較高的水頭壓力，在這樣的條件下，襯砌中的任何缺陷和病害都可能成為滲漏水的通道。反過來，滲漏水又會加速各類病害的發(fā)生和發(fā)展，影響隧道的使用性能和使用壽命。因此，隧道滲漏水實際上是隧道各種病害的綜合反映。

5 由其他原因?qū)е碌乃淼啦『?/h2>

5.1 地震

我國現(xiàn)有的隧道相當多位于地震區(qū)，地震引起的隧道病害尤其以華北、西南和西北的鐵路、公路隧道處于高烈度者居多。例如，位于8、9度地震區(qū)的鐵路隧道，成都鐵路局有113座，北京鐵路局有110座，蘭州鐵路局有70座。這些隧道絕大部分都有病害。

地震對隧道工程的破壞相當大，而且很多是毀滅性的破壞。1995年日本兵庫縣南部7.2級地震，造成100多座隧道損壞?！?.12”汶川大地震中寶成鐵路徽縣109隧道破壞導致鐵路運輸中斷等。所以地震引起的隧道病害也應得到充分的重視。

地震引起的隧道病害主要的表現(xiàn)形式有:

1)主體結構襯砌裂損、錯臺、變形、邊墻斷裂、基線移動、崩塌、掉塊;

2)襯砌背后圍巖松動掉落而擠壓支護結構，使鋼筋屈曲變形;

3)路基發(fā)生底鼓，基底擠壓破壞，土砂流入，涌水翻漿;

4)洞口山體滑坡，洞門開裂，前傾，墻端破損，嚴重的會崩塌埋沒，特殊地層塌陷;

5)引發(fā)次生災害，如火災、水害、毒氣、山體滑坡等。

公路鐵路隧道是道路線路的控制工程，中長隧道更是國家生命線工程。為防止和減輕隧道震害，必須將綜合治理、防范為主的思想貫穿到選線、設計、施工、維修養(yǎng)護等各個階段。根據(jù)有關規(guī)范進行防震設計，對處于6度以上地區(qū)的隧道必須進行專門的地震安全性評價工作。

5.2 有害氣體

隧道在運營過程中有害氣體的主要來源是交通車輛、電氣設備等釋放出多種有害氣體。瓦斯隧道本身還會釋放出瓦斯氣體。在長隧道中拋棄廢物也會分解出各種有害氣體，還有火災產(chǎn)生的煙，這些都屬于有害氣體。而隧道是一個閉塞區(qū)間，一般只有進出口處與大氣相通，隧道內(nèi)的有害氣體不能很快消散，當積累的濃度超過一定值時，會造成嚴重的危害。

1)危害養(yǎng)護維修人員和乘客的身體健康，使人中毒;

2)腐蝕隧道內(nèi)的結構物、鋼軌、扣件等設備;

3)降低隧道內(nèi)能見度，妨礙行車安全和維修工作的正常進行。

采用科學的通風排氣設備系統(tǒng)，保持良好的通風條件能解決隧道內(nèi)有害氣體的危害。選擇合理的通風方式和參數(shù)，需要對隧道內(nèi)有害物質(zhì)的成分、濃度、分布范圍進行調(diào)查。還需要對有害氣體的允許濃度標準、對人體健康的影響和改善洞內(nèi)空氣環(huán)境質(zhì)量的措施等問題進行深入的研究。

5.3 火災

隧道是交通的咽喉要道，無論是公路鐵路或地鐵隧道，火災都是極其危險的。由于隧道和地鐵建筑結構的復雜性，環(huán)境密閉，人員密集，一旦發(fā)生火災，撲救難度大，人員難以疏散，造成的損失非常大。1996年11月18日英法海峽隧道發(fā)生大火，約600 m隧道造成嚴重破壞，400 mm厚的混凝土內(nèi)壁出現(xiàn)剝離，鋼軌扭曲，中斷交通達半月，造成約2.3億英鎊的損失。還有倫敦、東京、巴黎、莫斯科地鐵發(fā)生的恐怖事件，爆炸引發(fā)火災，讓人記憶猶新［2］。

根據(jù)大量資料統(tǒng)計，隧道和地鐵發(fā)生火災的原因有:

1)空間狹小，能見度低，容易發(fā)生車禍，引發(fā)可燃物品爆炸起火;

2)隧道電氣線路或電氣設備短路，車輛電器設備短路引發(fā)火災;

3)隧道內(nèi)工作人員用火不當?shù)纫l(fā)火災;

4)輪軌摩擦產(chǎn)生火花引起火災;

5)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛冗^高時遇火爆炸;

6)人為縱火或恐怖襲擊。

6 結論

1)隧道在運營中會出現(xiàn)滲漏水(水害)、襯砌裂損、腐蝕、凍害、震害和洞內(nèi)空氣污染等病害，還有火災威脅。這些病害和危害嚴重威脅著隧道的安全、舒適及正常地運營。其中襯砌裂縫和滲漏水是隧道中最為普遍而且對隧道運營影響最大的病害，并且會導致其他病害的產(chǎn)生，是防治的重點。因此，在隧道規(guī)劃和設計階段要預防可能的病害威脅，進行合理的設計;在隧道施工階段要采取合理的高質(zhì)量的施工工藝、方法、措施和材料;在隧道運營階段要及時檢查，發(fā)現(xiàn)病害，分析病害成因，及時采取合理的整治設計和施工方法。如此，在各個階段都控制病害的發(fā)生，才能最終將隧道病害發(fā)生的可能性降到最低。

2)隧道病害在多種內(nèi)外因素的共同作用下表現(xiàn)的形態(tài)特征復雜多樣，要分析其原因非常困難。通過對已有隧道病害所表現(xiàn)的不同形態(tài)進行調(diào)查分類，分析其產(chǎn)生的機理，并將隧道病害產(chǎn)生的原因進行歸納總結，建立隧道病害數(shù)據(jù)庫，將其與專家系統(tǒng)相結合，這是目前隧道病害治理的發(fā)展方向。

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