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        運營公路隧道滲漏水病害特征成因及控制措施分析

        2020-11-24 06:21:50李雪琪張素磊岑佳能
        山東交通科技 2020年5期
        關鍵詞:結構

        李雪琪,張素磊,2,鮑 彤,周 明,岑佳能

        (1.青島理工大學 土木工程學院,山東 青島 266033;2.青建集團股份公司,山東 青島 266071;3.慈溪市交通建設工程質量監(jiān)督站,浙江 寧波 315300)

        引言

        根據(jù)國家交通運輸部統(tǒng)計數(shù)據(jù),我國的高速公路隧道建設數(shù)量于2018 年底達17 738 座,總建設里程高達17 236 km,其中特長高速公路隧道1 058 座,總里程4 706 km,長隧道4 315 座,總里程7 422 km[1]。隨著隧道數(shù)量的增加,大量運營公路隧道出現(xiàn)了襯砌裂損、襯砌滲漏水和襯砌結構劣化等現(xiàn)象?,F(xiàn)有統(tǒng)計表明:襯砌滲漏水現(xiàn)象普遍存在于運營超過10 年的公路隧道[2]。隧道滲漏水不斷侵蝕襯砌結構,造成襯砌保護層厚度不足、鋼筋銹蝕、混凝土開裂等現(xiàn)象,大幅度降低了結構安全性,為隧道運營安全埋下了巨大隱患[3]。襯砌滲漏水病害引起了大量專家的關注,并進行了一系列的研究,薛曉輝等[2]基于山西省公路隧道滲漏水病害數(shù)據(jù),探討了襯砌滲漏水機理。劉庭金、鈄逢光等[4-5]基于現(xiàn)場檢測資料,揭示了連拱隧道襯砌滲漏水分布規(guī)律。李沿宗[6]結合現(xiàn)場檢測資料對鐵路隧道襯砌結構的滲漏水特征進行了總結。應偉[7]通過對某隧道襯砌滲漏水進行了統(tǒng)計分析,分別就不同形式的滲漏水病害提出了相應的治理建議。鄒育麟等[8-11]結合隧道現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù),對裂縫及滲漏水病害的分布特征及種類進行了統(tǒng)計,并從多方面綜合分析了襯砌滲漏水的成因。談識[12]結合數(shù)值計算軟件對不同排水條件下襯砌外水壓力進行了分析。葛玉強等[13]針對性的介紹了新型隧道中埋式防排水技術。張素磊等[14]依托某公路隧道,揭示了已有公路隧道防排水系統(tǒng)存在的不足,基于此提出了新型的防排水結構。可見,已有的隧道滲漏水研究成果有著重要的參考價值,但隧道工程存在較強的區(qū)域性特征,受所處水文地質環(huán)境影響較大,且不同年代建成的隧道,襯砌滲漏水程度存在一定差異。

        1 隧道概況

        調研的隧道主要位于杭州市西南部,隧址區(qū)地層地貌層次明顯,地形呈多樣化,以丘陵、山地為主,區(qū)域地質構造繁雜,夏季及初秋期間降雨量較大,隧道滲漏水現(xiàn)象尤為突出。統(tǒng)計的27 座隧道均位于國省道,單條隧道最長為3 005 m、最短51 m,運營10 年以內的隧道12 座、超過20 年的老舊隧道7 座,隧道信息統(tǒng)計見圖1。

        圖1 隧道信息統(tǒng)計

        2 隧道滲漏水病害特征分析

        2.1 滲漏水分類

        根據(jù)《公路隧道養(yǎng)護技術規(guī)范》(JTG H12—2015)的規(guī)定,依據(jù)滲漏水嚴重程度將襯砌滲漏水進行定性劃分:(1)浸滲:襯砌表面潮濕,無明顯滲水點。(2)滴漏:襯砌表面存在點滴狀滲水現(xiàn)象。(3)涌流:襯砌表面存在股狀滲水現(xiàn)象或存在線流狀滲水現(xiàn)象。(4)噴射:地下水從襯砌表面噴射出來。

        檢測過程中存在浸漬、滴漏、涌流3 種類型的滲漏水現(xiàn)象,并無噴射現(xiàn)象,典型的襯砌滲漏水病害見圖2。

        圖2 襯砌滲漏水病害

        共檢測襯砌滲漏水417 處,不同類型滲流水統(tǒng)計見圖3??梢?,襯砌滲漏水以浸滲為主、共364 處占87%,滴漏51 處占12%,涌流2 處占比不足0.5%。

        圖3 滲漏水類型統(tǒng)計

        圖4 滲漏水所處位置統(tǒng)計

        2.2 滲漏水位置統(tǒng)計

        圖4 為襯砌滲漏水所處位置統(tǒng)計圖??梢?77處滲漏水位于襯砌裂縫位置,217 處位于三縫位置,其他位置僅有23 處。隧道經過一定時間的服役后,隧道襯砌結構的開裂及三縫位置止水條的老化為圍巖裂隙水、地表降水等提供了滲漏的通道,因此,滲漏水位于裂縫及三縫位置的比例高達94.5%。

        襯砌裂縫和三縫位置不同類型滲漏水狀態(tài)統(tǒng)計見圖5,可見在襯砌裂縫處和三縫處,滲漏水均以浸滲形式為主,涌流形式的滲漏水僅有2 處,相比于襯砌裂縫處,三縫處更易出現(xiàn)滴漏。

        圖5 滲漏水狀態(tài)統(tǒng)計圖

        2.3 裂縫處滲漏水特征分析

        2.3.1 裂縫類型對滲漏水影響分析

        根據(jù)襯砌裂縫空間分布特征,襯砌裂縫可以分為三類:環(huán)向、縱向、斜向裂縫,見圖6。

        圖6 襯砌裂縫病害

        襯砌裂縫處滲漏水統(tǒng)計見表1??梢姡芽p位置滲漏水以浸滲為主,共計165 處,占比93%,滴漏共計11 處,主要分布于拱部位置,涌流1 處位于拱腳。滲漏水多數(shù)為浸滲,通常不會對隧道運營安全造成影響,涌流、噴射現(xiàn)象一般發(fā)生較少,表明隧道防排水系統(tǒng)雖然局部存在缺陷,但沒有完全失效。環(huán)向裂縫是滲漏水主要部位之一,滲水一般發(fā)生在邊墻和拱腳位置沿裂縫呈線狀分布,滲漏水程度相對較輕;大多會在襯砌應力集中位置和襯砌強度不足區(qū)域出現(xiàn)縱向、斜向裂縫,該位置也是滲漏水頻發(fā)位置。

        表1 裂縫處滲漏水統(tǒng)計(處)

        2.3.2 裂縫寬度對滲漏水影響分析

        結合《混凝土結構設計規(guī)范》(GB50010—2010)的規(guī)定,并根據(jù)實際檢測結果,將裂縫寬度分為4 類:<0.2 mm、0.2 ~1.0 mm、1.0 ~3.0 mm、>3.0 mm,分別為微裂縫、小裂縫、中裂縫和大裂縫。對裂縫的不同寬度分布特征進行了統(tǒng)計分析,得到襯砌裂縫主要為小裂縫,共計3 722 條、小裂縫數(shù)量占裂縫總數(shù)的80%,其次是中裂縫585 條、微裂縫288 條和大裂縫78 條,統(tǒng)計結果見圖7??梢钥闯觯芽p寬度越大,裂縫位置出現(xiàn)滲漏水的概率就越大。其中,在微裂縫中滲水比例僅為1%,通常是由混凝土干燥收縮引起,一般不會對襯砌結構安全性產生影響,而大裂縫中滲水比例高達19%,通常是由結構荷載引起,且部分為貫穿性裂縫,滲水特征表現(xiàn)為大面積的浸滲,部分呈線狀滴水現(xiàn)象。

        圖7 裂縫滲漏比例統(tǒng)計

        2.4 三縫處滲漏水特征分析

        調研滲漏水共417 處,三縫處滲漏水達217 處,其中,根據(jù)滲漏水嚴重程度統(tǒng)計得,浸滲共183 處,滴漏33 處,涌流1 處。三縫處滲漏水程度多位于拱腳及邊墻位置,一般在拱腳處呈小面積的浸滲,在拱頂及拱腰位置滲漏水相對較少,滲水量大小不一,受水文地質情況影響,通常呈條帶狀滲水,嚴重時存在點狀滴漏,見圖8。襯砌滲漏水某些位置干濕交替,由于鹽類物質結晶膨脹,以及各種化學離子侵蝕的影響,施工縫兩側襯砌的腐蝕現(xiàn)象較為嚴重,襯砌表層剝蝕現(xiàn)象較普遍,見圖9。

        圖8 三縫處滲水

        圖9 三縫處襯砌腐蝕

        3 滲漏水病害成因分析

        3.1 裂縫處滲漏水成因分析

        復合式襯砌結構中防排水系統(tǒng)是隧道整體防排水的關鍵所在,但是在現(xiàn)場鋪設過程時防水板與二次襯砌之間總會留有孔隙,地下水順著孔隙滲流到二襯;結構自防水為最終防線,而襯砌荷載及收縮變形產生的裂縫,為水提供了滲水通道,地下水最終會從這些裂縫滲出,復合式襯砌隧道防排水系統(tǒng)見圖10。

        圖10 防排水系統(tǒng)

        根據(jù)裂縫類型及裂縫寬度張開程度,滲漏水程度也有所不同。特別是建成超過二十年的老隧道,在早期建設的石砌隧道不設防水層或防水層嚴重老化,基本失效,滲水直接從襯砌裂縫處滲出,在拱腳漫流延伸至路面,直接影響行車安全。此外,排水盲管局部堵塞,排水不暢引起襯砌水壓上升,高水壓情況下裂縫處更易發(fā)生噴射、涌流現(xiàn)象,造成襯砌結構進一步劣化。

        在調查中發(fā)現(xiàn),某些隧道滲漏水周邊存在“泛堿”現(xiàn)象,襯砌表面存在白色結晶物,見圖11。原因在于襯砌結構受地下水中離子化學作用而侵蝕,析出鹽類結晶體積膨脹亦使襯砌脹裂破壞,此外參與到碳酸鹽的結晶過程中的酸性侵蝕,會導致襯砌結構松散,強度降低[15]。

        3.2 三縫處滲漏水成因分析

        分析結果表明,公路隧道滲漏水最嚴重的地方位于三縫處,并且三縫位置滲水現(xiàn)象占滲水總數(shù)的一半以上。隧道防水層破壞后,地下水將會滲入防水板,并在防水層與二次襯砌之間淤積、漫流,隧道襯砌混凝土一般具有防滲功能,而三縫位置一般采用止水條或止水帶進行防水,但由于施工質量缺陷以及運營期間的襯砌變形等因素,三縫位置一般為隧道防排水的薄弱環(huán)節(jié),因此,三縫位置的滲漏水現(xiàn)象要比裂縫位置的嚴重,隧道三縫處防水見圖12,三縫處排水系統(tǒng)一旦破壞,地下水將由排水盲管滲入隧道,引發(fā)更為嚴重的滲漏水現(xiàn)象。

        圖12 隧道三縫處防排水

        可見,水是滲漏水現(xiàn)象產生的前提條件,存在滲水通道是必要條件,雖然現(xiàn)有的隧道防排水系統(tǒng)較為完善,但受限于施工質量,防水板很難做到密不透水,地下水滲入防水板與二襯之間,由于兩者之間沒有排水通道,積水只能從裂縫、三縫等薄弱環(huán)節(jié)滲出。

        4 滲漏水治理方法

        4.1 治理原則

        (1)滲漏水治理應根據(jù)水質地質條件和滲水量大小,采取“以排為主”或“以堵為主”的不同思路,針對性治理。(2)針對目前隧道襯砌滲漏水的現(xiàn)狀,建議結合隧址區(qū)地質條件,設計研發(fā)新型防排水系統(tǒng),如在防水板與二襯之間增設排水通道,當防水板破損后,仍可有效排水,同時在運營過程中發(fā)生滲漏,也可以通過直接封堵裂縫來治理滲漏水。

        4.2 治理措施

        滲漏形態(tài)為浸滲或滴漏時,可采取灌縫密封,當水壓較大滲漏嚴重,存在涌流、噴射時,可先進行鉆孔排水泄壓。對于存在滲水現(xiàn)象的環(huán)向裂縫,根據(jù)裂縫寬度采取對應的治理措施:當裂縫寬度<0.2 mm時,可在裂縫處涂抹密封膠;當寬度>0.2 mm 時,可采用鑿槽嵌補法進行處治。而對于受力不均引起的縱向、斜向裂縫,為了消除安全隱患,必須治理。

        5 結語

        (1)隧道襯砌滲漏水主要位于襯砌裂縫和三縫處,浸滲占87%,滴漏和涌流占13%;襯砌裂縫處滲水占42%,三縫處滲水占52%,其他位置滲水占6%??v向裂縫、斜向裂縫處滲漏水較嚴重,而裂縫寬度越大滲漏水現(xiàn)象越頻繁;相比于襯砌裂縫處,襯砌三縫處更易發(fā)生滴漏現(xiàn)象,原因在于止水條失效后地下水將直接由循環(huán)縫滲入隧道。(2)根據(jù)襯砌裂縫和三縫處滲漏水的分布特征,對襯砌滲漏水成因進行了深入剖析,并闡述了不同嚴重程度及不同位置襯砌滲漏水的治理建議。

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