蔣雅君，劉世圭，周 睿，林利達，肖華榮

(1.西南交通大學土木工程學院，成都 610031；2.成都揚華源動新材料科技有限公司，成都 610213)

引言

近年來我國隧道的建設速度和規(guī)模都在快速增長，截至2019年底，全國范圍內投入運營的鐵路隧道里程為18 042 km，公路隧道里程為18 967 km[1-2]。由于隧道所處環(huán)境復雜、設計施工缺陷以及運營維護不到位等原因，運營隧道中有近70%發(fā)生滲漏水現(xiàn)象，影響隧道行車安全以及結構安全[3-4]。國內部分學者對隧道滲漏水病害進行了一定調查和研究，認為隧道發(fā)生滲漏水的原因，很大程度上是由于隧道襯砌排水系統(tǒng)出現(xiàn)了各種不同程度的病害，導致地下水無法順暢排放所導致[5-7]。

國內已經(jīng)開始逐步重視隧道襯砌排水系統(tǒng)的維護問題，對運營隧道襯砌排水系統(tǒng)的病害及成因的調查和分析也開展了一些初步的工作：蔣雅君等[8]運用內窺鏡等對隧道襯砌排水系統(tǒng)進行檢查，并初步提出了相應的評估方法；蔣雅君等[9]通過實例調研，研究了巖溶隧道結晶堵塞的原因；葉飛等[10-12]通過自研的試驗平臺探究了隧道排水系統(tǒng)滲流結晶的過程，分析排水管道結晶的多個影響因素，也對在建隧道的結晶原因進行分析；郭小雄等[13]和雷林等[14]采集實際工程中結晶樣本，對結晶成分進行檢驗分析，進一步分析研究其結晶機理和影響因素，提出應對措施。從國內目前所做的工作來看，當前主要是對隧道襯砌排水系統(tǒng)結晶堵塞的問題較為關注，而且主要是在研究相應的應對措施上，尚未系統(tǒng)性開展隧道襯砌排水系統(tǒng)病害的檢查和評估工作。相比之下，國內市政工程行業(yè)對城鎮(zhèn)排水管道的病害檢查開展較早，也提出了較為全面的病害分類和評估方法[15]。但是隧道襯砌排水系統(tǒng)的結構形式、管道材質等與以預制混凝土管道為主的城鎮(zhèn)排水管道存在明顯區(qū)別，因此不能照搬市政工程的經(jīng)驗對隧道襯砌排水系統(tǒng)進行病害的分類和評估。

基于以上的研究現(xiàn)狀，通過對國內多座公路、鐵路隧道的襯砌排水系統(tǒng)開展病害調研工作，對隧道襯砌排水系統(tǒng)常見病害進行總結和分析，希望為后續(xù)建立隧道襯砌排水系統(tǒng)技術狀況評價體系和對隧道排水系統(tǒng)的維護工作提供一定參考。

1 隧道襯砌排水系統(tǒng)調查工作概況

1.1 隧道襯砌排水系統(tǒng)結構形式及構件類型

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規(guī)范(第一冊 土建工程)》[16]、TB 10003—2016《鐵路隧道設計規(guī)范》[17]、《鐵路隧道防排水設計指南》[18]中隧道排水系統(tǒng)設計的相關內容，以及結合一些實際工程案例調研可知：我國鐵路、公路隧道常見的襯砌排水系統(tǒng)主要由環(huán)向排水盲管、縱向排水盲管、橫向導水管以及中央水溝(管)等構件連接，在隧道初支和二次襯砌之間形成排水網(wǎng)絡空間，對地下水進行有組織的排放。示例如圖1、圖2所示。

圖1 鐵路隧道襯砌排水系統(tǒng)示例(雙線)

圖2 公路隧道襯砌排水系統(tǒng)示例(雙車道)

綜合我國鐵路、公路隧道的襯砌排水系統(tǒng)形式與構件類型可知，目前隧道襯砌排水系統(tǒng)常見的構件類型及參數(shù)如表1所示。由表1可知，隧道襯砌排水系統(tǒng)的構件類型和材質較多，既包括大管徑的預制混凝土管道，也包括小管徑的高分子管道，與城鎮(zhèn)排水系統(tǒng)所通常采用的大管徑預制混凝土管道有較大的區(qū)別。因此，在對隧道襯砌排水系統(tǒng)進行病害調查和評估時，不能完全照搬城鎮(zhèn)排水管道的相關做法和經(jīng)驗。

表1 隧道襯砌排水系統(tǒng)構件類型與常見參數(shù)

1.2 隧道襯砌排水系統(tǒng)病害檢查方法及設備

根據(jù)表1所示的隧道襯砌排水系統(tǒng)構件的尺寸，可以將隧道襯砌排水系統(tǒng)構件分為大尺寸(中心水溝/水管、側溝)、小尺寸(環(huán)向、縱向、橫向排水管)兩種類型。在進行病害調查時，針對不同類型的排水系統(tǒng)構件應選用不同的檢查設備和方法。

(1)大尺寸排水構件：對隧道中心水溝、中心水管和側溝，由于尺寸相對較大，可以參照城鎮(zhèn)排水管道的電視檢測方法，采用管道檢測機器人(圖3(a))進入排水管/溝內，對其內部的病害進行全面調查，并全程記錄排水管(溝)內的影像資料。

(2)小尺寸排水構件：對環(huán)向、縱向、橫向排水管，由于管徑通常只有100 mm甚至更小，且管道還存在轉彎等不易通過的局部位置，因此無法采用管道檢測機器人進行檢查，只能選用管道內窺鏡(圖3(b))深入管道內部進行檢查，也可以對排水管道的內部情況進行全程攝像和拍照。

圖3 隧道襯砌排水系統(tǒng)檢查設備

1.3 隧道襯砌排水系統(tǒng)調查案例及病害概況

從2017年開始，本項目研究團隊調研了20余座鐵路、公路隧道，分別位于廣西、貴州、云南、重慶、四川等西部省市，也包括陜西、甘肅等部分西北省市。調研案例地質巖性較為多樣，既包括灰?guī)r、砂巖等巖石地層，也包括黃土等土質地層，但總體上都是地下水較為發(fā)育，因此受到隧道滲漏水等病害問題的困擾較多，對隧道運營期間襯砌排水系統(tǒng)的功能完好性比較關注。

通過所搜集的案例資料，可以發(fā)現(xiàn)隧道襯砌排水系統(tǒng)的病害總體上符合CJJ 181—2012《城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程》[15]中對排水管道缺陷種類的劃分，即結構性缺陷和功能性缺陷兩大類。為更符合隧道工程的習慣，本文將“缺陷”用“病害”來稱呼。結構性病害是指管道結構本體遭受損傷，影響強度、剛度和使用壽命的病害；功能性病害是指導致管道過水斷面發(fā)生變化，影響暢通性能的病害。在城鎮(zhèn)排水管道中，將以上兩大類病害又分別劃分了不同的類型和等級，具體見表2。

表2 城鎮(zhèn)排水管道病害類型

在實際的調研中也發(fā)現(xiàn)，由于隧道襯砌排水系統(tǒng)的結構形式、排水構件、管理維護等方面與城鎮(zhèn)排水管道有一定區(qū)別，在病害的具體表現(xiàn)形式上也有差異，尤其是需要區(qū)分混凝土排水管/溝和高分子排水管道在病害上的不同體現(xiàn)形式。通過初步的梳理，本文所調研得到的隧道襯砌排水系統(tǒng)的常見病害類型如表3所示(具體見本文后續(xù)部分的內容)。

表3 隧道襯砌排水系統(tǒng)病害類型

2 隧道襯砌排水系統(tǒng)常見結構性病害

根據(jù)案例調研的情況，隧道襯砌排水系統(tǒng)常見的結構性病害主要包括破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏、脫節(jié)、異物穿入等類型。

2.1 破裂

排水管(溝)破裂是指管道受到外力的擠壓，超出管道材料自身的承受能力，發(fā)生開裂或者破損。隧道襯砌排水系統(tǒng)中的排水盲管、預制混凝土管和混凝土水溝都會發(fā)生此類病害。

(1)大尺寸排水構件。中心水管(溝)敷設在路面以下，在運營期間受車輛碾壓以及仰拱變形作用，中央水管(溝)受到擠壓，發(fā)生縱向、橫向或斜向的破裂病害；側溝的破裂則主要受到仰拱(或隧道底板基礎)抬升或沉降等影響較大，在襯砌發(fā)生不均勻的豎向變形部位處側溝也會隨之出現(xiàn)橫向開裂。按病害的嚴重程度，大致分為裂痕、裂口、破碎、坍塌4個等級。調研中所收集的混凝土水管(溝)破裂病害實例見圖4。

圖4 大尺寸排水構件破裂病害實例

(2)小尺寸排水構件。環(huán)向、縱向和橫向排水管敷設于初期支護與二次襯砌之間，發(fā)生破裂病害時，通常表現(xiàn)為圍巖或初期支護中尖銳物體刺破、二次襯砌澆筑時的擠壓或運營期間圍巖變形壓力使排水管道發(fā)生開裂，如圖5所示。由于小尺寸排水構件多為高分子管材，因此主要的病害嚴重程度可以分為裂痕、開裂、破碎幾種情況。

圖5 小尺寸排水構件破裂病害實例

2.2 變形

排水管(溝)變形是指管(溝)受到外力擠壓作用，發(fā)生形狀變異。管(溝)形狀被改變，不僅影響排水管道的過水能力，還破壞管道的結構完整性。此類病害主要發(fā)生在高分子類排水管道中，而混凝土管(溝)發(fā)生變形病害時，一般微小變形不影響排水構件的結構狀況，發(fā)生較大變形時，構件通常會發(fā)生開裂，成為破裂病害。因此，則不討論大尺寸排水構件的變形病害。

環(huán)向、橫向、縱向排水管道多采用波紋管或彈簧透水管，受到襯砌澆筑壓力和圍巖變形的擠壓作用，則管道隨之發(fā)生變形(實例見圖6)。管道變形的嚴重程度通?？捎勺冃温?變形率=(初始內徑-變形后最小內徑)÷初始內徑×100%)來表示，分為<5%，5%～15%，15%～25%和>25%四個等級。

圖6 排水管道變形病害實例

2.3 腐蝕

排水管道腐蝕是指管道內壁受到地下水及其他腐蝕性物質侵蝕，造成管道內壁表面物質流失，出現(xiàn)麻面或者鋼筋露出。調研中發(fā)現(xiàn)，此類病害主要出現(xiàn)在混凝土材質的排水管(溝)；塑料材質的排水管道由于其耐腐蝕性能好，未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕病害，故認為小尺寸排水構件不存在腐蝕。

中心水管(溝)是混凝土材質，在地下水的作用下，會發(fā)生一定程度的侵蝕，在預制混凝土管或現(xiàn)澆水結構的裂縫位置受到地下水沖刷作用，出現(xiàn)表面物質流失、泛白析堿等現(xiàn)象，實例如圖7所示。按病害的嚴重程度，大致分為輕度腐蝕(輕微剝落，泛白析堿)、中度腐蝕(表面剝落，骨料露出)和重度腐蝕(粗骨料，鋼筋完全顯露)3個等級。

圖7 中心水管腐蝕(輕度腐蝕)

2.4 錯口

排水管錯口是指管道連接位置出現(xiàn)了偏差，鄰近管道顯現(xiàn)月牙狀或半月形。此類病害主要出現(xiàn)在采用預制管道拼接的排水管道中。

(1)大尺寸構件。中心水管采用預制混凝土管道逐節(jié)拼接形成一個整體，但管節(jié)之間接口相對強度較差，當中央排水管縱向出現(xiàn)較大高差或施工不規(guī)范，極易出現(xiàn)脫節(jié)現(xiàn)象，如圖8(a)所示。

(2)小尺寸構件。排水系統(tǒng)中小尺寸排水構件的錯口病害通常出現(xiàn)在管道接頭位置，在外部壓力作用下容易松動脫落，造成錯口，如圖8(b)所示。

圖8 排水管道錯口

管道錯口的嚴重程度通常采用管道之間錯口偏差與管壁厚度之間的比值來衡量，可以分為輕度錯口(<1/2)、中度錯口(1/2～1)、重度錯口(1～2)、嚴重錯口(>2)4個等級。

2.5 起伏

排水管道起伏是指管道縱向方向上出現(xiàn)坡率與整體坡率不符，迫使管道變形或開裂等，破壞管道結構。此外，管道起伏中的沉降位置出現(xiàn)洼水現(xiàn)象，凸起部分則縮小了管道的過水斷面，影響管道過水能力。如圖9所示。

(1)大尺寸構件。中央排水管采用的是預制混凝土管節(jié)拼接形成，當存在管道基底凸起或脫空，則會造成中央水管的起伏；中央水溝采用現(xiàn)澆混凝土結構，在基底處理、支模和澆筑過程不規(guī)范，出現(xiàn)凸起或洼地，形成起伏。通常大尺寸構件剛度較大，管道起伏通常伴隨著破裂病害。

(2)小尺寸構件。小尺寸排水構件通常采用柔性管道，在敷設管道時，沿管道的方向上基底處理不平順造成管道起伏。通常小尺寸排水構件剛度較小，可以適應適度變形，因此起伏通常伴隨著變形，嚴重時將造成管道破裂。

管道起伏的嚴重程度采用管道起伏高度與管徑的比值來確定，按照比值的大小可大致分為4個等級，即，輕微起伏(≤20%)、中度起伏(20%～35%)、重度起伏(35%～50%)、嚴重起伏(≥50%)。

2.6 異物穿入

異物穿入造成的排水管道結構破壞是指非管道結構侵入管道，破壞管道完整性。侵入管道的異物包括非管道系統(tǒng)的物體和不合理接入的管道。

(1)大尺寸構件。中央排水管(溝)因隧道后續(xù)施工或者運營維修，使得管道(水溝)被鋼管或其他尖銳異物直接刺穿，結構完整性被破壞，如圖10(a)所示。

(2)小尺寸構件。排水系統(tǒng)中柔性管連接時接頭處理不規(guī)范，直接刺入管道連接，造成結構破壞，如圖10(b)所示；初期支護上的鋼筋或螺栓等異物未處理，直接敷設排水管道，造成管道被異物刺穿；運營期間因需求增加設施，未依照設計避開排水管道，從二次襯砌外打孔，插入異物，破壞管道結構。

圖10 中央排水管、縱向排水管異物刺入

排水管道異物刺入的嚴重程度采用刺入異物占管道過水面積大小來確定，嚴重程度可以分為三級，輕度破壞(0～10%)、中度破壞(20%～30%)、重度破壞(>30%)。

3 隧道襯砌排水系統(tǒng)常見功能性病害

根據(jù)案例調研的情況，隧道襯砌排水系統(tǒng)常見的功能性病害主要包括沉積、結垢、障礙物等類型。

3.1 沉積

排水管道中沉積是指地下水中的雜質堆積在管道底部，影響排水管道的過水能力。

(1)大尺寸構件。地下水通常攜帶泥沙或其他雜質，在排水坡度較小的區(qū)段或者少水的季節(jié)，容易在中心水溝/管的底部發(fā)生沉積，堵塞管道(水溝)。

(2)小尺寸構件。地下水攜帶細小的泥沙或者其他雜質進入排水管道，在水流速慢、排水坡度小的位置沉淀并逐步堆積，造成管道堵塞，圖11為縱向、橫向排水盲管中泥沙沉積的情況。

圖11 排水管道沉積

排水管道中沉積的嚴重程度可由沉積物最大厚度所占管道內徑大小來確定，可以分為四級：輕度沉積(20%～30%)、中度沉積(30%～40%)、重度沉積(40%～50%)、嚴重沉積(>50%)。

3.2 結垢

排水管道結垢是指地下水攜帶的Ca2+、Mg2+等陽離子與CO32-、HCO3-等陰離子結合形成硬質結垢；或地下水流經(jīng)噴射混凝土，將混凝土中游離的Ca2+帶出，與地下水中的CO32-、HCO3-結合形成結晶[19-20]，附著在管道內壁，減小管道的過水斷面，如圖12所示。

圖12 排水管道結垢

(1)大尺寸構件。中央排水管(溝)尺寸較大，是匯集隧道襯砌排水系統(tǒng)中滲水的主要排放通道，因此水中的結晶物較易在中央排水管(溝)內產(chǎn)生結垢的現(xiàn)象。

(2)小尺寸構件。隧道襯砌排水系統(tǒng)中環(huán)向、橫向、縱向排水管道中的結垢先從管道的底部開始，并主要堆積在管道的出水口部位，逐步堵塞出水口。

排水管道結垢病害的嚴重程度通常采用截面損失率的大小來衡量，可分為四級：輕度結垢(<15%)、中度結垢(15%～25%)、重度結垢(25%～50%)、嚴重結垢(>50%)。

3.3 障礙物

障礙物主要是因施工或運營期間，遺留在排水系統(tǒng)內部的各類雜物或建筑垃圾，阻礙水流通過，影響過水能力。如圖13所示。

圖13 排水管道障礙物堵塞

(1)大尺寸構件。排水管(溝)在施工過程中，未清理遺留的建筑垃圾，或管道(水溝)封閉不嚴，路基混凝土進入后凝固形成的障礙物。

(2)小尺寸構件。排水管道在敷設的過程中，遺留在管道內部的雜物未清理干凈，或二次襯砌澆筑過程中進入排水管道的水泥漿固化后形成的障礙物。

排水管道中障礙物的影響程度采用過水斷面損失率來衡量，可以分為四級：輕度堵塞(<15%)、中度堵塞(15%～25%)、重度堵塞(25%～50%)、嚴重堵塞(>50%)。

4 結語

依托四川、廣西等地20余座運營交通隧道，采用檢測機器人、內窺鏡等設備，對隧道襯砌排水系統(tǒng)的病害及其成因進行了調查和分析。通過分析所獲取的調研資料，得到如下結論。

(1)隧道襯砌排水系統(tǒng)的構件，按尺寸大小可以初步分為大/小尺寸兩類，按材質又可以分為混凝土和高分子兩類，與城鎮(zhèn)排水管道的尺寸與材質有明顯差異。

(2)隧道襯砌排水系統(tǒng)病害分為結構性和功能性兩類病害，其中結構性病害包括破裂、變形、腐蝕、錯口、起伏和異物穿入6種，功能性病害包括沉積、結垢、障礙物3種，各類病害的嚴重程度可劃分為三或四個等級。

(3)隧道襯砌排水系統(tǒng)病害的主要成因為建設期粗放的施工和管理方法，運營期圍巖壓力、地下水作用和維修管理不當。

當前隧道襯砌排水系統(tǒng)病害的相關研究處于起步階段，大致參照城鎮(zhèn)排水管道對病害的分類方法，對隧道襯砌排水系統(tǒng)的病害類型、嚴重程度進行劃分，但隧道襯砌排水系統(tǒng)的結構形式、構件類型和尺寸等差異及自身特點，還需增補相應的病害類型和進一步探索病害等級的劃分方式，并構建相應的評價指標體系。