蒋雅君，刘世圭，周 睿，林利达，肖华荣

(1.西南交通大学土木工程学院，成都 610031；2.成都扬华源动新材料科技有限公司，成都 610213)

引言

近年来我国隧道的建设速度和规模都在快速增长，截至2019年底，全国范围内投入运营的铁路隧道里程为18 042 km，公路隧道里程为18 967 km[1-2]。由于隧道所处环境复杂、设计施工缺陷以及运营维护不到位等原因，运营隧道中有近70%发生渗漏水现象，影响隧道行车安全以及结构安全[3-4]。国内部分学者对隧道渗漏水病害进行了一定调查和研究，认为隧道发生渗漏水的原因，很大程度上是由于隧道衬砌排水系统出现了各种不同程度的病害，导致地下水无法顺畅排放所导致[5-7]。

国内已经开始逐步重视隧道衬砌排水系统的维护问题，对运营隧道衬砌排水系统的病害及成因的调查和分析也开展了一些初步的工作：蒋雅君等[8]运用内窥镜等对隧道衬砌排水系统进行检查，并初步提出了相应的评估方法；蒋雅君等[9]通过实例调研，研究了岩溶隧道结晶堵塞的原因；叶飞等[10-12]通过自研的试验平台探究了隧道排水系统渗流结晶的过程，分析排水管道结晶的多个影响因素，也对在建隧道的结晶原因进行分析；郭小雄等[13]和雷林等[14]采集实际工程中结晶样本，对结晶成分进行检验分析，进一步分析研究其结晶机理和影响因素，提出应对措施。从国内目前所做的工作来看，当前主要是对隧道衬砌排水系统结晶堵塞的问题较为关注，而且主要是在研究相应的应对措施上，尚未系统性开展隧道衬砌排水系统病害的检查和评估工作。相比之下，国内市政工程行业对城镇排水管道的病害检查开展较早，也提出了较为全面的病害分类和评估方法[15]。但是隧道衬砌排水系统的结构形式、管道材质等与以预制混凝土管道为主的城镇排水管道存在明显区别，因此不能照搬市政工程的经验对隧道衬砌排水系统进行病害的分类和评估。

基于以上的研究现状，通过对国内多座公路、铁路隧道的衬砌排水系统开展病害调研工作，对隧道衬砌排水系统常见病害进行总结和分析，希望为后续建立隧道衬砌排水系统技术状况评价体系和对隧道排水系统的维护工作提供一定参考。

1 隧道衬砌排水系统调查工作概况

1.1 隧道衬砌排水系统结构形式及构件类型

根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范(第一册 土建工程)》[16]、TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》[17]、《铁路隧道防排水设计指南》[18]中隧道排水系统设计的相关内容，以及结合一些实际工程案例调研可知：我国铁路、公路隧道常见的衬砌排水系统主要由环向排水盲管、纵向排水盲管、横向导水管以及中央水沟(管)等构件连接，在隧道初支和二次衬砌之间形成排水网络空间，对地下水进行有组织的排放。示例如图1、图2所示。

图1 铁路隧道衬砌排水系统示例(双线)

图2 公路隧道衬砌排水系统示例(双车道)

综合我国铁路、公路隧道的衬砌排水系统形式与构件类型可知，目前隧道衬砌排水系统常见的构件类型及参数如表1所示。由表1可知，隧道衬砌排水系统的构件类型和材质较多，既包括大管径的预制混凝土管道，也包括小管径的高分子管道，与城镇排水系统所通常采用的大管径预制混凝土管道有较大的区别。因此，在对隧道衬砌排水系统进行病害调查和评估时，不能完全照搬城镇排水管道的相关做法和经验。

表1 隧道衬砌排水系统构件类型与常见参数

1.2 隧道衬砌排水系统病害检查方法及设备

根据表1所示的隧道衬砌排水系统构件的尺寸，可以将隧道衬砌排水系统构件分为大尺寸(中心水沟/水管、侧沟)、小尺寸(环向、纵向、横向排水管)两种类型。在进行病害调查时，针对不同类型的排水系统构件应选用不同的检查设备和方法。

(1)大尺寸排水构件：对隧道中心水沟、中心水管和侧沟，由于尺寸相对较大，可以参照城镇排水管道的电视检测方法，采用管道检测机器人(图3(a))进入排水管/沟内，对其内部的病害进行全面调查，并全程记录排水管(沟)内的影像资料。

(2)小尺寸排水构件：对环向、纵向、横向排水管，由于管径通常只有100 mm甚至更小，且管道还存在转弯等不易通过的局部位置，因此无法采用管道检测机器人进行检查，只能选用管道内窥镜(图3(b))深入管道内部进行检查，也可以对排水管道的内部情况进行全程摄像和拍照。

图3 隧道衬砌排水系统检查设备

1.3 隧道衬砌排水系统调查案例及病害概况

从2017年开始，本项目研究团队调研了20余座铁路、公路隧道，分别位于广西、贵州、云南、重庆、四川等西部省市，也包括陕西、甘肃等部分西北省市。调研案例地质岩性较为多样，既包括灰岩、砂岩等岩石地层，也包括黄土等土质地层，但总体上都是地下水较为发育，因此受到隧道渗漏水等病害问题的困扰较多，对隧道运营期间衬砌排水系统的功能完好性比较关注。

通过所搜集的案例资料，可以发现隧道衬砌排水系统的病害总体上符合CJJ 181—2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》[15]中对排水管道缺陷种类的划分，即结构性缺陷和功能性缺陷两大类。为更符合隧道工程的习惯，本文将“缺陷”用“病害”来称呼。结构性病害是指管道结构本体遭受损伤，影响强度、刚度和使用寿命的病害；功能性病害是指导致管道过水断面发生变化，影响畅通性能的病害。在城镇排水管道中，将以上两大类病害又分别划分了不同的类型和等级，具体见表2。

表2 城镇排水管道病害类型

在实际的调研中也发现，由于隧道衬砌排水系统的结构形式、排水构件、管理维护等方面与城镇排水管道有一定区别，在病害的具体表现形式上也有差异，尤其是需要区分混凝土排水管/沟和高分子排水管道在病害上的不同体现形式。通过初步的梳理，本文所调研得到的隧道衬砌排水系统的常见病害类型如表3所示(具体见本文后续部分的内容)。

表3 隧道衬砌排水系统病害类型

2 隧道衬砌排水系统常见结构性病害

根据案例调研的情况，隧道衬砌排水系统常见的结构性病害主要包括破裂、变形、腐蚀、错口、起伏、脱节、异物穿入等类型。

2.1 破裂

排水管(沟)破裂是指管道受到外力的挤压，超出管道材料自身的承受能力，发生开裂或者破损。隧道衬砌排水系统中的排水盲管、预制混凝土管和混凝土水沟都会发生此类病害。

(1)大尺寸排水构件。中心水管(沟)敷设在路面以下，在运营期间受车辆碾压以及仰拱变形作用，中央水管(沟)受到挤压，发生纵向、横向或斜向的破裂病害；侧沟的破裂则主要受到仰拱(或隧道底板基础)抬升或沉降等影响较大，在衬砌发生不均匀的竖向变形部位处侧沟也会随之出现横向开裂。按病害的严重程度，大致分为裂痕、裂口、破碎、坍塌4个等级。调研中所收集的混凝土水管(沟)破裂病害实例见图4。

图4 大尺寸排水构件破裂病害实例

(2)小尺寸排水构件。环向、纵向和横向排水管敷设于初期支护与二次衬砌之间，发生破裂病害时，通常表现为围岩或初期支护中尖锐物体刺破、二次衬砌浇筑时的挤压或运营期间围岩变形压力使排水管道发生开裂，如图5所示。由于小尺寸排水构件多为高分子管材，因此主要的病害严重程度可以分为裂痕、开裂、破碎几种情况。

图5 小尺寸排水构件破裂病害实例

2.2 变形

排水管(沟)变形是指管(沟)受到外力挤压作用，发生形状变异。管(沟)形状被改变，不仅影响排水管道的过水能力，还破坏管道的结构完整性。此类病害主要发生在高分子类排水管道中，而混凝土管(沟)发生变形病害时，一般微小变形不影响排水构件的结构状况，发生较大变形时，构件通常会发生开裂，成为破裂病害。因此，则不讨论大尺寸排水构件的变形病害。

环向、横向、纵向排水管道多采用波纹管或弹簧透水管，受到衬砌浇筑压力和围岩变形的挤压作用，则管道随之发生变形(实例见图6)。管道变形的严重程度通常可由变形率(变形率=(初始内径-变形后最小内径)÷初始内径×100%)来表示，分为<5%，5%～15%，15%～25%和>25%四个等级。

图6 排水管道变形病害实例

2.3 腐蚀

排水管道腐蚀是指管道内壁受到地下水及其他腐蚀性物质侵蚀，造成管道内壁表面物质流失，出现麻面或者钢筋露出。调研中发现，此类病害主要出现在混凝土材质的排水管(沟)；塑料材质的排水管道由于其耐腐蚀性能好，未发现明显的腐蚀病害，故认为小尺寸排水构件不存在腐蚀。

中心水管(沟)是混凝土材质，在地下水的作用下，会发生一定程度的侵蚀，在预制混凝土管或现浇水结构的裂缝位置受到地下水冲刷作用，出现表面物质流失、泛白析碱等现象，实例如图7所示。按病害的严重程度，大致分为轻度腐蚀(轻微剥落，泛白析碱)、中度腐蚀(表面剥落，骨料露出)和重度腐蚀(粗骨料，钢筋完全显露)3个等级。

图7 中心水管腐蚀(轻度腐蚀)

2.4 错口

排水管错口是指管道连接位置出现了偏差，邻近管道显现月牙状或半月形。此类病害主要出现在采用预制管道拼接的排水管道中。

(1)大尺寸构件。中心水管采用预制混凝土管道逐节拼接形成一个整体，但管节之间接口相对强度较差，当中央排水管纵向出现较大高差或施工不规范，极易出现脱节现象，如图8(a)所示。

(2)小尺寸构件。排水系统中小尺寸排水构件的错口病害通常出现在管道接头位置，在外部压力作用下容易松动脱落，造成错口，如图8(b)所示。

图8 排水管道错口

管道错口的严重程度通常采用管道之间错口偏差与管壁厚度之间的比值来衡量，可以分为轻度错口(<1/2)、中度错口(1/2～1)、重度错口(1～2)、严重错口(>2)4个等级。

2.5 起伏

排水管道起伏是指管道纵向方向上出现坡率与整体坡率不符，迫使管道变形或开裂等，破坏管道结构。此外，管道起伏中的沉降位置出现洼水现象，凸起部分则缩小了管道的过水断面，影响管道过水能力。如图9所示。

(1)大尺寸构件。中央排水管采用的是预制混凝土管节拼接形成，当存在管道基底凸起或脱空，则会造成中央水管的起伏；中央水沟采用现浇混凝土结构，在基底处理、支模和浇筑过程不规范，出现凸起或洼地，形成起伏。通常大尺寸构件刚度较大，管道起伏通常伴随着破裂病害。

(2)小尺寸构件。小尺寸排水构件通常采用柔性管道，在敷设管道时，沿管道的方向上基底处理不平顺造成管道起伏。通常小尺寸排水构件刚度较小，可以适应适度变形，因此起伏通常伴随着变形，严重时将造成管道破裂。

管道起伏的严重程度采用管道起伏高度与管径的比值来确定，按照比值的大小可大致分为4个等级，即，轻微起伏(≤20%)、中度起伏(20%～35%)、重度起伏(35%～50%)、严重起伏(≥50%)。

2.6 异物穿入

异物穿入造成的排水管道结构破坏是指非管道结构侵入管道，破坏管道完整性。侵入管道的异物包括非管道系统的物体和不合理接入的管道。

(1)大尺寸构件。中央排水管(沟)因隧道后续施工或者运营维修，使得管道(水沟)被钢管或其他尖锐异物直接刺穿，结构完整性被破坏，如图10(a)所示。

(2)小尺寸构件。排水系统中柔性管连接时接头处理不规范，直接刺入管道连接，造成结构破坏，如图10(b)所示；初期支护上的钢筋或螺栓等异物未处理，直接敷设排水管道，造成管道被异物刺穿；运营期间因需求增加设施，未依照设计避开排水管道，从二次衬砌外打孔，插入异物，破坏管道结构。

图10 中央排水管、纵向排水管异物刺入

排水管道异物刺入的严重程度采用刺入异物占管道过水面积大小来确定，严重程度可以分为三级，轻度破坏(0～10%)、中度破坏(20%～30%)、重度破坏(>30%)。

3 隧道衬砌排水系统常见功能性病害

根据案例调研的情况，隧道衬砌排水系统常见的功能性病害主要包括沉积、结垢、障碍物等类型。

3.1 沉积

排水管道中沉积是指地下水中的杂质堆积在管道底部，影响排水管道的过水能力。

(1)大尺寸构件。地下水通常携带泥沙或其他杂质，在排水坡度较小的区段或者少水的季节，容易在中心水沟/管的底部发生沉积，堵塞管道(水沟)。

(2)小尺寸构件。地下水携带细小的泥沙或者其他杂质进入排水管道，在水流速慢、排水坡度小的位置沉淀并逐步堆积，造成管道堵塞，图11为纵向、横向排水盲管中泥沙沉积的情况。

图11 排水管道沉积

排水管道中沉积的严重程度可由沉积物最大厚度所占管道内径大小来确定，可以分为四级：轻度沉积(20%～30%)、中度沉积(30%～40%)、重度沉积(40%～50%)、严重沉积(>50%)。

3.2 结垢

排水管道结垢是指地下水携带的Ca2+、Mg2+等阳离子与CO32-、HCO3-等阴离子结合形成硬质结垢；或地下水流经喷射混凝土，将混凝土中游离的Ca2+带出，与地下水中的CO32-、HCO3-结合形成结晶[19-20]，附着在管道内壁，减小管道的过水断面，如图12所示。

图12 排水管道结垢

(1)大尺寸构件。中央排水管(沟)尺寸较大，是汇集隧道衬砌排水系统中渗水的主要排放通道，因此水中的结晶物较易在中央排水管(沟)内产生结垢的现象。

(2)小尺寸构件。隧道衬砌排水系统中环向、横向、纵向排水管道中的结垢先从管道的底部开始，并主要堆积在管道的出水口部位，逐步堵塞出水口。

排水管道结垢病害的严重程度通常采用截面损失率的大小来衡量，可分为四级：轻度结垢(<15%)、中度结垢(15%～25%)、重度结垢(25%～50%)、严重结垢(>50%)。

3.3 障碍物

障碍物主要是因施工或运营期间，遗留在排水系统内部的各类杂物或建筑垃圾，阻碍水流通过，影响过水能力。如图13所示。

图13 排水管道障碍物堵塞

(1)大尺寸构件。排水管(沟)在施工过程中，未清理遗留的建筑垃圾，或管道(水沟)封闭不严，路基混凝土进入后凝固形成的障碍物。

(2)小尺寸构件。排水管道在敷设的过程中，遗留在管道内部的杂物未清理干净，或二次衬砌浇筑过程中进入排水管道的水泥浆固化后形成的障碍物。

排水管道中障碍物的影响程度采用过水断面损失率来衡量，可以分为四级：轻度堵塞(<15%)、中度堵塞(15%～25%)、重度堵塞(25%～50%)、严重堵塞(>50%)。

4 结语

依托四川、广西等地20余座运营交通隧道，采用检测机器人、内窥镜等设备，对隧道衬砌排水系统的病害及其成因进行了调查和分析。通过分析所获取的调研资料，得到如下结论。

(1)隧道衬砌排水系统的构件，按尺寸大小可以初步分为大/小尺寸两类，按材质又可以分为混凝土和高分子两类，与城镇排水管道的尺寸与材质有明显差异。

(2)隧道衬砌排水系统病害分为结构性和功能性两类病害，其中结构性病害包括破裂、变形、腐蚀、错口、起伏和异物穿入6种，功能性病害包括沉积、结垢、障碍物3种，各类病害的严重程度可划分为三或四个等级。

(3)隧道衬砌排水系统病害的主要成因为建设期粗放的施工和管理方法，运营期围岩压力、地下水作用和维修管理不当。

当前隧道衬砌排水系统病害的相关研究处于起步阶段，大致参照城镇排水管道对病害的分类方法，对隧道衬砌排水系统的病害类型、严重程度进行划分，但隧道衬砌排水系统的结构形式、构件类型和尺寸等差异及自身特点，还需增补相应的病害类型和进一步探索病害等级的划分方式，并构建相应的评价指标体系。