运营期隧道灾后病害特征及整治措施分析

2021-03-31郑长青

四川建筑 2021年1期

王闯，吴林，胖涛，郑长青

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

改革开放以来，伴随经济的发展和社会的进步，我国交通运输基础事业飞速发展，交通隧道工程的规模不断增加。统计资料指出，截至2018年底，我国公路隧道17 738处共17 236.1 km，铁路隧道15 117座，总长16 331 km[1]。特别是近年来，我国建设了大量的长大隧道及隧道群，线路隧线比进一步提高。比如巴陕高速米仓山隧道长度13.8 km，雅康高速新二郎山隧道13.459 km，在建的大瑞铁路高黎贡山隧道长34.538 km，正在设计建设的川藏铁路(隧线比82.9 %)易贡隧道长度达到了42.49 km。

大量的长大隧道及隧道群，给线路运营安全带来一定的挑战，隧道运营期防灾救援工作日益受到重视。特别的，在发生地震、火灾、交通意外、地质灾害等风险事件后，隧道的可靠性将直接影响到防灾救援的及时性和高效性，并对交通运输安全性产生巨大影响[2]。鉴于此，本文在总结部分运营铁路、公路隧道灾后病害资料的基础上，对运营期隧道受灾后的病害特征及整治技术措施进行分析，以期为类似工程提供参考。

1 运营期隧道灾后病害特征分析

针对隧道运营期的灾害情况，李奎等基于统计原理分析了83例铁国内外铁路隧道运营期事故资料，指出铁路隧道运营期间主要灾害类型有火灾、列车碰撞、脱轨及衬砌剥落[3]。工程实践的经验表明，隧道具有受到自然灾害、地质灾害、突发事件和人为破坏等侵害的多重性和复杂性。本文参考文献[3]的研究成果，主要对火灾、地震、极端天气(冻害、强降水及洪水)灾害下的隧道衬砌结构病害缺陷情况及特征进行分析。

1.1 火灾病害特征分析

火灾险情是隧道工程运营期较为常见的灾害。火灾发生时，高温环境会对隧道内设备和混凝土结构产生巨大损伤。相关隧道火灾病害的调查结果表明，隧道火灾损坏主要集中在支护结构拱部及边墙，主要表现形式为衬砌严重变形、开裂、衬砌混凝土爆裂剥落、拱顶掉块、防火涂料大面积起鼓损坏等。目前，相关学者利用温度指标(火灾温度和燃烧时间)、损伤特征(衬砌表面颜色和烧伤区衬砌特征)、损伤深度、酥松深度和剥落深度来评估火灾后隧道结构的损伤程度[4]。图1为火灾后隧道衬砌的典型烧蚀情况。

图1 火灾后隧道衬砌典型病害

1.2 地震灾后病害特征分析

地震的是隧道工程运营期面临的重大威胁，2008年的汶川大地震对震区公路隧道结构造成了严重的破坏，震区56座隧道中约40 %受到地震作用破坏[5]。在地震作用下，处于高地应力区段或者穿越软弱破碎带区域的隧道初期支护和二次衬砌常发生严重损坏。隧道洞身段衬砌结构的主要震害形式为衬砌出现纵向、环向和斜向裂缝并渗水；地下水积聚；衬砌掉块、错台，衬砌边墙局部或上部拱圈整体掉落；钢筋扭曲变形甚至断裂；路面、电缆沟开裂、错台，路面仰拱沉陷或隆起；钢支撑扭曲变形、锚杆垫板脱落；隧道整体塌陷等。图2为地震后隧道衬砌的典型损坏情况。

图2 地震后隧道衬砌典型病害

1.3 极端自然条件下病害特征分析

对于运营期隧道工程，极端气候下对隧道工程影响较大的莫过于寒冷季节导致的冻害、雨季强降雨引起的水害。

1.3.1 水害

资料表明，我国约70 %的运营铁路隧道存在同程度的水害，水害程度较严重从而导致状态失格的占运营隧道总数的40 %以上[6]。调研结果表明，运营期隧道水害的主要表现形式为以渗润、滴水、流水、喷涌水现象为主的衬砌渗漏水和涌水，以及渗漏水引起的衬砌混凝土风化、腐蚀、剥落、仰拱破碎等结构破坏形式。图3为贵广铁路某隧道在持续暴雨天气影响下出现的隧道拱墙渗漏水、中心沟冒水、道床隆起开裂等灾害。

图3 强降水条件下隧道衬砌典型病害

1.3.2 冻害

隧道冻害与水害紧密相连，围岩积水或衬砌渗漏水是产生冻害的必要条件。在寒冷地区，气温变化引起的地下水冻融作用等因素常会导致隧道冻害的产生。大量调查结果表明，隧道冻害的表现形式主要有两个方面：衬砌渗漏水冻结引起的隧道冻害有拱部挂冰、边墙结冰、轨道及道床结冰、洞内网线设备挂冰等；围岩冻胀力造成的衬砌结构变形、开裂、掉块等破坏形式[7]。图4为寒区隧道常见的衬砌挂冰、衬砌冻胀开裂、隧底冒水积冰等病害。

图4 隧道衬砌冻害典型特征

2 运营期隧道灾后病害分级

受火灾、地震、水害、冻害等灾害类型和灾害程度的影响，隧道结构的病害形式是多样化的。针对如前所述的各个隧道灾后典型病害缺陷情况，根据病害特征表现形式的不同对其进行梳理分析，具体如表1所示。其中，考虑冻害中的拱部挂冰、边墙结冰等结构结冰病害与地下水的关系，将其定义为水害的一种表现形式。

表1 不同灾害隧道衬砌病害分析

综合考虑表1中的隧道各灾后病害因素，定义隧道(衬砌)结构病害指数R(如下式1)对运营期隧道病害程度及工作性能进行综合评价分析。

R=f(v1,v2,v3,v4,v5)

(1)

式中：v1,v2,v3,v4,v5分别为表中的变形、开裂、破损、背后空洞、水害5项病害特征因素。此外，JTG H12-2015《公路隧道养护技术规范》将隧道土建结构技术状况的评定标准定为无或非常轻微、轻微、中等、较严重、严重五个等级，铁运函[2004]174号《铁路运营隧道衬砌安全等级评定暂行规定》中按照衬砌状态及危及行车安全的程度划分为完好(D)、轻微(C)、较严重(B)、严重(A1)、极严重(AA)五个等级。本文参照规范要求和已有研究成果，将运营期隧道(衬砌)结构灾后病害等级分为无破坏(A)、轻微破坏(B)、中等破坏(C)、严重破坏(D)、损毁(E)五级，具体如表2所示。