影响运营隧道健康状态因素的探讨

2022-09-11

引言

随着我国今年交通事业的发展, 大量隧道被修建, 运营期隧道病害也逐渐暴露出来, 大量隧道均存在不用程度的病害, 而影响隧道运营安全的主要因素是衬砌结构出现病害, 《公路隧道养护技术规范》JTGH12-2015中隧道土建结构各分项衬砌的权重为40, 其他如洞口、洞门、路面、吊顶、检修道等权重相比较衬砌较小, 而一旦隧道衬砌出现病害将会对隧道耐久性及行驶过程中的安全性、舒适性有严重影响。

隧道衬砌病害一直以来都是隧道病害的主要形式, 也是各学者研究的重点, 在隧道衬砌病害研究方面, 国内外所做的研究较多, 如荣耀等[1]基于弹性地梁法建立了隧道衬砌裂缝间距和宽度的计算方法;孟灵鑫等[2]基于FEA分析二次衬砌厚度变化对隧道质量的影响;王华牢等[3]纵向裂缝隧道衬砌结构的安全评价与加固研究。蒲春平等[4]研究了温度应力对裂缝的影响规律。

本文对隧道衬砌病害进行了详细调查, 从原理上分析衬砌病害的影响因素以及对隧道运营安全的危害程度, 从而可以给隧道安全性评价提供了新的思路及依据。

1. 运营隧道健康状态综合评价因素

对运营隧道健康状态的综合评价就是要考虑运营隧道结构的各种损伤程度对隧道运营、通行安全、舒适性的影响程度。通过现场调查和检测可以了解运营隧道结构的损伤或破坏程度, 所以对运营隧道健康评价主要是通过隧道结构的损伤程度。

运营隧道结构病害主要有:洞口的山体及岩体、挡土墙、护坡等存在开裂、滑动等病害;洞门存在开裂、起层、剥落、沉陷、错台等;衬砌外荷载所致病害包括变形、位移、沉降和裂缝, 材料劣化所致病害包括钢筋腐蚀而导致断面减小, 强度降低, 混凝土强度降低等;衬砌渗漏水、衬砌背后不密实或是存在空腔等等。

1.1 运营隧道衬砌裂缝

隧道运营通车后, 由于围岩压力、温度变化、外部环境等因素的影响隧道结构物会产生裂缝[5];隧道裂缝按照受力一般分两种, 一种是受力裂缝, 一种是非受力裂缝。受力裂缝一般会出现在拱顶, 且为纵向裂缝。还有一种环向裂缝, 由于施工质量或者是地基基础沉降不均匀造成。非受力裂缝一般指表面裂缝[6], 是大体积混凝土由于水化热, 是内部温度急剧上升, 热量散发不出去, 内部和外部形成温度差, 产生温度应力, 表面产生裂缝。表面裂缝一般影响深度较浅, 进行抹面封闭处理即可, 受力裂缝对衬砌运营安全又一定影响, 如果处理不及时, 裂缝发展迅速很容易造成安全事故。在对隧道结构裂缝安全性进行综合评价时首先分析是否为受力裂缝。还要对裂缝的发展进行监测, 裂缝发展的快慢对隧道衬砌安全影响非常大, 如果裂缝呈快速发展趋势, 且没有趋于稳定, 一定要得到足够重视, 随着裂缝的发展, 衬砌的承载能力迅速降低, 衬砌易失稳、坍塌。所以在对衬砌安全进行评价时, 建议增加裂缝发展速度因素, 对长度、宽度、深度、发展速度四方面进行评价, 综合判断裂缝对衬砌的影响程度。

1.2 渗漏水

隧道工程地质的复杂及不确定性, 隧道穿过含水地层, 当隧道建成通车后, 破坏了原山体的水平衡系统, 山体中的水易流向隧道, 由于隧道防水、排水措施施工质量不到位或排水管出现老化、堵塞等, 山体里的水不能及时排出, 将会有水渗漏到隧道中, 发生隧道渗漏水病害, 渗漏水对隧道结构的稳定性、洞内设施、行车安全、地面建设均会带来不良的影响[8]。隧道渗漏水是隧道比较常见的也是危害很大的病害。隧道渗漏水促使混凝土风化, 强度降低, 降低衬砌承载能力。在寒冷的北方, 隧道渗漏水还会结冰, 对隧道衬砌形成挤压, 容易造成衬砌破坏。

《公路隧道养护技术规范》JTGH12-2015中对衬砌渗漏水技术状况评定标准描述为浸渗、滴漏、涌流、喷射水流四类, 因此在对隧道衬砌渗漏水综合评定时需考虑水量、位置、酸碱度、电导度、水质化学分析、渗漏水状态、冻结等因素来反映隧道渗漏水情况。

1.3 衬砌材料劣化

隧道衬砌材料劣化状况可用衬砌混凝土强度、钢材腐蚀程度、衬砌混凝土厚度、衬砌混凝土碳化深度等指标来反映。影响混凝土劣化主要有碳化、冻融、有害离子、碱集料等因素。衬砌断面强度的变化以有效衬砌厚度和设计衬砌厚度之比来表示, 衬砌材质劣化主要从功能性和行车安全角度进行评定, 还应该从钢材腐蚀角度进行评定。隧道衬砌混凝土中, 一旦保护层受到破坏, 在潮湿的环境中就会对钢材造成腐蚀;钢材的腐蚀在生成铁锈的过程中体积会增大2~4倍, 内力增大对混凝土产生内力, 引起混凝土有开裂、剥落等。铁锈的生成还造成了钢筋与混凝土之间粘结力的降低, 钢筋有效面积减小, 钢筋的抗拉抗压强度也随之降低, 从而导致衬砌结构的承载能力降低, 随着腐蚀程度的增大, 钢筋在混凝土中失去作用, 最终会导致衬砌结构的完全破坏[10]。混凝土的碳化是指混凝土中的氢氧化钙、C-S-H凝胶等与空气中的二氧化碳在一定温度下发生化学反应, 生成碳酸盐和水的现象[11]。混凝土碳化在混凝土表面生成了较高硬度的碳酸盐, 因此用回弹法检测混凝土强度的时候需要测量碳化深度根据当地的回弹曲线进行修正[12];同时也增加了混凝土的收缩, 氢氧化钙的大量流失会导致混凝土粉化。

材料劣化一般与其他病害相比, 发展比较缓慢, 只要对材料进行定期监测可以掌握材料的状态, 通过适当的手段也可控制材料劣化的速度, 因此在对隧道安全评价时将材料劣化程度的轻重作为确定权重大小的依据。

1.4 衬砌背后空洞

由于施工技术及施工工艺等原因, 公路隧道发生衬砌背后空洞病害较为常见[13,14];当在衬砌背后存在空洞时, 隧道衬砌结构容易造成应力集中, 衬砌容易开裂, 当出现空洞以后, 水更容易汇集到空洞处, 从而进入衬砌, 造成渗漏水等病害。《公路隧道养护技术规范》JTGH12-2015中对空洞可能引起的危害解释为当拱背存在30cm以上的空洞且有效衬砌厚度小于30cm时, 空腔落石就有可能砸坏衬砌结构, 尤其是曾经发生塌方的地方或节理发育、漏水严重的地方, 应给予充分注意[7];隧道出现的空洞易造成围岩中的水会汇集到空洞处, 时间久了易发生渗漏水病害, 同时造成混凝土强度降低, 耐久性变差。空洞的出现也会使衬砌受力发生变化, 造成应力集中, 衬砌容易出现裂缝, 久而久之, 在渗漏水及裂缝病害的作用下, 衬砌易发生坍塌。

因此在对衬砌安全进行评价时考虑衬砌空洞的大小、位置 (拱顶、拱腰、边墙以及隧道的洞口或者洞身等) 以及围岩等级、埋深等诸多因素。

1.5 衬砌表观病害

隧道衬砌表观病害有:裂缝、错台、剥落、蜂窝、麻面、露筋、挂冰、冰柱等。隧道衬砌起层、剥落包括:衬砌起层、剥落、剥离和鼓出等, 剥落是指混凝土碎片掉落, 骨料外露的现象;剥离是指混凝土近似圆形和椭圆形的剥落, 其与剥落的区别在于剥离是呈片状掉落, 且剥离的面积相比较剥落会比较大;鼓出发展到一定程度掉落就是剥离。

针对隧道衬砌进行评价时, 可根据起层、剥落的衬砌地段, 可用敲击法测量判断有无剥落的可能;同时考虑掉落的位置, 如果出现在侧壁上, 尚未妨碍交通, 可适当降低影响程度。当出现在拱部, 已妨碍交通, 构成威胁时, 可认定影响程度较为严重。

隧道表观病害对隧道本身结构安全影响不大, 主要是影响行车安全, 在隧道出现剥离等病害时, 由于混凝土面积较大, 会掉落到行驶的车辆上[15], 对车辆及行人造成安全事故。蜂窝、麻面现象对隧道的结构受力无影响, 主要影响隧道结构的耐久性, 所以只要对隧道衬砌面层修复即可。

所以在对隧道安全进行评价时, 主要看起层和剥落的掉落的可能性, 以及起层、剥落出现的位置;还有挂冰、冰柱等是否影响行车。

2. 结论

综上所述, 影响运营隧道健康状态的因素较多, 评价隧道健康状态应该综合考虑各因素的影响程度, 通过各因素的影响程度建立运营隧道健康状态综合评价指标体系, 通过数学统计等方法对各指标进行权重分配, 通过各指标的相应权重对运营隧道安全性进行有效评价, 建立一套综合评价体系对运营隧道的安全评价具有重大意义。

摘要：为了能更好的反映运营隧道的健康状态, 研究运营隧道健康状态的影响因素, 对衬砌开裂、渗漏水、衬砌材质劣化等方面进行分析, 得出各影响因子产生的原因及危害程度, 对评价运营隧道健康状态具有指导意义。

关键词：运营隧道,衬砌病害,影响因子