公路隧道衬砌病害原因及评估研究分析

公路隧道衬砌病害原因及评估研究分析

董甲，袁远

中国建筑五局河南公司 河南 郑州 450000

摘要：公路隧道施工是社会基建一个热点问题，施工过程中常常会受到各种因素的影响，在运营期暴露出问题较多，由此产生的病害给通行质量和行车安全带来严重挑战。特别是公路隧道衬砌结构类病害，不仅缩短了隧道的使用年限，还为交通运营带来了巨大隐患。为探讨公路隧道衬砌病害的处置方法，以三门峡沿黄公路为工程背景对公路隧道衬砌病害原因进行研究分析，结合实际工作经验，提出公路隧道现役状态评估方法，为隧道研究后续发展提供借鉴与参考。

关键词：公路隧道；衬砌；病害治理；行车安全；评估

0 引言

目前，我国交通运输工程数量不断增长，为社会经济发展带来重大作用，其中，公路隧道的数量与里程我国排名世界第一[1]。然而，我国国土广阔，经纬度跨越较大，各地施工都会受到当地的气候环境的影响。因此，公路隧道采取统一技术标准施工并运营一段时间后，往往会出现各种各样的病害，最常见的病害表现为衬砌问题与渗漏水[2-5]，如不对既有病害进行及时整治，不但会影响到隧道正常的使用状态与寿命，还会危及到正常的交通运营安全。

本文以三门峡沿黄公路项目为工程背景，根据公路隧道衬砌结构的监测结果，结合实际地质情况和施工工艺，对公路隧道衬砌病害原因进行研究分析，提出公路隧道现役状态评估方法，为类似条件下隧道衬砌病害的治理提供参考。

1 工程概况

本工程道路设计速度30km/h，2车道，路基宽8米，长度为2.1km，隧道净空宽9.0m、高5.0m，一般轮廓拱部半径4.9m，曲墙半径为7.5m，净空面积为67.3m2。隧道衬砌厚度为50cm，采用C30混凝土。隧道全段围岩等级为V级，围岩的裂隙较发育，层间结合较差，施工时主要采用导洞或台阶分步开挖，二次复合支护相结合的方法。该隧道是沿黄生态廊道重要组成部分，且多经自然灾害易发地段，施工难度较大，因此做好公路隧道衬砌病害原因分析及时评估预测具有重要意义。

2 公路隧道常见衬砌病害分析

在隧道运营期间往往衬砌出现的病害较多，根据《公路隧道养护技术规范》（JTGH12-2015）公

[作者简介]第一作者：董甲，男，1985年出生，工程师。

路隧道病害主要有外荷载作用、漏水以及材料劣化三种原因造成的。为了进一步分类，下面从衬砌渗漏导致的水害、衬砌厚度不足、衬砌空洞、衬砌开裂四种状况分别展开论述。

2.1 衬砌水害

衬砌水害往往与隧道的防水施工工艺以及排水系统密切相关。根据渗漏水压力、流量等因素将隧道衬砌水害的状态分为喷射、涌流、滴漏和浸透四种情况。隧道渗透水将导致隧道内有大量水渍痕迹，长期处于这种状态下会导致衬砌劣化侧墙开裂掉块等情况发生，严重危害隧道安全。在一些严寒地区，特别是冻融交替的地方，隧道漏水会导致冻胀作用破坏加剧，衬砌开裂，长期处于这种环境下会导致隧道基底软化承载力不足，隧道底部隆起，下沉变形等状况发生。

2.2 衬砌厚度不足

公路隧道衬砌厚度不足是常见的隧道病害之一。衬砌厚度不足直接导致衬砌结构承载力降低，增大断面不均匀变形，可能引起衬砌断裂和隧道塌方等灾难性后果。对于衬砌厚度不足，分为衬砌整体厚度不足和衬砌部分厚度不足两种状况，均与施工质量挂钩。在隧道建设过程中，施工队伍水平参差不齐，或受到实际施工条件的影响未完全按图纸施工，都是导致公路隧道衬砌厚度不足的重要原因。此外，在施工时隧道衬砌的厚度还取决于开挖面的尺寸，受到实际地形的影响，在隧道开挖过程中，隧道衬砌厚度已能大致确定下来，现浇混凝土对于衬砌厚度的调整性是不大的。因此，开挖队伍未按标准开挖，出现了欠挖的情况，是导致衬砌厚度不足的重要因素。

2.3 衬砌空洞

衬砌空洞的现象也十分常见。公路隧道二次衬砌时，现浇混凝土需从下往上浇筑，受到重力的影响，混凝土内部会产生较多空隙，最后导致完工后产生内部空洞的现象。在现浇混凝土时，如混凝土流动性不足，防水层封口不当，混凝土泵送角度不合理等，都会造成衬砌空洞现象的产生。另一方面，隧道周围的水文地质条件也会对该病害造成一定影响，如该处水流冲击大且土质疏松，衬砌空洞的几率会大大提升。

2.4 衬砌开裂

衬砌开裂分为环向开裂、纵向开裂与斜向开裂，开裂的方向不同与隧道衬砌受力方式息息相关。通常肉眼可见的裂缝范围以0.05mm为界，一般要求裂缝宽度大于0.05mm时就需要进行加固和修补。其中，环向开裂出现几率较大。混凝土浇筑后隧道局部湿度差异以及振捣不充分或养护不当是隧道产生环向开裂的重要原因。对于混凝土来说抗拉能力非常弱，这也导致内部一旦出现拉应力就会出现开裂。纵向开裂一般存在于隧道拱顶或边墙，其危害较大，产生原因主要来源于隧道基础不均匀沉降，从而使混凝土内部产生较大应力作用，此外，温度应力与土的侧压力作用也是隧道产生纵向应力的主要原因。

3 诊断指标权重

对于公路隧道病害来说，每个病害指标都包含着多个特征指标，而各个特征指标对于隧道病害的影响程度不同，所以，需根据对病害影响的程度与本身的特性给予其不同权重。在确定权重时，需全面的考虑各方面因素，包括测得数据资料、现场实际情况等，在检测过程中，结构中某一病害若未及时整治会产生更严重的病害时，需对其病害指标进行重点调查检测，同时，对该类病害特征指标给与较大权重。

病害权重指标可用主观法与客观法来确定。主观法即根据人为的经验、研究，基于主观上的结果；客观法往往来源于数据。

3.1. 主观法

主观法主要分为专家咨询法和层次分析法两种方式，具体如下：

（1）专家咨询法。针对于公路隧道病害特征，向相关领域专家进行咨询，通过查阅其学术文献与当面调查咨询，将其考虑因素综合考虑纳入各指标权重。

（2）层次分析法。国内于19世纪末开始使用层次分析法，该方法利用数学领域的方法技术将定性问题转化为定量问题，目前各学科数学统计中，已有该方法的学习与使用。

3.2 客观法

客观法主要分为人工神经网络法和主成分分析法两种，主要如下：

（1）人工神经网络法。利用计算机人工神经软件，能通过复杂的系统问题，最终确定出与理想结果相符的定性或定量的权重。该方法计算值与现场实际较接近，但需输入大量病害特征数据，略繁琐。

（2）主成分分析法。该方法以实际测量数据为基础，通过数据分析检测结果的关联性，是现代统计学算法中的一种，不过该方法着重偏于数据相关性处理上，对于实际工程中力学性能方面考虑较少。

4 结语

隧道工程是公路施工中的重要组成环节，其运营状态直接影响着交通运营安全。公路隧道衬砌病害产生的原因来源于各方面，因此，现场工作人员需收集多个隧道工程资料并对现场进行检测总结，找到隧道衬砌病害最主要的引导因素。另一方面，对于隧道衬砌既有病害的检查与评估也十分重要，文中提到的诊断指标权重为公路隧道衬砌评估体系的建立提供了一个处理方式，而对于病害产生的各关键因素，还应进行后续的研究分析，望能为后续研究与工作的开展提供参考价值。

参考文献：

[1]蒋树屏.中国公路隧道数据统计［J］．隧道建设，2017，37(5):643-644．

[2]吴铭芳.高速公路隧道常见渗漏水病害及治理方案研究[J].珠江水运，2016（24）：66–67.

[3]王志杰，徐海岩，周平，等.高速公路隧道衬砌结构病害整治技术研究［J］.铁道标准设计，2017，61(10): 125-132．

[4]范红叶.高速公路隧道衬砌开裂的整治［J］. 装饰装修天地，2016(14): 159．

[5]佘建，何川，汪波，等.衬砌背后空洞对隧道结构承载力影响的模型试验研究［J］．公路交通科技，2008，25（1）104-110。