蔣雅君，劉世圭，周 睿，林利達(dá)，肖華榮

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)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(shè)速度和規(guī)模都在快速增長，截至2019年底，全國范圍內(nèi)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(fù)雜、設(shè)計施工缺陷以及運營維護(hù)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(jié)構(gòu)安全[3-4]。國內(nèi)部分學(xué)者對隧道滲漏水病害進(jìn)行了一定調(diào)查和研究，認(rèn)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(dǎo)致地下水無法順暢排放所導(dǎo)致[5-7]。

國內(nèi)已經(jīng)開始逐步重視隧道襯砌排水系統(tǒng)的維護(hù)問題，對運營隧道襯砌排水系統(tǒng)的病害及成因的調(diào)查和分析也開展了一些初步的工作：蔣雅君等[8]運用內(nèi)窺鏡等對隧道襯砌排水系統(tǒng)進(jìn)行檢查，并初步提出了相應(yīng)的評估方法；蔣雅君等[9]通過實例調(diào)研，研究了巖溶隧道結(jié)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(jié)晶的過程，分析排水管道結(jié)晶的多個影響因素，也對在建隧道的結(jié)晶原因進(jìn)行分析；郭小雄等[13]和雷林等[14]采集實際工程中結(jié)晶樣本，對結(jié)晶成分進(jìn)行檢驗分析，進(jìn)一步分析研究其結(jié)晶機理和影響因素，提出應(yīng)對措施。從國內(nèi)目前所做的工作來看，當(dāng)前主要是對隧道襯砌排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的問題較為關(guān)注，而且主要是在研究相應(yīng)的應(yīng)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(nèi)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(jié)構(gòu)形式、管道材質(zhì)等與以預(yù)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(jìn)行病害的分類和評估。

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

1 隧道襯砌排水系統(tǒng)調(diào)查工作概況

1.1 隧道襯砌排水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)件類型

根據(jù)JTG 3370.1—2018《公路隧道設(shè)計規(guī)范(第一冊 土建工程)》[16]、TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[17]、《鐵路隧道防排水設(shè)計指南》[18]中隧道排水系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，以及結(jié)合一些實際工程案例調(diào)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?qū)芤约爸醒胨疁?管)等構(gòu)件連接，在隧道初支和二次襯砌之間形成排水網(wǎng)絡(luò)空間，對地下水進(jìn)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(gòu)件類型可知，目前隧道襯砌排水系統(tǒng)常見的構(gòu)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(gòu)件類型和材質(zhì)較多，既包括大管徑的預(yù)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(yù)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(jìn)行病害調(diào)查和評估時，不能完全照搬城鎮(zhèn)排水管道的相關(guān)做法和經(jīng)驗。

表1 隧道襯砌排水系統(tǒng)構(gòu)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(shè)備

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

(1)大尺寸排水構(gòu)件：對隧道中心水溝、中心水管和側(cè)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(jìn)入排水管/溝內(nèi)，對其內(nèi)部的病害進(jìn)行全面調(diào)查，并全程記錄排水管(溝)內(nèi)的影像資料。

(2)小尺寸排水構(gòu)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(zhuǎn)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(jìn)行檢查，只能選用管道內(nèi)窺鏡(圖3(b))深入管道內(nèi)部進(jìn)行檢查，也可以對排水管道的內(nèi)部情況進(jìn)行全程攝像和拍照。

圖3 隧道襯砌排水系統(tǒng)檢查設(shè)備

1.3 隧道襯砌排水系統(tǒng)調(diào)查案例及病害概況

從2017年開始，本項目研究團(tuán)隊調(diào)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(diào)研案例地質(zhì)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(zhì)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(guān)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(shù)規(guī)程》[15]中對排水管道缺陷種類的劃分，即結(jié)構(gòu)性缺陷和功能性缺陷兩大類。為更符合隧道工程的習(xí)慣，本文將“缺陷”用“病害”來稱呼。結(jié)構(gòu)性病害是指管道結(jié)構(gòu)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(dǎo)致管道過水?dāng)嗝姘l(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(diào)研中也發(fā)現(xiàn)，由于隧道襯砌排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、排水構(gòu)件、管理維護(hù)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(diào)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(nèi)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(jié)構(gòu)性病害

根據(jù)案例調(diào)研的情況，隧道襯砌排水系統(tǒng)常見的結(jié)構(gòu)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(yù)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(gòu)件。中心水管(溝)敷設(shè)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(cè)溝的破裂則主要受到仰拱(或隧道底板基礎(chǔ))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(cè)溝也會隨之出現(xiàn)橫向開裂。按病害的嚴(yán)重程度，大致分為裂痕、裂口、破碎、坍塌4個等級。調(diào)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(gòu)件破裂病害實例

(2)小尺寸排水構(gòu)件。環(huán)向、縱向和橫向排水管敷設(shè)于初期支護(hù)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(hù)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(gòu)件多為高分子管材，因此主要的病害嚴(yán)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(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)件的結(jié)構(gòu)狀況，發(fā)生較大變形時，構(gòu)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(gòu)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(yán)重程度通?？捎勺冃温?變形率=(初始內(nèi)徑-變形后最小內(nèi)徑)÷初始內(nèi)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(nèi)壁受到地下水及其他腐蝕性物質(zhì)侵蝕，造成管道內(nèi)壁表面物質(zhì)流失，出現(xiàn)麻面或者鋼筋露出。調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，此類病害主要出現(xiàn)在混凝土材質(zhì)的排水管(溝)；塑料材質(zhì)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(rèn)為小尺寸排水構(gòu)件不存在腐蝕。

中心水管(溝)是混凝土材質(zhì)，在地下水的作用下，會發(fā)生一定程度的侵蝕，在預(yù)制混凝土管或現(xiàn)澆水結(jié)構(gòu)的裂縫位置受到地下水沖刷作用，出現(xiàn)表面物質(zhì)流失、泛白析堿等現(xiàn)象，實例如圖7所示。按病害的嚴(yán)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(yù)制管道拼接的排水管道中。

(1)大尺寸構(gòu)件。中心水管采用預(yù)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(dāng)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(gòu)件。排水系統(tǒng)中小尺寸排水構(gòu)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(yán)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(yán)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(jié)構(gòu)。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?dāng)嗝?，影響管道過水能力。如圖9所示。

(1)大尺寸構(gòu)件。中央排水管采用的是預(yù)制混凝土管節(jié)拼接形成，當(dāng)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(jié)構(gòu)，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(gòu)件剛度較大，管道起伏通常伴隨著破裂病害。

(2)小尺寸構(gòu)件。小尺寸排水構(gòu)件通常采用柔性管道，在敷設(shè)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(gòu)件剛度較小，可以適應(yīng)適度變形，因此起伏通常伴隨著變形，嚴(yán)重時將造成管道破裂。

管道起伏的嚴(yán)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(yán)重起伏(≥50%)。

2.6 異物穿入

異物穿入造成的排水管道結(jié)構(gòu)破壞是指非管道結(jié)構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)完整性被破壞，如圖10(a)所示。

(2)小尺寸構(gòu)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(jié)構(gòu)破壞，如圖10(b)所示；初期支護(hù)上的鋼筋或螺栓等異物未處理，直接敷設(shè)排水管道，造成管道被異物刺穿；運營期間因需求增加設(shè)施，未依照設(shè)計避開排水管道，從二次襯砌外打孔，插入異物，破壞管道結(jié)構(gòu)。

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(yán)重程度采用刺入異物占管道過水面積大小來確定，嚴(yán)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(diào)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(jié)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(zhì)堆積在管道底部，影響排水管道的過水能力。

(1)大尺寸構(gòu)件。地下水通常攜帶泥沙或其他雜質(zhì)，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(gòu)件。地下水?dāng)y帶細(xì)小的泥沙或者其他雜質(zhì)進(jìn)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(yán)重程度可由沉積物最大厚度所占管道內(nèi)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(yán)重沉積(>50%)。

3.2 結(jié)垢

排水管道結(jié)垢是指地下水?dāng)y帶的Ca2+、Mg2+等陽離子與CO32-、HCO3-等陰離子結(jié)合形成硬質(zhì)結(jié)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(jié)合形成結(jié)晶[19-20]，附著在管道內(nèi)壁，減小管道的過水?dāng)嗝妫鐖D12所示。

圖12 排水管道結(jié)垢

(1)大尺寸構(gòu)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(jié)晶物較易在中央排水管(溝)內(nèi)產(chǎn)生結(jié)垢的現(xiàn)象。

(2)小尺寸構(gòu)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(jié)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(jié)垢病害的嚴(yán)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(jié)垢(<15%)、中度結(jié)垢(15%～25%)、重度結(jié)垢(25%～50%)、嚴(yán)重結(jié)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(nèi)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(gòu)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(yán)，路基混凝土進(jìn)入后凝固形成的障礙物。

(2)小尺寸構(gòu)件。排水管道在敷設(shè)的過程中，遺留在管道內(nèi)部的雜物未清理干凈，或二次襯砌澆筑過程中進(jìn)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?dāng)嗝鎿p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(yán)重堵塞(>50%)。

4 結(jié)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(nèi)窺鏡等設(shè)備，對隧道襯砌排水系統(tǒng)的病害及其成因進(jìn)行了調(diào)查和分析。通過分析所獲取的調(diào)研資料，得到如下結(jié)論。

(1)隧道襯砌排水系統(tǒng)的構(gòu)件，按尺寸大小可以初步分為大/小尺寸兩類，按材質(zhì)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(zhì)有明顯差異。

(2)隧道襯砌排水系統(tǒng)病害分為結(jié)構(gòu)性和功能性兩類病害，其中結(jié)構(gòu)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(jié)垢、障礙物3種，各類病害的嚴(yán)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(shè)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(dāng)。

當(dāng)前隧道襯砌排水系統(tǒng)病害的相關(guān)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(yán)重程度進(jìn)行劃分，但隧道襯砌排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)件類型和尺寸等差異及自身特點，還需增補相應(yīng)的病害類型和進(jìn)一步探索病害等級的劃分方式，并構(gòu)建相應(yīng)的評價指標(biāo)體系。