隧道病害研究现状与进展

第3卷 第5期 地下空间与工程学报V o.l3 2007年10月 Chinese Journal o fU nderground Space and Eng i neering O ct.2007

隧道病害研究现状与进展*

刘海京1,2,夏才初1,朱合华1,罗鑫1

(1.同济大学土木学院地下建筑与工程系,上海 200092;

2.重庆交通科研设计研究院,重庆 400067)

摘 要:根据国内外隧道病害研究现状,笔者对隧道病害研究方法和特点进行了分析与综述,结合隧道健康诊断与维修加固需要,指出了目前研究中存在的问题,在此基础上,提出了病害研究的总体思路。

关键词:隧道病害;隧道健康诊断;隧道维修与加固

中图分类号:U457+.2 文献标识码:A 文章编号:1673 0836(2007)05 0947 07

Studies on Tunnel D a m age

LI U H a i-ji n g1,2,X I A C ai chu1,Z HU H e hua1,L UO X i n g1

(1.G eotechnical D e par t m ent,T ongji Universit y,Shanghai200092;

2.Chongq i ng C o mm unica tion and D esign Instit u te,Chongqing400067,China)

Abstract:Based on prev ious research on tunne l da m ages,the m ethods and proble m s o f t unne l da m age i nspec ti on,eva l uati on,d i agnos i s,m aintenance,repa ir and rei n f o rcem ent are analyzed and d iscussed,a t last s uggesti ons are proposed for f uture research.

K eyword s:t unne l da m ages;tunne l da m age eva l uati on;t unnel repa ir and rei n f o rcem ent

1 前言

国内外调查研究表明[1~3],相当比例的隧道衬砌结构存在裂损、变形、掉块和渗漏水等病害现象,病害的存在会影响交通质量,威胁到隧道内行车的安全,缩短公路隧道的维护周期和使用寿命。资料显示[4],铁路隧道多次发生因隧道衬砌裂损、剥落、掉块而导致列车破损和脱轨等事件,其中最著名的是1999年年6月27日福冈县境内一座隧道边墙上重达200kg的混凝土块砸在高速行驶的列车上,日本西铁路公司曾为此对山阳新干线和铁路隧道进行了大量的病害检查和病害的加固工作。

隧道病害影响行车安全,造成安全事故,亟需科学、有效的分析与研究方法,分析评估病害产生对衬砌结构安全和使用性能造成的影响,为病害治理方法与对策提供依据。目前隧道病害出现后,工程师只能结合隧道病害的表观特征和隧道所在地区的地质、气候、水文等信息,根据经验判断病害成因,并制定相应的加固方案和措施。经验表明,隧道病害处治缺乏系统和科学的隧道病害研究理论、方法与程序,不可避免会导致不合理甚至错误的病害治理方案和措施,造成不必要的浪费或灾害,所以有必要展开系统、全面的隧道病害研究。

2 隧道病害研究现状

隧道发生病害,如同人生病,只有 对症下药

才能祛病强身。与医学的研究方法类似,隧道病害的研究也包括 望闻问切、 对症下药等不同的阶段、方法和程序,只有遵循科学、合理的隧道病害研究方法与原则,找到隧道病害的 病根,评估

*收稿日期:2007 03 28(修改稿)

作者简介:刘海京(1977 )男,河北行唐人,博士生,主要从事隧道健康诊断研究。E m a i:l psjjyy@https://www.360docs.net/doc/6211865262.html, 基金项目:西部交通建设科技资助项目(2003-318-490-18)

病情,方可 对症下药,达到 祛病强身的效果。隧道病害研究的历史比较短,是崭新的研究方向,目前主要的研究方向主要包括以下的五个方面,下面简要进行综述与分析。

2.1 隧道病害检查与量测的研究

准确的病害信息是病害成因分析、安全性能分析以及病害健康诊断的可靠性的保证,如同中医里 望闻问切,隧道病害研究需要借助不同检查和测量仪器与方法,检测不同类型病害表观形态、出现位置、发展趋势等基本信息。隧道病害检查与量测的研究主要包括两个方面的研究内容,一方面是总体隧道病害综合检测的项目、程序与制度的研究,另一方面是具体病害检测方法与检测技术的研究,譬如利用地质雷达、声波、C T等技术对具体某一或某几种病害的检测研究与应用。

隧道病害最早出现在铁路隧道中,铁路工务部门很早就展开了隧道病害检查方法与量测技术的研究,高鹤江、刘修炜、铁道部工务局[5,6]较系统介绍了隧道限界检查、衬砌变形、衬砌裂缝、衬砌混凝土强度、隧道漏水、洞内有害气体、隧道冻害等病害基本检测方法。公路隧道养护规范[7]规定了公路隧道病害的日常检查、定期检查、特别检查、专项检查的程序与方法。关宝树对[4]日本铁路隧道和公路隧道对不同类型病害的检查方法、检查项目、检查步骤进行了介绍。代高飞、郑立煌[8,9]对目前隧道常见病害调查的项目、方法做了较详细的介绍与说明。文献[10~13]分析了利用隧道病害整体调查与检测方法,介绍了数码相机、地质雷达、超声波、电磁辐射、声发射等检测仪器的基本原理、使用方法以及在衬砌厚度、表面病害、混凝土强度等各种病害检测中的应用。

隧道病害检查与量测的研究还包括具体某单一类型病害的检测方法与技术的研究。文献[14]详细介绍了无损和局部破损方法检测混凝土强度等力学参数的方法与程序。杨正华[15]等分析了地震波法在隧道病害诊断中的应用。周立功、张正国、杨惠林[16~18]等介绍了地质雷达技术的基本原理,以及该技术在隧道衬砌厚度、衬砌裂缝以及衬砌后空洞等病害检测中的应用。文献[19~21]开展了地质雷达在衬砌混凝土、钢筋、孔洞等方面的测量技术的研究。肖宽怀[22~24]等介绍了地震CT 技术、高密度电法在研究隧道周围围岩地质、水文信息的应用,提供了丰富的地层信息,为深入进行病害分析和处理措施提供了依据。2.2 病害成因分析分析

隧道病害研究中,只有明确隧道病害主要成因,才能采取有效的的病害处治方法与对策,所以病害成因分析历来是隧道病害研究的重点内容。

关宝树[4]根据病害成因将病害分为外力引起病害、材料劣化病害、其他病害三大类,并根据形成机理将每类病害细分为若干小类,并对每小类病害的病害特征、形成机理、病害具体形态等进行了详细的定性说明。代高飞、郑立煌[8,9]对目前隧道常见病害调查的病害成因、特征都做了详细的综述与说明。佘健,何川[25]等根据关宝树文献,将隧道病害分成了竖直荷载、塑性荷载、偏压坡面蠕动三类,并将该三类病害分成了四个等级,并提出了不同等级的病害处治措施,并利用有限元方法对竖直荷载的治理方法进行了验证。黄镇南[26]通过对隧道的选址、地质条件所致病害以及隧道遗留病害的成因分析,提出病害的预防和整治措施。杜世回[27]通过从软质岩石成分、力学性质、变形特征、地下水作用等方面分析了软岩地层的地质特征,推测了软岩区域隧道可能的病害成因、病害类型和病害特征。公路隧道养护技术规范[7]将病害成因划分为松弛土压、偏压、地层滑坡、膨胀性土压、承载力不足、静水压、冻胀力、材质劣化、渗漏水、衬砌背面空隙、衬砌厚度不足、无仰拱等12大类。

2.3 隧道病害分类与等级

除了 对症下药,还应当视病情下药,即所谓 重症下猛药。已知隧道病害的表观特征和病害基本成因时,还应该进一步判断病害的对于衬砌结构承载能力和使用性能的影响程度,即所谓的病害健康诊断方法,这是隧道病害研究的重要内容。只有准确的分析隧道病害成因和隧道病害等级,才能评判病害对结构健康状态的影响程度,为进一步采取维修治理措施奠定基础。

日本铁路隧道[4]利用健全度将铁路隧道和公路隧道的安全等级分为4个等级,并按照隧道总体检查和个别检查方法,对地压、劣化、渗漏水、剥落、开裂错动等病害制定了健全度判定基准。姜松湖等[28]开发了铁路隧道病害诊断专家系统(Tunnel Default D i a gnosis,简称TDD),该系统可根据病害特征推定隧道病害成因,判断病害健全度,并利用层次分析法和模糊数学建立了健全度量化判断模型。黄波[29]等将隧道病害分为结构类、防排水类、其他类三类,并将结构类病害进一步划分为衬砌变形、衬砌裂损、衬砌强度降低三个子类,其他类病害

948地下空间与工程学报 第3卷

即隧道照明、通风、限界等附属设施等病害类型,然后利用专家调查的方法,给出了各类病害的权重,按照模糊数学的方法对隧道病害运营状态进行了判别。我国铁道部[30]1998实施的《桥隧建筑物劣化评定标准》将隧道病害分为隧道衬砌裂损、衬砌结构渗漏水、衬砌劣化等3大类病害,并将铁路隧道病害分为A、B、C、D四级,同时给出了不同类型病害劣化标准和等级评定方法。我国公路隧道养护规范[7]规定了公路隧道土建结构的病害日常检查、定期检查、特别检查、专项检查的程序与方法。其中专项调查方法仿照日本公路隧道,将病害分为外力、材料劣化、渗漏水病害3大类,并给出了隧道衬砌变形速度、裂缝长度与宽度以及发展速率、起层和剥落、衬砌断面强度降低、钢材腐蚀、隧道渗漏水等6小类病害的分级方法与判定标准。

2.4 隧道病害结构安全性评估的研究

已知病害检测结果时,需要对结构的安全情况进行验算,荷载结构方法由于其最简便、直接等特点,也得到了初步的应用。文献[12,18,31]通过对具体隧道衬砌裂损、渗漏水、衬砌强度、厚度、变形、孔洞等病害检测,根据荷载结构方法对结构的承载状态进行了简单安全性的计算。王勇[32]利用ANSYS 对隧道的开挖和支护过程,计算了二维状态下不同厚度的衬砌的承受的荷载,并计算了结构的安全性。刘永华[33]利用荷载结构方法和实际隧道衬砌统计参数,分析计算了隧道衬砌拱顶孔洞,衬砌厚度不足,裂缝存在时结构的可靠度,宋瑞刚、贾志清[34,35]利用地层结构方法分析了衬砌背后孔洞对于结构安全性的影响。刘庭金[36]利用对隧道衬砌压力进行监测,根据监测到的衬砌压力,利用荷载结构方法对衬砌结构计算,并利用小偏心钢筋混凝土截面的强度验算公式对衬砌进行了断面强度验算。

2.5 隧道病害加固治理对策及工程治理实例

实际运营的铁路隧道与公路隧道,已有多起隧道病害引发的安全事故,国内外开展了病害治理的室内模型试验研究与工程治理实例。刘啟琛[33]根据碧鸡关隧道等工程实例及模型试验,介绍了锚喷法加固衬砌裂损的机理、施工工艺、施工设备与机械和研究成果,认为锚喷方法能够有效的提高裂损衬砌结构的承载能力。铁道部工务局[6]根据铁路隧道病害基本特征,对渗漏水、衬砌腐蚀、衬砌裂损、隧道冻害、洞门损坏等七类病害的防治对策和施工方法进行了较为详细的说明。关宝树[4]结合国内和日本隧道病害加固试验与工程实例,根据病害成因,对地压变异、衬砌劣化与剥落、渗漏水与冻害三大类病害的基本病害特征进行了分析,介绍了补强钢拱架、补强锚杆、内衬补纤维板、护板、架设金属网、喷射内衬、开裂压注、注浆等多种治理对策与方法,以及各类补强治理方法的使用原则、适用范围和应注意的问题。兰宇、佘健等[34,35]针对II ~I V类围岩,建立了拱顶衬砌厚度不足、拱顶孔洞等病害的隧道病害试验模型,并利用压注石膏、插入铝丝、铝皮等方式模拟背后孔洞的注浆、锚杆补强、内表面铁钢板、碳纤维板等补强措施,按照分级的方法分析了补强的效果。

室内隧道病害模型试验成本高,能够模拟工况较少,难以得出普遍规律,所以相关研究成果也相对较少。实际隧道工程中隧道病害逐步增多,已开展了许多隧道病害治理的工程实例。文献[36~41]介绍了国内多条隧道病害的治理工程实例,还有较多类似实例,限于篇幅这里不足列出。此外,隧道病害治理施工过程中,施工方法与隧道建设施工可能会有较大的差别,对于某些病害,使用传统施工方法、工艺、材料治理效果不好或无法治理,需要根据具体病害治理要求,适当的改进、革新施工方法和工艺,采用新材料、新设备。文献[42,43,38]介绍了不同病害治理工程中应用到新材料的性能与特点,以及隧道病害治理过程中抽换技术、套衬补强与嵌补等新工艺与工法,同时分析了新技术、新材料、新设备使用过程中的施工组织与管理方法。

3 隧道病害研究中存在的问题

隧道病害相关研究已经初步开展,并取得了许多有益的研究成果与经验。但由于隧道病害研究处于初级阶段,研究方法、程序等各方面都不太成熟,部分方法和认识可能存在缺陷与不足,很多方面的问题需要进一步查明研究和商榷。根据作者观点,隧道病害研究中尚存在以下问题需要进一步研究。

(1)隧道病害检测技术、方法、程序与制度的研究。深入的病害研究,离不开准确、有效的病害检测技术与方法,也离不开详细、严格的病害检测程序与制度,所以首先需要进一步发展隧道病害检测技术、仪器、方法、程序,以准确、详细测量隧道病害特征。隧道属于地下工程,具有半隐蔽性,病害检测仪器受到地下水、单面测量等不利因素的影

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2007年第5期 刘海京,等:隧道病害研究现状与进展

响,检测精度不高,所以应结合隧道病害检测基本特征,发展新的病害检测仪器,或进一步提高现有仪器的检测精度,规范病害检测方法与程序,为病害成因分析、健康诊断奠定基础。此外,隧道围岩与衬砌相互作用情况比较复杂,衬砌围岩压力是决定结构安全性的决定性因素之一,但是难以通过相关的试验测得,亦需展开相关研究。

(2)隧道病害成因研究。隧道病害表观特征与病害成因具有紧密联系,且研究者已经根据实际的经验总结了若干病害现象与成因之间关系,并取得了宝贵的经验,但是由于隧道病害成因复杂,具有多样性和不确定性,尚需要根据病害现场分析结果或利用模型试验,进一步研究病害成因的基本规律。此外,还应结合目前实际病害检测结果和模型试验的结果,建立病害数据库与专家系统,进一步查明病害成因与病害现象之间关系,并展开病害成因与病害线性的模式化研究。(3)病害分类方法与分级方法、分级标准的研究。病害分类与分级方法、分级标准是隧道健康诊断的基础,目前已经根据工程中的有关资料开展了相关的研究,提出了不同的分类方法,并针对多类病害提出病害分级方法和标准,且得到了广泛的应用,例如隧道养护规范中提出了变形、材质劣化、裂缝、渗漏水等多种病害的分级方法与标准。但是,目前的分级方法和标准发展尚不够完善,多种病害尚无法利用现有的方法加以有效的描述与表征,譬如,钢筋腐蚀、衬砌剥落剥离等病害分级方法需要进一步研究。

(4)病害健康诊断方法的研究。隧道病害健康诊断方法在日本开展较早,国内铁路隧道部门也有相关研究,但多数研究是利用层次分析法和模糊数学方法进行的,是基于经验的方法。实际上,隧道健康诊断中一般应包含两个主要内容,一是隧道结构安全性能的诊断与研究,另外一个方面是隧道使用性能的诊断与研究,其中前者是后者的前提和基础,但是目前病害健康诊断大多缺乏隧道结构安全性分析与研究,所以病害健康诊断应综合结构安全性和使用性能两个方面的研究结果,然后通过病害分级方法,进行结构健康诊断。

(5)隧道安全性分析和计算模型的研究。前文提出了隧道病害安全性分析与研究的必要性,病害的安全性研究应根据病害的几何与物理、力学性质,从病害的作用机理入手,建立隧道病害力学模型,在此基础上分析病害对于衬砌结构承载特征,

并进一步计算病害对于隧道结构安全性能的影响。

值得注意的是,并非所有病害都与结构的安全性能相关,所以应该根据病害安全分析需要,重新对病害进行分类与量化,以进行结构安全性分析。此外,病害安全性力学分析方法属于量化的方法,所以病害量化的参数应该能够准确标示病害特征,为建立力学模型奠定基础。

(6)隧道维修加固技术研究。为了研究结构性病害力学机理,以及病害对于衬砌承载影响,并为病害维修加固提供依据,目前国内外已经针对具体病害开展了若干病害模型试验研究和病害补强试验,也取得了卓有成效的结果。但是,目前隧道病害维修与补强技术研究相对比较独立,缺乏与病害检测、分类量化、健康诊断等相关研究的联系,且病害方法、技术、材料等具体措施尚需进一步更新与改进,补强效果的评价也缺乏相关的研究。

图1 隧道病害研究思路

F i g .1 Sketch o f approach for t unnel da m ag e stud ies

综合上述分析,可以看出病害检测、病害成因分析、病害分级与量化、病害安全分析、病害健康诊断、病害补强与加固等各个方面都是隧道病害研究的重要内容,各方面内容之间紧密关联,所以应加强各个研究方向的联系,相互促进。此外,总体上看隧道病害研究思路尚不够清晰,基于前文的综述,笔

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地下空间与工程学报 第3卷

者提出如图1所示的隧道病害研究总体思路。

4 结语

按照隧道病害研究内容,本文对目前隧道病害研究基本方法进行了综述,针对其中存在的问题加以简要的分析与探讨,并从病害研究总体上考虑,提出了病害研究思路。开展隧道病害研究,应按照科学合理的思路,以理性、量化的方法评估病害对于结构承载能力、承载状态的影响,正确的判断隧道病害的健康状况,以采取及时有效的维修加固措施,延缓隧道病害的发展,延长隧道使用寿命,减少隧道病害安全事故发生。

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