摘要：在我国铁路隧道修建已有近100年的历史，许多隧道都已经进入高维修管理阶段，隧道的病害防治已越来越成为人们重视的问题，随着生产力的发展，越来越多的新技术被运用在隧道病害防治上。

关键词：隧道，隧道病害防治，新技术，衬砌

1 、前言

近年来随着我国公路建设的快速发展，由8.5万公里构成的“7918”高速公路网即将形成，有关部门正在规划和完善国家高速公路网络，以满足人们出行和经济发展的需求。由于高速公路线形的技术指标高，当其进入山区或重丘区时，就不可避免地需要采用隧道来穿越山岭。隧道是铁路、道路、水渠、各种管道等遇到岩、土、水体障碍时开凿的穿过山体或水底的内部通道，是“生命线”工程。据来自于各方面的统计资料表明，到2005年年底，我国即已建成铁路隧道7500座，总延长4300公里，将在“十一五”（2006~2010年）发展期间为我国的经济建设与发展起到积极的推动作用。但是，我国地域自然条件差异较大，隧道穿越的山体工程地质条件、气候条件、水文地质和设计、施工、运营的条件复杂多变，早期修建的隧道经常各方面的病害，形成重大的安全隐患。文献《黄土岭隧道病害成因分析及处治设计》（作者：金文良，公路隧道，2011）指出二十一世纪“我国将从土建大国变成修缮大国”，在我国铁路隧道修建已有近100年的历史，许多隧道都已经进入高维修管理阶段，维修管理费用将大幅度增长。本文以铁路隧道、公路隧道和地铁隧道为对象，对隧道中主要出现水害、冻害、衬砌裂损和腐蚀四种病害的防治进行综述。

2 、主题

2.1 隧道的水害及其防治 

2.1.1隧道水害的类型及其成因 

    1、类型

    (1)按部位和流量：拱部有渗水、滴水、漏水成线和成股射流四种，边墙有渗水、淌水两种，少数隧道有隧道涌水病害。它受漏水、涌水规模以及隧道结构、牵引类型、地质条件等的影响。

(2)按水源补给情况，又分为地下水补给和地表水补给两种。

文献《隧道漏水与水害整治》（作者：开永旺，哈尔滨铁道科技，2002）认为根据漏水处水量和水压的大小，隧道漏水的状况大致可为如下几种：①渗润：衬砌表面呈湿润状态，并象冒汗一样出现水珠。②滴水：拱部漏水成为水滴，不断下滴。③流水：漏水呈明显水流从裂隙中流出或拱部滴水成线。④喷（涌）水：水从衬砌裂隙中喷出。

2、成因

修建隧道，破坏了山体原始的水系统平衡，隧道成为所穿过山体附近地下水集聚的通道。当隧道围岩与含水地层连通，而衬砌的防水及排水设施、方法不完善时，就必然要发生隧道水害。也可归结为客观和主观两种因素： (1)隧道穿过含水的地层(2)隧道衬砌防水及排水设施不完善。文献《新奥法隧道施工中的衬砌与水害治理》（作者：徐煜亮，SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION，2008）认为发生衬砌水害除水文地质等环境因素影响外,主要原因: 一是衬砌施工时忽视质量,砼级配差,浇注捣固不实,造成砼蜂窝、麻面、空洞;二是砼水灰比过大,衬砌后隧道表面看上去还算光洁完整,实际上内部不密实,形成了泌水管路;三是对施工缝、伸缩缝、沉降缝未加处理或处理不当产生漏水缝隙;四是由于地基不均匀沉陷、衬砌砼干缩和温度收缩产生的内应力所造成的裂缝而导致漏水。所以消灭水害隐患的根本还是隧道衬砌的渗漏预防与整治。

2.1.2隧道水害的防治

    隧道防水要“防患于未然”，首先从设计做起，要在水文地质调查的基础上，从工程规划、结构设计、材料选择、施工工艺等方面进行合理设计。防水设计应考虑地表水、地下水、毛细管水等的作用，以及由于人为因素引起的附近水文地质改变的影响。防水设计要遵循隧道防水原则，定级准确、方案可靠、施工简便、经济合理。

文献《运营铁路隧道水害整治》（作者：万德友，铁道建筑，2000）[4]提出了很多行之有效的方法。归纳起来就是:截、堵、排相结合,因地制宜,综合整治。其常用的基本方法是：一、加强地表及地下水的疏排。(1)对地表水丰富的浅埋隧道,当地表沟谷坑洼积水、渗水对隧道有影响时,用疏导积水、填平沟谷、砌沟排水等措施,使洞顶地表形成良好的排水系统,不使洞顶的地表水流入或渗入隧道。洞口仰坡设截水沟和排水沟,并保持良好状态。(2)对地下水丰富,隧道内无排水沟或排水沟深度不足而导致隧底积水的,应增设水沟,将单侧沟改为双侧沟,加深侧沟或采取设置密井暗管加深水沟等措施。(3)增设或疏通平行导洞。当长大隧道,仅靠隧道内排水沟不能将流入隧道的地表水及地下水排出时,往往引起水漫道床,中断行车。如贵昆线梅花山隧道、果纳隧道,京原线平行关隧道这种情况都曾多次发生,这时一般都采用增设或疏通平行导洞的方法。(4)增设防寒泄水洞是整治寒冷地区隧道水害的有效方法。寒冷地区的隧道,衬砌后的地下水渗漏到隧道中,冻结成冰,悬挂在拱部成冰溜,贴附在边墙成冰柱,积聚在道床上成冰丘,都可能侵限危及行车安全,而且由于结冰冻胀,导致衬砌裂损、脱落。为消除其病害增设了泄水洞,泄水洞设在最大冻结线以下,以竖向排水沟与衬砌背后相连,并在泄水洞边墙及洞顶向围岩打潜水孔,以利疏排围岩中的裂隙水。二、注浆堵水。 (1)向衬砌背后围岩或回填层注浆。一般使用普通水泥净浆或砂浆。 (2)向衬砌内部注浆。衬砌内部空洞、裂纹与围岩裂隙及回填层相比要小得多,一般采用超细水泥。(3)向基底注浆。一般在行车间隔内进行,要求注浆材料必须具有快凝、早强、高强、微膨胀的性能,而且耐久性好。三、增设内防水层。新建隧道衬砌防水一般采用防水混凝土或外贴式防水层。由于认为灌注防水混凝土不易达到要求而较少采用,因此绝大部分隧道防水采用外贴式防水层。然而运营隧道发生水害,增设外贴式防水层几乎不可能,因此通常增设内防水层。内防水层虽然不能阻止水流进入衬砌内,但可阻止水流进入隧道内，且内防水层是比较经济可行的。[5]

2.2隧道衬砌裂损及其防治

衬彻裂损变形的主要危害：

(1)降低衬砌结构对围岩的承载能力；(2)使隧道净空变小，侵人建筑限界，影响车辆安全通过；(3)拱部衬砌掉块，影响行车和人身安全；(4)裂缝漏水，造成洞内设施锈蚀，道床翻浆，严寒和寒冷地区产生冻害；(5)铺底和仰拱破损，基床翻浆、线路变形、危及行车安全，被迫降低车辆运行速度，大量增加养护维修工作量；(6)在运营条件下对裂损衬砌进行大修整治，施工与运输互相干扰，费用增大。

2.2.1、隧道衬砌开裂的类型

（1）纵向裂缝： 纵向裂缝平行于隧道轴线，其危害性最大，发展可引起隧道掉拱、边墙断裂甚至整个隧道塌方。   

（2）环向裂缝：主要由纵向不均匀荷载、围岩地质变化、沉降缝等处理不当所引起，多发生在洞口或不良地质地带与完整岩石地层的交接处口

（3）斜向裂缝：一般和隧道纵轴呈45°左右，也常因混凝土衬砌的环向应力和纵向受力组合而成的拉应力造成的，其危害性仅次于纵向裂缝。

2.2.2衬砌开裂的原因分析

文献《隧道衬砌裂缝产生原因及防治办法》（作者：王 新、严立虎，China New Technologies and Products，2010）[6]认为混凝土裂缝形成的原因非常复杂，往往是多种不利因素综合作用的结果。据有关统计，施工不规范造成的混凝土裂缝占80%左右，材料质量差或配合比不合理产生的裂缝占15%左右，设计不当引起的裂缝可能占5%。一是设计粗糙，建设、监理单位工作随意性大由于多方面的原因，勘察设计单位无法深入地开展地质勘探工作，隧道围岩类别评价及支护结构设计缺乏科学依据，带有一定的盲目性。二是施工工艺或现场操作不规范

隧道开挖成型差，衬砌混凝土厚度严重不均匀，欠挖或初期支护侵入衬砌限界，造成衬砌混凝土厚度不足；未开展监控量测工作，仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间，安全可靠性差，造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。混凝土生产时原材料计量误差大，尤其外加剂的掺加随意性大，没有根据砂、石料的实际含水率及时调整施工用水量，造成混凝土水灰比增大；在混凝土运输及泵送过程中加水的现象也比较普遍。三是原材料质量差、配合比设计不合理水泥品种选择不当，安定性不良，不同批次的水泥混用。碎石、砂级配差，含泥量超标，碎石中石粉含量大，针、片状物过多，影响了水泥与骨料的胶结。进行配合比设计时，忽视水泥用量增多对混凝土品质的影响，错误认为水泥用量越多，混凝土强度越高。对掺合料和外加剂的选用缺乏专业技术人员的指导，往往达不到预期的效果。文献《双连拱公路隧道裂缝成因及防治措施》（作者：王建秀、朱合华、唐益群、魏沅东，岩石力学与工程学报，2005）[7]认为对于双连拱隧道而言，按成因主要有大体积混凝土浇注产生的温度裂缝、地基不均匀沉降裂缝、施工诱发不均匀沉降裂缝、(偏压)荷载裂缝和不合理施工工序诱发的裂缝等。

2.2.3衬砌开裂的预防和整治

文献《隧道衬砌裂缝产生的原因分析及预防措施》（作者：董亮亮，建筑与工程，2011）[8]认为改进爆破工艺，控制炸药量，以减少开挖爆破时炸药对围岩的扰动，降低外部应力对衬砌混凝土的影响；必须保证初期支护的平顺度及衬砌混凝土的结构层厚度；衬砌混凝土每模长度不宜超过 9m，以减少砼内部的收缩应力；衬砌混凝土宜采用较大的骨灰比，降低水灰比并通过全面细致的试验，保证砼外加剂的使用安全；保证拆模时最后浇筑的衬砌混凝土强度至少达到 2.5MPa， 同时减少拆模时对砼的挠动；及时对衬砌混凝土进行洒水养护，并采取必要措施严格控制砼温度的急剧变化，要求砼拆模时的内外温差不得大于 200C，养护期内砼表面温度的变化速度不宜大于 50C/h；认真贯彻新奥法施工要求，进行及时、详细的施工量测，以量测的数据及时修正设计并指导施工。加强施工管理，保证工程质量。 在洞室开挖管理、混凝土质量管理、量测控制管理、施工工序等方面加强管理，杜绝塌方事故的发生，以严格的管理制度保证工程质量。

2.3隧道衬砌腐蚀及其防治 

建在富含腐蚀性介质的公路隧道, 其衬砌背后的腐蚀性环境水, 容易沿衬砌的工作缝、变形缝、毛细孔, 及其它孔洞渗流到衬砌内侧, 成为隧道渗漏水对衬砌混凝土和砌石、灰缝产生物理性或化学性的侵蚀作用, 造成衬砌侵蚀。这些将严重影响隧道的正常运营安全。

文献《隧道衬砌腐蚀的原因探讨与防治措施》（作者：陈桂萍、 王万德，辽宁建材，2007）[9]提出隧道衬砌腐蚀分为物理性侵蚀和化学性腐蚀两类。隧道衬砌腐蚀的主要影响因素有：衬砌污工的质量和水泥的品种，渗流到衬砌内部的环境水含侵蚀性介质的种类和浓度，环境的温度和湿度等自然条件。

2.3.1隧道衬砌腐蚀的防治措施

文献《浅谈铁路隧道的腐蚀及其防治》（作者：唐国荣，中国建筑防水材料，1995）[10]针对隧道腐蚀产生的原因和条件，提出以下几个主要的防治措施：一是提高混凝土的密实性和整体性。这是提高握凝土林侵博性能最主要的，也是最重要的措施。混凝土内部结构均匀密实，外界侵蚀性水就不易渗入混凝土内部，从而阻止了环境水的侵蚀速度。二是外掺加料法。由于腐蚀主要是由于混凝土中游离的ca(oH):等引起的。可以采取降低混凝土中ca(0H):浓度的措施来达到抗侵蚀的目的。三是选用耐侵蚀水泥。这是目前铁路隧道防腐蚀使用较广的方法。因抗侵蚀水泥中铝酸三钙(C3A)含量较低，而起到了抗侵蚀的作用.目前常用的水泥有抗硫酸盐水泥、高抗硫酸盐水泥、低碱高抗硫酸盐水泥、矾土水泥、石膏矿渣水泥等。四是加强衬砌外排水措施。将侵蚀性环境排离隧道周围.减少侵蚀性地下水与衬砌的接触。目前.在地下水丰富地区，用泄水导洞法将地下水引至导洞内，减少地下水对主体隧道的影响。五是使用密实的与混凝土不起化学作用的材料，在衬砌外表面做隔离防水层.国内常用的材料有PE片材、Pvc片材。六是采用与侵蚀性环境水不起化学反应的天然石料砌筑衬砌.这种方法适用地质条件较好的隧道七是向衬砌背后压注防蚀浆液。这种方法一般适用于隧道。目前，常用材料有阳离子乳化沥青、沥青水泥浆液等沥青类的乳液，高抗硫酸盐、低碱高抗硫酸盐水泥、抗硫酸盐水泥类浆液。八是在衬砌表面涂抹防水防蚀涂料，常用的有阳离子乳化沥青胶乳涂料，偏氯乙烯共聚涂料，近几年又使用了焦油聚氨醋涂料，RG防水涂料等等。[11]

2.4隧道冻害及其防治

隧道冻害是寒冷地区和严寒池区的隧道内水流和围岩积水冻结，引起隧道拱部挂冰、边墙结冰、洞内网线设备挂冰、围岩冻胀、衬砌胀裂、隧底冰椎、水沟冰塞、线路冻起等，影响到安全运营和建筑物的正常使用的各种病害。寒冷地区指最冷月平均气温为-5℃～-15℃地区。严寒地区指最冷月平均气温低于-15℃地区。

2.4.1隧道冻害的成因

 文献《隧道冻害等级的划分》（作者：罗彦斌、陈建勋、王梦恕，北京工业大学学报，2010）[12]根据工程实践证明，围岩发生冻害是需要条件的，首先环境温度需在0℃以下，而且低温的时间要足够长；二是要有水的存在，围岩中需要有足够的含水量；三是围岩性质必须能允许冻胀发生，例如岩层和粗粒土一般是不会冻胀的；四是基础资料不准确，设计和施工中对防冻问题没有考虑或考虑不周全,治水措施不当，施工不规范，防排水材料及混凝土施工质量存在缺陷，导致冻害发生。

分析以上4个冻害发生的条件，温度和水是必要条件，可以说所有的冻害现象都与这2个因素相关.围岩性质和施工措施是冻害发生的充要条件。当围岩性质具有冻胀特性时会发生冻胀破坏，当施工措施不当时会恶化冻害情况，但衬砌挂冰、路面结冰、出水口冻结等冻害现象显然不是由围岩的冻胀性和施工措施不当引起的。由此可见，温度和水是隧道冻害发生的必要条件，可以说是缺一不可的。

2.4.2隧道冻害的防治

文献《寒区隧道冻害防治研究进展》（作者：王 飞 、伍毅敏，桥隧工程，2012）[13]通过梳理以往寒区隧道冻害防治的基础理论与工程措施，提出供热防冻是解 决寒区隧道冻害问题的根本方法，根据上述理论，国内外曾采用的具体工程措施如下：（1）加强注浆堵水——在施工过程中，从地表或洞内向围岩内压注浆液充填围岩裂隙，封堵渗水通道，在隧道周围形成隔水保护圈，防止地下水流向隧道，由此减轻隧道防水、防冻压力。（2）加强支护衬砌排水——在围岩表面和初期支护中设置足够密度的半圆排水管，在初期支护与防水层之间设置足够密度的环向排水盲管或三维排水板，在衬砌施工缝处使用可排水止水带，调整排水管路的坡度和连接可靠度，全面提高排水系统的可靠性和排水效率，从而减轻隧道防水、防冻压力。（3）设置防寒泄水洞—— 对于严寒地区的富水隧道，在隧道正下方开凿防寒泄水洞，隧道和泄水洞通过竖向和斜向的钻孔连接，全面降低隧道周边地下水的高度，疏排地下水，从而减轻 隧道防水、防冻压力。（4）全断面设置衬砌隔热保温层——在隧道衬砌表面或二次衬砌与初期支护之间铺设泡沫等隔热保温材料，使隧道衬砌温度不降至零度以下，防止隧道冻害发生。（5）拱脚局部设置岩棉保温层——根据隧道拱脚温度低于拱圈这一特点，在隧道衬砌拱脚设置岩棉保温层，使隧道拱脚温度高于拱圈，便于疏排渗水，改善防水、防冻效果。（6）设置出水口——出水口处于隧道排水系统最下游，并暴露于外界空气中，如不采取措施，往往最早被冻结。因此，寒区隧道出水口应设置在迎风、向阳的位置，表层涂黑或用保温材料覆盖，防止或出水口的冻结，使隧道内液体水能及时排出。（7）设置保温排水沟——为防止隧道排水沟冻结，在排水沟上覆盖隔热保温层，防止排水沟过早冻结，导致上部排水不畅。（8）设置深埋中心水沟——对于冻深不大的季冻区隧道，可以将中心水沟埋置于冻结深度以下，利用地温使水沟内水流不冻结。（9）设置防寒保温门——在夜间交通量不大时，可在隧道两端设置防寒保温门，夜间无车辆通行时，将洞门关闭以保持隧道洞内温度，防止冻结现象发生。（10）全面供热防冻——全面供热防冻是指通过热水或蒸汽，向隧道内供热，使洞内衬砌温度不低于冻结温度。此方法早期应用于城市或靠近城市的短隧道，要求具有供热条件、隧道规模小。

3、总结

铁路隧道、公路隧道和地铁隧道这些交通隧道通入运营后，一旦出现病害，整治成本高、难度大，施工与运营互相干扰。文献《寒区老旧隧道病害特征及治理方法研究》（作者：袁超、李树忱、李术才、李文婷，岩石力学与工程学报，2011）[14]特别指出隧道病害的出现并不是单一存在的，可能几种病害相互作用，在治理时要分清主次，有的放矢。因此，隧道病害重在预防，提高工程地质、水文地质勘测水平和质量，根据隧道实际条件采用先进可靠的预防病害的设计，这是做好隧道病害防治的基础和关键。随着人的认识水平的提高，病害防治观念和原则会进一步深化、完善，通过修订的技术规范、规则，最终反映在隧道病害预防的设计上。[15]所以，加强隧道病害防治理论研究非常重要。我国已成为拥有隧道数量和长度最多的国家，同时也是隧道病害最严重的国家之一，隧道病害防治的工作任重而道远。

4、参考文献

[1] 金文良. 黄土岭隧道病害成因分析及处治设计[J]. 公路隧道,2011,1:32-33.

[2] 开永旺. 隧道漏水与水害整治[J]. 哈尔滨铁道科技,2003,2:7-8.

[3] 徐煜亮. 新奥法隧道施工中的衬砌与水害治理[J]. SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION,2008,14:58.

[4] 万德友. 运营铁路隧道水害整治[J]. 铁道建筑,2000,12:13-14.

[5] COVEY J, ROBINSON A, JONES-LEE M, et al. Responsibility, scale and the valuation of rail safety[J]. Journal of Risk and Uncertainty, 2009, (s1): 1166－11.

[6] 王 新、严立虎. 隧道衬砌裂缝产生原因及防治办法[J]. China New Technologies and Products,2010,12:92.

[7] 王建秀、朱合华、唐益群、魏沅东. 双连拱公路隧道裂缝成因及防治措施[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(2):196-197.

[8] 董亮亮. 隧道衬砌裂缝产生的原因分析及预防措施[J]. 建筑与工程,2011,1:725-726.

[9] 陈桂萍、 王万德. 隧道衬砌腐蚀的原因探讨与防治措施[J]. 辽宁建材,2007,5:44-45.

[10] 唐国荣. 浅谈铁路隧道的腐蚀及其防治[J]. 中国建筑防水材料,1995,4:39-41.

[11] ASAKURA T，KOJIMA Y. Tunnel maintenance in Japan[J]. Tunnelling

and Underground Space Technology，2003，18(2/3)：161–169.

[12] 罗彦斌、陈建勋、王梦恕. 隧道冻害等级的划分[J]. 北京工业大学学报,2010,36(4):458-459.

[13] 王 飞 、伍毅敏. 寒区隧道冻害防治研究进展[J]. 桥隧工程,2012,12:258-259.

[14] 袁超、李树忱、李术才、李文婷. 寒区老旧隧道病害特征及治理方法研究[J]. 岩石力学与工程学报,2011,30(1):3360-3361.

[15]KARAKUS M. App raising the methods accounting for 3D tunneling effects in 2D plane strain FE analysis[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2007 (21): 47－56.下载本文