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@ 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

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