曹彥國

(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學院，天津 300240)

交通隧道養(yǎng)護中研發(fā)和推廣新技術(shù)、新材料的思考

曹彥國

(天津鐵道職業(yè)技術(shù)學院，天津 300240)

目前國內(nèi)交通隧道中有相當數(shù)量的隧道已經(jīng)運營30余年，新建隧道也逐漸出現(xiàn)不同程度的病害，而隧道病害狀態(tài)的檢測及維修管理技術(shù)的研發(fā)遠遠滿足不了需要。文中對國內(nèi)外運營交通隧道病害檢測及水害、襯砌裂縫的治理新技術(shù)的研發(fā)和應用情況進行分析對比，建議我國相關(guān)部門加大投入、制定規(guī)范，積極研發(fā)和推廣使用新技術(shù)，真正提高隧道運營質(zhì)量。

隧道；狀態(tài)檢測；襯砌裂縫；新技術(shù)；新材料

2013年11月初在中央電視臺熱播的微紀實系列片《美國城市設施大調(diào)查》引起我國工程界人人士的強烈反響，日本也早就有人提出了“2020年警鐘”和“日本將從建設大國變成修繕大國”的預言。據(jù)2010年統(tǒng)計，我國建成的鐵路隧道總長度已經(jīng)超過7000km，預計到2020年前，將建設5000座鐵路隧道，長度超過9000km；公路隧道7384座，計5122.6km，且以每年300km的速度增長；目前有20多個城市在建地下鐵道。十二五末全國城市軌道交通運營里程將達到3000km。一方面隧道的數(shù)量在急劇上升，部分隧道已經(jīng)出現(xiàn)不同程度的病害，其中的高速鐵路和高速公路留給隧道病害檢測和維修的“天窗時間”極其有限。另一方面有相當數(shù)量的老隧道已經(jīng)到了其使用壽命的中后期，可謂“人到中年”，再加上設計、施工存在的缺陷以及維修養(yǎng)護不及時不徹底，這些老隧道成為病害多發(fā)而且嚴重，給交通安全帶來許多隱患。究其原因主要是對“預防為主、早期發(fā)現(xiàn)、及時治理、對癥下藥”貫徹得不好，尤其是早期發(fā)現(xiàn)的環(huán)節(jié)上技術(shù)手段嚴重落后，治理技術(shù)也是土辦法多，新材料、新工藝、新設備研發(fā)和使用都相對于施工技術(shù)水平落后很多，因此建議鐵路和公路運營管理部門加大投入、積極研發(fā)、大力推廣隧道病害檢測及治理的新技術(shù)。

1 運營隧道狀態(tài)檢測新技術(shù)

1.1 運營隧道襯砌裂縫狀態(tài)檢測新技術(shù)

日本經(jīng)過長期研究，相繼開發(fā)了激光、紅外線及CCD相機進行襯砌表面攝影的襯砌裂縫檢測技術(shù)，為隧道襯砌裂縫檢測提供了及時、高效、信息化的手段。2012年3月26日，中央電視臺新聞頻道播報了日本的隧道裂縫檢查車，快速便捷且能檢測到0.2mm寬的襯砌裂縫，并且直接通過計算機可繪制隧道襯砌檢查結(jié)果三維圖。(如圖1、圖2)。

圖1 日本隧道裂縫檢測車在隧道中快速行駛中進行檢測工作的電視截圖

圖2 日本隧道裂縫檢測車檢測結(jié)果繪制的三維襯砌圖及病害情況分析圖電視截圖

同樣歐洲各國也在開展這方面的研發(fā)工作，例如應用探地雷達技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)檢查隧道襯砌裂縫。瑞士的AMBERG公司研制了GPRs 5000檢測系統(tǒng)，法國HIGH公司研制了ATLAS 70檢測系統(tǒng)，德國SPACETEC公司研制了TS檢測系統(tǒng)。

圖3為國外研發(fā)的激光掃描隧道襯砌檢測儀原理圖，激光器以極高的速度旋轉(zhuǎn)對隧道襯砌進行掃描并測量襯砌表面反射，通過獲得的高分辨率圖像來評價襯砌裂縫、剝落和其他可視的的異?，F(xiàn)象。圖4則顯示的是利用激光進行隧道襯砌掃描并利用熱成像技術(shù)拍攝襯砌表面的裂縫及紅外圖，通過溫度梯度判定襯砌表面的滲水沁濕、襯砌內(nèi)部及背后的空腔及其中的地下水情況。

圖3 隧道激光掃描檢測工作原理

圖4 歐洲開發(fā)的紅外線熱成像隧道襯砌檢測系統(tǒng)1.配備照明設備和保護驅(qū)動的掃描頭；2.電子控制面板；3.動力柜；4.從隧道拱頂開始的檢測掃描輪廓線；5.襯砌表面記錄單元；6.檢測方向；7.供電線路；8.可視表面的反射線；9.發(fā)出的照射(熱成像)；10.對已記錄單元區(qū)域照射；11.檢測車行進方向

目前國內(nèi)進行道襯砌裂縫自動檢測性能影響因素模型試驗和實際應用研究結(jié)果顯示，檢測車的行駛速度不超過5km/h時，圖像較為清晰且無明顯的幾何變形，最大的行駛速度不超過10km/h，還沒有此項技術(shù)研發(fā)成果應用的報導。

1.2 襯砌背后密實狀態(tài)及地下水等狀態(tài)檢測新技術(shù)

日本佐藤工業(yè)開發(fā)的隧道襯砌自動敲擊聲檢查裝置如圖5所示。一次可檢測30m2的范圍隧道襯砌，并能自動判斷襯砌病害。另外一種通過脈沖錘和加速度傳感器裝置組成的檢測系統(tǒng)可檢測出襯砌厚度、襯砌混凝土強度以及襯砌背后的空洞。另外日本還研制出了地質(zhì)雷達檢測車，如圖6所示：

圖5 自動敲擊襯砌檢測車照片

圖6 探地雷達檢測車工作原理圖(日本)

在我國也有例如日照市信德隧道檢測工程有限公司在開發(fā)一系列隧道檢測設備，但是科技含量和自動化程度較低(圖7)，對比就可發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)在此方面的研發(fā)投入嚴重不足，其工作質(zhì)量和效率就可想而知了。

1.3 隧道凈空限界狀態(tài)檢測新技術(shù)

奧地利、法國等都在較高精度的鐵路隧道凈空檢測車方面進行了大量的研發(fā)，主要是利用激光脈沖的發(fā)射與反射之間的時間間隔來進行檢測量測。日前國外采用激光技術(shù)及計算機圖像處理技術(shù)、智能機器人技術(shù)等開發(fā)的地鐵限界檢測車正常檢測車運行速度可以達到120km/h的時速。

我國鐵路部門曾經(jīng)在2012年左右以鐵道部科技計劃項目開展了隧道限界檢測車動態(tài)標定裝置的研究。目前還僅僅停留在對工作原理的研究分析，論述了隧道限界檢測車進行動態(tài)標定的原理、方法和過程及提出了基于數(shù)字圖像采集和處理的隧道限界檢測車動態(tài)標定方案。李儒英等進行的研究試驗裝置在南京地鐵接觸網(wǎng)參數(shù)檢測車上對1號線進行了現(xiàn)場檢測試驗，檢測效果得到真實驗證。北京交通大學研發(fā)了采用了德國SICK公司的脈沖式激光測距儀L M S 200作為斷面測量設備和高速運動物體瞬時姿態(tài)精確測量技術(shù)的地鐵隧道限界檢測系統(tǒng)經(jīng)在北京地鐵5號線的進行了限界檢測試驗等相關(guān)實地檢測，號稱其檢測時的設備隨車運行速度可以達到300 km/ h的高速。其測量裝置包括無源和有源兩部分設備.無源部分由結(jié)構(gòu)簡單的反射鏡構(gòu)成，以一定間隔固定于軌道旁，如每個車站可安裝一個；有源部分由激光器、幕布、攝像機和圖像處理設備等組成，車載安裝。另外的類似技術(shù)也有報道，但是目前技術(shù)可能還不成熟，離廣泛推廣應用還有一定的距離。

1.4 隧道內(nèi)移動式火災檢測及消防新技術(shù)

日本在公路隧道中應用了懸掛移動式消防車。如圖8所示，消防車懸掛于隧道頂部的專用軌道上，移動速度最大可達60km/h。消防車由行走機構(gòu)、檢測判斷系統(tǒng)、滅火系統(tǒng)組成，靈活機動，能及時撲滅早期火災。

圖7 日照市信德隧道檢測工程有限公司網(wǎng)站提供的探地雷達隧道檢測工作照片

圖8 日本懸掛移動式公路隧道消防車示意圖

我國也在研制懸掛式智能消防機器人方面取得一定進展，目前成都慧拓自動控制技術(shù)有限公司已經(jīng)有新產(chǎn)品出售，它本身還配備有音頻收發(fā)器用于音頻廣播和語音對講、超聲波雷達用于探測障礙物、可見光相機和紅外線熱成像儀、并能夠自由旋轉(zhuǎn)、滅火彈、控制器、車載控制計算機、通訊設備。具有自動實時巡檢、保護人身安全、及時報警、及時滅火處理、遠程監(jiān)控、遠程實時通訊、數(shù)據(jù)可保存回放以便于分析總結(jié)等優(yōu)點。

1.5 隧道變形檢測技術(shù)

目前對于施工隧道的變形檢測的設備相對較多，而對于長期發(fā)展緩慢的運營隧道變形檢測目前還基本處于手推式、定點檢測的水平，與長大隧道數(shù)量急劇增長的形勢明顯不適應。

奧地利的Plasser公司研發(fā)的Email250高速軌檢車、意大利“阿基米德”號綜合檢測車都搭載有運用攝影測量技術(shù)或激光輔助圖像處理技術(shù)的高帶鐵路隧道變形檢測設備。

2 隧道襯砌開裂及水害治理新技術(shù)

2.1 注漿技術(shù)

注漿技術(shù)已經(jīng)不算是新技術(shù)了，但是其在治理隧道水害方面有著特殊的效果必須加以重游。因為好的注漿效果既回填了襯砌背后的空洞，堵塞了滲漏水通道，改善了襯砌結(jié)構(gòu)的受力條件，還滿足了治水先治裂的需要。注漿技術(shù)目前在隧道病害整治中應用得比較廣泛，但是在應用高性能的注漿材料上還缺乏意識，另外也缺乏統(tǒng)一的標準。

日本SHO-BOND公司開發(fā)的混凝土裂縫“壁可”注漿修補方法屬于專利產(chǎn)品和工藝，修補效果可靠，壓力控制均勻，材料性能穩(wěn)定，硬化強度耐久，操作簡便易行。國內(nèi)目前還沒有看到注漿技術(shù)的專利產(chǎn)品。

目前國內(nèi)市場上比較有技術(shù)含量的主要注漿材料有：水溶性聚胺酯、丙凝、乙凝、水溶性聚胺酯與高強度聚胺酯混合液、彈性環(huán)氧樹脂、EAA(改性環(huán)氧樹脂)水泥漿等。從上海地鐵1號線和廣州地鐵1號線的結(jié)構(gòu)裂縫注漿效果看，水溶性聚胺酯的止水效果通常6-9個月，這是由于水溶性聚胺酯遇水發(fā)泡成為含氣海綿體，且與裂縫的混凝土表面粘結(jié)力很低，在列車行駛振動條件下，海綿體逐步被破壞，重新漏水;丙凝、乙凝是一種低強度膠凝體，在列車行駛振動和外水壓力作用下，不出1個月膠凝體就被一點點擠出，重新漏水;彈性環(huán)氧注漿液粘度較高，且與水不相溶，在裂縫漏水的條件下灌注效果不太理想;高強聚胺酯混合液，可灌性和強度均較好，在廣州地鐵1號線東山口站注漿封堵裂縫收到良好效果，但漿材價格較貴;EAA〔改性環(huán)氧)漿液由于粘度可調(diào)至與水接近，與水有良好的相容性，且與混凝土有良好的親和力，固結(jié)體強度高于混凝土，因而是一種性能優(yōu)良、耐久性和化學穩(wěn)定性良好的注漿材料，在廣州地鐵1號線和上海地鐵1號線注漿堵漏均收到良好的效果；葉林宏教授對注漿材料在混凝土中滲透機理進行了深入研究，建立了新的滲透理論，并研發(fā)的“中化-798”系列產(chǎn)品應用效果很好，值得推廣。

2.2 水泥基滲透結(jié)晶型防水材料

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的簡寫為CCCW，這種材料系由普通硅酸鹽水泥、石英砂或硅砂、帶有活性功能基團的化學復合物組成。它以粉狀形式供應用戶。大多數(shù)的應用是僅僅與水拌合(有的情況下還要加入化學添加劑)，調(diào)配成可以涂刷或噴涂的漿料。它不僅形成一個有效的防水涂層，而且原本含有的活性化學復合物，向混凝土內(nèi)部滲透，與混凝土中的水分、Ca(OH)2產(chǎn)生化學反應，形成不溶的結(jié)晶體復合物，進而靠結(jié)晶體增長填塞毛細通道。這些結(jié)晶體，通常可以增長到0.4mm，大于混凝土毛細管的最大直徑，從而使混凝土致密、防水。

國外品牌的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料有德國VANDEX牌(后轉(zhuǎn)售到瑞士)、加拿大XYPEX、ERMQUIK、KRYSTOL、新加坡的FORMDEX、美國的PENETRON、法國的DIPSEC、澳大利亞的CRYSTAL、日本的PANDEX等數(shù)十個品牌，形成系列產(chǎn)品。

國內(nèi)對水泥基滲透結(jié)晶型防水材料研制取得重大進展的是同濟大學，其專利產(chǎn)品是“建筑用水泥基滲透結(jié)晶型防水材料及其制備方法”。為推廣此項技術(shù)的應用，國家下發(fā)了國家標準。

2.3 自閉型聚合物水泥防水涂料

自閉型聚合物水泥防水涂料，其代表產(chǎn)品是由日本大關(guān)化學有限公司發(fā)明的PARATEX防水由原液和混合材組成；原液的主要成分是特殊變性乙烯酢酸樹脂系列共同合成樹脂的乳狀膠，混合材主要是由高鋁水泥遷移金屬組成。之所以稱之為自閉型，就是由于將該防水材料涂于開裂的混凝土襯結(jié)構(gòu)上時，該防水材料在水的作用下，經(jīng)物理和化學反應產(chǎn)生體積膨脹使裂縫自行封閉。

其過程如圖9所示。首先，滲入的水被涂膜吸收，裂縫附近的防水涂膜，使進水通道變窄，抑制了水的侵入。接著，涂膜在樹脂中的活性膠凝劑作用下形成碳酸鈣的吸附、固化和堆積，堵塞進水通道，從而使裂縫自行封閉。

圖9 自閉型聚合物水泥防水涂膜閉合混凝土裂縫的過程示意圖

PARATEX防水材料可根據(jù)不同的防水要求調(diào)整原液和混合材的配比；比例不同，其延伸率、硬度、黏結(jié)力不同；混合材比例越低，柔韌性越好，延伸率越大，反之，混合材比例越高，硬度越高，延伸率降低。

2.4 噴膜防水堵漏技術(shù)

瞬凝型丙烯酸鹽水泥噴膜材料是在丙烯酸鹽注漿液基礎上開發(fā)的，在日、美、加、德、英、瑞士等國有良好應用。除有親水性、凝固時間可控的優(yōu)點外，還因漿液中有消除毒性的拮抗劑，特別是具有增加膨脹性能的成分，可以高壓無氣噴涂設備噴涂在圍巖或混凝土基面防水、堵漏很有效。

該材料中含有較高濃度丙烯酸鹽，具有較好的伸縮性，材料的主劑含有大量的鈣和鎂，與混凝土中材質(zhì)相近，相互間具有較好的親和力，與水泥水化物組合強度不低，能夠在冷凍或干濕交替多次后不破壞，通過加入添加劑及變換引發(fā)體系，改變了丙稀酸鹽聚合后的聚集態(tài)，得到了一種固化后具有高彈、高韌以及較高粘結(jié)力的丙烯酸鹽水泥噴膜材料。圖10為施工工藝簡圖。

2.5 電滲透防滲技術(shù)

電滲透防滲技術(shù)是通過低壓電流將毛細管(孔)中的水分子進行電離子化并使其向濕的一側(cè)移動的新技術(shù)。電滲透防滲除濕技術(shù)已經(jīng)應用在倫敦的Walthamstow中央地鐵站解決公交站與地鐵車站之間地下通道的嚴重滲水問題，應用在香港地鐵中環(huán)站機場線地下快線通道解決了長期困擾的滲漏問題，廣州地鐵在6號線東湖站進行了試驗段，鄭州市地下高壓電纜隧道、云南省高速公路一藤蔑山隧道，大連港海之韻廣場綜合管廊防滲工程等都成為電滲技術(shù)成功的實例。

3 結(jié)語

不難看出，我國在對于交通隧道的養(yǎng)護方面新技術(shù)研發(fā)投入嚴重不足。相比較而言，水害及襯砌開裂的整治材料方面的研發(fā)和推廣應用較為積極，但也存在著規(guī)范性不足的問題，尤其是鐵路部門沒有制定鐵路隧道維修養(yǎng)護規(guī)范；而在運營隧道狀態(tài)檢測、及時發(fā)現(xiàn)病害等方面的技術(shù)研發(fā)要尤其落后于實際需要。面對鐵路公路建設的快速發(fā)展和不斷提速、運輸量的不斷加大，留給隧道養(yǎng)護維修的時間非常有限，只有積極研發(fā)或者引進先進的隧道狀態(tài)檢測新技術(shù)、隧道病害治理新材料、新工藝并加大推廣力度，才能做到“預防為主、早期發(fā)現(xiàn)、及時治理、對癥下藥”，提高運營質(zhì)量。對高速鐵路鐵和高速公路隧道更是如此。

[1]關(guān)寶樹.隧道工程檢修管理要點集[M]．北京：人民交通出版社，2004．

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Some Thoughts about the Research and Development and the Promotion of New technologies and Materials Concerning the Maintenance of Traffic Tunnels

CAO Yan-guo

(TianjinRailwayVocationalandTechnicalCollege,Tianjin, 300240)

At present, a considerable amount of traffic tunnels have been in operation for more than 30 years and varying degrees of defects showed up gradually in the new established ones. However, the detection of the defect conditions and the development of the technology of their maintenance and management can never meet the needs. This paper made an analysis and comparison about the detection of defects of present traffic tunnels and the development and application of new technologies of the governance of damages by water and lining cracks in China and abroad. Based on that, relative departments were recommended to increase investment and make regulations to actively develop new technologies and promote their use in order to truly improve the quality of the operation of the tunnels.

tunnel; condition detection; lining cracks; new technologies; new materials

2014-01-07

曹彥國(1963-)，男，山西省永濟人，副教授，研究方向橋梁隧道結(jié)構(gòu)工程技術(shù)，現(xiàn)從事學校管理工作。

U25

A

1673-582X(2015)02-0066-06