柳富勇，楊鵬宇，李東彪，李加虎

（1.南京交通運(yùn)營管理集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211899；2.中交隧橋（南京）技術(shù)有限公司，江蘇 南京 211800；3.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司隧道養(yǎng)護(hù)技術(shù)研發(fā)中心）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，城市間運(yùn)輸對(duì)交通隧道設(shè)施需求不斷增加，越來越多的過江隧道被建成并投入使用。水下隧道主要是用盾構(gòu)法施工建成，由于盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)多縫的特點(diǎn)[1]，滲漏成為其運(yùn)營期間的安全隱患之一[2-4]。在盾構(gòu)隧道投入使用期間，因土層地質(zhì)差異、化學(xué)物質(zhì)的侵蝕、隧道內(nèi)部荷載作用、地層和隧道自身的不均勻沉降等因素產(chǎn)生的滲漏問題較為嚴(yán)重，威脅隧道運(yùn)營安全。滲漏會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)部路面濕滑，影響行車安全；同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)環(huán)境濕度增大，威脅安全檢測(cè)、照明等設(shè)備的使用壽命和運(yùn)行安全。已有的運(yùn)營期盾構(gòu)隧道滲漏案例表明，長期滲漏會(huì)加劇隧道本身的結(jié)構(gòu)變形，隧道滲漏是由小到大逐步發(fā)展的，若不及時(shí)治理，后續(xù)將對(duì)盾構(gòu)隧道本身造成巨大的危害[5，6]。本文通過系統(tǒng)調(diào)研綜述了過江盾構(gòu)隧道滲漏原因與機(jī)理，基于現(xiàn)有滲漏機(jī)理相關(guān)的數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、理論解析研究，從隧道管片結(jié)構(gòu)和接縫滲漏兩方面進(jìn)行總結(jié)與分析，提出現(xiàn)有隧道滲漏研究的不足及相應(yīng)改進(jìn)建議，為過江盾構(gòu)隧道滲漏研究及應(yīng)用提供參考。

1 過江盾構(gòu)隧道滲漏類型

1.1 按隧道滲漏部位進(jìn)行分類

按照滲漏部位[7-11]，過江盾構(gòu)隧道工程滲漏可分為管片環(huán)縫滲漏、上層拱頂滲漏、螺栓孔滲漏等，如圖1所示。

圖1 過江盾構(gòu)隧道不同部位滲漏

1.2 按隧道滲漏形式分類

按照滲漏的形式[12，13]，過江盾構(gòu)隧道工程滲漏可分為點(diǎn)滲漏、線滲漏、面滲漏，如圖2所示。點(diǎn)滲漏的特點(diǎn)為滲漏面積小，各滲漏點(diǎn)相對(duì)獨(dú)立，彼此間未連成線狀或者面狀，一般滲漏點(diǎn)面積不超過1m2。線滲漏的特點(diǎn)為滲漏點(diǎn)連接成線，多指變形縫、結(jié)構(gòu)縫、裂縫等處出現(xiàn)的滲漏，這種滲漏部位清晰、滲漏比較集中。面滲漏的范圍比較大[14]，滲漏發(fā)生的位置彼此聯(lián)系形成大片狀滲漏。

圖2 過江盾構(gòu)隧道不同形式滲漏

1.3 按隧道滲漏水量分類

按照滲漏水量[15，16]，過江盾構(gòu)隧道工程滲漏可分為濕漬、滲水、水珠、滴漏、涌水等，如圖3所示。濕漬表現(xiàn)為隧道襯砌表面出現(xiàn)濕潤的色澤變化，但無明顯滲漏，用手觸摸發(fā)生滲漏的襯砌表面有濕潤感，但并不會(huì)沾上明顯水滴。滲水表現(xiàn)為盾構(gòu)隧道襯砌表面能觀察到水膜現(xiàn)象，用手觸摸明顯會(huì)有水沾到手上。水珠表現(xiàn)為隧道結(jié)構(gòu)表面會(huì)有水滴滴落，但是滴落速度較慢，間隔超過一分鐘。滴漏表現(xiàn)為隧道結(jié)構(gòu)表面有連貫的滴水現(xiàn)象，水滴不間斷滴落，滴落頻率不低于一分鐘一滴。涌水表現(xiàn)為隧道結(jié)構(gòu)表面有水呈股狀噴出或涌出，水量相對(duì)較大，涌水會(huì)在隧道路面上形成明顯水洼。

2 過江盾構(gòu)隧道產(chǎn)生滲漏病害的影響因素

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道滲漏的研究大多針對(duì)某項(xiàng)案例[17-19]，缺乏足夠的數(shù)據(jù)，不具有普遍適用性。過江盾構(gòu)隧道滲漏病害原因較為復(fù)雜，通過對(duì)國內(nèi)過江盾構(gòu)隧道滲漏原因的整理，可將滲漏影響因素歸結(jié)為四點(diǎn)：水文地質(zhì)條件因素、設(shè)計(jì)因素、施工因素及運(yùn)營期環(huán)境因素。

2.1 水文地質(zhì)條件因素

水文地質(zhì)條件因素主要包括土層地質(zhì)因素和水文條件因素兩個(gè)方面，具體滲漏成因及機(jī)理分析見表1。

2.2 設(shè)計(jì)因素

過江盾構(gòu)隧道在設(shè)計(jì)期間，應(yīng)充分考慮隧道所處地質(zhì)條件因素及工作環(huán)境水壓影響，否則易造成設(shè)計(jì)理念不合理及選材不當(dāng)?shù)葐栴}，導(dǎo)致滲漏發(fā)生，具體成因及機(jī)理見表2。

表2 設(shè)計(jì)因素引發(fā)滲漏成因及機(jī)理

2.3 施工因素

施工因素包括防水層失效、襯砌自防水失效、接縫防水系統(tǒng)失效、排水系統(tǒng)失效等方面，具體成因及機(jī)理見表3；我國部分過江盾構(gòu)隧道防排水系統(tǒng)如圖4所示。

表3 施工因素引發(fā)滲漏成因及機(jī)理

圖4 我國典型過江盾構(gòu)隧道防排水系統(tǒng)示意圖

2.4 運(yùn)營期環(huán)境因素

運(yùn)營期環(huán)境因素包括服役期季節(jié)變化、交通荷載影響等方面，具體成因及機(jī)理見表4。

表4 運(yùn)營期環(huán)境因素引發(fā)滲漏成因及機(jī)理

3 過江盾構(gòu)隧道滲漏機(jī)理研究

國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)過江盾構(gòu)隧道滲漏機(jī)理展開研究，通過數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、理論解析等方法考慮了水文地質(zhì)條件、外部荷載、管片接縫狀態(tài)等因素對(duì)隧道接縫滲漏與管片結(jié)構(gòu)滲漏的影響。

3.1 數(shù)值模擬方法

過江盾構(gòu)隧道滲漏數(shù)值模擬是通過改變隧道某一運(yùn)營期因素，對(duì)比改變前后隧道滲漏發(fā)生的改變，研究這一因素對(duì)隧道滲漏的影響以及引發(fā)滲漏的機(jī)理。國內(nèi)外學(xué)者的研究多集中于外部荷載、離子侵蝕、接縫張開等因素對(duì)隧道滲漏的影響。

隧道接縫滲漏的數(shù)值模擬以環(huán)縫為主；離子侵蝕方面的研究[20]多為氯離子的侵蝕路徑、擴(kuò)散規(guī)律，從而分析管片劣化機(jī)理；還有一些學(xué)者[21-23]研究了隧道縱向不均勻沉降、地震荷載[24，25]等引起的襯砌環(huán)和管片間螺栓的破壞機(jī)理，認(rèn)為管片環(huán)之間的接縫變形會(huì)導(dǎo)致接縫張開和錯(cuò)位，引發(fā)滲漏。國內(nèi)外關(guān)于縱縫滲漏的研究相對(duì)較少，隧道縱向變形下，縱縫張開造成滲漏的影響不容忽視，建議重視對(duì)管片縱縫滲漏的影響研究。

過江盾構(gòu)隧道管片滲漏程度是通過改變管片滲透系數(shù)與土體滲透系數(shù)的比值來建立[26]?，F(xiàn)有的對(duì)管片結(jié)構(gòu)滲漏的研究以隧道埋深[27-29]、水位[30，31]等因素的影響為主。管片防水失效的主要原因?yàn)榱芽p的產(chǎn)生和發(fā)展，諸多研究只是考慮現(xiàn)有裂縫造成滲漏的機(jī)理及影響，不同條件下管片表面裂縫的發(fā)展，隧道管片滲漏與裂縫發(fā)展之間的惡性循環(huán)等方面的研究較為欠缺，建議之后重視不同因素下的隧道管片裂縫發(fā)展對(duì)隧道滲漏影響的研究。

3.2 模型試驗(yàn)方法

過江盾構(gòu)隧道滲漏模型試驗(yàn)是根據(jù)相似原理，對(duì)現(xiàn)有工程實(shí)例進(jìn)行等比例縮小，對(duì)實(shí)際工程的隧道運(yùn)營及滲漏病害進(jìn)行模擬，研究隧道不同部位、不同縫寬滲漏產(chǎn)生的影響和規(guī)律等；也有學(xué)者通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法，模擬隧道局部，設(shè)置隧道工作水壓荷載等，對(duì)隧道接縫防水材料的失效機(jī)理進(jìn)行研究。

管片接縫滲漏研究方面的模型試驗(yàn)多以改變隧道滲漏部位、滲漏縫寬為主，分析不同部位和縫寬下的滲漏規(guī)律、隧道響應(yīng)、地層響應(yīng)等。有學(xué)者[32，33]提出臨界縫寬不受滲漏位置影響，與土的級(jí)配、不均勻系數(shù)相關(guān)，臨界縫寬狀態(tài)下漏水速率與滲漏方向有較大關(guān)聯(lián)。實(shí)際情況中，管片錯(cuò)臺(tái)造成的滲漏影響不容忽視，建議重視錯(cuò)臺(tái)量對(duì)隧道滲漏影響的研究；隧道接縫防水材料失效的試驗(yàn)多考慮錯(cuò)臺(tái)、水壓的影響，由于實(shí)際過江隧道滲漏中所受水壓為動(dòng)水壓，試驗(yàn)中多為靜水加載，由此產(chǎn)生的誤差建議加以改進(jìn)。

國內(nèi)學(xué)者[34，35]對(duì)管片結(jié)構(gòu)滲漏的研究主要通過模擬過江盾構(gòu)隧道在逐級(jí)增加土壓力、水壓力、襯砌結(jié)構(gòu)損傷等條件下的滲漏來研究的。由于管片自身結(jié)構(gòu)的滲漏程度、滲漏裂縫實(shí)際發(fā)展不易控制等因素使管片滲漏的實(shí)現(xiàn)較為困難，現(xiàn)有的針對(duì)隧道管片滲漏的模型試驗(yàn)研究對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷與滲漏之間的惡性發(fā)展缺乏考慮；建議增長滲漏試驗(yàn)時(shí)間，研究結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展及對(duì)隧道滲漏的影響。

3.3 理論解析方法

在過江盾構(gòu)隧道滲漏理論解析方法的研究方面，大多數(shù)學(xué)者對(duì)于環(huán)縫滲漏的研究集中于環(huán)縫張開量的臨界值和計(jì)算方法、隧道縱向曲率半徑與環(huán)縫滲漏的關(guān)系等。

現(xiàn)有學(xué)者[36-39]提出兩種研究隧道滲漏的理論模型，第一種是等效剛度模型，將隧道簡化為一個(gè)剛體，忽略管片間剪切力的影響，通過管片間小角度的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)隧道的不均勻沉降；這一模型忽略接頭滲漏的影響，后來被改進(jìn)，引入環(huán)縫影響系數(shù)。另一種為剪切錯(cuò)臺(tái)變形模型，將隧道的變形視為剪切錯(cuò)臺(tái)的情況，管片錯(cuò)臺(tái)引起管片間環(huán)面發(fā)生剪切，導(dǎo)致隧道接縫防水系統(tǒng)失效。等效剛度模型與管片剪切錯(cuò)臺(tái)模型示意圖如圖5 所示。目前的結(jié)構(gòu)分析單獨(dú)考慮等效剛度或剪切錯(cuò)臺(tái)，現(xiàn)階段并沒有能同時(shí)考慮隧道環(huán)間轉(zhuǎn)動(dòng)和錯(cuò)臺(tái)變形的模型，建議在已有模型基礎(chǔ)上提出一個(gè)更加完善的模型?，F(xiàn)有的理論解析方法的研究多集中在接縫滲漏的研究，對(duì)隧道管片滲漏的研究較為欠缺。在過江盾構(gòu)隧道運(yùn)營期內(nèi)，隧道管片結(jié)構(gòu)滲漏也是影響隧道壽命的一大重要因素，建議引起學(xué)者們的關(guān)注。

圖5 現(xiàn)有的兩種研究隧道縱向結(jié)構(gòu)分析模型

4 結(jié)語

隨著我國隧道技術(shù)不斷發(fā)展，過江盾構(gòu)隧道滲漏整治技術(shù)有明顯的躍進(jìn)，但滲漏治理問題仍是過江盾構(gòu)隧道工程在運(yùn)營期的一大難題。在進(jìn)行過江盾構(gòu)隧道滲漏處置和日常養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)全面了解滲漏的機(jī)理及影響因素，根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目情況制定合理的治理養(yǎng)護(hù)方案，這樣才能確保隧道使用壽命長久、運(yùn)營穩(wěn)定。本文綜述了過江盾構(gòu)隧道滲漏類型、影響因素以及滲漏機(jī)理。主要結(jié)論如下：

①過江盾構(gòu)隧道滲漏可按滲漏部位、滲水形式、滲水量分為不同類型。按照滲漏部位，可分為拱頂滲漏、環(huán)縫滲漏、螺栓孔滲漏等；按照滲漏的形式，可分為點(diǎn)滲漏、線滲漏、面滲漏；按照滲漏水量，可分為濕漬、滲水、水珠、滴漏、涌水。

②過江盾構(gòu)隧道滲漏病害產(chǎn)生的影響因素包括水文地質(zhì)條件因素、設(shè)計(jì)因素、施工因素、運(yùn)營期環(huán)境因素等。

③在過江盾構(gòu)隧道滲漏機(jī)理方面，多為二維滲漏模型，該模型具有一定的局限性，且無法對(duì)縱縫滲漏進(jìn)行較好的模擬；縱縫滲漏的模擬相對(duì)較少，但由于“豎鴨蛋”變形，隧道縱縫的滲漏不容忽視，建議引起重視，同時(shí)實(shí)際隧道滲漏是多因素耦合的，建議考慮多因素共同作用下的滲漏。

④過江盾構(gòu)隧道滲漏的模擬試驗(yàn)主要集中于接縫滲漏，考慮了接縫張開量、錯(cuò)臺(tái)量、滲漏位置、密封墊失效等因素對(duì)接縫滲漏的影響，而溫度、離子濃度等因素對(duì)滲漏的影響也不容忽視，建議加以重視；另外，試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較短，無法體現(xiàn)隧道管片結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)展對(duì)滲漏的影響，建議增加試驗(yàn)時(shí)間，重視滲漏發(fā)展的研究。

⑤已有的過江盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)分析模型的研究集中于等效剛度模型，考慮了隧道不均勻沉降、環(huán)縫張開量、錯(cuò)臺(tái)量對(duì)滲漏的影響，對(duì)于剪切錯(cuò)臺(tái)模型的計(jì)算分析較少，建議深入對(duì)剪切錯(cuò)臺(tái)模型結(jié)構(gòu)受力與滲漏機(jī)理的研究。