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行业动态

水下隧道衬砌结构安全面临的问题
发布时间:2022年05月30日

在隧道修建及运营的过程中,由于设计和施工 不良、侵蚀环境的影响、突发自然灾害与突发事故 等原因,导致隧道衬砌结构出现不同类型、不同程 度的劣损和病害。

(一)复杂地质条件导致的结构安全问题

随着一大批长度更长、水压更大、地质条件 更加复杂及建设条件更加恶劣的隧道工程相继进入规划和建设过程中,我国隧道建设将从既有城市软 土环境向强透水地层、软弱互层、风化槽段、穿越 岩层、孤石及硬岩凸起等复杂地质环境转变,地层 岩性软硬不均,围岩物理力学参数离散性较大,导 致荷载分布不均,隧道所受荷载的准确评价与量化 包络变得更为困难,严重影响隧道结构的设计和施 工安全。如:厦门西通道隧道(长 6.33 km,穿越 多个风化槽段)、厦门南通道隧道(长 13 km,局 部埋深 100~150 m,穿越多个强风化槽段)、舟山 大陆连岛工程隧道(长 17 km,海水深度深、隧道 长、存在国际级航道和光缆等敏感物)及汕头苏埃 湾海底隧道(盾构法施工,长 5.5 km,局部地段穿 越岩层,且设计地震烈度高达Ⅷ度),还有距离更 长、建设条件更加恶劣的琼州海峡(最短海域宽度 为 18.8 km,最大水深达 100 m)、渤海湾海峡(约 为 108 km)和台湾海峡通道工程(最短直线距离为 120 km)。

水下隧道在穿越复杂地质条件和多变环境的 同时,长期承受的水压力将进一步加大,在隧道 衬砌结构服役期内将承受较高的水、土荷载作用, 材料非线性和几何非线性特征明显,加之河床的 天然冲刷、海水的动力作用、交通运营振动等的 累积作用,可导致隧道结构的受力状态发生改变, 严重威胁隧道结构的服役安全。如在复杂多变的 地质环境中,由于设计和施工不良、管片选型不 当、盾构机姿态控制不佳、注浆压力过大、千斤 顶推力不均匀、水土荷载考虑不周等原因,隧道 主体结构在施工期与运营期会出现管片错台、管 片开裂、管片掉块、渗漏水、不均匀沉降等病害, 如图 3 所示。

图 3 设计和施工不合理等原因导致的结构劣损

 

 

(二)侵蚀环境作用导致的结构安全问题

据统计,我国现役处于亚健康状态的隧道约 占 20 % ~30 %,同样的,据统计,日本有 1 600 多座公路隧道均存在材料劣化现象 [8],侵蚀环境 的持续致损作用严重威胁了隧道结构的长期服役 安全。

在正常服役周期内,隧道衬砌结构常处于复 杂的岩土环境中,将同时受到荷载环境(水土恒定 荷载,疲劳荷载,瞬时荷载)和侵蚀环境(温湿度,CO2、氯盐、酸、碱等)的长期共同作用,加 之荷载尤其是高水压下周围氯离子侵蚀的加速促进 作用,隧道衬砌结构材料和构件的力学性能将不 断出现累积损伤及明显的性能劣化(见图 4),如 混凝土腐蚀和钢筋锈蚀导致结构开裂、破碎掉块、 衬砌损毁等,影响衬砌结构承载能力并进而威胁 结构的服役安全 [12]。

图 4 隧道衬砌结构的腐蚀劣化

 

 

(三)突发自然灾害导致的结构安全问题

通常而言,因受到周围地层的约束作用,地下 结构比地上结构的振动幅度小,且由于盾构隧道属 于多体拼接的柔性结构,具有较强的抗震性能 [13]。 但在强震条件下,隧道工程震害依然较突出,如 1923 年的日本关东大地震、1995 年的日本阪神大 地震和 1999 年的台湾大地震等强震作用均导致地 铁站和区间隧道出现严重震害 [14]。在 2008 年的 5·12 汶川地震中,成都部分地铁盾构区间的震害特 征明显,出现管片劣损、剥落、错台和渗漏水等形 式的震害 [15]。上述震害虽未对隧道主体结构产生 致命破坏,但依然会对隧道结构的长期耐久性能 产生影响。

(四)突发事故灾害导致的结构安全问题

隧道在运营的过程中,由于人为和管理等因素 的影响,火灾、列车撞击、货车冲撞、爆炸等突发 事故时有发生,加之缺少运营期的健康检测、监测 和结构维护,使其“带病服役”,导致服役年限降低。 高速公路隧道火灾和爆炸问题,高速铁路隧道内列 车脱轨和撞击问题等,将不可避免地导致隧道衬砌 结构的劣损,影响隧道结构整体的稳定,危及结构 安全。

目前,我国水下隧道工程数量最多、建设规模 最大、技术难度最复杂、发展速度最快,使得在结 构设计、施工及维护过程中出现的问题增多,问题 复杂度进一步加大,加之现代隧道工程正向超大断 面、超埋深、超高水压与长线性方向发展,如何 保障我国隧道工程的系统可靠性及长期安全性是我 们面临的一大技术挑战。