沉管隧道常见病害及检查维护思考

李宏哲,姜国栋,张国柱,刘益平3

122

(1.中交公路规划设计院有限公司,北京　100088;2.东南大学岩土工程研究所,江苏南京　210096;

3.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司,江苏南京　211102)

摘要:为解决沉管隧道养护规范缺乏、巡检养护盲区多等问题,在隧道养护规范的基础上,对现有相关文献进行总结。以钢筋混凝土结构沉管隧道为例,首先,将沉管隧道常见病害分为主体结构病害、接头部位病害和附属结构病害3大类,并详述不同病害的成因及外观表现;然后,从预防性维护角度出发,提出沉管隧道巡检检查体系,巡检检查工作除日常巡查、经常检查、定期检查、应急检查和专项检查外,还应开展初始检查,并在运营期间采用健康监测系统对结构安全进行实时监测;最后,根据沉管隧道检查维护的可能发展趋势,对标准化养护体系建设、遮挡隐蔽病害检测监测技术和少干扰快速检测技术等进行探讨。关键词:沉管隧道;病害;检查体系;智能检测DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2019.S1.063

中图分类号:U459.2　　　　　文献标志码:A　　　　　文章编号:2096-4498(2019)S1-0465-06

ConsiderationonCommonDiseasesofImmersedTunnel

andItsInspectionandMaintenance

(1.CCCCHighwayConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100088,China;2.InstituteofGeotechnicalEngineering

LIHongzhe1,JIANGGuodong2,ZHANGGuozhu2,LIUYiping3

ofSoutheastUniversity,Nanjing210096,Jiangsu,China;3.ChinaEnergyEngineeringGroup

Abstract:Inordertosolvetheproblemsofimmersedtunnelmaintenance,i.e.lackingofmaintenancespecifications

JiangsuPowerDesignInstituteCo.,Ltd.,Nanjing211102,Jiangsu,China)

andexitingblindareasofinspectionandmaintenance,researchiscarriedoutbasedontechnicalspecificationsfor

commontunnelmaintenanceandexistingrelatedliteratures.Firstly,settingthetypicalengineeringofconcreteimmersed

tunnelasanexample,thediseasesofimmersedtunnelareclassifiedintothreecategories,i.e.mainstructurediseases,jointdiseasesandattachmentstructurediseases,andthenallthecausesandappearancesofdiseasesaredescribedin

detail.Thenfromtheperspectiveofpreventivemaintenance,theinspectionsystemofimmersedtunnelisproposed,i.e.

besidesroutineinspection,regularinspection,periodicinspection,emergencyinspectionandspecialinspection,initialinspectionshouldbecontainedinpatrolinspectionandstructuralsafetyshouldbemonitoredinreal-timebyhealthmonitoringsystemduringoperationperiod.Atlast,accordingtodevelopmenttrendofimmersedtunnelmaintenance,the

establishmentofstandardizedmaintenancesystem,thedetectionofhiddendiseasesandtherapiddetectiontechnology

withlessinterferencearediscussed.

Keywords:immersedtunnel;disease;inspectionsystem;intelligentinspection

0　引言

成多条沉管隧道,特别是港珠澳沉管隧道工程,是世界综合难度最大的沉管隧道工程之一。投入运营的沉管隧道日益增多,但目前尚无专用的沉管隧道养护技术规范,对沉管隧道运营中的状态也缺乏足够准确地了解。随着隧道的营运,隧道结构病害不断暴露,规范科

沉管隧道常用于江、河、湖、海等水下隧道。首座沉管隧道于1910年在美国底特律建成,至今世界投入运营的沉管隧道已超过150座。我国沉管隧道的研究始于20世纪60年代,90年代后迅速发展,并陆续建

收稿日期:2019-05-07;修回日期:2019-07-07

第一作者简介:李宏哲(1978—),男,陕西岐山人,2009年毕业于同济大学,结构工程专业,博士,高级工程师,主要从事隧道及地下工程安全评

估、检测维护技术与装备、养护咨询等方面的研究工作。E-mail:Lihongzhe@hpdi.com.cn。

466

　隧道建设(中英文)　　　　　　　　　　　　　　　　

国内公路隧道土建结构维护工作主要参照《公路

第39卷　

学的检测养护显得较为迫切。

隧道养护技术规范》开展。目前关于公路隧道病害的研究主要围绕钻爆法、盾构法隧道进行,隧道病害分类不断被细化[1-2],针对不同病害的防治方法与养护体系被提出。隧道病害主要分为水害、冻害及衬砌的裂损与侵蚀等。在对隧道病害充分分析的基础上,公路隧道养护体系逐渐趋于标准化[3-5],全寿命周期建设概念被引入[6],Tableau等大数据分析软件的使用增多[7],公路隧道养护技术逐渐成熟。

隧道为背景,张苑竹等[14]采用数值分析的方法,分析了分层浇注、整体浇注以及挂帘养护、蓄水养护等措施对管节早期温度场和应力场的影响规律。以港珠澳大桥为背景,王勇[15]分析了沉管隧道沉降机制及影响因素,确定了不同方案基础的总沉降和纵向差异沉降控制标准。以广州如意坊沉管隧道为背景,赵天驰等[16]通过有限元方法分析了不同工况条件下管节与接头的变形特征。

目前国内在沉管隧道结构设计、施工工艺和运营期结构病害特点等方面有了一定的研究基础,但关于沉管隧道巡检养护技术的系统性研究并不多。本文以沉管隧道常见病害系统分类和成因分析为基础,提出了沉管隧道巡检检测体系,并针对结构复杂、巡检养护盲区多等问题,探讨了标准化养护体系建设、遮挡隐蔽病害检测监测技术和少干扰快速检测技术等。以期研究成果为类似工程提供参考。

的一种修建水下隧道的新工法[8],相比钻爆法施工的山岭隧道等其他隧道,沉管隧道发展较晚,对其运营维护期的研究目前正逐渐展开。钟伟春[9]分析了沉管隧道非荷载裂缝的成因,并制定出一套温度及裂缝控制方案。胡盛斌等[10]探讨了沉管隧道病害(包括裂缝、渗水、钢筋锈蚀、路面破损等)的成因,并提出了一套隧道主要检测评估方案。黄明华[11]以有限元软件为健康监测系统设计基础,推导了单层弹性地基模型在不同荷载下的一维固结解析解,分析了甬江水底隧道在不同荷载作用下的固结性状,并确定了健康监测系统的组成。刘正根等[12]针对沉管隧道管节不均匀沉降、GINA止水带张开与变位、管段混凝土裂缝等,采用健康监测系统对沉管隧道进行了实时监测。以南昌红谷隧道为背景,章勇等[13]论述了管节接头张开和错位、管节不均匀沉降、剪力键受力的监测方法以及健康评估指标体系的构建过程。以舟山沈家门海底沉管

沉埋管段法(简称沉管法)是20世纪初发展起来

1　沉管隧道结构病害分类

2个方面。按照构件类型对病害进行分类,可分为主体结构病害、接头部位病害、附属结构病害等。对各类构件按照其自身损伤、渗漏水两方面考虑其病害类型,并对沉管隧道病害进行分类,阐释病害外观表现以及1.1　主体结构病害

沉管隧道病害表现为隧道构件自身损坏和渗漏水

病害的可能成因。

常见的混凝土管节结构包括管节主体、中管廊隔

墙等。病害主要有裂缝、起层剥落及渗漏水。沉管隧道主体结构常见病害见表1。

表1　沉管隧道主体结构常见病害

Table1　Mainstructurediseasesofimmersedtunnel

病害位置病害外观表现

　管节主体结构侧壁、顶板或底板部位出现纵向裂缝、横向裂缝或环向裂缝等;中管廊混凝土隔墙部分出现纵向裂缝、横向裂缝

病害可能成因

　1)沉管管节作为多孔混凝土预制构件,体型庞大、内力分布复杂,当内拉应力超过混凝土的抗拉强度时,便产生裂缝;2)相邻作业段混凝土的约束

　管节主体、中管廊隔墙、设备洞室

作用;3)混凝土的水灰比与水泥用量大;4)管节产生不均匀沉降;5)自然

条件的影响

　管节主体、中管廊隔墙

　管节主体结构、中管廊混凝土隔墙部位出现混凝土表层起层、混凝土剥落的现象

　1)混凝土保护层碳化与氯离子入侵导致钢筋锈蚀,引起混凝土保护层破

坏;2)管节预制过程存在不足,导致混凝土保护层出现蜂窝麻面等病害,间接导致混凝土剥落

　　混凝土结构渗漏水表现为隧道混凝土主体结构裂缝处出现水渍、渗漏水现象。出现渗漏水病害的可能原因有:1)沉管隧道处于水环境中,当主体结构混凝

1.2　接头部位病害

沉管隧道接头包含止水系统和剪力键等。接头

部位可能出现的病害按照外观表现可划分为:接头渗漏水和接头构件损坏,其中,接头构件损坏分为剪力键损坏与止水系统损坏。沉管隧道管节接头构造如图1所示。

土裂缝持续发展直至与外部环境连通时,外部海水等沿缝隙渗入隧道;2)管节不均匀沉降引起管节接头附

近混凝土出现贯通性裂缝,导致海水渗入。

　增刊1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　李宏哲,等:　沉管隧道常见病害及检查维护思考　

467

1.2.2　接头构件损坏1.2.2.1　剪力键损坏

混凝土剪力键损坏按照外观表现分为2类:混凝剪力键剥落出现在混凝土表层,可能的原因为管

土剪力键剥落和剪力键开裂。

节之间由于不均匀沉降或地基刚度发生变化导致管节间相对位移增大,相对位移超出剪力键最大允许位移量致使剪力键损坏。

图1　沉管隧道管节接头构造

Fig.1　Jointstructureofimmersedstructuretube

网状裂缝,可能的原因有:1)混凝土剪力键由于现浇

剪力键裂缝表现为混凝土剪力键产生顺筋裂缝或

1.2.1　接头渗漏水

后自收缩产生微小裂缝;2)在正常运营条件下,沉管管段会受到地基土的压缩再变形与回淤荷载等,这些作用在隧道上的荷载会使隧道沿轴向和横向同时产生不均匀沉降,沉管管段之间位移不协调,使混凝土剪力1.2.2.2　止水系统损坏键产生裂缝。

效,包括GINA止水带及固定装置腐蚀、OMEGA止水带及固定装置腐蚀;2)混凝土开裂,主要为剪力键中

造成接头渗漏水的可能原因有:1)止水带损坏失

的裂缝。渗漏水的渗漏路径为混凝土与端钢壳之间或混凝土裂缝。结构中较大的基础刚度差异或轴向偏心力会产生较大的剪力,导致剪力键结构失效,从而导致渗漏水。

OMEGA止水带及中埋式止水带,止水带病害外观表现及可能成因如表2所示。

沉管隧道中常用的止水带有GINA止水带、

表2　隧道止水带病害外观表现及可能成因Table2　Diseaseappearancesandcausesoftunnelgaskets

止水带类型病害外观表现病害可能成因

　1)GINA止水带为橡胶材质,与海水接触且不可更换,随时间会逐渐老

GINA止水带

3)止水带紧固件锈蚀

　1)止水带破损;2)止水带紧固件松动;

3)GINA止水带承受了水下对接和长期运营过程中管节与管节之间的轴向拉压力,当压缩量超过最大压缩量时,可能会导致开裂损坏;4)GINA止水

化,有破损的风险;2)岛隧暗埋段沉管接头止水带因变形过大而导致破损;

带通过固定压板和连接螺栓固定在钢壳上,其紧固构件的螺钉含金属材料,在高盐环境中容易发生锈蚀

　1)OMEGA止水带为橡胶材质,会逐渐老化,导致耐久性降低;2)管节之

OMEGA止水带

3)止水带紧固件锈蚀

　1)止水带破损;2)止水带紧固件松动;

间的不均匀沉降对OMAGA止水带产生张拉力;3)OMEGA止水带通过预

埋钢壳焊钉固定,由于施工因素及长期运营的影响,紧固构件中的螺栓可能产生锈蚀

　中埋式可注浆止水带材质为丁苯橡胶,可能会发生老化,使止水带耐久性降低

中埋式止水带止水带橡胶部分破损

1.3　附属结构病害1.3.1　路面

对于沥青混凝土路面,路面结构在运营期内可能

面。预制件损坏有两方面原因:1)混凝土维护不够,

1.3.2　排水设施

产生裂缝、推挤拥包、车辙以及落物、积水等病害。

沉管隧道排水设施病害主要表现为杂物或泥沙堵

2)预制构件或现浇混凝土接缝处局部形成高差,在使1.3.4　装饰板、防火板

形成收缩裂缝,裂缝逐步发展,形成混凝土表面开裂;用过程逐渐形成局部破损。

装饰板、防火板病害表现为表面污渍、边角破损、

塞,可能的原因主要有排水设施结构破损导致碎块堵塞、隧道日常清洁工作不到位导致垃圾杂物堵塞和暴1.3.3　检修道

表面霉菌及渗漏水等,其中,渗漏水由主体结构渗漏水

雨冲刷导致泥沙与生活垃圾堆积堵塞等。

检修道病害表现为预制件损坏与盖板损坏2个方

2　沉管隧道巡检、检查体系

引起,表现为装饰板与防火板缝隙渗水。

沉管隧道结构形式较为复杂,可采用资产管理理

念按结构物类型、功能、材料、层次或从属关系对其分

468

　隧道建设(中英文)　　　　　　　　　　　　　　　　

第39卷　

解,例如:港珠澳沉管隧道划分为5个养护区段,依次为东人工岛隧道敞开段、东人工岛隧道现浇暗埋段、沉管隧道、西人工岛隧道现浇暗埋段及西人工岛隧道敞开段。巡检检查工作除日常巡查、经常检查、定期检查、应急检查和专项检查外,还应开展初始检查,并在运营期采用健康监测系统对结构安全进行实时监测。2.下面以钢筋混凝土沉管隧道为例进行说明1　。

初始检查的目的在于为结构零状态基准数据采

初始检查

集、技术档案建立服务,并作为运营后经常检查、定期检查和专项检查评估的基础。通过初始检查,可以确定结构及构件的基准技术状况,便于对后期发现的结构缺陷和病害做对比分析,确定病害或缺陷成因及发展程度,为进一步养护工作提供依据。

沉管隧道初始状态检查项目包括:初始几何状态、重要构件初始状况、结构材质及其他无损指标初始状况和保护区初始状况等。其中,初始几何状态主要包括隧道中轴线、各管节接头错台量、各管节接头张合量和结构永久性观测点初始值等;重要构件初始状况主要指接头止水带的完好性及渗漏水情况、接头剪力键初始完好性、最终接头表观状况和初始开裂及渗漏水点等;结构材质及其他无损指标主要指管节混凝土强度、抗渗指标、混凝土保护层厚度和路面铺装厚度等;保护区初始状况主要指海床或河床现状。

检查项目数据来源可以为施工过程数据、质监站抽检及交竣工验收的数据、各单位开展的结构检查记2.录数据以及监理过程数据2　,必要时进行现场补测。

日常巡查与清洁是工程中最基本的日常巡查与清洁

、频率最高

的维护与保养工作。通过日常巡查可以在第一时间发现工程的突发性事故、突出病害等异常情况,并且可以帮助维护部门科学地安排工程的定期检查与维护工作。

沉管隧道日常巡查不仅需要关注管内结构本身,还需开展外部隧道保护区巡查,并详细记录天气气象情况。内部巡查主要关注是否存在明显影响结构安全或行车安全的异常情况,外部巡查主要关注隧道保护区范围内是否有异常作业活动或水上事故。

正常天气下,应按设计路线对隧道每天进行一次检查;当遭遇恶劣灾害性天气时,灾害性天气前后需2.进行一次针对性检查3　。

经常检查并对隧道异常状况进行定性评价经常检查

,原则

上可使用简单的巡查工具进行目视巡查,以定性判断为主。检查内容包含各区段的混凝土结构、接头止水系统、附属结构等。经常检查破损状况等级评定分为

3月种1:正常、一般异常、严重异常。检查频率应至少每次,在遭遇雨季、台风等极端天气情况下应提高检查频率。

当经常检查中发现隧道工程存在一般异常情况时,应进行监视、观测或做进一步检查;当经常检查中发现隧道工程存在严重异常情况时,应采取措施进行处治;当对异常情况产生原因及详细情况不明时,尚2.应做定期检查或专项检查4　。

定期检查是按规定周期对主体结构及其附属构造

定期检查

物的技术状况进行的全面检查及等级评定,主要功能是搜集结构技术状态的动态数据,为隧道的使用功能评定、管理维护计划制定提供基本数据。通过定期检查,应系统掌握结构基本技术状况,为评定结构物的功能状态、制订维护工作计划提供依据。

沉管隧道定期检查主要对主体结构、管节接头和附属结构进行全面检查。但是,由于受隧道装饰结构、防火结构等影响或可达性限制,直接检查止水带、剪力键等遮挡构件表观病害难度较大,需要根据实际情况对遮挡构件的检查频率进行科学研究。

检查周期应根据隧道技术状况确定,宜每年1次。当经常检查中发现重要结构构件损坏严重时,应立即2.开展5　1次定期检查。

应急检查是指隧道遭遇自然灾害应急检查

、发生交通事故

或隧道保护区域大型施工后,对遭受影响的隧道结构立即进行详细勘察、检查,及时掌握结构受损情况,为下一步采取针对性对策提供依据。

沉管隧道大多处于内河或外海运营环境,常见的突发事件包括车辆撞击(、火灾、洪水、于激发因素不同包括爆炸)或外部船舶沉没,检查范围、检查对象和检查内容也有、隧道上方的疏浚等地震、人为的灾难。由2.差异6　。

专项检查是根据定期检查和应急检查结果或者通

专项检查

过其他途径,经过技术状态评估之后,判断需要进一步查明某些破损或病害的详细情况而进行的更深入的专门检测。通过专项检查,应完整掌握破损或病害的详细资料,为其是否实施处治以及采取何种处治措施等提供技术依据。

专项检查通常包括隧道构件或材料的测试,特别是非破坏性的测试,以更加明确所发现的缺陷。专项检查可用于确定单元中结构构件的劣化情况,有助于2.技术状况评定及确定维修工作内容7　。

为有效掌握沉管隧道结构状态及其发展演化趋

运营期自动化监测

　增刊1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　李宏哲,等:　沉管隧道常见病害及检查维护思考　

469

势,需积极开展运营期结构安全监测,对结构运营期出现的各类异常状况及时做出诊断并预警。

以港珠澳大桥沉管隧道为例,运营期隧道结构自动化监测项目包括:重要的环境荷载(环境温度、湿度、交通荷载、地震)、管节接头张开量、关键控制截面应变、混凝土氯离子腐蚀进程、管节接头止水带渗漏情况等。自动化监测项目可以实现监测数据的实时采集、传输和分析处理。处理后录入数据库的数据分为实时数据和特征数据,不仅可以进行历史数据回放、历史数据查询、数据报表统计,还可以用来进行隧道结构数据动态展示、数据对比、数据预警以及指导隧道工程开展预防性3　、针对性检查工作。

3.1　沉管隧道检查养护亟待解决的技术问题

沉管隧道结构形式和运营环境较为复杂沉管隧道标准化养护体系建设技术

,现有的公路隧道养护技术规范主要针对钻爆法山岭隧道,检查、检测和评定体系均不能直接用于沉管隧道,因而急需开展沉管隧道标准化养护体系研究和运营阶段安全风险评估与防范技术研究,以为水下隧道科学维护和数字化管养系统构建提供技术支撑。

沉管隧道标准化养护体系应主要包括:养护规划、巡检养护技术手册、养护评定标准和养护定额。养护规划主要解决做什么,巡检养护技术手册主要解决怎么做,养护评定标准主要解决做到什么程度,养护定3.额主要解决成本问题2　遮挡、。

沉管隧道大多为处于水下环境的半隐蔽结构隐蔽病害检测监测技术

,存

在诸多遮挡病害和隐蔽病害。港珠澳大桥沉管隧道管节结构表面和接头部位被装饰、防火等设施遮挡,混凝土开裂、渗水等表观病害难以及时感知。打开遮挡物直接检查存在周期长、成本高且难以全覆盖等不足。水下隧道是结构、周边岩土体和水压动态相互影响的系统工程,建设和运营期间结构内部、周边岩土体内不可避免地会出现各类隐蔽病害,对结构和行车安全产生影响。因而开展水下隧道隐蔽病害智能检测监测技术研究较为迫切。

遮挡、隐蔽病害检测监测技术可以采用非接触、智能控制等手段,解决现有探测手段盲区,实现隧道空间区域全覆盖,并能适应高湿度、高烟尘浓度、涉水等特3.殊环境作业3　智能快速检测装备研究。

水下沉管隧道通常存在人工检查盲区和特殊事件

下人工难以接近检测等不足,例如:港珠澳沉管隧道结构下方回填防护、横断面内排烟道等区域属于人工难以接近检查的盲区,火灾、水淹等应急情况下,检测人员通常难以接近。因而开发综合集成实时摄影技

术、三维激光扫描技术、红外感知技术和实时定位技术智能巡检设备,其能适应狭窄空间或高温、涉水环境,实现人员无法抵达的盲区巡检和火灾、水淹等应急情况下检测4　结论与建议

。

道潜在病害分为主体结构病害1)根据沉管隧道结构特点和运营环境、接头部位病害,将沉管隧

、附属结构病害3大类,并对各类病害成因进行了初步分析。其中,沉管管节的不均匀沉降、管节间的变形不协调是混凝土结构裂缝、接头渗漏水等多种病害的原因,隧道检查维护工作应予以重视2)提出了基于结构解析的沉管隧道巡检检查体。

系,主要包括初始检查、日常巡查、经常检查、定期检查、应急检查和专项检查来沉管隧道检查维护应重点解决以下问题3)从沉管隧道结构特点和运营环境出发。

:构建包含,建议未

养护规划、巡检养护技术手册、养护评定标准、养护定额的标准化养护体系,建立数字化管养平台;采用智能化手段快速检测、评定技术解决沉管隧道中遮挡、隐蔽病害检测监测难题。

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