Tunnel maintenance in Japan
摘要
本文论述了日本铁路隧道最近的维修技术和典型的变形情况。检测隧道衬砌分为初级检查和辅助检查，在可行的检查中本文引进了无损检测的新技术。修复和加强隧道变形的方法可分为：（一）土压力的对策（二）恶化衬里；（三）防渗漏水和冰霜伤害的应对措施；（4）防止剥落的应对措施。此外，本文介绍了三个近期典型的日本铁路隧道变形案件；其中之一是Tukayama隧道对塑料的土压力，另一个是关于福冈隧道和Rebunhama隧道由于衬砌剥落造成的事故。
关键词：隧道维修，隧道检查；隧道修复，加固，无损检测
隧道不同于地上建筑物，设计条件（地形，地质，地下水等）依变化情况而定。因此，它是不容易在各种类型的地形中合理设计和建造，而且它在使用过程中会发生不确定的变形。由于这些原因，隧道的养护和控制就显得很重要，为保持隧道的良好状态，可采用以下方法：如定期检查，隧道声音的正确判断，以及相应的应对措施。
变形的因素，可分为三组，即：（1）由于地质因素的土压力；（2）劣化的衬里材料；以及（3）漏水和霜冻损害（朝仓等人，1991年）。1999年，在福冈北九州隧道沿山阳新干线（子弹头列车）和室兰线的Rebunhama隧道发生了混凝土衬砌剥落的的事件。剥落，在各项建设工程中，已成为一个重要问题。
在本文，对隧道衬砌审查和变形的对策做了调查和评估技术，并介绍了一些典型的例子。
对隧道进行检查和诊断，能及时掌握变形是否影响结构的安全性和耐久性，然后采取适当的应对措施，以确保在评估结果的基础上保持隧道的良好状况。因此，隧道的诊断和检查，是隧道维护管理最基础的部分。
“ 检验”是指在观察和测量结果的判断标准的基础上进行合理的审查。然而，“诊断”是指评估的调查，在观察和的测量结果的基础上，对过去的经验和知识的一个全面的评估并考虑到检查结果的结构功能及对策建议。
审验分为两个阶段，如图1所示：
图 1 隧道维护的流程图
图2 锤对炉衬的测试
1 主要检查是看看变形是否存在和当检测到变形时判断是否有必要通过次级检查/临时的对策或行动来估计变形程度。
2 再次检查的条件是检测到变形的大小。本文在初级检查和判断施加反措施的必要性和紧迫性进行了详细调查。此外，当施加反措施，必须获得设计参数。
检查的频率和主要检查的项目取决于隧道的用途，以铁路隧道为例，每两年内进行一次定期检查，详细检查则是根据该隧道的重要性每10年甚至20年进行一次。如果产生了变形，辅助检查则要更详细的进行。
这些检查工作主要是通过锤子敲特殊的位置和目视检查衬里表面（图2）。然而，最近，检查一般通过观察由激光束，狭缝相机，线传感器相机及CCD相机等获得的图像。非破坏性试验检验技术也被引入，即通过使用红外线检测表面分离（图3-6）。
落槌测试，这是检查的基础，即研究混凝土的打击音的声学分析。
隧道变形的辅助检查是在初次检查结果判断的基础上进行的。目的是通过补充信息和初次检查中得到的构变形上的数据并通过评估变形的原因来确定必要性和紧迫性的对策，进而确保结构的安全。它也有利于得到相应工程类型的设计参数，用于确定应采取这些对策的地方。
图3 在隧道衬砌裂缝测量线传感器相机（JR东海）
图 4 调查使用红外相机和CCD相机（地快速交通管理局）的隧道衬砌的表面
用于辅助检查的方案很多，需要根据环境条件和变形的原因选择合适的方案。在这些调查方案中，非接触式和非破坏性的调查技术上文已介绍过了。图像分析技术在衬里表面上的裂纹的调查中已经成功用于实践中。地面雷达经常用于衬里的厚度和开口衬砌背后的调查，此外，使用光纤来测量变形的观察系统正在研究中。
用于判断的隧道结构的功能的方法取决于隧道的用途。关于铁路隧道，整体判断指数，如剥落，渗漏水，显着影响交通的安全，应给予重视。判断指数因结构的不同而不同。换言之，在山区的隧道中，重要的是调查外力的作用，如变形和裂纹， 然而，大量调查数据表明，盾构隧道和明挖隧道的破坏主要由于材料的劣化和腐蚀 。
隧道的合理性判断，通常由技工凭着相关知识和经验判定。由于隧道数量的增加，一个使用人工智能和数据库技术来专业诊断隧道的系统相应的建立了。主要技术有：（一）合理化诊断方法；（二）客观的判断；（三）遗传诊断技术（川田等，1989）。
在设计防范隧道变形的措施中，有必要确定：（一）土压力的作用；（二）衬砌刚度；及（三）地面特性，准确把握变形现象，环境条件（地形，地质，天气和地震）和结构（结构和形状的隧道，和保养状况），然后准确判断变形原因和合理评估（朝仓等人，2001年）。
然而，在一般情况下，变形是不容易确定的。因此，我们要参照过去的例子来设计防土压力的对策。
表1总结了针对不同土压力（外部因素）引起的变形可能适用的措施。如图所示，该措施适用于各种原因导致的变形回填灌浆工作。这是因为可以预测以下效果，即：（a）地面均匀的反应可以通过回填开口进行固定，从而可以显着加强衬里的强度；（b）松动的地面和的劣化的进展导致了开口的存在或扩大，但它是可以防止的。然而，除变形的原因（外部因素），其他的预防措施应根据变形的幅度、进展及可加工性条件来选择。如果这些防范措施没有成功地防止变形，重建是必需的。此外，我们需要控制由大型的土地滑动产生的变形，必要时改变修建路线。
根据过去的测试结果和标准设计建立了试验模型和数值分析来防范塑料土压力，压力不平衡，坡体蠕变，地面松动土压力等（朝仓等人，1993，1995,1998）。该手册是适用于实际的设计。除了正确确定的土压力，衬砌刚度和接地性能，提出的分析方法也适用于实际的设计。
图5 所采取的线传感器照相机的隧道衬砌结构的实施例的照片
图6 二次检查的内容
隧道衬砌的恶化通常被认为是老化的结果。然而，事实上，它往往跟漏水有关。在某些情况下，外部因素，如有腐蚀性的水，冻害，盐害和烟雾污染也对隧道有破坏。内部因素包括材料的不足之处，如缺少混泥土，填充关节的不足，或在特殊情况下，由于碱 - 骨料反应的恶化。调查恶化的衬里时，准确的评价是什么因素控制的劣化和到什么恶化已经到何种程度是很重要的，然后选择适当的应对措施。
在修复恶化的衬里时，应根据恶化的程度和原因来选择对策。此外，位置的劣化，衬里下拉的可能性，和幅度的临界程度等都是有必要考虑的。
劣化的原因实际上是可以被识别的，这些原因引起的劣化程度很明显。变形土压力引起的变形也已成为一个问题，判断时应考虑的应对土压力的措施。此外，漏水和冰霜伤害也不可忽视。
表1 对外部压力的对策选择
注：每个干扰因素，可以采取有效的控制措施（ , ， ）的任意组合。
最佳。
适用。
偶尔有效。
__ 不适用
喷钢纤维混凝土（SFRC）是有效的，其中有很大的变形。
通过改善排水或排水工程建设的改善。
防止水漏的目的是：
一、保持衬里的结构，防止由漏水，不平衡的压力引起的衬里劣化和由衬砌背后形成的空隙引起的地表沉降；
二、防止如导轨，和领带板，故障信号通信，电力设施引起的的腐蚀；
三、防止铁路服务和列车的通过引起的有害的影响；
四、确保隧道内的工作和工人的安全；
五、维持隧道的外观。
各种漏水的对策相继研发出来，但许多情况下，施工后不久就发生漏水和冰的形成。因此，有必要选择一个具备有效性，可操作性，经济性和耐用性的对策。
防止霜冻损坏的目的是：
一、防止因冻结和解冻的衬里材料的劣化；
二、防止隧道因从地面结冰造成的压力产生的变形；
三、防止铁路服务和列车运行时冰柱、墙上冰、冰板的有害影响；
四、确保隧道内的工作和工人的安全；
五、减少维护工作，如清除冰柱。
目前最常用的一种技术方法是热绝缘。关于加热方法，只在日本进行过测试。
自从1999年发生在铁路隧道的一系列剥落事件以来，剥落一直是初次检查的主要项目，并且应尽快采取措施防止剥落。这是因为解决这样常见的剥落问题可立即确保隧道的安全，而不是因为剥落会威胁整个隧道的安全。
剥落发生的因素来自于外力和材料劣化导致不断增加的变形，因此有必要进行详细的调查和测量，然后采取相应的措施来补救整个隧道和防止情况恶化。
表面清洁和去除松散的混凝土通常被认为是预治疗的另一对策。特别是，在声音检查过程中，首先要去除松散的混凝土。在大多数情况下，去除松散的混凝土就可直接达到目的。在去除松散的混凝土达不到目的的情况下，必须采取其他对策。其他常见的对策包括表面修复材料的安装和应用程序的裂缝灌浆，板、棒、网、钢支撑、内混凝土和锚杆。这些措施，一般添加到新的增强元件的衬里表面。因此，必须慎重考虑设计和剥落出现时的维护问题。此外，在严酷条件下，如在新干线隧道，空气压力伴随火车运行和火车振动多次的发生，这时需要一个能在相当长的一段时间可靠运行的对策。
目前，防止剥落问题没有建立统一的对策。纤维，玻璃钢，新材料如高聚合材料，现在在已在实际中使用。建立适当的对策系统来解决每一种情况下的问题并考虑成本效益是有必要的。
Takamatsu隧道建于1967年，，总长1766米，是双轨铁路隧道。绿色凝灰岩区域的地质，面临日本海，第三纪沉积软岩渗透广泛。它位于背斜肢体部分，构成局部活跃的折叠区。过度负担的变形部分约70米。周围的地面是泥与石头的混合，单轴抗压强度3-6MPa。底部容易滑动，稳定系数范围为2〜4。
建成后不久，隧道伴随着两个侧壁推入隧道空间，泥泵在轨道和冻胀而发生变形。拱顶推向上沙子失败的弯曲和压缩方式（如图7）。我们可通过灌注混凝土封闭隧道来应对这种情况的变形。根据测量侧壁之间的收敛，在安装前仰拱混凝土之前收敛最大可达40米/年。这仍然没有完全由混凝土的倒置安装制服，如图8。
然而，在20年后的1990年，相对广泛的区域发生了冠结算压缩失败，并在它们的中心结算部分出现许多剪切裂缝。某些区域可能崩溃是一个严重的问题。因此，对崩溃的预防工作立即采取了临时措施。作为永久对策，如:回填，岩石锚杆支护，加固和喷支护钢纤维等都用于实践，如图9。
该系列的变形机制可用图10解释。首先，塑料土压力，作为二次应力状态，随着挖掘和时间的推移而增加。该推出的侧壁给隧道衬砌中的胎冠部分造成大量的负弯矩，从而导致表冠的内侧的弯曲和压缩。混凝土浇筑后，衬砌的变形开始被抑制，在衬里和轴向力逐渐积累。由于轴向力的增加，压缩故障进一步进展。然而，松动区域逐步扩大并且作用于拱形部分的垂直压力不断增加。因此，裂纹从压缩障碍处开始产生。
从这种情况，我们总结了一个宝贵的经验。混凝土倒置后能抑制由塑料的土压力产生的变形，（在这种情况下，拱冠部）结构薄弱点也同时得到加强。
图7 压缩失败在Wakayama隧道
图8 前后反转具体应用的收敛测量结果
图 9 对策（图7中的第二相）的概要
图10 变形机制
图11 福冈隧道衬砌后剥落
1999年6月27日，福冈隧道沿山阳新干线和光速列车内发生电力故障而停了下来。调查表明，受电弓的第12节汽车被破坏，临时处理后，光速列车可以运行缓慢运行至博多站。当时发现顶部的上下行线的弯曲张力配件被破坏了，列车只能停下来继续修理。维修后，列车恢复运行。如图11所示，一个衬块的冷缝在拱肩部分的底面接触，确认已剥落。
福冈隧道，建于1975年，总长度8488米。开挖方法是的底部导洞法和衬里浇铸的是钢筋混凝土，周边是坚硬的绿片岩地质，覆盖层约100米。
由于这个事故对社会的影响很大，因此进行了各种调查，测试和分析，以便找到原因。调查结果的估测如下（图12）：
一、期间放置的混凝土衬砌混凝土材料的供应被中断，拱的下部内侧形成的冷接头（施工缝）。
二、拱的下部由于振动的支撑上的放置的混凝土或拱上清洗不足，并缺乏可采用的在很宽的区域内形成的裂纹释放剂。
三、长期的漏水，温度的变化与空气压力的变化和列车的振动共同造成裂缝逐渐传播至其它粘合面。
四、最后，由于在空气压力的变化和列车的振动造成衬砌块下降。
1999年11月28日，一列货车在礼文滨室兰线隧道的轨道上遇到了一些不寻常的事情，不得不采取紧急制动，由于来不及躲避，火车只能撞出轨道。从调查，结果发现5块几十厘米大的混凝土块，铺设在轨道上，这些区块是从隧道拱部掉下来的。
Brenham隧道于1975年竣工，总长度1232米。它有一个双轨带电，交流电流的横截面。它是用底部漂移的方法挖掘的，衬里浇铸的是混凝土，并没加固。该意外发生在陡峭的海崖边，那里有40米的覆盖层下的岩质边坡，地质相对稳定的第三纪安山岩或高温碎屑岩，两者都很坚硬。安山岩石块大小约2-3米，从剥落衬层可直接观察到，上面那个相对较弱的岩石也可证实。
大多数已经破裂的表面被认为是因为剪切而产生的破坏，而且它已被碳化。只有约1m2破裂表面是新鲜的，破裂表面的顶部时，切断片状物和岩石暴露并伸入衬砌混凝土。
图12 在福冈隧道剥落的机制
图13 Brenham隧道剥落机制
根据调查，测试和分析的结果，估计这起事故的产生原因如下（图13）：
一、衬砌混凝土浇筑后，上面的衬里岩石在相对短的一段时间后成为松散的状态，拱顶附近的突起的岩石块施加压力到衬里。
二、由于这种压力，裂缝发育径向突出的岩石块；冲切破坏，形成破裂面的发生。
三、列车振动，冷冻和解冻循环所造成的裂缝逐渐传播至破裂表面的前端。
四、最后，自重维持剥落块部分带来了一个新的破裂面，并导致整体部分下降（图14）。
图14 内衬的Brenham隧道后剥落
本文介绍了日本铁路隧道最近的维修技术、重点检查和维修方法，连同一些典型的情况下的铁路隧道变形。
日本的许多铁路隧道变得老旧了，因而那些老隧道的维护变得更重要。我们有必要研究发展检测技术，诊断技术和维修技术，以维持旧隧道结构的安全。隧道维修技术研究在日本将会继续深入发展。
[1]朝仓，T.，小岛，Y.，小野田市，S.，1991年。加强和铁路隧道的修复方法的发展。问：众议员RTRI32（3）,163-172.
[2]朝仓，T.，奥玛特，F.，若菜光，田中，Y.，斋藤，Y.，Y.，1993年，川。变形隧道衬砌加固，国际研讨会：地下交通基础设施结构，土伦.
[3]朝仓，T.，小岛，Y.，中田英寿，M.，佐野，N.，奥玛特，F.，若菜，K.，1995年。变形隧道衬砌内加强反措施的第八届中国国际岩石力学大会.
[4]朝仓，T.，等人，1998年。评价隧道衬砌结构上的缺陷及其对策。的Q.众议员RTRI39（1）,40-45.
[5]朝仓，T.，小岛，Y，小野田市，S.，Shirland，H.，铃木，I.，2001年。维护隧道，现代隧道科学与技术国际研讨会论文集（2001年“京都议定书”）。第1139至1164年.
[6]朝仓，T.，小岛，Y.，美津浓，K.，八城政基，K.，六车，T.，松田，Y.，2001年。铁路隧道的混凝土和Causey，国际会议的断裂剥落.
[7]川田，H.，松本，Y.，Hachita，A.，Kokura，S.，1989年。隧道的检查和诊断的专家系统（1次）进行开发的开发。问：众议员RTRI30（3），143-148.
本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/d254f7ae0975f46526d3e101.html
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