第11章隧道常见病害与防治

•隧道常见病害与防治（施工阶段）DS10-1李通洪（20101250）2012年4月学习本课程的目的：（1）了解隧道的常见病害种类；（2）掌握隧道常见病害的机理；（3）了解隧道常见病害的处理措施与设计内容。隧道常见病害与防治1概述2隧道的水害及其防治3隧道衬砌裂损及其防4隧道冻害及其防治5隧道衬砌腐蚀及其防治1概述1、隧道病害现状(1)隧道的主体是人工地下结构，处于天然介质的环境中；(2)与发达国家相比，我国的公路隧道建设起步较晚。设计、施丁经验都存在一定的差距，思想认识上也存在偏见和畏难情绪；(3)在运营中会出现渗漏水(水害)、衬砌裂损、隧道冻害、衬砌腐蚀、震害和洞内空气污染等病害，还有火灾威胁口这些病害和危害对隧道的安全、舒适、正常运营有重要影响和威胁；(4)日本的一些有识之士提出“2020年的警钟”，即“日本将从一个土建大国变成修缮大国”。2020年的结构物维护费用和改建费用，仅建设省就超过2兆亿日元，是现在的3倍，维护费用将是国家财政的巨大负担。2、我国隧道养护面临的主要问题⑴已建隧道营运状态堪忧;(2)隧道施工单位的良莠不齐和“重建设、轻维护”的理念;(3)我国隧道建设与维护的经验相对国外来讲，目前尚存在一定的差距，对隧道健康的认识存在着严重不足。3病害现状(1)铁路隧道铁路干线的隧道失格率线别隧道总座数严重漏水(座)衬砌裂损(座)仰拱、铺底损坏(座)坍方落石(座)失格座数/失格率(％)陇海2328013433207/89.2成昆276170582836235/85.1襄渝4002248811786333/83.8阳安1489248318122/82.4宝成3446617437267/77.6贵昆18063323431134/74.4焦柳436952748195/44.7京原1281941683/64.8襄黔319333435117/36.7(2)公路隧道公路隧道普遍存在渗漏水现象，20世纪60年代以前修建的隧道大多未作防水处理，渗漏水问题突出。近年来一些新建的公路隧道，也存在较严重的渗漏水。公路隧道渗漏水已被列为公路工程十大通病之一。公路隧道内以内燃机动车为主，废气、有害气体排放量大，通风不良引起的洞内空气污染问题普遍存在口另外，由于照明设计或运营管理不善，隧道内部亮度及照度达不到规范要求，导致交通事故。这些问题极有可能引发灾难性的火灾事故。(3)地铁隧道一般来讲，采用盾构法施工的单洞圆形地铁隧道，每环衬砌由５～７块管片组成，每一环的接缝长度约为20～30m，在饱和软土中的隧道，受盾构施工工艺、地铁运营循环载荷、土质分布不均等影响，在水头压力作用下，渗漏水是目前地铁隧道的通病，随着服务期限的增加，其他病害也会出现。除此之外，地铁隧道人流密集，通风不良引起人的感觉不适；火灾引发重大伤亡事故的威胁始终存在。4、隧道病害防治防治要点:1、预防为主2、早期发现3、及时维护4、对症下药2隧道的水害及其防治一、隧道水害的类型及其成因1、类型(1)按部位和流量：拱部有渗水、滴水、漏水成线和成股射流四种，边墙有渗水、淌水两种，少数隧道有隧道涌水病害。它受漏水、涌水规模以及隧道结构、牵引类型、地质条件等的影响。(2)按水源补给情况，又分为地下水补给和地表水补给两种。2、成因修建隧道，破坏了山体原始的水系统平衡，隧道成为所穿过山体附近地下水集聚的通道。当隧道围岩与含水地层连通，而衬砌的防水及排水设施、方法不完善时，就必然要发生隧道水害。也可归结为客观和主观两种因素：(1)隧道穿过含水的地层(2)隧道衬砌防水及排水设施不完善二、隧道防水原则隧道防水要“防患于未然”，首先从设计做起，要在水文地质调查的基础上，从工程规划、结构设计、材料选择、施工工艺等方面进行合理设计。防水设计应考虑地表水、地下水、毛细管水等的作用，以及由于人为因素引起的附近水文地质改变的影响。防水设计要遵循隧道防水原则，定级准确、方案可靠、施工简便、经济合理。隧道与地下工程防水设计内容包括:(1)防水等级和防水方案；(2)防水混凝土的抗渗等级和其他技术措施、质量保证措施；(3)其他防水层选用的材料及其技术指标、质量保证措施；(4)工程细部结构的防水措施，选用的材料及其技术指标、质量保证措施；(5)工程的防排水系统，地面挡水、截水系统及工程各种洞口的防倒灌措施。优点缺点以防为主水害少成本高，施工复杂以排为主工程简单，投资节约水害多，发展快，影响行车安全洞顶地表水枯竭地表土坍塌、下沉不同防水观念优缺点地下工程防水方案工程部位主体内衬砌施工缝内衬砌变形缝、诱导缝防水措施复合式衬砌离壁式衬砌、衬套贴壁式衬砌喷射混凝土外贴式止水带遇水膨胀止水条防水嵌缝材料中埋式止水带外涂防水材料中埋式止水带外贴式止水带可卸式止水带防水嵌缝材料遇水膨胀止水条防水等级一级应选1种－应选2种应选应选2种二级应选1种应选1～2种应选应选1～2种三级－应选1种应选1～2种应选宜选1种四级应选1种宜选1种应选宜选1种3隧道衬砌裂损及其防治衬彻裂损变形的主要危害：(1)降低衬砌结构对围岩的承载能力；(2)使隧道净空变小，侵人建筑限界，影响车辆安全通过；(3)拱部衬砌掉块，影响行车和人身安全；(4)裂缝漏水，造成洞内设施锈蚀，道床翻浆，严寒和寒冷地区产生冻害；(5)铺底和仰拱破损，基床翻浆、线路变形、危及行车安全，被迫降低车辆运行速度，大量增加养护维修工作量；(6)在运营条件下对裂损衬砌进行大修整治，施工与运输互相干扰，费用增大。1、隧道衬砌开裂的类型⑴纵向裂缝：纵向裂缝平行于隧道轴线，其危害性最大，发展可引起隧道掉拱、边墙断裂甚至整个隧道塌方。1、隧道衬砌开裂的类型（2）环向裂缝：主要由纵向不均匀荷载、围岩地质变化、沉降缝等处理不当所引起，多发生在洞口或不良地质地带与完整岩石地层的交接处口环向裂缝斜向裂缝1、隧道衬砌开裂的类型（3）斜向裂缝：一般和隧道纵轴呈45°左右，也常因混凝土衬砌的环向应力和纵向受力组合而成的拉应力造成的，其危害性仅次于纵向裂缝。环向裂缝斜向裂缝顺序裂纹种类占裂缝长度的比例(％)部位占裂缝长度的比例(％)1纵向裂纹79.3拱腰纵裂边墙纵裂拱脚纵裂拱顶纵裂64.719.912.23.222斜向裂纹4.9拱部、边墙3环向裂纹14.1拱部、边墙隧道混凝土衬砌裂缝情况调查统计表按隧道衬砌受力变形形状和裂口特征分类表顺序裂纹种类隧道棍凝土衬砌受力变形形态和裂口特征1衬砌受弯张口形变形常见在拱腰部位，边墙中部，衬砌承受较大的地层压力作用，衬砌受弯向内位移，内缘拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，而发生张口型裂纹2内源受挤压闭口形裂纹常见在对应于两拱腰发生较严重的纵向张裂内移地段的拱顶部位，出现闭口型纵裂，衬砌向上位移。其中较严重处，拱顶内缘在高挤压应力作用下发生剥落掉块3衬砌受剪错台型裂纹偶见拱腰部位衬砌，在其背后局部松动滑移围岩的推力作用下，沿水平工作缝较薄弱处，有一侧的衬砌变形突出，形成错台型裂纹4收缩性环向裂纹多见在隧道靠洞口地形，受气温变化影响较大，混授土衬砌环向施工缝出现收纸性裂纹衬砌裂损受力特征2、衬砌开裂的描述与观测计(一)开裂的描述（1）隧道衬砌部位划分（5部分14部位）(2)裂缝宽度与分级裂缝开裂宽度在缝口处沿垂直裂面方向量取。缝宽δ按大小分为四级：(1)毛裂缝(又叫发丝)δ≤0.3mm(2)小裂缝0.3mm＜δ≤2mm(3)中裂缝2mm＜δ≤20mm(4)大裂缝δ＞20mm(3)裂缝间距具有走向大致相同的相邻裂缝间距，用以表述衬砌破碎程度，一般宜取每一个节段单位来分析，前者为水平错距，后者成为垂直错距。衬砌错台示意图(4)裂缝密度裂缝密度是表述衬砌裂损的另一种形态指标，分为节段裂缝密度和节段局部裂缝密度。SSddbbbSS节段裂缝密度节段局部裂缝密度(二)衬砌裂损的检测（1）衬砌变形观测衬砌变形观测1－钎钉；2－垂球；3－固定点(二)衬砌裂损的检测（2）裂缝观测A灰块测标观测灰块测标1－裂缝；2－油漆划线(二)衬砌裂损的检测（2）裂缝观测B钎钉测标钎钉测标(二)衬砌裂损的检测（3）金属板测标观测(三)裂缝宽度与深度的检测裂缝宽度和深度是判断开裂程度的重要依据，现场测量裂缝宽度一般采用裂缝插片尺和裂缝观测仪，南京水利科学研究院采用自制的裂缝尺测量裂缝宽度。测量裂缝深度一般采用超声波探测仪。(四)衬砌背后空洞与密实性检测诊断方法与原理1、直接法：肉眼观察结合钻孔检测2、声学法：撞击回波法3、物探法：地质雷达、地震CT4、光学法：激光扫描5、电学法：瞬变电磁法直接观察法原理直接观察法原理撞击回波法机械应力脉冲反射原理，通过在混凝土等结构物表面敲击的办法，用电脑分析敲击反射回来的波形，从而分析结构内部的病害情况。地震CT技术原理•通常，探测器所接受到的射线信号的强弱，取决于该部位截面内组织的密度。密度高的组织吸收X线较多，探测器接收到的信号较弱；密度较低的组织吸收X线较少，探测器获得的信号较强。这种不同组织对X线吸收值不同的性质可用组织的吸收系数μ来表示，所以探测器所接收到的信号强弱所反映的是地质结构不同的μ值。而CT正是利用X线穿透工程体后的衰减特性作为其诊断疾病的依据。地震CT技术原理X线衰减规律通过电子计算机运算列出人体组织受检层面的吸收系数，并将之分布在合成图象的栅状阵列即矩阵的方格（阵元）内。矩阵上每个阵元相当于重建图象上的一个图象点，称为像素。CT的成像过程就是求出每个像素的衰减系数的过程。如果像素越小、探测器数目越多，计算机所测出的衰减系数就越多、越精确，重建出的图象也就越清晰。dμeII0成像地质调查地震CT波速图像地震CT图像地震成像地质雷达波速图1地质雷达波速图2地质雷达成像技术地质雷达剖面图雷达分辨提高技术激光扫描技术原理激光扫描技术原理瞬变电磁法基本原理：利用不接地回线或接地线源向地下发送一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场的间歇期间，用线圈或接地电极观测二次涡流场的方法，以取得地质构造数据。瞬变电磁仪采用高精度宽带程控运算放大器、高速十六位模数转换器、高速双口随机存储器等进口先进器件，并利用双极性同步采样、对工频相干采样、弱信号多点平均、信号迭加、瞬态干扰剔除等多种数据处理方法，以获取良好的勘探数据。瞬变电磁仪收发一体化，轻便小型，特别适于中浅层工程勘察及构造研究等现场使用。瞬变电磁仪器工程应用清水沟隧道三、衬砌开裂的原因分析(一)设计方面的原因隧道设计时，因围岩级别划分不准、衬砌类型选择不当，造成衬砌结构与围岩实际荷载不相适应引发裂损病害。(1)对一些具有膨胀性围岩地段，未采取曲墙加仰拱衬砌；(2)偏压地段未采用偏压衬砌；(3)断层破碎带、褶皱区等局部围岩松散压力或构造应力较大地段，衬砌结构未能相应采取加强措施;(4)对基底软弱和易风化泥化地段，未设可靠防排水设施，混凝土铺底厚度及强度不足。三、衬砌开裂的原因分析(二)施工方面的原因施工时，受技术条件限制，方法不当，管理不善，造成工程质量不良。如：(1)先拱后墙法施工时，拱架支撑变形下沉，造成拱部衬砌产生不均匀下沉，拱腰和拱顶发生施工早期裂缝。(2)拱顶与围岩不密贴，在“马鞍形”受力作用下，拱腰内移张裂，相应拱顶上移，内缘受挤压。(3)由于施工测量放线发生差错、欠挖、模板拱架支撑变形、坍方等原因，而在施工中未能妥善处理，造成局部衬砌厚度偏薄。(4)过早拆除模板支撑，使衬砌承受超容许的荷载，易发生裂损。(5)施工质量管理不善，混凝土材料检验不力，施工配合比控制不严，水灰比过大，混凝土捣实质量不佳，拱部浇注间歇施工形成水平状工作缝等，造成衬砌质量不良，降低承载能力。四、衬砌开裂的预防和整治(一)预防措施加强地质勘探工作，为隧道衬砌结构设计提供准确的工程地质与水文地质资料。采用地质雷达探测、开挖面超前钻探等方法进行超前地质预报，加强施工中的地质复查核实工作，正确选择施工方法和衬砌断面。对不良地质地段衬砌，应贯彻“宁强勿弱，宁曲勿直，加强衬砌过渡段，宁长勿短”的设计原则。例如，衡广复线某隧道原设计200多米长的Ⅲ级围岩地段，开挖后发现绝大部分只能算作VI级围岩，出入甚大，因而设计所选用的衬砌类型也就