隧道病害的分析及综合整治技术研究

隧道病害的分析及综合整治技术研究第一章国内外现状及发展趋势随着我国交通运输业的迅速发展，运营隧道的数量也越来越多，截止1998年，仅铁路部门已有隧道5200座，总长计2500多公里。然而，由于历史及各方面的原因，现在运营隧道中有75%以上存在不同程度的病害，影响铁路的正常运营。据1997年对铁路0隧道状态检查统计表明，截止1997年底，全路有3270座隧道病害严重，必须进行大修的隧道，占总数的65%。公路隧道的情况也大致如此。按照铁路工务部门对隧道病害分类的有关规定及统计资料，目前隧道病害主要表现在：严重渗漏水、结构衬砌的腐蚀裂损、仰拱或铺底的变形损坏，共占隧道病害的75%以上。这些病害中，衬砌的腐蚀裂损造成的结构侵限、仰拱或铺底的变形损坏造成的季节性和非季节性翻浆冒泥，直接危及行车安全，制约着列车的运行速度，阻碍正常的交通运营，给国民经济造成了严重的损失。贯穿中国东西的大动脉——陇海铁路，病害隧道就有207座，占整个铁路运营隧道的89.2%，成为整个干线运营的瓶颈。近年来，铁路列车多次大幅提速只能在京广、京沪、京哈等干线进行，其它干线因病害隧道太多，维修干扰而只能小幅提速或根本无法提速。目前国内运营隧道的病害，产生原因有以下几种：第一，设计原因而造成的先天不足，如早期修建的陇海、宝成、成昆等线路，因经验不足，盲目照搬国外，在选线时为缩小隧道长度而洞口处理不当导致边坡失稳；忽略了列车运行时对隧底的破坏作用，仰拱或铺底设计强度不足造成隧道变形裂损；排水沟深度不足导致隧底排水不畅而产生道床翻浆冒泥。第二，施工质量低劣。如施工单位不按设计和规范施作防水设施造成结构渗漏；施工中因隧道围岩稳定性好而忽略仰拱或铺底的质量，特别是清底工作得不到重视而影响铺底的质量；监理不力，隐蔽工程和混凝土工程不能按规范施工而导致结构缺陷。第三，特殊地质条件下高难度技术问题解决不当，为隧道日后运营埋下隐患。第四，随使用年限的延长，衬砌材料劣化变质。第五，高寒地区的冻害，造成衬砌结构裂损破坏。第六，在煤层地区，由于采煤形成空区，引起隧道围岩应力重分布，使围岩失稳，导致结构裂损破坏。在长期的铁路隧道病害整治工作中，各路局工务部门通过多年的探索，已掌握了一套行之有效的病害治理办法和治理标准。但是由于资金不足及行车的需要，目前病害治理的方法仍然停滞在突击式局部修补，仅能满足临时行车的需要，而不能达到根治的目的。这主要是由于：第一、对病害发生的机理认识不清；第二、病害对结构的危害程度和行车提速的影响评价不准；第三、受资金和技术等客观条件制约，工艺、材料比较落后；第四、整治方法和施工组织上存在不足。因此，国内铁路运营的长远发展，必须从彻底根治既有病害隧道，使病害治理从现有的盲目性和局部突击性向系统化、标准化方向发展，形成科学合理的工法体系。第二章隧道病害原因分析隧道病害类型主要有渗漏水；结构恶化产生病害，包括衬砌开裂、变形、片块剥离以及大块坍落；基底隆起、边沟变形和塌陷，底板破裂、翻浆冒泥等几种。2.1隧道产生渗漏的原因分析2.1.1隧道开挖对地下水的影响根据水力学和水文地质学原理，地下水的流动，有其固定的流线，从高压水位流向低压水位，但由于隧道的开挖，将引起围岩应力释放和重分布，从而改变围岩的力学特性和泾流路线，使周围水向隧道内汇集和积聚，给衬砌及底部渗漏水留下隐患。隧道开挖影响范围的大小与地层的渗漏系数、水位降深、过水断面大小有关，此外还受隧道周围溶洞、泉眼、水库或湖泊、江河的影响。2.1.2衬砌混凝土中的泌水管路浇筑混凝土时由于水灰比过大，在混凝土硬化过程中，由于多余的水分（不参与水化作用的游离水分）的蒸发，在混凝土中形成透水的开放性毛细泌水管路。2.1.3施工中的原因使混凝土中存在空隙（1）在混凝土拌合时，因拌合物和易性不佳，或因施工作业草率，以致混凝土质地不够均匀；或水泥浆未能与骨料表面很好粘结，如骨料表面被污染，水泥本身的内聚力超过了与集料的附着力，形成透水缝隙；或混凝土拌合物未能很好灌满捣实，从而产生疏松层或留下各种形状的缝隙与孔洞。（2）衬砌混凝土材料中有杂物，腐烂后形成缝隙或孔洞。特别是在两环混凝土接缝部位，由于挡头板未拆除干净，腐烂后形成缝隙而漏水。（3）灌筑衬砌混凝土的工作缝未加处理或处理不当，产生接合不严的漏水缝隙。（4）先拱后墙法施工的拱墙连接部位处理不当而产生漏水。（5）变形缝止水带安设不规范或未安设止水带而漏水。（6）石衬砌或混凝土砌块衬砌的灰缝不密实而漏水。2.1.4衬砌混凝土的化学腐蚀衬砌周围的天然水对衬砌混凝土有腐蚀性。常见有溶出性、碳酸性、一般酸性、硫酸盐性和镁盐性的腐蚀等。这些腐蚀可能造成漏水孔隙，严重时将造成混凝土结构的破坏。2.1.5内应力作用使衬砌产生裂隙如施工方法不当，或拆模过早，或围岩压力过大超过设计荷载等，都能使衬砌内应力超过破坏强度而导致裂缝。如果隧道不设变形缝，当温差超过7~10℃时，混凝土可能因不能承受温度应力而产生裂缝。2.1.6防水板安装不规范，未以很好地处理防水板的接缝和破损部，导致渗水，排水管路堵塞。按施工规范，防水板不能有孔洞，如因锐器戳破，则要修补完好。上下搭接采用上压下，并且上下连接部位要粘好，而在施工中操作上的不规范，往往导致以上环节不能保证，使防水板不能很好地达到预期效果。在半封闭结构中，往往设计有盲管等排水设施，但是，地下水中所含矿物质较多，随时间推移，水中离析出来的矿物质会附着在管壁上，逐渐堵塞管路，造成排水不畅，结构背后水位升高，压力增大，最后从结构薄弱部位漏水。2.2隧道衬砌结构恶化原因分析隧道衬砌结构恶化是指隧道衬砌开裂变形、片块剥离以及大块坍落。导致结构恶化有多方面原因，概括起来有如下几种：2.2.1水文地质与工程地质原因（1）在软弱围岩地区，由于地下水的作用，使隧道围岩软化，从而使隧道衬砌因承受偏压或过大压力而裂损。（2）由于地层偏压，而施工中未采取相应对策导致衬砌开裂。（3）古滑坡复活、山体滑移等原因导致隧道衬砌开裂。2.2.2设计方面的原因选线时，应避开不良地质地段，实际施工中往往做不到这些，或是在不良地质地段的设计不尽合理，使隧道衬砌结构不能有效抵坑围岩压力而产生损坏，在运营中形成病害。2.2.3施工方面的原因这是隧道生产病害的普遍原因，国内几乎所有产生病害的隧道都在施工方面存在问题。（1）初期支护强度不足。根据新奥法的施工原理，围岩压力主要由初期支护承担，如初期支护强度不足，就会使二次衬砌所受到的围岩压力超出其承受能力，导致二次衬砌裂损破坏。（2）二次衬砌厚度够，强度不足。这是隧道衬砌结构裂损的常见原因。很多施工单位为片面追求利润而忽视了施工质量，致使衬砌结构厚度不按设计要求施作，如果衬砌结构厚度不足，自然不能有效抵御外力而破坏；此外，如混凝土强度不能满足要求，也会由于不能有效抵抗外力而裂损。（3）二次衬砌厚度不均匀，衬砌混凝土拱顶背后存在空洞，特别是人工混凝土，这种现象就更突出，如在施工完成后又未注浆充填，受到围岩压力时，就容易在衬砌的薄弱部位和拱顶部位产生应力集中，使衬砌开裂。2.2.4人为因素（1）在隧道安全区内采石取土，影响隧道围岩的稳定，导致隧道受到较大偏压而破坏。（2）隧道穿越煤层地区时，由于采煤形成的采空区，对隧道安全产生影响。由于煤层产状不同，与隧道的空间位置不同，对隧道的结构产生的影响也不同：①在隧道上方的采空区，一般不会对隧道安全产生影响。②在隧道下部，水平产状，时间较久的采空区，由于已经闭合，一般不会对隧道产生影响，只有当采空区离隧道基底很近，施工中又未采取措施，才有可能产生较严重的问题。③在隧道下部，水平产状，刚形成不久的采空区，由于顶板的继续冒落，可能导致隧道基下沉，使隧道结构产生开裂。④倾斜产状，已经闭合，充填密实的采空区，不会对结构安全成影响；如果是存在空洞的采空区，由于其上盘仍处于向下盘靠拢的活动状态，施工中又未采取措施，必然引起结构裂损。2.2.5气候因素高寒地区，衬砌混凝土由于经过多次的冻融循环，产生了一些微细裂纹，如对衬砌背后积水未作处理，将造成衬砌混凝土冻胀开裂渗漏水，而排水沟结冰无法满足排水要求造成基底积水，进一步结冰而造成线路不均匀隆起。同时渗水又加强了冻融对衬砌结构的破坏，使隧道衬砌结构进一步破坏，形成恶性循环，最终导致衬砌完全破坏。这些现象在日本及我国东北地区较多见。2.2.6列车动载如果施工中浇筑底板混凝土前基底未清理干净，或混凝土强度不足，在列车动载作用下，可导致底板混凝土破裂。2.3基底隆起、边沟的变形和塌陷，底板破裂，翻浆冒泥基底隆起、边沟的变形和塌陷，底板破裂，翻浆冒泥的主要诱因是隧道排水系统不完善，道床集水，产生道床集水的主要原因有以下几种：（1）盲管设置不合理或被泥、砂堵死，隧道建成后无法正常排水，使隧道内地下水位升高，造成隧道渗漏水。（2）“三缝”、结构连接部位或混凝土缺陷部位未严格按有关规范或规则施作或未作处理。混凝土“三缝”、结构连接部位、混凝土缺陷部位是防水的薄弱部位，从材料规格、性能、施工工艺及质量检验，均应严格把关，稍有疏忽便会造成隧道渗漏。（3）施工质量差，隧道结构强度不足而开裂渗水；隧道超挖部分采用弃碴回填，有些铺底也用弃碴作材料，使隧底成为较弱地基，同时因回填度不均匀，易引起隧底开裂。而在钢轨接头部位，受到车轮冲击力比一般部位大5~10倍，使钢轨接头部位更易产生开裂和翻浆冒泥。（4）排水沟深度及宽度不够许多隧道基床翻浆冒泥是由于排水沟深度或宽度不够造成的，现行的排水沟，对于有仰拱的隧道水沟底一般在仰拱以上，无仰拱的隧道水沟底一般在内轨顶面以下100cm左右，（在铺底混凝土底面以下20~30cm），且水沟宽度一般在30~40cm，这对于无水地段或含水量比较小的地段而言，此种形式的水沟能满足排水要求，但对于地下水比较丰富，含有压水的地段，现行的排水沟太浅，难以有效的疏导铺底与基岩之间的积水，在列车动荷和毛细作用下，地下水上升，造成铺底或仰拱混凝土破碎，泥浆挤出，形成翻浆冒泥。（5）石灰岩道碴，由于其质地比较软，韧度较低，磨耗率大，在运营中出现道床硬结，污脏现象严重，容易引起排水通道阻塞，道床积水。由于道床集水，软弱的隧底围岩中的粘土矿物及来自耐磨较差道碴的岩屑，在列车振动和冲击下液化，液化物在列车的冲击作用下，从破裂的道床和道碴的空隙中被抽吸出来，从而在道床里形成空洞，成为泥浆的集散地。空洞的产生使道床的恶化速度加快，加大道床恶化的面积，严重影响列车运营安全。第三章隧道病害治理技术的分类根据隧道病害种类，可将病害整治技术分为：（1）隧道裂缝及渗漏水治理技术；（2）隧道注浆加固技术；（3）衬砌结构锚固加强技术；（4）结构套衬补强技术；（5）结构拆换技术；（6）基底隆起、边沟的变形和塌陷，底板破裂，翻浆冒泥的整治。下面分别予以阐述。第四章隧道病害裂缝及渗漏水治理技术4.1裂缝及渗漏水主要产生的部位据1979年日本原国铁对隧道渗漏水实际情况的调查，水平接缝渗漏水占13%，而大部分渗漏水点在拱部，占49%，其中有冻害隧道约占30%。这些隧道多是战前修建的，1979年后，因采用了新奥法施工，病害隧道的比例和数量大减少。我国隧道渗漏水部位主要有：混凝土“三缝”、隧底、结构连接及缺陷部位等。隧道施工过程中的施工接缝，防止隧道因沉降、伸缩破坏而施作的变形缝及衬砌混凝土裂缝，俗称“三缝”，是隧道防水的薄弱环节。隧道二次衬砌施工过程中环与环之间的环间缝，拱墙间的纵向缝以及由于灌注混凝土过程中的停顿而留下的水平或斜向缝均为施工缝，施工缝的施工方法有规范有严格规定，但由于材料选择不合理或施工工艺不合要求，往往留下渗漏水的通道。变形缝是为防止结构不均匀变位而设计的，但由于施工质量不合格或结构变位过大，很容易渗漏水。混凝土裂缝在隧道中也比较常见，由于砂石料或外加剂不合格、配比不合理、灌捣不密实、养护时间不足以及温度变化过大均会产生裂缝，一旦裂缝深度接近或达到衬砌厚度，就可能产生渗漏。二次衬砌混凝土的蜂窝麻面及锚钉孔、螺栓孔、穿墙管等，未按要求认真进行处理，也容易成为渗漏水的主要通道。4.2裂缝的分类（1）根