隧道衬砌开裂及渗漏水防治指导意见

1隧道衬砌开裂及渗漏水防治指导意见隧道衬砌损伤破坏是动态发展的过程，衬砌裂纹是诱因，不及时处置，随着裂纹进一步发展，衬砌将出现压溃错台、崩落掉块直至坍塌破坏。隧道混凝土衬砌开裂原因很多，也很复杂。有受围岩变形压力或不均匀沉降、由于材料收缩变形如温度收缩、干缩等原因引起的裂缝，有施工工艺技术和养护不当原因，以及受到外部作用力等因素。对各种导致隧道衬砌裂缝因素，其产生的机理不同，在实际工程中要区别对待，并采取恰当的治理措施。一、衬砌裂缝分类1、按裂缝宽度分类隧道衬砌裂缝开裂宽度在裂缝口处沿垂直方向量取，裂缝宽度6按大小分为四级:表1裂缝按宽度分类表2、按对结构功能影响分类结构性裂缝:由外荷载(静、动荷载)直接应力引起的裂缝和次应序号分类裂缝宽度1毛细裂缝W≤0.3mm2小裂缝0.3mm＜W≤2mm3中裂缝2mm0.3＜W≤20mm4大裂缝W＞20mm2力引起的裂缝,包括压裂性裂缝、拉裂性裂缝、剪切性裂缝。非结构性裂缝:由变形变化引起的裂缝,包括结构因收缩膨胀、温度湿度变化、不均匀沉陷、化学腐蚀和施工工艺等因素引起的裂缝。3、按裂缝走向分类隧道衬砌裂缝根据裂缝走向及其和隧道纵轴方向的相互关系，分为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝三种。（1）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，甚至引起整个隧道塌方。纵向裂缝分布具有拱腰部位比拱顶多，双线隧道主要产生在拱腰，单线隧道主要产生在边墙的规律。从受力分析来看，隧道拱顶混凝上衬砌一般是内侧受压形成内侧挤压混凝上衬砌开裂、剥落掉块;拱腰部位主要是混凝土衬砌内侧受拉张开;拱脚部位裂缝则会产生衬砌错动，导致掉拱可能;边墙裂缝常因混凝上衬砌内侧受拉张开而错位，会使整个隧道失稳。（2）环向裂缝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。（3）斜向裂缝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。4、按衬砌受力变形形态和裂口特征分类3按隧道衬砌变形形态和裂口特征分类，主要分为衬砌受拉张口型裂纹、内缘受挤压闭口型裂纹、衬砌受剪错台型裂纹、收缩性环向裂纹等四种，见表2。表2按隧道衬砌受力变形形态和裂口特征分类表当拱腰和边墙中部出现两条以上粗大的张裂错台，并与斜向、环向裂纹配合，衬砌被切割成小块状时，极易造成结构失稳、发生坍落掉块。5、按裂缝产生的原因分类种类衬砌受力变形形态和裂口特征衬砌受拉张口型裂缝常见在拱腰部位，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，支护结构不均匀沉降也导致受拉张口型开裂内缘受挤压闭口型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，出现闭口型纵向裂缝，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快衬砌受剪错台型裂纹偶见拱腰部位衬砌，在衬砌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，形成错台型裂缝收缩性环向裂纹多见在隧道靠近洞口地形，受气温变化影响较大，混凝土衬砌环向施工缝出现收缩性裂缝4按隧道衬砌裂缝产生的原因分类，裂缝可分为:界面裂缝（主要有干缩裂缝、温度裂缝等），以及外荷载作用产生的变形裂缝等。二、隧道衬砌裂缝产生机理1、衬砌外力作用衬砌外力作用是指由于围岩及环境的变化而施加在衬砌上的作用力变化。(l)松驰压力。由于风化及水的作用使围岩强度降低以及拱顶有空洞等原因，围岩松驰压力会逐步发展，在拱顶沿纵向发生张开性裂缝。若上部空洞较大，空洞上部的岩块可能与围岩分离而掉落，对衬砌产生冲击，严重者会导致隧道衬砌崩塌式破坏。(2)偏压。产生偏压的情况有多种。有地形上的，如斜坡地貌;有地质上的，如围岩倾斜;还有滑坡造成的。其它因素如:地面挖方、坡面坍塌以及水位上升或急剧降低等也会形成偏压。即使是很小的偏压，也会使隧道衬砌产生开裂。偏压导致的裂缝特点是:主动土压力作用侧的拱肩产生纵向的开口开裂，被动土压力侧的拱肩产生龟甲状开裂与斜向开裂，拱和墙的接缝处会产生错台。(3)膨胀性土压。膨胀性土压是由风化围岩和含有粘土矿物围岩的体积膨胀所引起的，从现象上说，围岩的塑性变形也可包含在内。膨胀性土压随时间长期增长，是很大的土压。一般会引起隧道边墙或拱肩水平开裂，有接缝时会产生错台，拱顶有空洞时，衬砌会上抬，造成拱顶部局部压溃。(4)水作用力。此处包括水压力与因水引起的冻胀力。通常隧道5几乎不考虑水压的作用，但由于连续的大雨积水渗透加上排水系统不畅，将使隧道受力处于极限平衡状态。引起隧道从拱部到边墙的水平裂缝，同时还有环状开裂。在寒冷地区，背后的围岩冻结会产生冻结力，一直继续到融雪期，所以其变形是逐年积累的。衬砌冻结力在拱的下部到边墙的区域产生主动土压力，相应地使拱顶附近产生局部压溃。(5)温度应力。温度应力是由于隧道衬砌混凝土的干缩与温缩变形受到约束引起的。混凝土是抗压性能远高于抗拉性能的材料，能抵抗温度上升时的压应力，却难以抵抗降温时的拉应力。一般混凝土只能承受的温降为7～10℃，所以常能在隧道轴线方向中看见环向裂缝。(6)不均匀沉降。隧道边墙脚处的承载力不足会造成隧道的不均匀下沉。承载力不足引起的隧道开裂有几种模式:在隧道纵向发生不均匀下沉时，隧道边墙的接地部发生垂直开裂，并逐渐形成环形开裂;在隧道横向发生不均匀下沉时，在拱部产生纵向开裂;重力式或半重力式的端墙多采用与洞口部分离的结构，洞口部的承载力不足时，洞门端墙将前顷，洞口部的拱部将产生环状开裂，路面也会开裂。(7)其他荷载作用。受车辆荷载或地震等动荷载的影响，衬砌混凝上会发生疲劳破坏而产生裂缝。2、施工工艺与质量控制(l)隧道底部虚碴和衬砌背后空洞是引起衬砌开裂主要施工因6素。因施工过程中边墙角、仰拱、隧底处未清理或未夯实而留有虚碴，随着时间发展支护结构不均匀沉降必将导致衬砌被拉裂，甚至造成边墙与仰拱开裂脱落，底部翻浆冒泥。衬砌背后空洞造成支护结构受力不均，同时排水不畅形成水力聚集，随着松弛压力及水压不断增大最终也将导致衬砌开裂。(2)施工没有处理好施工缝、变形缝(温度缝、沉降缝)，因施工质量问题没有处理好而出现裂缝，它们主要表现为平行于隧道衬砌环，产生的主要因素是施工质量与混凝上结构本身等因素。(3)施工技术条件限制，施工质量管理松弛和不善，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工作缝，混凝土模板不平等因素，修成的隧道衬砌在施工缝处产生裂缝，以及衬砌混凝土表面产生蜂窝麻面等衬砌质量不良，降低承载能力。(4)由于施工方法和施工组织不当，在施工过程中各工序紧跟不上不能及时成环，如落中槽挖马口时拱部衬砌悬空段过长、支撑段长度过短，支撑的稳固条件和强度不足，都会造成不均匀沉降和拱脚内移，常在拱顶和拱腰处出现裂缝;施工浇注过快、衬砌脱模时间过早也会导致衬砌早期便产生纵向裂缝。(5)光面爆破不理想，欠超挖导致二衬砌厚度不均。局部欠挖致使断面局部应力过大而产生裂缝，局部超挖会导致灌注的衬砌混凝土与围岩不密贴，拱背部出现空洞，从而产生松弛压力，导致发生裂缝。(6)施工测量放线发生差错、欠挖、模板拱架支撑变形、塌方等7原因，造成局部衬砌厚度偏薄或衬砌结构受力不对称，降低了衬砌承载能力;(7)模筑混凝上衬砌拱背部位常出现拱顶衬砌与围岩不密贴的空隙，不及时回填密实，就形成拱腰承受围岩较大荷载，拱顶在一定范围存在空载，从而形成对拱部衬砌不利的“马鞍型”受力状态，正是导致拱腰内移张裂、相应拱顶上移、内缘受挤压等常见病害产生的荷载条件。3、结构设计因素(1)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而引起衬砌裂缝病害;(2)隧道穿过偏压地段时，没有采用偏压衬砌;(3)隧道穿过断层破碎带、褶皱区等局部围岩松散压力或结构力较大的地段，衬砌结构没有相应地采取加强措施;(4)基底软弱和易风化围岩地段，未设可靠防水设施，混凝土铺底厚度及强度不足，使得隧道发生不均匀沉降。4、水文地质因素地质因素对隧道衬砌裂缝的产生有很大影响。地质因素是一些纵向裂缝和斜向裂缝产生的主要因素。地质因素包括水的作用、复杂地质条件，如地震带、断裂带、滑坡及偏压等等。纵向裂缝和斜向裂缝大多数出现在进出口处，进出口处衬砌裂缝主要是由于偏压、滑坡、水的作用等地质因素产生的。5、衬砌材质的劣化8(l)经年劣化。指与衬砌混凝土随时间而发展的劣化。主要是混凝土碳化，混凝土碳化会损伤混凝土的密实性，从而降低其强度，从而可能产生裂缝。(2)冻害。在寒冷地区，冻害是衬砌劣化的主要原囚，冻害不仅使混凝土产生麻面，还有混凝土表面剥落。(3)水。衬砌背后的地下水，有时含有对衬砌有害的成份，特别是其呈酸性时，是衬砌劣化的主要原因。三、衬砌裂缝安全性评判1、裂缝调查监测通过详细的现场裂缝调查,采用拍照、摄像、现场监测等多种方式，得到裂缝种类、裂缝部位以及裂缝宽度和裂缝程度级别的统计结果，为裂缝原因分析、安全性评判及合理制定防治措施提供资料支撑。通过持续的现场监测，判断裂缝是否稳定或继续发展中，裂缝处置后也要继续观测一定时间，确定处置措施是否有效。2、安全性评判衬砌裂纹对结构安全影响评价，是通过衬砌裂缝安全性评判确定的。隧道衬砌裂缝安全性评判具体步骤及标准，可参考《公路隧道养护技术规范JTGH12-2003》实施。四、衬砌渗漏水原因及危害1、渗漏水原因衬砌渗漏水是衬砌存在缺陷和围岩含水的综合反映，当地层中地下水通道被隧道截断，隧道支护结构周边就形成了地下水汇集处，处9于此种环境中的隧道由于各种原因存在，隧道必然会出现渗漏水。（1）不良地质环境隧道穿越漂卵石类土、节理发育的岩层、溶洞、暗河等等。（2）衬砌开裂损伤衬砌纵向、环向、斜向、月牙形裂缝处等渗漏水（3）结构自身缺陷防排水设计：勘察不详细、防排水材料性能差、混凝土抗渗等级低、防排水措施不完善；防腐蚀设计：衬砌未作防腐设计，衬砌腐蚀破坏而漏水。（4）施工不良材料：骨料污染、拌合不良、水灰比控制不良工艺：捣鼓不良、模板漏浆、背后空洞、三缝处理不良2、衬砌渗漏水类型衬砌渗漏水多发生在衬砌裂损、衬砌质量不良、施工缝、沉降缝、伸缩缝等薄弱部位。衬砌渗漏水按出水量大小和形态，通常分为渗水、滴水、淌水及冒水。3、渗漏水危害在电力牵引区段，拱部漏水，会造成接触网跳闸、放电漏电，影响安全运营，造成人身伤害。在寒冷和严寒地区，隧道漏水会造成边墙结冰、拱部挂冰，侵入限界，影响隧道正常使用，还会造成衬砌冻胀裂损和洞内线路冻胀起伏不平等病害。在洞内线路排水不良地段，造成土质和软岩地基翻浆冒泥，整体道床下沉裂损病害，冒水多发生10在衬砌及隧底，隧底的冒水易引起底板上拱。另外，环境水中含有侵蚀性介质，造成衬砌混凝土和砂浆腐蚀损坏，降低衬砌支撑能力，影响结构安全。五、衬砌开裂及渗漏水的防治1、预防(l))隧道施工方面。加强施工中的地质复查核实工作，如对地质变化复杂地段通过地质雷达探测、开挖面超前钻探等方法进行超前地质预报。对开挖暴露后的围岩情况与设计不符，要及时与设计沟通，做好设计变更，选择正确的施工方法。(2)二衬混凝土材料改善。二衬混凝土失水收缩和温度差产生的温变是导致隧道二衬裂缝的重要原因。首先要严格控制施工配合比，特别是水灰比。通过合理添加膨胀剂等外加剂，可有效降低二衬混凝土温缩和失水收缩，提高二衬的抗裂缝能力。(3)尽可能采用先进的施工技术设备，尽量减少施工对围岩的扰动，提高衬砌质量。施工中可采用光面爆破，锚喷支护，提高混凝土衬砌的抗裂、抗渗性能，采用模板台车进行模筑混凝土，进行壁后注浆提高混凝土衬砌与围岩之间的密实性。严格控制超欠挖，保证二衬结构厚度的均匀性。避免拆模过早，保证二衬早期强度。(4)对地质预测预报有大量涌水的软弱地段开挖后如有渗漏水或大股涌水时，宜采用超前预注浆，当初期支护表面有超出设计允许的渗漏时时，应用回填注浆或径向注浆进行处理，二衬后有渗漏水时应采用衬