隧道病害及处理

隧道病害及处理1.1隧道病害分级1.1.1衬砌开裂的分级1.1.2渗漏水的分级1.1.3衬砌剥落、剥离的分级1.1.4衬砌材料劣化的分级1.1.5衬砌变形、移动、下沉的分级1.1.6其它病害的分级1.1.1衬砌开裂的分级1.1.1.1根据裂缝的宽度分级1.我国《铁路工务技术手册-隧道》分为四级,毛裂纹(≤0.3mm)、小裂纹(0.3～2mm)、中裂缝(2～20mm)、大裂缝(20mm)。2.美国《铁路交通隧道和地下建筑物检查方法和程序》将隧道裂缝从定性的角度分为轻度的、中度的、重度的三个等级。3.美国《公路和铁路交通隧道检查手册》对非预应力混凝土衬砌,裂缝分为轻度的(≤0.8mm)、中度的(0.8～3.2mm)、重度的(3.2mm)三个等级;对预应力混凝土衬砌,裂缝宽度超过0.1mm就认为是重度的,不超过0.1mm是中度的。4.我国《铁路隧道设计规范》规定,钢筋混凝土衬砌结构构件,按荷载基本组合所求得的最大裂缝宽度不应大于0.2mm。5.李治国参考设计资料、调查资料、统计资料和整治经验,将隧道裂缝宽度影度分为四级,即轻微影响(0.2mm)、较小影响(0.2～0.3mm)、较大影响(0.3～0.5mm)、严重影响(≥0.5mm),并利用断裂力学的方法研究了裂缝对隧道稳定性的影响。1.1.1.2根据裂缝的宽度和长度分级我国铁路隧道衬砌开裂分级。AA(极严重):长度L10m,宽度a5mm,且变形继续发展,拱部开裂呈块状,有可能掉落;A1(严重):L为5～10m,但a5mm;开裂使衬砌呈块状,在外力作用下有可能崩塌和剥落;B(较重):L5m且5mm≥a≥3mm;裂缝有发展,但速度不快;C(中等):L5m且a3mm;D(轻微):一般龟裂或无发展状态1.1.1.3根据图像分级。LiuZhiwei将裂缝探测得到的图像进行处理,通过分析图像将裂缝检测结果分为有裂缝、无裂缝、中间状态三种情况。该方法中所用的裂缝图像是用裂缝探测仪器检测得到的,检测结果比用人工检查更准确,但由于该分级体系是通过对图像处理中的附图分析后得到的,因此还需要对大量图像的分析1.1.2渗漏水的分级1.在我国的铁路隧道养护工作中根据渗漏水程度将渗漏水定性的分为润湿、渗水、滴水、漏水、射水、涌水六级。2.日本《道路隧道维持管理便览》将隧道渗漏水程度定性的分为渗出、滴水、流出、喷出四级,并且根据渗漏水的程度和渗漏水部位(拱部和边墙两个部位)将渗漏水对隧道的影响也分为四级。3.美国《铁路交通隧道和地下建筑物检查方法和程序》将渗漏水从定性的角度分为轻度的、中度的、重度的三个等级。4.美国《公路和铁路交通隧道检查手册》中,对这个分级标准进行了量化,即轻度的(混凝土表面潮湿但无滴水)、中度的(流量小于30滴/秒)、重度的(流量大于30滴/秒)。5.我国《铁路工务技术手册隧道》(修订本)中,将环境水在五类侵蚀类型下对衬砌混凝土的侵蚀程度从定量的角度分为三级。6.我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准-隧道》中,从定性的角度将隧道渗漏水对隧道功能影响程度分为五级,并将渗漏水的pH值对隧道衬砌的腐蚀程度定量地分为四级。7.《地下工程防水技术规范》用定性描述和定量分级相结合地方法将隧道的防水等级分为四级。8.国外一种隧道防水分级方法,该方法按最大允许渗漏量从定量的角度将隧道防水等级分为七级,划分标准为,一级(肉眼看不出)、二级(1L/d/m2)、三级(3L/d/m2)、四级(13L/d/m2)、五级(30L/d/m2)、六级(100L/d/m2)、七级(不限制)。1.1.3衬砌剥落、剥离的分级日本铁路隧道根据落下的形状将剥落、剥离分为三级,即大于砖块大小定为危险级,与砖块差不多的定为迟早有危险级;与集料大小差不多的定为以后有危险级,判定时还应根据预计频率和线区列车密度来修正等级。日本《道路隧道维持管理便览》根据衬砌有无落下的可能将拱部的剥落分为危险(有落下的可能)、无影响(无落下的可能)两级,将边墙的剥落分为早晚有危险(有落下的可能)、无影响(无落下的可能)两级。在美国《公路和铁路交通隧道检查手册》中,剥落分为三级,即轻度的(表面砂浆流失深度小于6mm,可见到粗骨料)、中度的(表面砂浆流失深度达6～12mm,粗骨料间的砂浆也有流失)、重度的(砂浆和粗骨料均有流失,且深度达25mm以上);剥离也分为三级,即轻度的(混凝土剥离的厚度小于12mm,或直径达75～150mm)、中度的(混凝土剥离的厚度达12～25mm,或直径达150mm)、重度的(混凝土剥离的厚度超过25mm,直径超过150mm)。1.1.4衬砌材料劣化的分级日本铁路隧道和日本《道路隧道维持管理便览》采用衬砌有效厚度(有效厚度指抗压强度大于15MPa的部分)与设计厚的比值作为衬砌材料劣化程度的分级划分指标。日本铁路隧道的分级为,当比值小于1/2时,定为危险级;当比值为1/2～2/3时,定为迟早有危险级;当劣化范围是极小部分时,可降低一级。日本《道路隧道维持管理便览》的分级为,当比值小于1/2时,定为早晚有危险级;当比值为1/2～2/3时,定为将来危险级;当比值大于2/3时,定为无影响级。我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准-隧道》采用定量与定性相结合的方法将衬砌材料劣化程度分为五级。1.1.5衬砌变形、移动、下沉的分级日本铁路隧道以净空位移量测的变形速度为衬砌变形的判断指标,大于10mm/a或2mm/月为危险级,3～10mm/a可定为早晚有危险级,1～3mm/a可定为将来有危险级;当发展趋势是加速时,要提高1级。日本《道路隧道维持管理便览》的分级类似日本铁路隧道,以变形速度将衬砌的变形、移动、下沉分为四级,大于10mm/a为危险级,3～10mm/a可定为早晚有危险级;1～3mm/a可定为将来有危险级,小于1mm/a为无影响级。我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准-隧道》的分级也类似日本铁路隧道,但分为五级,增加了定性描述的极危险级,其它四级同日本道路隧道分级。1.1.6其它病害的分级冻害:我国《铁路桥隧建筑物劣化评定标准-隧道》从定性的角度根据冻害对隧道功能影响程度将冻害分为五级。鼓出:在美国《公路和铁路交通隧道检查手册》中,根据鼓出后产生的孔洞的直径将鼓出分为轻度的(直径不大于10mm)、中度的(直径为10～50mm)、重度的(直径为50～75mm)三级,当直径大于75mm时,鼓出就是剥离。基底翻浆冒泥:冯晓燕[15]从定性的角度将隧道基底翻浆冒泥的影响程度分为四级,即一级(基底未发生冒水、翻浆冒泥和沉陷)、二级(基底出现微小裂缝,有水冒出,但未冒出泥浆)、三级(底板开裂,有水和泥浆冒出,泥浆超过道渣底面,但未超过枕木底面)、四级(泥浆升至枕木以上无论是否淹过轨道)。1.2隧道病害调查方法1.2.1水文地质调查首先要对隧址处的工程地质和水文地质进行调查,包括设计勘测资料、施工所遇地质情况以及竣工资料等,必要时还需进行补充钻探勘测。水是诱发隧道病害的重要因素,因此应特别注重地下(地表)水的水质、水量以及水对围岩、结构等影响的调查分析。在对地质资料进行分析时,应特别注意围岩中是否夹有泥岩、千枚岩、泥质页岩、碳质页岩等膨胀性岩层,因为很多隧道产生病害的一个重要原因就是因为施工中对存在此类岩层的围岩未采取有效工程措施。如某铁路线,凡是Ⅳ级围岩以上直墙隧道边墙的开裂都是因围岩中夹有遇水膨胀性岩层造成的。基底的翻浆冒泥也是因为对Ⅳ级以上围岩未考虑存在遇水软化的岩层,因此设计中未考虑仰拱及深排水措施。从笔者参与工作的病害隧道来看,很大一部分隧道在设计时,对夹有软弱膨胀性岩层的围岩情况,通常都未考虑相应的工程措施。1.2.2施工情况调查首先,应调查基本的施工情况,如开挖方式(全断面、台阶法、分步开挖)、支护形式(矿山法、新奥法,二次衬砌是一次性施作还是先拱后墙或先墙后拱)。其次,是调查锚杆数量和质量、注浆配比和注浆量、水泥生产厂家及质量、粗细骨料检验报告、混凝土的配合比及其养护和强度、隧道监测资料等情况。再次,应对坍方(坍方规模、处理方式)及变更(原因、方案、处理方式)等情况进行重点调查,调查资料应以设计文件、施工记录及监理签认单为准,同时可以参考当时的各种会议纪要、通知及竣工文件。1.2.3隧道施工质量调查1.2.3.1衬砌厚度及背后空洞检测方法有无损、有损或无损与有损相结合。有损检测主要采取钻孔或开天窗,目前较常用的无损检测主要用地质雷达,当然采用地质雷达进行普查过程中也需钻取一定数量芯样进行校验。1.2.3.2衬砌强度强度检测可以回弹法或超声回弹综合法进行普查,同时辅以钻芯试验进行修正,或直接用钻芯方法推定混凝土强度。1.2.3.3衬砌完整性根据超声仪检测声波在衬砌中的传播速度与声波在相应等级混凝土中传播速度的标准值相比较来判断衬砌混凝土强度的完整性。因为完整衬砌与有裂缝衬砌波谱不一样,因此衬砌结构的完整性主要根据波谱特征进行判断。1.2.3.4断面净空检测用激光断面仪检测隧道净空,对各测点与设计轮廓或行车限界进行比较是否侵限。,判断1.2.4裂缝调查裂纹的分布和形态的调查对判断隧道病害的成因起着关键性的作用。裂纹调查项目应包括裂纹分布、宽度、深度及性质,根据调查结果,按一定比例绘制裂纹展示图。(1)裂纹的宽度可用读数显微镜(一般其刻度为0.02mm)检测。(2)深度可用声波仪检测(也可用比较直观的钻芯法)。(3)裂纹性质分为张拉、受压、受剪三种,张拉裂纹为外大内小,受压裂纹为外小内宽,裂纹附近有不规则的鱼鳞状,受剪裂纹用手触摸有错台情况。(4)观察裂纹随时间的发展动态。目前也可采取摄影方法进行裂纹调查,但此法只能显示裂纹的宏观表象,微观表象很难反映。1.2.5渗漏水调查应调查渗漏水范围(里程)、部位、出水形式、水量、水压及水质,并绘制展示图,可以与裂纹展示图一并绘制。1.2.6路面或基底调查首先应绘制路面或基底下沉、翻浆冒泥(出泥、出水点)的展示图,采取钻芯法查明基底的围岩性质,绘制钻芯柱状图,同时查明常年地下水位。1.2.7地下水调查地下水流向、补给及含水层分布。若衬砌出现被腐蚀现象,应进行地下水的化验;有时边沟的水可能不具有腐蚀性,这时应在腐蚀地段进行钻孔,提取围岩裂隙水进行化验。1.3病害原因分析1.3.1选线不当引起的病害1.3.2设计不合理预留的隧道病害(1)设计断面形式不合理,如铁路隧道Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ级围岩一般采用直墙断面、不设仰拱,若有膨胀性夹层或遇水易软化的围岩,对直墙隧道,边墙很可能出现开裂现象,同时可能造成边墙基底承载力不足,产生不均匀沉降,出现裂纹(裂缝)或错台。(2)初期支护能力不足,造成坍塌或残余变形过大,使二次衬砌承受较大的围岩压力。(3)二次衬砌安全储备不足,如有些隧道施工中出现了比较大的坍方,二次衬砌仍采用素混凝土,造成运营后素混凝土出现裂缝。(4)排水设计不合理,如对具有膨胀性、遇水软化的围岩,应设置仰拱和深排水沟,事实上多数出现基底下沉、翻浆冒泥病害的隧道均存在基底积水、排水不畅等情况。(5)未充分考虑混凝土的防腐蚀性,这主要由于对地下水的腐蚀性调查不清楚造成的。1.3.3施工不当预留的病害(1)施工中的偷工减料,造成塌方,而对塌方处理不彻底,预留不密实、脱空等缺陷。(2)施工中的偷工减料,如锚杆数量、质量不符合要求,造成初期支护安全储备减弱,预留安全隐患。(3)所选防水材料不合格(不合理)或防水板的铺设存有缺陷,造成隧道渗漏水。(4)由于欠挖或变形过大,造成二次衬砌厚度不足。(5)所选水泥不合格或混凝土配比不合理,造成二次衬砌混凝土强度不能满足设计要求。(6)混凝土骨料不合格,造成强度不足或不能满足设计的特殊要求,若采用人工机制砂、石,除对骨料进行力学试验外,还应进行各种成分含量分析。如某隧道用人工机制的砂、石中含有石膏,而未进行物理成分分析,在施工中未发现,结果二次衬砌施工后不到一年,整个混凝土衬砌遭腐蚀,不仅如此,其它隧道衬砌、桥梁桩基等也采用由该隧道的弃碴生产的砂、石作为骨料,同样造成了危害。1.3.3施工不当预留的病害(7)在石灰