隧道病害及處理

1、隧道病害及處理,1.1隧道病害分級(jí),1.1.1襯砌開裂的分級(jí)1.1.2滲漏水的分級(jí)1.1.3襯砌剝落、剝離的分級(jí)1.1.4襯砌材料劣化的分級(jí)1.1.5襯砌變形、移動(dòng)、下沉的分級(jí)1.1.6 其它病害的分級(jí),1.1.1襯砌開裂的分級(jí)1.1.1.1根據(jù)裂縫的寬度分級(jí)1.我國《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)- 隧道》分為四級(jí),毛裂紋( ≤0. 3mm) 、小裂紋(0. 3～2mm) 、中裂縫(2～20mm) 、大裂縫( > 20mm)

2、。2.美國《鐵路交通隧道和地下建筑物檢查方法和程序》 將隧道裂縫從定性的角度分為輕度的、中度的、重度的三個(gè)等級(jí)。3.美國《公路和鐵路交通隧道檢查手冊(cè)》對(duì)非預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌,裂縫分為輕度的( ≤0. 8mm) 、中度的( 0. 8 ～ 3. 2mm) 、重度的( > 3. 2mm) 三個(gè)等級(jí); 對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土襯砌, 裂縫寬度超過0. 1mm就認(rèn)為是重度的,不超過0. 1mm 是中度的。4.我國《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定,

3、鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)構(gòu)件,按荷載基本組合所求得的最大裂縫寬度不應(yīng)大于0. 2mm。5.李治國 參考設(shè)計(jì)資料、調(diào)查資料、統(tǒng)計(jì)資料和整治經(jīng)驗(yàn),將隧道裂縫寬度影度分為四級(jí),即輕微影響( < 0. 2mm) 、較小影響(0. 2～0. 3mm) 、較大影響(0. 3～0. 5mm) 、嚴(yán)重影響( ≥0. 5mm) ,并利用斷裂力學(xué)的方法研究了裂縫對(duì)隧道穩(wěn)定性的影響。,1.1.1.2根據(jù)裂縫的寬度和長度分級(jí)我國鐵路隧道襯砌開裂分級(jí)

4、。AA (極嚴(yán)重) :長度L > 10m ,寬度a > 5mm ,且變形繼續(xù)發(fā)展,拱部開裂呈塊狀,有可能掉落;A1 (嚴(yán)重) :L 為5～10m ,但a > 5mm;開裂使襯砌呈塊狀,在外力作用下有可能崩塌和剝落;B(較重) :L < 5m 且5mm ≥a ≥3mm;裂縫有發(fā)展,但速度不快;C (中等) :L < 5m 且a < 3mm;D (輕微) :一般龜裂或無發(fā)展?fàn)顟B(tài),1.1.1.3

5、根據(jù)圖像分級(jí)。Liu Zhiwei將裂縫探測(cè)得到的圖像進(jìn)行處理,通過分析圖像將裂縫檢測(cè)結(jié)果分為有裂縫、無裂縫、中間狀態(tài)三種情況。該方法中所用的裂縫圖像是用裂縫探測(cè)儀器檢測(cè)得到的,檢測(cè)結(jié)果比用人工檢查更準(zhǔn)確,但由于該分級(jí)體系是通過對(duì)圖像處理中的附圖分析后得到的,因此還需要對(duì)大量圖像的分析,1.1.2滲漏水的分級(jí),1.在我國的鐵路隧道養(yǎng)護(hù)工作中根據(jù)滲漏水程度將滲漏水定性的分為潤濕、滲水、滴水、漏水、射水、涌水六級(jí)。2.日本《道路隧道

6、維持管理便覽》將隧道滲漏水程度定性的分為滲出、滴水、流出、噴出四級(jí),并且根據(jù)滲漏水的程度和滲漏水部位(拱部和邊墻兩個(gè)部位) 將滲漏水對(duì)隧道的影響也分為四級(jí)。3.美國《鐵路交通隧道和地下建筑物檢查方法和程序》將滲漏水從定性的角度分為輕度的、中度的、重度的三個(gè)等級(jí)。4.美國《公路和鐵路交通隧道檢查手冊(cè)》中,對(duì)這個(gè)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了量化,即輕度的(混凝土表面潮濕但無滴水) 、中度的(流量小于30 滴/ 秒) 、重度的(流量大于30 滴/ 秒)

7、 。5.我國《鐵路工務(wù)技術(shù)手冊(cè)隧道》(修訂本) 中,將環(huán)境水在五類侵蝕類型下對(duì)襯砌混凝土的侵蝕程度從定量的角度分為三級(jí)。6.我國《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)- 隧道》中,從定性的角度將隧道滲漏水對(duì)隧道功能影響程度分為五級(jí),并將滲漏水的p H 值對(duì)隧道襯砌的腐蝕程度定量地分為四級(jí)。7.《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》用定性描述和定量分級(jí)相結(jié)合地方法將隧道的防水等級(jí)分為四級(jí)。8.國外一種隧道防水分級(jí)方法,該方法按最大允許滲漏量從定量的角度將

8、隧道防水等級(jí)分為七級(jí),劃分標(biāo)準(zhǔn)為,一級(jí)( 肉眼看不出) 、二級(jí)( 1L/ d/ m2 ) 、三級(jí)( 3L/ d/ m2 ) 、四級(jí)(13L/ d/ m2 ) 、五級(jí)(30L/ d/ m2 ) 、六級(jí)(100L/ d/ m2 ) 、七級(jí)(不限制) 。,1.1.3襯砌剝落、剝離的分級(jí),日本鐵路隧道根據(jù)落下的形狀將剝落、剝離分為三級(jí),即大于磚塊大小定為危險(xiǎn)級(jí),與磚塊差不多的定為遲早有危險(xiǎn)級(jí);與集料大小差不多的定為以后有危險(xiǎn)級(jí),判定時(shí)還應(yīng)根據(jù)預(yù)

9、計(jì)頻率和線區(qū)列車密度來修正等級(jí)。日本《道路隧道維持管理便覽》根據(jù)襯砌有無落下的可能將拱部的剝落分為危險(xiǎn)(有落下的可能) 、無影響(無落下的可能) 兩級(jí),將邊墻的剝落分為早晚有危險(xiǎn)(有落下的可能) 、無影響(無落下的可能) 兩級(jí)。在美國《公路和鐵路交通隧道檢查手冊(cè)》中,剝落分為三級(jí),即輕度的(表面砂漿流失深度小于6mm ,可見到粗骨料) 、中度的(表面砂漿流失深度達(dá)6～12mm ,粗骨料間的砂漿也有流失) 、重度的(砂漿和粗骨料均有流失,

10、且深度達(dá)25mm 以上) ;剝離也分為三級(jí),即輕度的(混凝土剝離的厚度小于12mm ,或直徑達(dá)75～150mm) 、中度的(混凝土剝離的厚度達(dá)12～25mm ,或直徑達(dá)150mm) 、重度的(混凝土剝離的厚度超過25mm ,直徑超過150mm) 。,1.1.4襯砌材料劣化的分級(jí),日本鐵路隧道和日本《道路隧道維持管理便覽》采用襯砌有效厚度(有效厚度指抗壓強(qiáng)度大于15MPa 的部分) 與設(shè)計(jì)厚的比值作為襯砌材料劣化程度的分級(jí)劃分指標(biāo)。日本

11、鐵路隧道的分級(jí)為,當(dāng)比值小于1/ 2 時(shí),定為危險(xiǎn)級(jí);當(dāng)比值為1/ 2～2/ 3 時(shí),定為遲早有危險(xiǎn)級(jí);當(dāng)劣化范圍是極小部分時(shí),可降低一級(jí)。日本《道路隧道維持管理便覽》的分級(jí)為,當(dāng)比值小于1/ 2 時(shí),定為早晚有危險(xiǎn)級(jí);當(dāng)比值為1/ 2～2/ 3 時(shí),定為將來危險(xiǎn)級(jí);當(dāng)比值大于2/ 3 時(shí),定為無影響級(jí)。我國《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)- 隧道》采用定量與定性相結(jié)合的方法將襯砌材料劣化程度分為五級(jí)。,1.1.5襯砌變形、移動(dòng)、下沉的分

12、級(jí),日本鐵路隧道以凈空位移量測(cè)的變形速度為襯砌變形的判斷指標(biāo),大于10mm/ a 或2mm/ 月為危險(xiǎn)級(jí),3～10mm/ a 可定為早晚有危險(xiǎn)級(jí),1～3mm/ a 可定為將來有危險(xiǎn)級(jí);當(dāng)發(fā)展趨勢(shì)是加速時(shí),要提高1 級(jí)。日本《道路隧道維持管理便覽》的分級(jí)類似日本鐵路隧道,以變形速度將襯砌的變形、移動(dòng)、下沉分為四級(jí),大于10mm/ a 為危險(xiǎn)級(jí),3～10mm/ a 可定為早晚有危險(xiǎn)級(jí);1～3mm/ a 可定為將來有危險(xiǎn)級(jí),小于1

13、mm/ a 為無影響級(jí)。我國《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)- 隧道》的分級(jí)也類似日本鐵路隧道,但分為五級(jí),增加了定性描述的極危險(xiǎn)級(jí),其它四級(jí)同日本道路隧道分級(jí)。,1.1. 6 　其它病害的分級(jí),凍害:我國《鐵路橋隧建筑物劣化評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)- 隧道》從定性的角度根據(jù)凍害對(duì)隧道功能影響程度將凍害分為五級(jí)。鼓出:在美國《公路和鐵路交通隧道檢查手冊(cè)》中,根據(jù)鼓出后產(chǎn)生的孔洞的直徑將鼓出分為輕度的(直徑不大于10mm) 、中度的(直徑為10

14、～50mm) 、重度的(直徑為50～75mm) 三級(jí),當(dāng)直徑大于75mm 時(shí),鼓出就是剝離。基底翻漿冒泥:馮曉燕[15 ] 從定性的角度將隧道基底翻漿冒泥的影響程度分為四級(jí),即一級(jí)(基底未發(fā)生冒水、翻漿冒泥和沉陷) 、二級(jí)(基底出現(xiàn)微小裂縫,有水冒出,但未冒出泥漿) 、三級(jí)(底板開裂,有水和泥漿冒出,泥漿超過道渣底面,但未超過枕木底面) 、四級(jí)(泥漿升至枕木以上無論是否淹過軌道) 。,1.2隧道病害調(diào)查方法,1.2. 1 　

15、水文地質(zhì)調(diào)查首先要對(duì)隧址處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)進(jìn)行調(diào)查,包括設(shè)計(jì)勘測(cè)資料、施工所遇地質(zhì)情況以及竣工資料等,必要時(shí)還需進(jìn)行補(bǔ)充鉆探勘測(cè)。水是誘發(fā)隧道病害的重要因素,因此應(yīng)特別注重地下(地表) 水的水質(zhì)、水量以及水對(duì)圍巖、結(jié)構(gòu)等影響的調(diào)查分析。在對(duì)地質(zhì)資料進(jìn)行分析時(shí),應(yīng)特別注意圍巖中是否夾有泥巖、千枚巖、泥質(zhì)頁巖、碳質(zhì)頁巖等膨脹性巖層,因?yàn)楹芏嗨淼喇a(chǎn)生病害的一個(gè)重要原因就是因?yàn)槭┕ぶ袑?duì)存在此類巖層的圍巖未采取有效工程措施。

16、如某鐵路線,凡是Ⅳ級(jí)圍巖以上直墻隧道邊墻的開裂都是因圍巖中夾有遇水膨脹性巖層造成的?；椎姆瓭{冒泥也是因?yàn)閷?duì)Ⅳ級(jí)以上圍巖未考慮存在遇水軟化的巖層,因此設(shè)計(jì)中未考慮仰拱及深排水措施。從筆者參與工作的病害隧道來看,很大一部分隧道在設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)夾有軟弱膨脹性巖層的圍巖情況,通常都未考慮相應(yīng)的工程措施。,1.2.2施工情況調(diào)查,首先,應(yīng)調(diào)查基本的施工情況,如開挖方式(全斷面、臺(tái)階法、分步開挖) 、支護(hù)形式(礦山法、新奧法,二次襯砌是

17、一次性施作還是先拱后墻或先墻后拱) 。其次,是調(diào)查錨桿數(shù)量和質(zhì)量、注漿配比和注漿量、水泥生產(chǎn)廠家及質(zhì)量、粗細(xì)骨料檢驗(yàn)報(bào)告、混凝土的配合比及其養(yǎng)護(hù)和強(qiáng)度、隧道監(jiān)測(cè)資料等情況。再次,應(yīng)對(duì)坍方(坍方規(guī)模、處理方式) 及變更(原因、方案、處理方式) 等情況進(jìn)行重點(diǎn)調(diào)查,調(diào)查資料應(yīng)以設(shè)計(jì)文件、施工記錄及監(jiān)理簽認(rèn)單為準(zhǔn),同時(shí)可以參考當(dāng)時(shí)的各種會(huì)議紀(jì)要、通知及竣工文件。,1.2.3隧道施工質(zhì)量調(diào)查,1.2.3.1襯砌厚度及背后空洞檢測(cè)

18、方法有無損、有損或無損與有損相結(jié)合。有損檢測(cè)主要采取鉆孔或開天窗,目前較常用的無損檢測(cè)主要用地質(zhì)雷達(dá),當(dāng)然采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行普查過程中也需鉆取一定數(shù)量芯樣進(jìn)行校驗(yàn)。,1.2.3.2襯砌強(qiáng)度強(qiáng)度檢測(cè)可以回彈法或超聲回彈綜合法進(jìn)行普查,同時(shí)輔以鉆芯試驗(yàn)進(jìn)行修正,或直接用鉆芯方法推定混凝土強(qiáng)度。1.2. 3. 3 　襯砌完整性根據(jù)超聲儀檢測(cè)聲波在襯砌中的傳播速度與聲波在相應(yīng)等級(jí)混凝土中傳播速度的標(biāo)準(zhǔn)值相比較來判斷襯砌混凝土強(qiáng)

19、度的完整性。因?yàn)橥暾r砌與有裂縫襯砌波譜不一樣,因此襯砌結(jié)構(gòu)的完整性主要根據(jù)波譜特征進(jìn)行判斷。1.2. 3. 4 　斷面凈空檢測(cè)用激光斷面儀檢測(cè)隧道凈空,對(duì)各測(cè)點(diǎn)與設(shè)計(jì)輪廓或行車限界進(jìn)行比較是否侵限。,判斷,1.2.4裂縫調(diào)查,裂紋的分布和形態(tài)的調(diào)查對(duì)判斷隧道病害的成因起著關(guān)鍵性的作用。裂紋調(diào)查項(xiàng)目應(yīng)包括裂紋分布、寬度、深度及性質(zhì),根據(jù)調(diào)查結(jié)果,按一定比例繪制裂紋展示圖。(1) 裂紋的寬度可用讀數(shù)顯微鏡(一般其刻度為

20、0. 02 mm) 檢測(cè)。(2) 深度可用聲波儀檢測(cè)(也可用比較直觀的鉆芯法) 。(3) 裂紋性質(zhì)分為張拉、受壓、受剪三種,張拉裂紋為外大內(nèi)小,受壓裂紋為外小內(nèi)寬,裂紋附近有不規(guī)則的魚鱗狀,受剪裂紋用手觸摸有錯(cuò)臺(tái)情況。(4) 觀察裂紋隨時(shí)間的發(fā)展動(dòng)態(tài)。目前也可采取攝影方法進(jìn)行裂紋調(diào)查,但此法只能顯示裂紋的宏觀表象,微觀表象很難反映。,,1.2.5滲漏水調(diào)查應(yīng)調(diào)查滲漏水范圍(里程) 、部位、出水形式、水量、水壓及水質(zhì),并

21、繪制展示圖,可以與裂紋展示圖一并繪制。1.2. 6 　路面或基底調(diào)查首先應(yīng)繪制路面或基底下沉、翻漿冒泥(出泥、出水點(diǎn)) 的展示圖,采取鉆芯法查明基底的圍巖性質(zhì),繪制鉆芯柱狀圖,同時(shí)查明常年地下水位。1.2. 7 　地下水調(diào)查地下水流向、補(bǔ)給及含水層分布。若襯砌出現(xiàn)被腐蝕現(xiàn)象,應(yīng)進(jìn)行地下水的化驗(yàn);有時(shí)邊溝的水可能不具有腐蝕性,這時(shí)應(yīng)在腐蝕地段進(jìn)行鉆孔,提取圍巖裂隙水進(jìn)行化驗(yàn)。,1.3病害原因分析,1.3. 1 　選線不當(dāng)

22、引起的病害,1.3. 2 設(shè)計(jì)不合理預(yù)留的隧道病害,(1) 設(shè)計(jì)斷面形式不合理,如鐵路隧道Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ級(jí)圍巖一般采用直墻斷面、不設(shè)仰拱,若有膨脹性夾層或遇水易軟化的圍巖,對(duì)直墻隧道,邊墻很可能出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,同時(shí)可能造成邊墻基底承載力不足,產(chǎn)生不均勻沉降,出現(xiàn)裂紋(裂縫) 或錯(cuò)臺(tái)。(2) 初期支護(hù)能力不足,造成坍塌或殘余變形過大,使二次襯砌承受較大的圍巖壓力。(3) 二次襯砌安全儲(chǔ)備不足,如有些隧道施工中出現(xiàn)了比較大的坍方,

23、二次襯砌仍采用素混凝土,造成運(yùn)營后素混凝土出現(xiàn)裂縫。(4) 排水設(shè)計(jì)不合理,如對(duì)具有膨脹性、遇水軟化的圍巖,應(yīng)設(shè)置仰拱和深排水溝,事實(shí)上多數(shù)出現(xiàn)基底下沉、翻漿冒泥病害的隧道均存在基底積水、排水不暢等情況。(5) 未充分考慮混凝土的防腐蝕性,這主要由于對(duì)地下水的腐蝕性調(diào)查不清楚造成的。,1.3. 3 　施工不當(dāng)預(yù)留的病害,(1) 施工中的偷工減料,造成塌方,而對(duì)塌方處理不徹底,預(yù)留不密實(shí)、脫空等缺陷。(2) 施工中的偷工減

24、料,如錨桿數(shù)量、質(zhì)量不符合要求,造成初期支護(hù)安全儲(chǔ)備減弱,預(yù)留安全隱患。(3) 所選防水材料不合格(不合理) 或防水板的鋪設(shè)存有缺陷,造成隧道滲漏水。(4) 由于欠挖或變形過大,造成二次襯砌厚度不足。(5) 所選水泥不合格或混凝土配比不合理,造成二次襯砌混凝土強(qiáng)度不能滿足設(shè)計(jì)要求。(6) 混凝土骨料不合格,造成強(qiáng)度不足或不能滿足設(shè)計(jì)的特殊要求,若采用人工機(jī)制砂、石,除對(duì)骨料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)外,還應(yīng)進(jìn)行各種成分含量分析。如

25、某隧道用人工機(jī)制的砂、石中含有石膏,而未進(jìn)行物理成分分析,在施工中未發(fā)現(xiàn),結(jié)果二次襯砌施工后不到一年,整個(gè)混凝土襯砌遭腐蝕,不僅如此,其它隧道襯砌、橋梁樁基等也采用由該隧道的棄碴生產(chǎn)的砂、石作為骨料,同樣造成了危害。,1.3. 3 　施工不當(dāng)預(yù)留的病害,(7) 在石灰?guī)r地區(qū)特別應(yīng)注意地下水,尤其是裂隙水的水質(zhì)化驗(yàn),檢驗(yàn)地下水是否具有腐蝕性,邊溝的水沒有腐蝕性,裂隙水未必不具有腐蝕性。(8) 在遇水軟化的圍巖條件下,隧底浮碴

26、未清理干凈就澆注仰拱或鋪墊層,易造成隧底下沉、翻漿冒泥。(9) 由于超挖或坍方,沒有按規(guī)范認(rèn)真做好回填或壓注漿工作,即回填不密實(shí)或存在空洞,造成初期支護(hù)與圍巖之間有較大范圍的空隙,尤其是拱部;由于二次襯砌澆注原因或混凝土振搗不密實(shí),使拱部或拱腰出現(xiàn)局部脫空現(xiàn)象。由于不密實(shí)或存在空洞,形成積水空間,使隧道出現(xiàn)滲漏水,或使隧道與圍巖不能形成一個(gè)有機(jī)整體,不能很好地發(fā)揮圍巖的彈性抗力作用。近年修建的隧道未進(jìn)行壓漿處理前一

27、般拱頂脫空(空洞) 占拱頂測(cè)線長度的3 %～5 % ,拱腰脫空(空洞) 占測(cè)線長度的3 ‰～5 ‰。,1.3.4維護(hù)不當(dāng)引起的病害,維護(hù)不當(dāng)主要指未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理,或處理措施不合理,使得小的缺陷發(fā)展成病害。(1) 洞外排水系統(tǒng)遭破壞,未及時(shí)修復(fù),可能增加隧道滲漏水的可能性;(2) 洞內(nèi)水溝被堵,造成基底積水,可能使基底圍巖軟化,產(chǎn)生翻漿冒泥。(3) 對(duì)出現(xiàn)的小的裂紋(縫) 、小(少) 的滲漏水重視不夠,或預(yù)見不足,

28、未能采取有效措施,遏制其發(fā)展。(4) 對(duì)已出現(xiàn)病害的隧道,或病害原因分析不清楚,或處理措施不當(dāng),或處理不徹底,使病害得于繼續(xù)發(fā)展,形成更大的病害或形成危害。,1.4隧道質(zhì)量檢測(cè),(1) 開挖輪廓線控制開挖時(shí)出現(xiàn)過量欠挖就不能保證初期支護(hù)、二次襯砌厚度,出現(xiàn)過量超挖,若處理不好會(huì)出現(xiàn)初期支護(hù)背后空洞或回填不密實(shí);無論是過量超挖,還是過量欠挖,若處理不好,均可能造成二次襯砌斷面不圓順,使結(jié)構(gòu)成為偏心受壓構(gòu)件。鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)軸

29、向力的偏心距有明確規(guī)定,當(dāng)然,人們很難知曉軸向力的作用線,只有嚴(yán)格按規(guī)范要求施工,控制開挖輪廓線。要控制好開挖輪廓,除施工單位本身加強(qiáng)施工控制、監(jiān)理加強(qiáng)監(jiān)督力度外,可以引進(jìn)第三方進(jìn)行斷面檢測(cè),加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督。(2) 初期支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)初期支護(hù)質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目主要有:錨桿長度、抗拔力、飽滿度;小導(dǎo)管長度、注漿量(依靠監(jiān)理檢查注漿紀(jì)錄) ;初期支護(hù)厚度及背后空洞;鋼拱架(格柵) 數(shù)量、接頭安裝質(zhì)量;噴混凝土厚度、粘結(jié)力;初期支護(hù)

30、凈空斷面。,1.4隧道質(zhì)量檢測(cè),(3) 二次襯砌質(zhì)量檢測(cè)目前無論鐵路部門,還是公路部門都加強(qiáng)了對(duì)二次襯砌厚度、背后空洞及密實(shí)情況的施工跟追檢測(cè),有些高速公路還對(duì)隧道凈空和襯砌強(qiáng)度進(jìn)行了竣工前的檢測(cè)。(4) 圍巖變形監(jiān)測(cè)檢查對(duì)于新奧法施工、復(fù)合式襯砌的隧道,一般認(rèn)為二次襯砌僅承受圍巖壓力的20 %～30 % ,圍巖壓力主要由初期支護(hù)與圍巖承受,若二次襯砌施作時(shí)機(jī)不合理,則可能承受過大圍巖壓力,易出現(xiàn)裂紋(裂縫) 。作為監(jiān)