隧道工程 第11章 隧道常见病害与防治 重庆交通大学 隧道及岩土工程系 2012年12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。

第11章 隧道常见病害与防治 11.1 概述 11.2 隧道的水害及其防治 11.3 隧道衬砌裂损及其防治 11.4 隧道冻害及其防治 11.5 隧道衬砌腐蚀及其防治

11.1 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 仰拱、铺底损坏 坍方落石 (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 仰拱、铺底损坏 坍方落石 失格座数/失格率(％) 陇海 232 80 134 33 207/89.2 成昆 276 170 58 28 36 235/85.1 襄渝 400 224 88 117 86 333/83.8 阳安 148 92 48 3 18 122/82.4 宝成 344 66 17 4 37 267/77.6 贵昆 180 63 32 34 31 134/74.4 焦柳 436 95 27 8 195/44.7 京原 128 19 1 6 83/64.8 襄黔 319 43 5 117/36.7

(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

11.2 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。

不同防水观念优缺点 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

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 衬 喷 射 混 凝 土 外 止 水 带 遇 膨 胀 条 防 嵌 缝 材 料 中 埋 涂 中埋式止水带 外贴式止水带 可卸式止水带 防水嵌缝材料 等 级 一级 应选1种 － 应选2种 应选 二级 应选1～2种 三级 宜选1种 四级

11.3 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

隧道混凝土衬砌裂缝情况调查统计表 顺序 裂纹种类 占裂缝长度的比例 (％) 部位 1 纵向裂纹 79.3 拱腰纵裂 边墙纵裂 拱脚纵裂 拱顶纵裂 64.7 19.9 12.2 3.22 2 斜向裂纹 4.9 拱部、边墙 3 环向裂纹 14.1

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

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。 (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

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。 (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。 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CT 4、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。

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无法符合实际地层情况，这是施工现场经常遇到的问题。为了弥补设计上的缺陷，作为现场施工技术人员，要对开挖暴露后的围岩情况及时与设计图纸进行核对，如有不符之处不可盲目照图施工，而应立即会同现场设计人员协商做出相应的变更。

四、衬砌开裂的预防和整治 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。大力推广光面爆破，锚喷支护，提高喷混凝土永久性衬砌的抗裂、抗渗性能。采用模板台车进行模筑混土，进行壁后压浆提高混凝土衬砌与围岩之间的密实性。

四、衬砌开裂的预防和整治 (二)整治原则 (1)加强观测，掌握裂缝变形情况和地质资料。查清病因，对不同裂损地段，采用不同的工程措施。 (2)对渗漏水、腐蚀等病害，一并综合进行整治，贯彻彻底整治的原则。 (3)合理安排施工慢行封锁计划，尽量减少对正常运营的干扰。 (4)精心测量，保证加固后的隧道净空满足隧道限界要求，确保锚喷加固衬砌、拱背压浆等项整治措施的施工质量。

四、衬砌开裂的预防和整治 (三)整治措施 1.裂缝整修 (1)小裂缝，又无渗水，可用水泥浆嵌补，或先凿槽后再用1：1水泥砂浆或环氧树脂砂浆涂抹。为防止砂浆固结收缩，可在制备砂浆时加入10%一17%微膨胀剂。 (2)裂损严重，拱圈有多道裂缝，部分失去承载能力，原则上拆除重建，一般用锚网喷或喷射早强钢纤维混凝土。 (3)开裂严重，但拱圈基本形状无较大变形时，可采用素喷或网喷混凝土整治。

四、衬砌开裂的预防和整治 2.衬砌背后空洞压浆 3.底板的稳定处理 4.换拱、换边墙

四、衬砌开裂的预防和整治

四、衬砌开裂的预防和整治

11.4 隧道冻害及其防治 隧道冻害是寒冷地区和严寒池区的隧道内水流和围岩积水冻结，引起隧道拱部挂冰、边墙结冰、洞内网线设备挂冰、围岩冻胀、衬砌胀裂、隧底冰椎、水沟冰塞、线路冻起等，影响到安全运营和建筑物的正常使用的各种病害。寒冷地区指最冷月平均气温为-5℃～-15℃地区。严寒地区指最冷月平均气温低于-15℃地区。 冻害结冰

一、隧道冻害类型及其成因 (一)隧道冻害的类型 1.拱部挂冰、边墙结冰 2.围岩冻胀破坏 (1)隧道拱部发生变形与开裂 (2)隧道边墙变形严重 (3)隧道内线路冻害 (4)衬砌材料冻融破坏 (5)隧底冻胀和融沉

3.衬砌发生冰楔 (1)硬质围岩衬砌背后积水冻胀，产生冰冻压力(称为冰劈作用)，传递给衬砌。 (2)衬砌的工作缝和变形缝充水冻胀经多次冻融循环，使裂缝不断扩大，引起衬砌裂升、疏松、剥落等病害。 4.洞内网线挂冰 隧道漏水落在铁路电力牵引区段的接触网和电力、通讯、信号架线上结冰。如不及时除掉，会坠断网线，使接触网短路、放电、跳闸，中断通讯、信号，危及行车和人身安全。

(二)隧道冻害的成因 1.寒冷气温的作用 2.季节冻结圈的形成 3.围岩的岩性对冻胀的影响 4.隧道设计和施工的影响

二、隧道冻害的防治 基本措施： 综合治水、更换土壤、保温防冻、结构加强、防止融坍等

深埋中心防寒渗水沟

防寒泄水洞

浅埋保温侧沟(单位：mm)

多年冻土中隧道排水系统和纵断面

11.5 隧道衬砌腐蚀及其防治 重庆发生一起氢氧化钾货车隧道翻车事故

腐蚀开裂、变酥

隧道衬砌腐蚀分为物理性侵蚀和化学性腐蚀两类。隧道衬砌腐蚀的主要影响因素有：衬砌污工的质量和水泥的品种，渗流到衬砌内部的环境水含侵蚀性介质的种类和浓度，环境的温度和湿度等自然条件。

（1）物理作用 一般是指干湿变化、温度变化、冻融循环等。这些作用会使材料发生体积变化或引起内部裂纹的扩展，而使材料逐渐破坏，如混凝土、岩石、外装修材料的热胀冷缩等。 （2）化学作用 包括酸、碱、盐等物质的水溶液及有害气体的侵蚀作用。这些侵蚀作用会使材料逐渐变质而破坏，如水泥石的腐蚀，钢筋的锈蚀、混凝土在海水中的腐蚀、石膏在水中的溶解作用等。

（3）生物作用 是指菌类、昆虫等的侵害作用，包括使材料因虫蛀、腐朽而破坏，如木材的腐蚀等。

环境水对混凝土侵蚀的判定标准

隧道衬砌腐蚀的防治措施 隧道衬砌防腐蚀措施，应首先从搞好勘测设计着手，掌握隧道工程地质和水文地质资料。查明环境水含侵蚀性介质的来源和成分，在正确判定其对衬砌混凝土侵蚀的程度的基础上，因地制宜地采取防治措施。 产生腐蚀的三个要素是，第一，腐蚀介质的存在；第二，易腐蚀物质的存在；第三，地下水的存在且具有活动性。

主要措施： (一)提高衬砌的密实度和整体性 (二)外掺加料法 (三)选用耐侵蚀水泥 (四)加强衬砌外排水措施 (五)使用密实的与混凝土不起化学作用的材料，在衬砌外表面做隔离防水层 (六)采用与侵蚀性环境水不起化学反应的天然石料砌筑衬砌 (七)向衬砌背后压注防蚀浆液 (八)防腐蚀混凝土

本课程结束! 请同学们认真复习