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