隧道病害诊治（通用7篇）
隧道病害诊治 篇1
0 引言
我国中西部为多山地区,在南水北调、油气输送管道、高速公路、铁路、地铁等大型基础建设项目中,地下洞室与隧道工程占有较大比重,且多为控制性工程。在地形条件和地质构造比较复杂的地区,隧道围岩工程地质条件较差,开挖施工在隧道上部围岩形成一定范围的松动区,破坏了围岩的局部地质结构和地下水循环,诱发隧道在施工或运营过程中发生坍方冒顶、突泥涌水、隧道侧移、山体开裂、滑坡等地质病害,对隧道建设周期、运营安全和经济效益产生重大影响。为了有效治理隧道病害,需要隧道病害诊断技术查明病害发生的原因和影响范围,分析和评估地质病害对隧道安全的影响[1]。
隧道病害诊断是工程地球物理的一个难题。发生病害的隧道观测条件复杂、困难,干扰因素多。不同的地质构造和异常其物性差异不同,而隧道病害诊断包含地质构造、围岩完整性、塌方松动区的范围、软弱带分布、富水程度等工程地质和水文地质的多方面内容。岩体的构造发育、完整性、破碎程度和稳定性等主要表现在力学性质的差异上,而围岩的富水程度的差异在电阻率上反映更为敏感。任何单一的物探方法都不可能同时反映力学和电磁学两种物性参数的变化。根据隧道病害需要查明的地质问题的不同,可选择地表、地下物探方法的不同组合进行综合物探[2,3]。地震CT成像技术是隧道地质病害诊断最有效的手段之一,它具有分辨率高、可靠性好、图像直观等优点[4~6]。地下水往往是诱发隧道病害的重要原因,但是地震方法对围岩含水性并不敏感,高密度电法是探测地下水赋存状态的有效手段。它能提供地下水赋存的部位,补给径流通道,对隧道病害分析与治理有重要作用。在近年的隧道地质病害诊治中,地震CT与高密度电法已经有了一批成功的应用实例,积累了丰富的经验。
1 隧道病害概况
大风垭隧道位于昆明至曼谷公路的213国道元江至磨黑段,穿越哀牢山山脉,里程K253+885~K257+238,长3.7 km,最大埋深240 m。由于受哀牢山断裂活动带及安定向斜构造的影响,隧道区域断层构造发育,围岩主要为砂质板岩。岩体破碎,节理裂隙发育。地表有南溪河及其支流流过,地下水丰富。
隧道施工过程中,由于人为扰动、不良地质构造及地下水活动等因素的综合影响,在K255+150~600段多次发生突泥、涌水、坍塌事故,严重影响了隧道施工的进度、质量和安全。特别是在下行线K255+276~+300段发生特大涌水、泥石流病害导致坍塌冒顶,在下行线K255+290左20m形成直径达25m、深15m的塌陷坑,在下行线K255+190右侧164 m处的南溪河床出现一直径5 m的陷坑,并导致南溪河及其多条支流地表断流。为查清突泥涌水的地质条件、原因和影响范围,以便制定科学的治理方案,进行了地震CT和高密度电法结合的综合物探工作。
2 物探方法原理与工作布置
综合物探的目的是探明隧道病害发生的地质条件,包括断裂构造的分布,地下水的分布及补给径流通道,南溪河与隧道的水力联系;查明隧道突泥涌水形成的围岩松动区和空洞的位置和大小;在物探成果的基础上分析病害发生的原因,并提供科学、合理的治理建议。
2.1 物探方法的基本原理
根据隧道病害诊断目的要求,采用了地震CT和高密度电法相结合的综合物探技术。
地震CT是利用地震波穿透地质体,通过地震波的走时和能量衰减来对地质体成像。岩土介质的弹性模量、剪切模量、密度决定了地震波传播的快慢,强度高、密度大的岩体速度大,走时短;断裂带和破碎岩体波速低,走时长。地震CT图像能可靠地反映不同岩土体、软弱带、破碎构造带的力学差异,特别适合研究地层、岩性、构造、松散土体和松动区的分布,在工程勘查和病害诊断中常被用来探测断层、节理裂隙、溶洞、松散体、坍塌松动区等不良地质体的分布。它具有科学严谨、分辨率高、可靠性好、图像直观等优点,很受工程界欢迎[4~9]。
高密度电法是通过人工供电,在地下形成电场,电场的分布与地下岩土介质的电阻率密切相关,通过地表电场的测量得到地下介质电阻率的分布,推断地下的地质结构的分布特点。松散、破碎岩体易含水,导电性好,电阻率低;致密完整、干燥岩体导电性差,电阻率高。高密度电法对含水性敏感,常被用于断层、破碎带、岩溶、采空区等含水构造的勘察[10,11]。
2.2 物探工作布置
为了查明隧道病害的工程水文地质条件,查清坍塌松动、空洞范围和涌水、突泥的原因,结合地面地形及洞内场地条件,在隧道病害区域布置了2条地震CT和5条高密度电率法剖面。具体布置见物探综合平面图(图1)。
两条地震CT剖面沿上、下行线隧道轴线K245+980~K255+700段布置。激发地震波的炮点沿隧道轴线方向布置在地表,炮间距2.5m,240个炮点,延续长度600m;接收点在隧道内布置在距仰拱高1.5m的隧洞左侧边墙上,间距为2m,96个接收点。每一炮记录96道,每个CT剖面记录23040条,成像面积144000 m2,成像单元尺度2.5 m×2.5 m。
5条高密度电法剖面布置在地表,采用温纳观测装置,电极数240个。其中E1沿下行隧道轴线布置,以突泥、涌水点为中心,电极距6m,采集数据40层,探测深度240m;E2、E3两条剖面斜交隧道轴线布置,电极距3m,探测深度120m;E4、E5两条剖面沿南溪河布置,电极距离为3 m,探测深度为120m。
3 隧道病害综合物探结果
3.1 地震CT探测结果与解释
地震CT探测结果主要反映了隧道围岩力学性状的空间分布。完整致密围岩波速高,断裂带和松动岩体波速低,隐伏脱空区的波速更低。图2、图3是沿上、下行隧道轴线垂直剖面的地震CT图像,两剖面互相平行,相距40m。图中的浅灰色区为完整的板岩,波速大于2.5km/s;灰色区为强—中风化岩体,波速为1.8~2.5km/s;深灰色区为断层破碎带,波速在1.5~1.8km/s范围;黑灰色区为松动岩体,波速小于1.5km/s,黑色区为隐伏脱空区,波速小于0.8km/s。
地震CT图像显示,隧道围岩波速整体较低,沿隧道纵向速度变化较大,说明隧道的围岩受断层、裂隙及松动区的影响较大。突泥涌水造成断裂带内的岩体松动,波速降低。下行隧道内的围岩松动区沿断裂带发育,断层位置在K255+200~+270,影响宽度约70 m,上宽下窄。上行隧道断层位置在K255+260~+320,宽度约60m,呈上下直立条带。除在地表形成了直径20m、深15m的塌陷坑外,还在塌陷坑深部20m处形成了长20m、高8 m的隐伏脱空区。
3.2 高密度电法探测结果与解释
高密度电法的探测结果主要反映了围岩的含水状态,致密干燥围岩导电性差,电阻率高,含水围岩导电性好,电阻率低。图4是沿隧道下行线剖面的视电阻率分布,图5是通过冒顶塌陷区的横剖面视电阻率分布。图中灰白色和浅灰色为高电阻岩体,电阻率大于1000Ω·m;灰色为弱含水岩体,电阻率在200~1000Ω·m范围内;深灰色和黑色为富含水岩体,电阻率在50~200Ω·m左右。纵、横剖面视电阻率分布图中的灰色、深灰色和黑色的低阻区分布表明,地下水从四面八方沿断层面及其破碎带下渗,向隧道突水区域汇集,形成了以突水点为中心、连通至地表的下降漏斗,水头降深达120m。地下水的主要补给来源是南溪河及其支流地表水,此外山区大气降水的入渗也是重要的补给来源。隧道标高1740m,山体内地下水最高水位标高1900 m,水头压差高达160 m,巨大的水压是造成隧道多次突泥、涌水的主要原因。
4 隧道病害分析及治理建议
4.1 隧道病害的成因分析
地震CT和高密度电法探测结果表明,隧道发生地质病害有两个主要原因:一个是存在一条宽约70 m的断裂带,断裂带内岩体破碎,强度低,成为薄弱环节,这是发生突泥、涌水的主要力学原因;另一个原因流经隧道的南溪河及其支流是地下水的主要补给来源,隧道区域地下水丰富,水头压力高达160m,超过了衬砌的抵抗能力,这是造成突泥涌水的主要原因。
探测结果表明,突泥涌水引起了围岩的松动和脱空,松动区的主要范围是沿断裂带分布,下行隧道内围岩松动带的宽度约70m,里程K255+200~+270,上宽下窄;上行隧道内围岩松动带宽度60m,位置在K255+260~+320,宽度约60m,呈直立条带。隐伏脱空区位于地表塌陷坑下深部20m处。
4.2 隧道病害治理建议
根据综合物探对隧道突泥涌水的原因分析结果,隧道病害治理应以治水为主,同时配合加固围岩和加强衬砌。建议首先采取深度排水措施降低隧道附近围岩水压,然后对围岩进行防渗和加固注浆,最后加固衬砌;处理地段集中在下行隧道中的70 m宽的断裂松动带和上行隧道内的60 m宽的断裂松动带。
5 结语
大风垭隧道的病害规模大,而且多次发生。由于采用综合物探手段查明了病害的原因与影响范围,采取了针对性的治理措施,保证了工期和质量,隧道现已运行7年,效果良好。这一成功的实例为隧道病害的诊断与治理积累了宝贵的经验,值得推广应用。
隧道常见病害分析及对策研究 篇2
关键词：隧道,病害,成因,防治措施
一、引言
随着国民经济的腾飞, 我国隧道工程建设进入了快速发展时期。“截至2010年底, 全国公路隧道7 384处、512.26万m。其中, 特长隧道265处、113.8万m;长隧道1 218处、202.08万m。随着秦岭终南山隧道 (全长18.02 km, 位居世界规模第一、长度第二) 、上海崇明隧桥、厦门翔安海底隧道等重大工程相继建成, 中国也逐渐成为世界上公路隧道最多的国家。据统计, 我国铁路隧道数量和长度也已突破7 000 km和4 000 km, 均为世界第一。”然而, 根据资料统计, 约60%以上的我国铁路、公路隧道存在不同程度的衬砌侵蚀、水害和基底下沉、翻浆冒泥等常见病害, 严重影响运输安全, 导致大量人力、物力、财力损失。为减少隧道病害, 有必要深入分析我国隧道常见的病害种类, 挖掘隧道病害成因, 进而有针对性地提出治理对策。
二、常见隧道病害的种类
1. 衬砌侵蚀的种类
隧道围岩附近安装的金属构件受潮湿环境影响产生锈蚀, 及衬砌附近的混泥土墙体受地下水渗漏而出现起毛、蜂窝麻面、骨料分离、起鼓剥落、变形断裂等状况, 都属于衬砌侵蚀病害。按腐蚀病因可将隧道内衬砌侵蚀分为水蚀、烟蚀、骨料溶胀、冻蚀等。
(1) 水蚀
水蚀主要指隧道拱部、边墙、仰拱、排水沟等部分受地下水渗漏产生的腐蚀伤害。衬砌水蚀主要包括以下几种类型。1) 溶失型侵蚀。主要指地下水渗漏进入隧道围岩, 混凝土水泥中包含的某些生成物被水分解溶失, 造成混凝土附近淤积白色沉淀物。围岩内部呈现大量细微孔洞, 直接降低混凝土强度的一种侵蚀。2) 硫酸盐侵蚀。主要指流经隧道附近的地下水或部分地表水中含有硫酸根离子, 与混凝土中的生成物发生反应造成的侵蚀。3) 镁盐和碳化物的侵蚀。指隧道围岩附近的土壤中含有镁盐及碳化物, 渗入混凝土, 与之发生细微化学反应而产生的侵蚀。
(2) 烟蚀
烟蚀主要指蒸汽机车牵引段经过隧道时, 因环境狭窄闭塞, 产生的高温烟雾熏烤、腐蚀围岩混凝土的一种侵蚀。烟雾中包含的生成物, 其分解水泥内部成分的侵蚀为化学性烟雾侵蚀, 而高温烟雾直接熏烤混凝土产生的侵蚀为机械性侵蚀。
(3) 骨料溶胀
骨料溶胀指隧道衬砌混凝土内部使用的骨料不达标, 骨料中包含遇水溶解及膨胀的某些材料, 使得衬砌出现内部小孔洞或外部胀裂, 进而危及衬砌稳固性及使用寿命的侵蚀。
(4) 冻蚀
冻蚀主要发生在严寒地区, 我国陆地面积五分之一为多年冻土, 分布在冻土地带的铁路、公路隧道, 很容易受冰冻、冰融交替侵蚀, 导致衬砌冻胀开裂、融沉、围岩拱部、边墙变形等, 严重降低隧道衬砌稳定性、安全性。
2. 基底病害的种类
“隧道基底病害是指既有铁路隧道经过一定时间的运营后, 在隧道底部出现的基底开裂、破损、下陷、向两侧外挤以及翻浆、冒泥等现象。”据调查资料显示, “郑州铁路局管内共有隧道1 152座, 其合格率仅为25%, 其中直接影响行车的翻浆冒泥病害占20%。个别工务段基底病害隧道率可高达50%, 如襄渝线六里坪工务段管内共有隧道76座, 翻浆冒泥病害隧道有34座”。可见, 隧道基底病害在我国公路、铁路隧道病害中占有较高比例, 是较为常见的一种隧道病害, 严重威胁运输安全。
(1) 基底开裂
隧道施工中, 因受施工材料、施工技术等影响, 隧道基底与下方基岩未能无缝对接粘合, 残留缝隙遇渗入地下水及列车频繁振动, 易导致基底结构开裂。
(2) 基底下陷
隧道基底下方渗入含腐蚀性地下水后, 长期浸泡混凝土, 软化基底混凝土结构, 将导致基底下陷。若隧道基底因回填不严出现地层空洞, 也会在受到外界扰动时出现基层下陷病害。
(3) 翻浆冒泥
隧道施工设计中, 未充分考虑基底结构防水性能, 导致地下水渗入基底, 侵蚀基底混凝土, 使混凝土出现孔隙或裂纹。受列车反复振动加压、退压冲击, 基底受力的紊乱, 势必加剧裂纹扩散、碎化、粉化基底混凝土, 引发基底翻浆冒泥病害。
3. 水害的种类
“隧道水害是指在隧道的修建或运营过程中遇到水的干扰和危害。”据统计, 我国铁路、公路隧道大都存在水害, 既严重危害隧道结构的稳固性, 又容易引发衬砌侵蚀等其它隧道病害, 是隧道病害中较常见且危害性大的一种病害。
(1) 隧道施工过程中的水害
隧道施工过程中的水害, 主要指隧道围岩蕴藏的地下水或隧道附近的地表水, 渗漏涌入隧道内岩而造成的危害。若隧道施工中遭遇地下水危害, 可能损害施工人员的身心健康, 腐蚀施工设备, 甚至危及人身安全。而隧道内出现地表水涌突, 则极易造成塌方、淹没设备、危及施工人员生命, 乃至造成重大的经济损失。
(2) 隧道运营过程中的水害
隧道投入运营之后, 仍极易遭受以下两种水害, 第一是隧道围岩漏水或涌水。运营隧道附近蕴藏的地下水长期或间接性渗漏, 或暴雨形成的过量地表水涌入隧道内岩, 不仅会严重破坏运营隧道内的电力设备, 锈蚀照明、钢轨设施, 还可能会风化混凝土衬砌, 甚至导致道床翻浆冒泥等严重病害。第二, 隧道衬砌四周积水。若运营隧道附近蕴藏的地下水或涌入的地表水长期朝着隧道衬砌四周渗透而得不到及时排流, 将软化衬砌结构, 导致衬砌破裂, 破坏隧道结构稳固性。
(3) 潜流溶蚀
潜流溶蚀主要指因为隧道围岩附近的地下水长期渗流, 进而溶蚀隧道衬砌结构的危害。若遭遇较严重潜流溶蚀, 可能导致隧道道床下沉、围岩错位变形、开裂坍塌等危害。
三、常见隧道病害的成因
1. 衬砌侵蚀的成因
衬砌侵蚀主要是因地下水环境腐蚀所致, 具体包括以下几方面原因。
(1) 地下水渗漏腐蚀。隧道穿越山体的地下水渗透进入衬砌, 衬砌受到侵蚀介质的作用, 就会有孔洞露石、酥松、起鼓剥落等病害出现。若适逢流经山体的地下水具有腐蚀性, 则更会对衬砌混凝土进行腐蚀, 久之必严重损坏衬砌结构稳固性及使用寿命。
(2) 冻融侵蚀衬砌材料。隧道穿越地带若蕴藏较丰富的地下水, 水难免渗入混凝土内部。冬季严寒, 混凝土内的水冻结、膨胀产生冻胀压力;而夏天炎热冻冰融化, 常年冻融循环, 使得衬砌结构酥软, 强度明显降低, 侵蚀损坏衬砌材料。隧道洞口地带因冻融变化大, 衬砌结构饱受冻融侵害, 使衬砌材料发生变形, 乃至出现裂纹, 严重削弱衬砌结构耐久性。
(3) 施工质量及运营维护不达标。隧道设计施工时, 对衬砌防水、防冻、抗压能力等勘察不够细致科学, 未能达到国家要求的隧道衬砌材料防水、防冻、抗压基准, 造成隧道运营后容易出现衬砌蚀损、变形乃至裂缝问题。隧道运营后, 若缺乏对隧道衬砌进行科学有效的养护, 出现问题未能及时整治, 任由渗水、积水等问题长期存在, 必将加剧衬砌侵蚀病害的危害性。
2. 基底病害的成因
隧道基底病害的产生与隧道底部结构设计薄弱、隧道内排水设施设置不合理、列车长期反复振动、地下水渗流等多方面原因有关, 但其中最主要的原因是地下水渗流作用。
(1) 地下水渗流侵蚀。大量调查资料显示, 基底翻浆冒泥病害大部分发生在隧道贯穿高水位地下水的地带。隧道施工前, 所处山体地下水系统平衡, 而施工开挖打破了这种平衡状态, 隧道附近的地下水借助各种渠道朝着隧道渗流汇聚过来。衬砌修筑后, 暂时性阻拦了地下水的流入, 但却在衬砌四周构建出高水压。因我国隧道衬砌设计时不将水压计算在内, 故而一旦隧道基底出现裂纹, 汇聚衬砌四周的地下水便会随之涌入, 势必加速裂缝恶化。加之行车振动, 促使基底围岩液化, 也会产生基底翻浆冒泥。
(2) 列车长期反复振动。我国客流密集, 绝大多数隧道车流密度大, 列车长期反复振动产生主拉应力带来行车准静载效应。当隧道基底混凝土出现洞隙或细缝时, 来往列车频繁振动, 可加速洞隙或细缝的恶化程度。导致基底开裂、破损、下陷等病害。
(3) 隧道底部设计结构薄弱。目前通用的隧道标准图“对隧道拱部和墙部设计较强, 基底设计薄弱。Ⅳ、Ⅴ类围岩直墙式衬砌铺底仅10 cm, 后改为20 cm仍显薄弱;双线Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩曲墙仰拱断面的矢跨比仅为1/14, 显得太平坦。通过调研、现场测试和理论分析都表明, 隧道基底受力复杂, 除受围岩压力以外, 还受到列车振动荷载长期作用, 在富水地区隧道基底还要受到地下水压力作用。”而我国目前在进行隧道标准设计时普遍不考虑地下水压力作用, 多重压力挤压原本设计薄弱的基底, 势必造成隧道基底变形乃至断裂。
3. 水害的成因
隧道水害产生的主要原因在于, 深埋山体内部的地下水循环系统原本完善通畅, 而挖掘隧道破坏了山体水系平衡。隧道附近地下水积聚隧道内部或环绕隧道围岩附近, 形成隧道水害。隧道水害的形成, 主要与以下三方面的人为原因有着密切关系:
(1) 排水系统不完善。隧道施工之前, 应对隧道穿越地带的水文地质条件进行勘探, 进而有针对性地设计防排水系统。然而, 鉴于目前地下勘探技术仍不够科学, 加上施工单位主观上缺乏预防水害的积极意识。往往重视隧道结构要求, 轻视乃至忽视水文勘探环节。对隧道围岩衬砌附近的地下水源、流量、流向、水质等缺乏深入而全面的勘察, 对隧道衬砌混凝土的抗渗透、抗水蚀要求不够明确, 这使得隧道施工时未能设计、安装科学完善的排水系统, 加重了隧道水害。
(2) 施工质量不达标。施工单位出于成本控制考虑, 容易忽视衬砌质量控制。施工中难免存在衬砌局部超挖、欠挖、回填不严, 防水材料质量低于国家防水标准、混凝土存有孔隙、裂缝而降低防水能力, 混凝土伸缩缝、工作缝等未做防水处理等问题, 直接加剧了隧道水害。
(3) 监理验收落后。隧道施工监理在我国还十分落后, 关于防水施工方面的监理规程还很缺乏。一直以来, 普遍交由施工单位把关, 因防水预算额低, 长期忽视了防水材料质量。工程竣工后, 隧道管理单位缺乏科学可行的检测手段, 只能参照施工总结报告匆忙验收。施工监理不严, 验收手段落后, 导致隧道运营不久即渗漏水严重。
四、常见隧道病害防治措施
1. 衬砌侵蚀的防治措施
(1) 治水稳固岩体。地下水渗漏进入衬砌岩体, 长期浸泡围岩混凝土, 侵蚀混凝土, 削弱围岩强度, 是衬砌侵蚀的突出表现。治理衬砌侵蚀, 必须科学设计隧道衬砌排水系统, 疏散隧道围岩周围汇聚的地下水, 设法降低地下水水位。还可在衬砌两侧铺设粘性防水层, 吸干渗入衬砌四周的少许地下水, 确保衬砌周围环境干燥。
(2) 注浆加固岩体。如运营隧道衬砌未安装防排水系统, 可向受地下水侵蚀、冻蚀导致岩体松动破损的衬砌注入水泥浆液。既能加固围岩稳固性, 又构建出有效防止地下水渗入衬砌的人工固结圈, 从根本上削弱地下水、烟雾、冰冻对隧道衬砌的侵蚀作用。
(3) 更换加固衬砌。对受水蚀、烟蚀或冻蚀较为严重, 已出现裂纹、变形、移位的衬砌, 应视具体情况采用压浆加固、嵌补加固、喷锚加固、套拱加固、结构抽换等方式。加固或更换隧道衬砌混凝土, 及时整治衬砌侵蚀病害, 确保隧道安全运营。
(4) 强化衬砌养护。隧道管理机构应加强对隧道衬砌侵蚀的勘察、测量、评定, 做好衬砌侵蚀预防、治理工作。设计单位应提升隧道混凝土设计标号, 增强衬砌混凝土抗渗性, 提升衬砌抗水蚀、烟蚀、冻蚀能力。
2. 基底病害的防治措施
(1) 疏排地下水。地下水侵蚀是造成隧道基底病害的最主要原因, 因此, 要从根本上治理隧道基底病害, 关键在于设法疏排地下水, 降低地下水水位, 确保隧道基底基岩处于干燥状态, 减少地下水对隧道基底的侵蚀作用。譬如在隧道结构设计时, 科学设计深度适宜、线路畅通的排水沟, 充分发挥排水沟排泄地下水功能。结合隧道穿越山体蕴藏的地下水量, 合理设计横向盲沟, 排水沟侧贯穿纵向盲沟, 横纵交替, 控制好盲沟间距, 增强排水功能, 确保隧道基底基岩始终处于良好的工作状态, 从而减少地下水对基底的侵蚀。
(2) 减弱列车振动。隧道基底施工时可在隧道基底结构和基岩之间插入粘性防水层, 既可以防止地下水渗漏, 又可以利用粘性材料吸振, 减弱列车运行产生的振幅。此外, 适当增厚路床, 也可减弱列车振动影响。
(3) 增强基底抗运载能力。隧道基底结构不仅承受着来自围岩的压力, 还承受着列车反复静载振动的压力, 容易产生疲劳裂纹, 导致基底病害。为此, 在隧道基底结构设计时, 应考虑提升基底混凝土结构的强度、水密度、抗裂性等。如可在富水地带穿越隧道采用双层钢筋布置, 灌注基底时加强混凝土振捣, 彻底清除虚碴, 提升基底水密性能, 增强抗裂能力。
(4) 加强隧道基底维护。隧道投入运营后, 应加强隧道基底养护, 清洁道床, 疏畅侧沟, 确保隧道基底处于干燥完好的工作状态。维护与防治结合, 减少基底病害发生。
3. 水害的防治措施
水害是隧道最常见最严重病害之一, 对水害的治理, 应坚持因地制宜, 排、堵、截相结合的原则, 具体措施如下。
(1) 疏排地下水及地表水。穿越地下水丰富地带的隧道, 应铺设双侧排水沟, 并增设一定量的暗管密井来加深排水沟。尽可能将侧沟延伸至隧道轨面下1.5 m, 既能有效排除隧道衬砌渗漏水, 还可疏散基底积水, 确保道床及衬砌四周干燥。长大隧道则还应增设平行导洞, 辅助洞内排水沟疏散过多地下水或地表水。严寒地带隧道, 可在最大冻结线以下设置防寒泄水洞, 以疏排隧道围岩混凝土中渗入汇聚的裂隙水。地表水淤积沟谷, 渗入隧道, 也会造成隧道水害。为此, 填坑、挖沟, 铺设畅通排水系统, 积极疏导排泄隧道附近地表水, 也是整治水害的必备措施。
(2) 注浆堵水。挑选可灌性好、固化强度高、抗渗性强的注浆材料, 向隧道内部渗漏水频繁的衬砌内部、回填层、基底等部位注入具有快凝、早强、耐久性强、无污染性能的双快水泥浆液或GRM水泥注浆液, 增强隧道围岩抗压、防渗强度, 起到堵塞地下水渗漏的效果。
(3) 兼用内外防水层。对水害严重的隧道, 不仅应采用防水混凝土建构外贴式防水层, 还应铺设内防水层, 阻止水流深入隧道衬砌。内外防水层可采用橡胶沥青、焦油聚氨酯、优止水等进行刷涂, 还可采用丙烯酸高分子乳液与体料剂等调配而成的R料来刮压, 或使用特种水泥砂浆、阳离子乳化沥青等进行喷涂。三种方式各有优缺点, 视情况选择。内、外防水层兼用, 齐心防水、排水, 削弱水害对隧道的危害。
五、结语
因隧道工程穿越地区大都伴随有裂隙发育岩体、软弱围岩地层、风化变质岩带、断层破碎带等复杂地质条件, 加之水文条件的推波助澜, 极易发生诸如衬砌侵蚀、水害和基底下沉、翻浆冒泥等常见隧道病害。严重影响运输安全, 导致大量人力、物力、财力损失。因此, 在深入分析隧道常见病害种类及成因的基础上, 主动而有针对性地从勘察、设计、施工、监理等多方面综合治理隧道病害, 是尽可能减少铁路、公路隧道病害的可行性对策。
参考文献
[1]中国公路学会隧道工程分会.公路隧道学科发展研究报告[R], 2011.
[2]施成华, 彭立敏, 黄娟.铁路隧道基底病害产生机理及整治措施[J].中国铁道科学, 2005 (04) .
[3]朱万听, 李兰勤.隧道基底病害现状及成因分析[J].现代隧道技术, 2001 (05) .
铁路隧道病害有效整治技术研究 篇3
隧道工程在其设计合适、施工过程质量控制到位的情况下, 一般都会有良好的承载性、耐久性和满足设计要求的使用寿命。但实际中, 诸如勘察深度不够, 据以设计的资料、依据不足, 设计方法和采用支护参数不当, 施工过程中的偏差或其他潜在因素的存在, 施工作业队伍的素质的良莠不齐, 现场管理的不周和盯控的不到位等都会出现隧道工程在耐久性方面的降低或使用寿命的缩短。所有这些因素的存在, 使得隧道工程必然存在某些缺陷或病害, 其整治过程在于阻止隧道工程出现劣化现象或加速劣化的发展, 目的在于保证隧道工程本身的使用功能和良好的运营条件, 不断地延长隧道工程的使用寿命。世界各国对隧道缺陷的整治都十分重视, 所以说, 隧道病害整治是世界各国隧道界科技工作者普遍关注的永恒课题。将一些成熟的、有效的和先进的整治方法模式化是十分必要的。
2 隧道缺陷分类及成因分析
隧道病害是影响隧道健康、安全、长久运营的一系列不良现象的统称, 主要包括二次衬砌混凝土病害、基底类病害、洞口病害、设施类病害等几大类别。
2.1 隧道缺陷的分类
根据对不同隧道缺陷的分析, 隧道缺陷主要集中在隧道渗漏水、衬砌混凝土裂纹或裂缝、二次衬砌混凝土厚度不足、初期支护及二次衬砌背后脱空、仰拱或隧底虚碴、二次衬砌混凝土局部强度不足等[1~3]。
2.1.1 渗漏水
隧道衬砌渗漏水是隧道最主要的质量通病。一般情况下, 隧道渗漏水可分为涌水、漏水、滴水、渗水;其发生部位主要在拱部、拱脚 (矮边墙) 、施工缝 (衬砌端头) 等。由于目前隧道基本采用复合式衬砌结构, 对施工过程中出现的隧道涌水, 一般会采取专门方案、措施进行处理, 除非特别原因或异常情况, 在隧道运营阶段, 涌水发生的可能性很小。
2.1.2 衬砌裂纹或裂缝
文献[2]给出了隧道衬砌混凝土裂纹的类型, 即:干缩裂纹、温度裂纹、外荷载作用产生的变形裂纹、施工缝处理不当引起的接茬缝等;过早拆模, 混凝土强度不足也易于造成衬砌沉降变形、开裂等[4]。
2.1.3 二次衬砌厚度不足
根据现场经验, 二次衬砌厚度不足一般较多发生于Ⅱ、Ⅲ围岩时, 因一般采用开挖方式为全断面或台阶法进行, 周边眼布设不当, 就会造成开挖断面的不足, 处理相对困难, 必然地导致二次衬砌厚度的不足。二次衬砌厚度的不足一般有:
1) 防水板的松弛度不够引起;
2) 局部欠挖或初期支护侵入衬砌限界;
3) 恶意偷工减料引起。初期支护的厚度不足将直接影响围岩整体的稳定性, 也对二衬施加了压力, 削弱了二次衬砌应有的承载能力。近年来, 随着人们对二次衬砌厚度认识的提高, 二次衬砌厚度不能满足设计要求的现象也有所下降。
2.1.4 初期支护及二次衬砌背后脱空
初期支护背后脱空易于出现在Ⅳ、Ⅴ级围岩, 主要见于拱部脱空, 受钢架 (格栅钢架、型钢钢架) 架设或恶劣施工作业环境影响, 喷射混凝土作业时, 不能认真执行相关作业指导书的要求, 采用分层喷射, 致使喷射不均匀, 无法有效控制喷射厚度。二次衬砌背后脱空受施工工艺的影响较大, 发生的几率较为普遍。二衬混凝土背后不密实, 出现脱空, 易造成背后积水和二衬受力不均, 引发渗漏、二衬开裂等病害, 线路开通后将成为危及行车安全的严重隐患。
2.1.5 仰拱或隧底虚碴
仰拱或隧底虚碴的存在, 往往随时间推移, 列车运行过程中的强大的冲击荷载多次反复作用于基底, 使结构本身受到冲击, 使存在虚碴部位出现受力的不均或结构渗水影响, 最终会形成翻浆冒泥, 强度降低, 仰拱或隧底混凝土开裂, 影响正常运营及运行中的安全。
2.1.6 二次衬砌混凝土局部强度不足
隧道二次衬砌混凝土一般来源于各施工单位自建拌合站, 近年来铁路建设工程标准化管理已经得到普遍推广, 混凝土拌合站建设成为了一项重要内容, 《铁路工地混凝土拌合站标准化管理实施意见》的颁布, 为混凝土的质量奠定了较好的基础, 混凝土的质量得到了明显改观。但受施工工艺、现场质量控制、管理以及人员素质等的因素影响, 仍然存在局部强度不足的情形。
2.2 隧道缺陷的原因分析
2.2.1 渗漏水
隧道衬砌渗漏水是隧道最主要的质量通病。一般情况下, 隧道渗漏水可分为涌水、漏水、滴水、渗水;其发生部位主要在拱部、拱脚 (矮边墙) 、施工缝 (衬砌端头) 等。由于目前隧道基本采用复合式衬砌结构, 对施工过程中出现的隧道涌水, 一般会采取专门方案、措施进行处理, 除非特别原因或异常情况, 在隧道运营阶段, 涌水发生的可能性很小。
2.2.2 衬砌裂纹或裂缝
1) 干缩裂纹:混凝土在硬化过程中水分逐渐蒸发散失, 使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形, 由于受到围岩和模板的双重约束, 变形产生应力, 当应力值超过混凝土的抗拉强度时, 就会出现干缩裂纹。其影响因素主要有:水泥品种、用量及水胶比, 骨料粒径的大小、级配, 外加剂的品种和掺量。
2) 温度裂纹:水泥在水化过程中要产生大量的热量, 在混凝土内部和表面形成较大温度梯度从而产生应力, 当温度应力超过混凝土内外的约束力时, 就会产生温度裂纹。它的产生与衬砌厚度、水泥的品种、用量有关。
3) 荷载变形裂纹:如仰拱和边墙基础的虚碴未清理干净, 混凝土浇筑后, 基底易产生不均匀沉降;衬砌模板台车和挡头板固定不牢固、过早脱模、或脱模时混凝土受到较大的外力撞击都易产生变形裂纹。
4) 施工缝:施工过程停电或机械故障往往会使混凝土的浇筑过程被迫中断甚至严重超过混凝土的初凝时间, 继续浇筑时, 由于施工工艺的问题往往对原浇筑混凝土的表面未进行凿毛处理, 或处理后冲洗不干净, 同时未铺设砂浆垫层的情况下就开始在原浇筑混凝土表面浇筑新的混凝土, 使两次浇筑混凝土出现施工缝。
衬砌混凝土产生的裂纹对隧道的结构和开通运营安全造成了极大的威胁, 一方面裂纹处易产生应力集中;另一方面对于电气化铁路而言, 由于裂纹处地下水的渗漏, 直接影响着隧道内铁路机车电力接触网、其他电力、通信、信号及其设备的安全使用和寿命。
2.2.3 二次衬砌厚度不足的原因
1) 支护是隧道的关键环节, 衬砌的施作和有关参数的选择也是重要因素。若隧道开挖不够平整, 衬砌背后与围岩不密贴或回填不密实, 长期运营之后, 由于水的侵入或风化而破坏衬砌结构, 尤其是拱部, 若施工控制不严, 就会出现拱部的开裂或掉块。另外, 由于设计误导或施工控制不严, 导致衬砌厚度不足, 影响结构安全。
2) 防水板铺设质量不过关, 铺设时未控制好松弛度, 导致防水板浇筑混凝土后过紧, 呈扯拉状导致防水板后形成空洞, 而引起二次衬砌厚度的不足。
2.2.4 初期支护及二次衬砌背后脱空
脱空的主要原因是因防水板 (含土工布) 铺设松弛度控制不好, 绷得太紧, 边墙、拱腰混凝土浇筑过程, 随浇筑进行, 边墙部位防水板受拉紧绷, 致使拱部防水板下沉;或因初喷混凝土基面平整度控制较差, 不能紧贴初期支护基面引起;或因防水板或防水板固定不牢 (暗钉圈间距过大) 发生位移等造成。
2.2.5 仰拱或隧底虚碴
仰拱或隧底虚碴的出现一般是由于在仰拱混凝土施作前清底不干净, 存在部分虚碴或对积水抽排不及时, 而在浇筑混凝土时又未采取相应的集水坑等的工艺措施, 致使出现仰拱或隧底虚碴。
2.2.6 二次衬砌混凝土局部强度不足
二次衬砌混凝土局部强度的不足不具有普遍性, 其原因归结于施工工艺过程的控制, 如局部振捣不密实, 遇有施工缝时的随意处理等。
3 隧道缺陷整治的基本原则及整治的有效方法
3.1 隧道渗漏水的处理基本原则及整治方法
3.1.1 隧道渗漏水的处理基本原则
隧道渗漏水整治采取“拱部以堵、边墙以排为主, 防、堵、截、排相结合”的原则。根据渗水情况可分为面渗、点渗、施工缝渗漏等。
3.1.2 隧道渗漏水的整治方法
纵观多种资料和工程实践经验, 具体处理方案主要分为分引排法、凿槽或注环氧树脂浆液封堵法等堵排结合, 因地制宜, 综合治理的方法处理。
1) 面渗、点渗的处理措施。对于二衬局部渗水为面渗或点渗时, 采取注浆堵水的措施, 在渗水处布设注浆孔 (见图1) , 进行注浆堵水, 同时在衬砌侧壁凿槽埋管, 埋设透水软管接通至墙脚盲管内, 沟槽采用抗渗强度较高的砂浆回填密实 (见图2) 。带有承压水应进行引排处理。对于渗漏水的集中段, 采取每5m开槽设暗沟排水。
2) 施工缝及二衬裂缝渗漏水处理措施。 (1) 对于环向施工缝的渗水处理:在渗水处打孔至二衬背后, 埋设盲管将衬砌背后积水引排至水沟, 盲管周围用高强度及抗渗性能较高的水混砂浆充填密实。渗水部位较高时, 沿施工缝从渗水源头凿开沟槽, 埋设透水软管接通至墙脚盲管内, 沟槽采用抗渗强度较高的砂浆回填密实。 (2) 对于纵向施工缝渗水的处理:沿纵向掏槽埋设透水软管汇积渗水引排到水沟内。 (3) 仰拱施工缝的渗水处理:在渗水的施工缝处凿沟, 埋设透水软管将水引至排水沟内, 然后沟用高强度混凝土回填密封施工缝。 (4) 衬砌裂缝的渗水处理采用凿槽嵌补和骑缝锚杆的方法进行处理。施工缝及二衬裂缝渗漏水处理措施见图3、图4所示。
3.2 衬砌裂纹或裂缝的处理原则及整治方法
3.2.1 衬砌裂纹或裂缝的处理基本原则
衬砌开裂采用锚固加强方案, 即通过锚杆的作用将隧道衬砌和周边围岩紧密地联系在一起, 形成一个共同受力的整体, 抑制衬砌裂纹的进一步发展处理。
3.2.2 衬砌裂纹或裂缝的整治方法
隧道纵向、斜向裂缝按裂缝宽度分类采取不同的整治措施:
1) 裂缝缝宽≤0.3mm时, 进行封闭处理。清洗干净裂缝表面, 把缝两侧50mm范围擦拭干净并保持干燥, 然后刷涂环氧树脂浆液二至三遍, 最后刮抹料、调色料处理混凝土表面, 使颜色与周围衬砌混凝土颜色一致。
2) 裂缝缝宽>0.3mm但小于或等于1mm时, 采用AB型环氧树脂修补, 详见附图。裂缝处理见图5。
3.3 二次衬砌厚度不足时的处理原则及整治方法
3.3.1 二次衬砌厚度不足时的处理基本原则
对二衬混凝土强度不足地段进一步落实范围、混凝土强度等级后, 研究治理方案。对于二衬观感质量良好、实际衬砌厚度小于5cm设计厚度的部位, 应根据现场实际围岩及二衬混凝土实际强度进行受力验算, 满足要求时, 可不做处理。对于衬砌厚度小于设计厚度5cm以上的部位, 针对不同的原因采取相应的处理措施。
3.3.2 二次衬砌厚度不足时的整治方法
1) 对由于初支侵限导致二衬不足的, 对二衬厚度不足之处凿除, 周边混凝土凿毛, 水平方向植筋后, 灌注混凝土 (混凝土强度较原设计提高一个等级) 并预留注浆孔洞, 浇注完成混凝土达到设计强度后填充注浆。
2) 对于二衬背后脱空导致二衬厚度不足的, 采用衬砌背后注浆处理措施。确定空洞位置及大小范围, 每0.5m设置一个钻孔点, 每处不少于3个钻孔点, 梅花型均匀布置在空洞确定范围。注浆示意见图6。
3) 对于部分隧道地段二衬厚度严重不足的, 结合文献[5]进行验算, 确不能满足隧道安全要求时, 需要拆除后重新施作, 以满足隧道安全运营的要求。
3.4 初期支护及二次衬砌背后脱空处理原则及整治方法
3.4.1 初期支护及二次衬砌背后脱空的处理基本原则
对初期支护背后不密实部位, 空洞较小, 面积不大的部位可不做处理。否则, 应采用钻孔压注水泥浆处理;对衬砌背后脱空部位, 采用钻孔压注水泥砂浆或细石混凝土回填处理。二衬修补孔采用高强度微膨胀混凝土封堵。
3.4.2 初期支护及二次衬砌背后脱空的整治方法
1) 初支背后脱空。对于隧道初支背后的空洞采取压浆措施, 在确定空洞位置和范围后, 按梅花形布设注浆管, 压注水泥浆, 待浆液达到设计强度后对二次衬砌进行凿除, 缺口应内宽外窄形成倒梯形, 严格按照要求修补隧道的防水系统, 然后浇注凿除部分的二衬, 必要时对二衬结构进行加强。
2) 二衬背后脱空。隧道个别地段初期支护与衬砌之间存在脱空的现象, 采用φ42mm注浆管对衬砌背后空洞或不密实部位压注水泥砂浆, 钻孔位置避开拱顶接触网导线顶, 注浆压力控制在0.2MPa以内。当注浆压力达到设计终压并稳定5min以上、吸浆量很少或不吸浆时即可结束该孔注浆。为防止压力过大破坏衬砌结构, 在压浆时可分几次压浆, 确保安全 (见图7) 。
3.5 仰拱及隧底虚碴的处理原则及整治方法
3.5.1 仰拱及隧底虚碴的处理基本原则
仰拱底有虚碴地段, 若仰拱厚度满足设计要求, 结合水文地质条件, 采用适宜的压注浆方案治理, 否则将采取相应的处理措施, 以确保满足相关要求。
3.5.2 仰拱及隧底虚碴的整治方法
对隧底有小范围的虚碴时, 核实仰拱底虚碴位置及大小范围, 采用φ42mm注浆管对隧道底不实地段注浆 (见图8) 。注浆管间距0.8~1.0m, 梅花型均匀布置。安设φ42mm马牙扣形钢花管, 要求钢花管与混凝土密实连接, 钢花管底端距虚碴面底面不大于2cm, 注浆压力0.3~0.4MPa。
根据无损检测报告, 如发现大范围的虚碴, 仰拱大面积虚空的段落应进行凿除处理, 现场核定隧道基底浮碴范围, 确定拆除隧道底部结构范围。对隧道基底存在浮碴段采取切割法拆除已有混凝土结构, 清除隧道基底浮碴后, 浇筑比拆除混凝土高一强度等级的新混凝土 (见图9) 。
3.6 二次衬砌混凝土局部强度不足的处理原则及整治方法
3.6.1 二次衬砌混凝土局部强度不足的处理基本原则
对二衬混凝土强度不足地段进一步落实范围, 采用回弹仪等准确获取混凝土强度等级, 并进行必要的分析计算, 根据结果确定治理方案。
3.6.2 二次衬砌混凝土局部强度不足的整治方法
可根据二次衬砌混凝土外观质量, 并结合围岩状况, 具体调查了解, 必要时建议进行安全性验算, 根据其结果及相关强度验收方面的规定并进行现场核对以确定最终整治方法, 但原则上不提倡返工整治。
4 工程实例
某山岭隧道全长3 104m, 围岩以Ⅱ、Ⅲ级为主, 进口端约427m的Ⅴ、Ⅵ级, 采用钻爆法开挖, 复合式衬砌。施工过程曾出现小范围突泥、涌水、冒顶。部分地段富水, 需进行专门注浆堵水。在施工完成后进行全面检查 (无损检测、钻芯取样、外观检查等) , 共计发现存在各种病害142条, 经多方论证、研究, 分别采取上述对应整治措施, 得到了有效整治, 整体效果良好。
5 结语
鉴于篇幅限制, 文章仅对几种常见隧道质量病害整治技术进行研究, 而未对衬砌混凝土的其它病害如混凝土的蜂窝、麻面、泛砂、表面平整度较差、漏浆、跑模、色差、施工缝错台、限界受侵等进行讨论。针对上述存在问题, 建议在隧道施工中遵循以下要点, 供同行学习、参考。
1) 隧道工程的不确定因素较多, 设计中应坚持“动态设计”[6]理念, 借助于现代科技手段, 获取足够的信息, 完善信息传输系统, 排除隧道施工环境和管理体制的制约, 实现真正意义上的“动态设计”。
2) 针对隧道二次衬砌渗漏水出现的频率及其危害性, 采取设计预防措施, 在隧道设计时应首先做好水文地质勘测, 根据岩体类别、透水性、地质构造、地下水类型、流量、补给条件及洞顶地面形状等进行隧道防排水专项设计, 将结构外层防水与结构自防水紧密结合, 以保证衬砌的使用寿命和运营的安全。
3) 多种因素存在, 设计局部与实际地质不符、处置不当现象时有发生, 建议设计单位在设计勘察时确保地质勘探工作的深度, 准确进行隧道围岩类别评价, 为支护结构设计提供依据, 尽可能地使实际地质情况与设计截面相适应, 降低结构受力与设计的严重不符而留下的隐患。
4) 为了提高混凝土的质量, 对混凝土原材料如粗骨料、细骨料、胶凝材料、外加剂等的质量进行严格把关, 强化进场验收程序, 响应原铁道部工程管理中心的颁布《铁路工地混凝土拌合站标准化管理实施意见》, 以标准化拌合站建设为契机, 以提高混凝土的质量和性能为目标, 实现各项管理工作的标准化。
5) 采用先进、可靠的量测仪器, 准确、适用的监控量测手段, 认真进行地表观测、拱顶沉降和水平收敛、应力应变等的量测, 完整收集和整理量测结果, 实时掌握隧道施工期间的围岩变形和支护结构的受力特点, 及时分析量测数据, 及时将量测数据反馈至动态设计中去, 将超前地质预报资料与施工实际揭示地质对比、结合, 使设计尽可能地符合现场实际地质条件。
6) 人的因素仍然是隧道工程的最终质量的决定性因素, 所有的环境因素、施工因素、工艺因素都归结于人的素质。根据近多年来的铁路工程建设经验, 推荐和推广架子队管理模式的有效运行, 是工程质量的有效保障, 结合铁路建设管理标准化的要求, 完善管理人员中的组织保证体系、质量管理体系和安全管理体系, 从施工过程控制施工结果, 达到铁路工程的健康、安全、高效的运营。
参考文献
[1]何伟奇.新建隧道质量缺陷整治与防治[J].铁道工程学报, 2002 (1) :55-58.
[2]刘江华.乌鞘岭特长隧道衬砌裂纹的监控量测与整治[J].施工技术, 2006, 35 (S2) :166-168.
[3]刘会迎, 宋宏伟.隧道渗漏水成因分析及治理措施研究[J].重庆交通大学学报 (自然科学版) , 2007, 26 (4) :54-56.
[4]TB 10417—2003铁路隧道工程施工质量验收标准[S].
[5]孙克国, 李术才, 张庆松, 等.特长山岭隧道衬砌监测及模拟研究[J].岩石力学与工程学报, 2007, 26 (S2) :4465-4470.
公路隧道病害分析及健康检测 篇4
我国地形极其复杂, 山区面积占国土总面积的比例超过了60%。过去由于建设资金严重不足, 在山区修建公路时常常以盘山绕行为主, 这与修建隧道相比, 不但路程大大增加, 而且行车时舒适度也较差。改革开放以来, 特别是近几年来, 随着国家加大对基础设施建设的投入, 我国公路隧道特别是长、大隧道建设和科研都取得了很大的进步。目前, 隧道建设不仅在山区和丘陵地区开展中, 而且在东部跨越江河湖海中也有很大发展。
一般来说, 公路隧道与其他隧道相比具有断面大、形状扁平、需要运营通风、照明和防水要求高的特点。由于公路隧道的上述特点, 再加上公路隧道穿越山体的工程地质及水文地质等条件往往复杂多变, 此外隧道工程数量的激增以及建设速度的加快, 国内许多已建和在建的一些公路隧道出现了不同程度的质量问题。
2 公路隧道常见病害分析
影响公路隧道健康的病害种类有很多, 其成因较为复杂, 目前理论研究还没有取得很大进展。公路隧道最常见的病害有:隧道水害、衬砌开裂、隧道界限受侵、衬砌结构和围岩结合不密实以及通风、照明不良等。下面就对上述病害一一进行简要分析。
2.1 隧道水害
同其他地下工程一样, 公路隧道在施工和建成后一直受着地下水的影响。由于在隧道修建过程中, 破坏了原始岩体的水系平衡, 隧道成为所穿越山体附近地下水汇集的通道, 当隧道围岩与含水层连通, 而隧道衬砌的防水与排水设施设计不完善或排水设施老化时, 地下水便会通过一定的通道渗入或流入隧道内部, 在隧道内出现大量渗漏。寒冷地区的隧道在冬季受寒冷气温和季节冻结圈的作用, 部分隧道还出现了不同程度冻害。这些都对行车安全以及衬砌结构的稳定构成了一定威胁。某公路隧道在拱顶位置出现明显渗水现象, 见图1, 经多方面调查, 查明主要是原有防水层破损老化的原因。
对公路隧道的水害的防治, 应该设计好科学的防排水结构, 加强防排水施工质量管理。一般可采取以下防治手段:
(1) 通过设置排水管、排水槽、排水沟, 增设或疏通平行导洞等方法进行适当疏导。
(2) 采用衬砌背后和内部注浆、隧道底部注浆等措施对地下水进行封堵。
(3) 增设内防水层, 如在衬砌内刷涂或喷涂防水材料等。
(4) 采取“排堵结合”的方法。
2.2 衬砌开裂
由于公路隧道工程往往处于极其复杂的围岩中, 在受到变形压力和松动压力、地层沿隧道纵向分布及力学形态的不均匀、温度和收敛应力、膨胀围岩压力或冻胀性压力、腐蚀性介质以及车辆的循环荷载等的作用下, 同时受技术和资金条件的限制, 一些因素在设计前难以准确的确定, 导致在隧道衬砌结构设计中带有一定的盲目性, 从而造成隧道衬砌结构产生变形和裂缝。然而, 公路隧道出现衬砌开裂更多的是由于施工管理不当造成的。例如, 某公路隧道衬砌出现多处开裂, 见图2。经过详细检测, 检测出该隧道衬砌厚度比设计约少3cm, 混凝土强度也未达到设计强度标准。
衬砌开裂可导致隧道结构失稳, 甚至大范围的塌方, 对安全运营构成潜在的威胁。
由此可见, 提高隧道衬砌质量是至关重要的。对于隧道开裂的防治可采取以下措施:
(1) 在开裂处进行压浆、灌缝处理, 封闭原有裂缝。
(2) 采用钢板、金属网、混凝土喷层、补强钢拱架等对衬砌进行补强。
(3) 局部改建, 撤换局部衬砌, 扩大建筑面积。
(4) 稳定底部, 如底板压浆、补修仰拱等。
2.3 隧道界限受侵
公路隧道建筑界限是保证车辆安全通过隧道的必要断面。在公路隧道施工中, 有时会遇到松软地层, 当地压较大时, 围岩的变形量将很大, 如果支护形式欠妥、施工方法不当或支护不及时, 则容易导致塌方。为了保证施工安全、避免塌方, 如果急于修建衬砌的话, 那么往往就会忽视断面界限, 使得建筑界限受侵。另外, 在隧道衬砌混凝土浇注过程中, 若模板的强度或刚度不足, 出现跑模, 也会使隧道界限受侵。同时, 由于隧道附属装置如通风用风机、照明用灯具管线等安装不合理时也可能会侵占隧道界限。因此, 要防止公路隧道界限受侵占, 就应该注重施工过程中的质量控制, 做到勤量测。
2.4 衬砌结构和围岩结合不密实
目前, 公路隧道施工建设大多都是按照“新奥法”的施工方法施工的。所谓“新奥法”就是以控制爆破或机器开挖为主要掘进手段, 其基本出发点是支护结构同围岩共同受力、共同变形。因此, 保证隧道同围岩的紧密接触是施工的关键。可是, 在施工过程中由于隧道光面爆破效果不佳, 甚至有时为了节省、经济而人为地在初期支护的背后填埋石块或其他异物来取代混凝土填充空间, 造成了围岩与初期支护之间不密实;在二次衬砌施工过程中, 由于泵送混凝土压力不足、混凝土和易性较差、抽拔泵送管过快等原因, 导致拱顶处混凝土不饱满, 衬砌混凝土厚度不够, 甚至形成较大的空洞, 从而诱发拱顶上鼓、衬砌内缘被压裂、掉块。
2.5 通风、照明不良
在一些公路隧道中, 由于隧道内通道较狭长, 洞内照明昏暗, 有害气体不易有效稀释或排出, 在其积聚到一定程度后, 就会影响司乘人员的健康, 威胁行车安全。造成隧道通风与照明不良的主要原因有:设计欠妥、相关设备质量不佳以及运营管理不当。在设计方面, 应从加强理论与试验研究着手, 不断总结经验, 提高设计水平来加以解决。对于设备, 在安装前应对其性能指标加以检测, 不合格者不予采用。在运营管理方面, 应保障运营管理资金的投入, 加强管理, 保证风机和灯具开启的强度。
总之, 公路隧道病害的产生与多种因素有关, 有时是一种或多种病害同时存在, 尤其是隧道内水害与隧道开裂和其他病害的关系密切。因此, 对隧道病害的整治往往需要采取多种措施才能凑效。
3 隧道健康检测
隧道健康检测内容主要包括衬砌质量, 如衬砌厚度、衬砌混凝土强度、衬砌结构和围岩结合情况、隧道断面以及隧道内的通风、照明等。
对于公路隧道的健康检测最初的检测手段比较落后, 一般靠肉眼观察, 受人为因素影响较大。后来为了检测隧道内部的病害, 采用了钻孔的方法, 这种方法虽然较直观, 但检测速度慢, 同时难免会破坏隧道的防排水系统, 从而影响隧道的寿命, 此外这种方法难以全面反映隧道的整体及各部位质量。目前随着无损检测技术的发展, 在公路隧道中, 无损检测手段被越来越多的利用。无损检测手段是利用声学、光学、机械振动技术、射线技术、电子和电气技术等检测技术, 其检测结果往往较准确, 具有较好的代表性, 同时检测过程中是非破损的, 故无损检测手段的优点是显而易见的。
目前, 衬砌厚度检测一般采用地质雷达法、超声发射法以及冲击-回波法等;衬砌混凝土强度检测主要采用超声回弹综合法和钻芯法;衬砌结构和围岩结合情况主要采用地质雷达法;隧道断面检测采用激光断面仪法检测。以上隧道质量检测所用的方法中, 除了钻芯法检测衬砌混凝土强度外, 其他方法均属于无损检测方法。由此可见, 无损检测方法已经成为隧道健康检测中的一个十分重要的手段。
4 小结
随着我国公路建设的飞速发展, 隧道建设也取得了很大成就。然而, 由于某些原因, 一些隧道出现了不同程度的病害。公路隧道的健康状况日益成为隧道养护中极其关键的环节, 做好隧道健康检测工作也显得尤为重要。
参考文献
[1]JTG H12-2003, 公路隧道养护技术规范[S].
尚家湾隧道地质病害处置技术 篇5
由于岩溶发育因素错综复杂, 发育的形态千姿百态, 以及岩溶发育的不均衡性和不规则性, 给岩溶隧道的设计施工带来一系列困难:施工阶段的突水、突泥也对施工安全和进度造成很大威胁, 近年来铁路隧道、公路隧道也都不同程度地遇到岩溶灾害, 甚至造成重大事故。尚家湾隧道全长3 800 m, 为全线控制性工程, 岩石为白垩纪砾岩, 其岩石成分主要为灰岩, 且胶结物以钙质为主, 加上存在裂隙及地表汇水作用, 导致岩溶极其发育, 可能出现岩溶涌水、溶洞、突泥、高压涌水等不良地质灾害, 水文资料显示最大涌水量为3.0万m3/d~4.0万m3/d。因此, 尚家湾隧道施工存在相当大的技术难度及安全隐患。
1 尚家湾隧道地质灾害超前探测
1) TSP、地质雷达扫描。
采用TSP隧道地震探测仪进行200 m左右的远距离较宏观的长期预报, 采取地质雷达进行40 m范围内的较微观近期预报, 探测掌子面前方岩溶发育情况及地下水赋存情况。
2) 超前地质钻探。
在部分地段根据TSP、地质雷达等预报结果确定是否需要打探孔以及探孔的位置和数量, 超前探孔成发散形钻孔, 在钻探掌子面前方的岩溶发育情况的同时, 也勘探了在隧道开挖轮廓线外8 m~9 m范围内的岩溶发育情况, 如开挖轮廓线外侧有溶洞或岩溶水发育, 在开挖前或开挖后要采取必要的加固措施, 防止隧道开挖后, 隧道侧壁或顶壁不能承受岩溶水压力, 造成坍塌或岩溶涌水, 危及隧道施工人员及机械设备。
a.掌子面中间顶部钻孔钻探30 m, 角度向上5°;掌子面中间底部钻孔钻探30 m, 角度向下5°。
b.掌子面左、右侧拱腰及拱脚位置各钻探1个孔, 钻探深度13 m (加宽带外侧钻孔15 m) , 水平斜向外侧与隧道夹角成45°。隧道每进尺6 m一循环钻探。
c.记录每节钻杆 (1 m) 的钻进速度, 施工时间及出水情况, 留照片及影像资料。在遇到明显判断前方有溶洞或涌水时, 要对该位置进行加密钻探, 以探明溶洞发育情况或涌水量大小。
2 尚家湾隧道岩溶水及溶洞处置技术
尚家湾隧道洞身大部分处于浅饱水带, 小部分处于季节变动带, 其洞身揭露大型溶洞的几率较高。平水期, 隧道揭露地下河或溶洞后, 地下水携带大量泥砂涌入隧道, 可能产生每日1万m3~2万m3涌水。雨季, 若2日内降雨100 mm, 隧道揭露地下河或溶洞后, 可产生每日3万m3~4万m3的涌水。
根据设计图纸尚家湾隧道水文地质图显示, 尚家湾隧道下穿尚家湾、白果树垭等村庄, 所以在进行岩溶水处置时要充分考虑流水对地表环境及居民生活生产用水的影响。对于开挖导致地下水流失, 有可能引起地表环境变化或影响到居民生活用水的段落, 要采取“以堵为主”进行处置, 对于一般地段则采取“以排为主、堵排结合、因地制宜、综合治理”的原则进行处置。而对于地下水发育, 施工时可能产生突泥涌水等危及施工安全的破碎发育地带, 采取“以堵为主、限量排放、防突防涌”的原则, 通过注浆堵水加固围岩或加强支护形式, 提高围岩的承载能力, 封堵裂隙, 切断渗流通道, 减少水对衬砌的压力;同时, 加强排水措施, 以防止背后大量积水而引起水压力过大产生突泥突水, 确保施工安全。
尚家湾隧道左洞掌子面开挖至ZK64+918时, 左侧拱腰位置超前钻孔钻探至约4 m时, 从钻孔内开始涌水。后根据洞口流水情况分析, 洞内涌水情况基本稳定, 且考虑到尚家湾为上坡施工洞内不会有过深的存水, 组织相关人员先进洞查看。洞内涌水点仍为钻孔处, 涌水稳定, 现场水头喷出约15 m, 水压较大, 水流量经检测约为200 m3/h (见图1) 。初步分析涌水为裂隙管道水。
制定初步方案:
1) 进行涌水自涌放水, 观察水压力及水流量是否减小, 同时观察水流失对地表环境及村民生活生产是否产生影响。
2) 对掌子面其他位置进行加密超前钻探。
经过4 d的自涌放水, 水压力及水流量有明显减小趋势, 施工人员加大超前钻孔的密度, 通过钻孔基本可以判定前方溶洞的位置及发育方向 (如图2深色标注部位) , 从左侧拱腰延伸至右侧拱脚位置。超前钻孔中除涌水点下方两个钻孔有部分泥水流出外, 其他钻眼没有水或泥流出, 分析溶腔内没有很大存水或淤泥, 可以打眼放炮进行掘进, 以便将溶洞暴露出来。
放炮完成后, 观察洞口流出的水流没有增大的迹象, 初步分析内部没有出现新的涌水点, 进洞对掌子面检查, 在掌子面左侧拱腰及右侧拱脚位置溶洞暴露, 与之前判定位置及走向基本相符, 没有显示新的涌水点, 通风后装载机进行出渣。出渣即将结束时, 掌子面右侧拱脚突然有泥水流出, 立即停止出渣, 洞内作业人员全部迅速撤离。随即涌泥量增加, 流速增大, 并涌出洞口, 持续约15 min, 初步估算涌泥量为7 700 m3 (如图3所示) 。待涌泥稳定后, 进洞查看情况, 水流较大, 但没有涌泥迹象, 分析造成突然产生涌泥的原因是由于隧道开挖后溶腔内常年淤积的沉积物在比较大的水压力下一涌而出, 随后趋于稳定, 而之前超前钻孔内没有水或泥流出则是由于沉淀物堵塞了钻孔。在确保安全后, 进入溶洞查看情况:右侧拱脚溶洞向内右前方延伸约30 m, 高度最高位置约3.5 m, 最宽位置约4 m, 源头位置因有石头塌落堵塞, 无法继续探明, 水流在塌落的石块中流出, 洞内仍有大量的淤泥存在。左侧拱腰溶洞向内延伸约10 m, 端头位置无继续延伸, 溶洞最高位置约6 m, 最宽位置约4 m。
初步勘察后判定, 右侧拱脚溶洞的延伸方向, 经过尚家湾隧道右洞洞顶或拱腰位置, 为避免水压力过大对右洞施工造成危害, 经过研究暂不封堵溶洞, 在外侧进行围挡, 防止再次出现比较大的涌泥涌入施工作业面, 流水则经过五级沉淀后通过隧道的排水暗沟流出, 待右洞顺利通过该段后再进行处理。
尚家湾右洞掌子面开挖至YK64+955时, 左侧拱腰至拱顶位置出现管道涌水, 左洞溶洞水流随即减小, 经过分析该位置即为和左洞连接的通道, 考虑到该位置处于拱顶, 不便于引排水, 同时对隧道的防排水也极为不利, 所以决定对该位置进行封堵, 将水引流至左洞拱脚位置和排水暗沟连接。
涌水点流水近半个月的时间内, 项目安排专人每天对尚家湾隧道上方的几个村庄附近的水源及附近环境进行勘察, 同时走访当地村民, 均未发现由于水流失而造成的地面塌陷、河道干枯等现象。但是同时也发现水流量及流速明显受降雨量的影响比较大, 因此认为该水流是应和地表水相连接的管道裂隙水。通过地质剖面图发现该位置埋深300 m左右, 全部封堵会对隧道产生很大的水压力, 给隧道的施工及运营埋下安全隐患, 所以决定采取“以排为主、堵排结合”的方式进行处理。
右洞拱腰的封堵方法:在四周施作1.2 m×1.2 m间距的锚杆, 模筑后泵送C10混凝土回填, 并在最顶层注入轻质材料缓冲层 (见图4a) ) ;左洞拱脚的封堵方法:溶洞内模筑后泵送C25混凝土浇筑, 两侧嵌入岩石内60 cm~80 cm, 并施作约1.2 m×1.2 m间距的锚杆, 锚杆深入围岩2 m, 施工完成后再施作原设计结构的喷射混凝土和钢筋网初期支护, 预埋水管与隧道排水沟连接排水 (见图4b) ) 。该位置在二衬施工时环向排水管在此位置均要加密至5 m一道且每道2环, 保证排水通畅, 避免水压力过大造成渗水。
3 结语
目前尚家湾隧道左右洞开挖均已接近1.2 km, 在施工过程中出现突水涌泥及溶洞等不良地质情况20余次, 处置方案都取得了比较好的成效。在处置岩溶水及溶洞时一方面要考虑对周围环境及居民生产、生活的影响, 同时应一次根治, 不留后患, 确保隧道施工和运营安全。岩溶水处理应尽量避开雨季和暴雨天气, 对溶洞进行封堵时, 应认真测定岩溶水的水量、水压, 正确判定水流方向。
参考文献
高速铁路隧道常见病害的整治 篇6
关键词：高速铁路,隧道,病害,整治
0 引言
我段管辖某高速铁路线, 设计速度350 km/h, 隧道总长度70余千米。与普通铁路相比, 高速铁路 (简称高铁) 隧道净空断面大, 长大隧道多, 穿越地质情况复杂多变, 因而相应会产生更多的病害。结合在日常管理中发现和整治的隧道常见病害, 谈一谈对高铁隧道病害的整治。
1 隧道病害整治的目的和重要性
由于高铁运营速度极高, 任何异物的坠落或碰撞对高速列车都会造成致命的事故, 而在高铁所有设备中, 隧道设备就存在这样的安全隐患。高速列车在隧道内行驶时, 列车上方为隧道二次衬砌, 列车下方为隧道底板和排水设施。可以说, 高铁隧道结构的状态好坏, 直接关系到高铁运营安全。因此, 必须对高铁隧道病害的整治工作引起高度重视。
2 隧道常见病害的处理
2.1 隧道口仰坡落石
2.1.1 成因
部分高铁隧道进出口仰坡很高, 仰坡平台数量甚至超过10层, 且坡度陡峭, 加之日常风吹日晒, 山顶岩石风化严重, 造成石块疏松、掉落, 威胁过往列车安全。
2.1.2 整治方法及效果
1) 采用明洞接长。在隧道口接长拱形明洞防护结构, 自下而上分别为桩基础、桩基托梁、拱形明洞三部分。主要施工步骤为:a.采用人工开挖桩基, 施作好锁口和护壁, 严防塌孔;b.桩基托梁和桩基顶部预留的接插钢筋一起灌注混凝土, 同时在托梁上方预埋H型钢连接钢板及螺栓;c.H型钢架基础与托梁顶部预埋的钢板及螺栓采用栓焊连接, 灌注矮边墙混凝土;d.最后在H型钢架从拱脚两侧对称、自下而上安装纤维混凝土板, 作为混凝土内模;e.绑扎拱部明洞钢筋;f.灌注明洞拱部混凝土。明洞的长度可根据现场条件而定, 相邻明洞段设变形缝, 变形缝宽度2 cm, 变形缝填充聚苯板并加设中埋式钢边橡胶止水带, 变形缝外缘采用外贴式橡胶止水带, 变形缝内缘采用聚苯板嵌缝。采用隧道口接长拱形明洞进行防护是一种一劳永逸的整治方案, 效果很好, 但工程量大, 工期长, 造价高, 对高铁行车干扰较大, 适合在高铁联调联试期间施工, 不宜在正式运营期间施工。
2) 安装柔性防护网。在隧道口上方的边坡或岩石上安装柔性防护网是一种普遍采用的方法。柔性防护网又分为主动防护网和被动防护网两种:a.主动防护网是利用钢丝绳网覆盖包裹在所需防护的斜坡或岩石上, 以限制坡面岩石土体的风化剥落或破坏, 或将落石控制于一定范围内运动, 能够对岩石土体起到加固和围护作用。b.被动防护网是由钢丝绳网、环形网、固定系统 (锚杆、拉锚绳、基座和支撑绳) 减压环和钢柱四个主要部分构成。钢柱和钢丝绳网连接组合构成一个整体, 对所防护的区域形成面防护, 从而阻止崩塌岩石土体的下坠, 起到边坡防护作用。柔性防护网安装方法简便, 工期短, 造价低, 可有效控制或拦截其防护区域的松散岩石, 但其防护的区域有限, 安装时必须考虑周全, 如果网片安装不到位, 仍存在落石掉落的可能。
3) 人工清理危石。对于隧道口上方凸出的个别危石可采用人工清理的方法。对现场钢轨做好防护后, 作业人员身系安全带和安全绳, 从山坡上往下悬吊至危石地点, 用钢钎撬掉危石, 直至清理干净。采用人工清理危石的方法效率较低, 对于山顶危石数量较少的情况下有效, 不适合在危石数量较多或大范围岩体不稳的情况。
2.2 隧道拱顶衬砌松动
2.2.1 成因
高铁隧道衬砌采用模板台车施工, 每隔10.5 m设环向施工缝一道。由于施工工艺的原因, 施工缝 (尤其是隧道拱顶施工缝) 处衬砌较其他位置薄弱, 易产生混凝土裂纹、翘起等病害, 影响行车安全。
2.2.2 整治方法及效果
对隧道拱顶衬砌松动病害的整治必须在铁路供电段的配合下才能进行, 且只能在铁路天窗时段内作业。具体整治步骤为:1) 天窗点开始后, 供电段配合人员挂地线, 使接触网完全停电;2) 作业人员搭设架子, 架子高度应保证人员能够接触到隧道拱顶, 并采取支撑措施保证架子稳固;3) 使用锤子和钢钎对有裂纹或翘起的衬砌混凝土凿除, 必须确保凿除彻底;4) 用刷子蘸取环氧灌浆料涂刷在凿除面上, 涂刷均匀, 一遍即可。
该方法能够有效消除高铁隧道拱顶松动混凝土对行车造成的隐患, 但环氧灌浆材料耐久性仍有待考证, 另外整治后的隧道拱顶混凝土不平整, 颜色与其他位置也不同, 影响了美观性。
2.3 隧道拱顶衬砌空响
2.3.1 成因
高铁隧道衬砌在浇筑过程中, 由于衬砌钢筋绑扎不规范、振捣力度不够等原因, 导致二次衬砌混凝土不密实, 内部出现小空腔, 敲击混凝土表面后呈现空响现象。
2.3.2 整治方法及效果
对隧道拱顶衬砌空响病害的整治方法与衬砌松动病害整治方法一样, 必须在铁路供电段的配合下才能进行, 且只能在铁路天窗时段内作业, 具体整治步骤为:1) 天窗点开始后, 供电段配合人员挂地线, 使接触网完全停电;2) 作业人员搭设架子, 架子高度应保证人员能够接触到隧道拱顶, 并采取支撑措施保证架子稳固;3) 使用锤子敲击确认空响区域具体范围, 并在衬砌混凝土表面圈划;4) 用电钻在空响区域衬砌上钻孔, 将钢卷尺深入孔内确定空腔位置、深度, 并埋设注浆管;5) 对注浆管外围用密封胶封闭, 然后进行环氧灌浆料注射, 注浆压力控制在0.2 MPa~0.4 MPa;6) 当注浆孔压力达到0.4 MPa并保持不变时, 停止注浆, 关闭注浆管阀门;7) 待环氧灌浆料凝固后割除注浆管。该方法能够有效消除高铁隧道衬砌空响病害, 保证了隧道衬砌结构的整体性。
2.4 隧道渗漏水
2.4.1 成因
高铁隧道一般都设计有完善的内外排水系统, 隧道全长范围内均设有纵向盲管、环向盲管、侧沟、横向导水管、中心水沟等, 洞外设置有洞外排水沟、洞口截水横沟、洞顶截水天沟、仰坡排水沟等。造成其渗漏水病害有客观因素, 如地下水位高、地质不良、连续降雨等, 也有主观因素, 如施工质量欠佳、使用劣质防水材料等。
2.4.2 整治方法及效果
高铁隧道渗漏水病害主要集中在隧道底部, 如道床板与电缆槽之间、两线间、边墙底部等, 起拱线以上部位很少发现渗漏水。因此, 整治的重点应集中在隧道侧沟、横向盲管、中心水沟等区域。隧道渗漏水整治应以疏通为主, 以封堵为辅助手段。首先要对隧道侧沟、横向盲管、中心水沟等排水设施进行彻底疏通, 清理侧沟和中心水沟内的淤泥, 采用竹竿捣除附着在排水盲管上的水垢, 确保排水畅通, 减轻盲管内水压力;其次, 寻找出水点, 打入注浆嘴, 注入膨胀防水材料, 封堵出水路径。如此, 可缓解隧道内渗水情况。隧道渗漏水一直是隧道病害整治的一个难题, 从以往整治的经验来看, 基本上不可能彻底消除渗漏水现象。通过以上方法能减轻、缓解现有的渗漏水程度, 说明渗水整治工作取得了一定成效。
3 结语
无论何种高铁隧道病害, 其整治工作都必须以确保行车安全为前提, 再追求耐久性、美观等效果。有些隧道病害整治方法有多种, 不能盲目地采取整治措施, 应该对病害情况进行全面、深入、细致的调查, 认真分析其形成原因, 然后对症下药, 因地制宜, 才能取得理想的整治效果。
目前, 我国发展高铁的时间还不是很长, 高铁隧道病害整治技术、手段仍然有限, 有些隧道病害的整治效果还不尽人意。面对复杂多变的隧道病害, 如何保证高铁隧道状态良好, 需要每一个铁路工作者的不懈努力。
参考文献
[1]武旭, 胡思继.高速铁路安全保证信息系统研究[J].中国安全科学学报, 2005 (4) :80-83.
铁路隧道病害诱因分析及整治方案 篇7
我国是一个多山的国家, 地质结构非常复杂, 其中山丘要占国土总面积的40%以上, 因此, 在铁路建设中, 隧道工程所占比重非常大。我国的铁路隧道经过数十年的营运, 有相当一部分出现了衬砌开裂、破损、底部下陷、漏水和翻浆冒泥等病害, 很多线路不得不限制行车速度, 恶化了行车条件, 同时隧道病害对铁路运营和行车也带来很大的安全隐患。随着社会经济的发展, 我国的隧道修建也逐渐向长、大、深方向发展。地质条件也更加复杂, 今后遇到的隧道病害问题也会更加突出。因此, 对铁路隧道病害产生原因及对隧道病害整治措施进行分析和研究具有非常重要的意义。
2 隧道病害的分类及诱因
3 隧道病害整治措施
3.1 衬砌开裂案例分析及整治措施
3.1.1 工程概况:
某既有隧道全长241米, 1994年开工, 于1997年底竣工。隧道出口段附近上覆第四系坡积层、残积层砂粘土, 灰黄色, 硬塑, 厚度小于3米, 洞身穿越地层为侏罗系上统熔结凝灰岩, 岩质坚硬, 节理较发育, 基岩有少量裂隙水, 围岩为Ⅲ～Ⅴ级。本隧道从建成至今已有十多年, 由于材料老化及当时设计施工水平较低等原因, 施工缺陷较多。
3.1.2 病害情况
(1) 根据业主评估结果, 该隧道评估结论为极严重 (AA级) 状态, 隧道渗漏水严重, 环向施工裂缝较多, 尤其是隧道出口段环向裂缝较多, 裂缝深度较大。经过现场病害调查, 隧道纵环向施工缝26处, 纵环向裂缝17处 (裂缝宽度2.0mm～11.0mm不等) , 渗漏水点24处。局部病害调查结果展示如下图所示:
(2) 现场照片
3.1.3 原因分析
根据竣工图文件, 本隧道采用下导坑漏斗棚架先墙后拱法施工。施工期间K98+193～+199、+213～+216、+222～+228三段出现坍塌冒顶, 为加强拱部支护强度, 拱部设置钢花拱34榀。+182～+230段采用压注水泥砂浆增加拱顶围岩强度及封堵渗漏水。以上施工过程中出现的问题未能处理彻底, 导致隧道拱部存在背后空洞。从上图可以看出, 由于背后空洞等原因, 在190～240段, 拱顶衬砌开裂严重, 渗漏水严重。同时, 无损检测资料显示, 本隧道出现裂损处均存在衬砌厚度不足、混过凝土不密实、背后空洞等问题。
3.1.4 处理措施
(1) 衬砌裂损极严重地段:拱部严重压裂破碎、龟裂、剥落掉块, 裂缝密集或交错割裂, 衬砌处于基本或临近失稳状态;衬砌混凝土强度不足;衬砌厚度偏离设计值较多。此类病害存在严重隐患, 应采取补强措施处理。处治方案:考虑到隧道实际内净空富余情况, 无法采用套拱方案, 综合各因素对该部分病害采取如下措施 (图3) :
a.在安全临时支撑及防护的前提下, 压浆充填拱背空洞及不密实区, 减轻拱顶、拱腰冲击荷载, 使拱背受力均匀, 同时对衬砌后水源起到一定的封堵作用;b.若裂缝宽度≥5mm, 可采用嵌补24kg/m钢轨+Φ42径向钢化管注浆加固, 并凿除破损部位后喷射C25微纤维混凝土补强。钢轨设置应尽量与裂缝垂直, 间距采用1.0m/环, 钢筋网格Φ16×Φ10 (环向×纵向) , 间距20cm。施工前首先对裂缝进行灌缝及嵌补;c.若裂缝宽度介于3mm～5mm之间, 可采用W型钢带+Φ42径向钢化管对衬砌结构进行补强, 施工前首先对裂缝进行灌缝及嵌补。钢带采用BHW270型钢带 (宽270mm, 壁厚2.75mm) 凿槽嵌入, 槽宽40cm, 深4cm;垂直裂缝、沿隧道衬砌内缘表面设置, 间距1.0m。Φ42径向钢花管每根长3.5m, 沿钢带环向设置, 环向间距1.0m, 钢化管尾部通过钢带中部的管孔与钢带加垫板连接。W型钢带及钢化管施作完成后, 凿除破损部位C25微纤维混凝土回填。为加强混凝土与钢带间的连接, 沿钢带环向及纵向分别设置Φ4钢筋钢筋与钢带焊接。
(2) 隧道衬砌空响或衬砌脱空地段, 采用凿除、植筋、锚固、钢筋混凝土嵌补进行整治。具体措施如下 (图4) :
a.凿除、切割二衬厚度不足范围内的二次衬砌, 并对空洞周边松散层进行凿除, 边缘应修整平齐, 圆顺, 不得留有尖角;凿除混凝土时, 缺口应内宽外窄, 形成倒梯形, 凿除至切口处衬砌厚度满足设计厚度。切口表面应粗糙, 但结构应致密, 凿毛标准为凹凸差不小于6mm的粗糙面。b.严格按设计要求做好隧道的防排水系统, 对损坏的防水板进行重新修复、焊接, 确保防水板与初期支护密贴。c.在空洞四周二次衬砌中部环、纵向植入^16钢筋, 环、纵向间距20cm, 植入深度按30cm、50cm交替布置。植筋采用A级锚固剂锚固。d.采用结合悬吊回灌混凝土技术, 在凿除后的空洞范围打设R25自进式中空注浆锚杆, 在衬砌表面铺设模板, 通过灌料孔灌入C35微膨胀混凝土, 并采用插入式震捣器捣固。e.混凝土强度达到C35后拆除防护模板, 并对表面打磨处理, 在新混凝土表面并向既有混凝土四周延伸20cm范围内刮涂水泥基渗透结晶型防水涂料二遍, 用量不应小于1.5kg/m2, 且涂抹厚度不应小于2.0mm。f.模板螺栓应距离切口部位适当距离, 防止引起原衬砌开裂和崩落。
(3) 一般病害地段:裂缝较少或衬砌较完整, 这些地段仍有存载能力, 不至于马上失稳, 但因衬砌强度、厚度不足, 拱背存在空洞, 裂缝仍有发展的可能, 隧道安全有潜在危险。
处治方案步骤:a.在安全临时支撑及防护的前提下, 压浆充填拱背空洞及不密实区;b.对于宽度小于5mm的裂缝, 压注环氧浆液封堵;c.对于宽度大于5mm的裂缝, 则需沿缝凿槽, 冲洗干净并风干后用环氧砂浆嵌补;d.有渗水的裂缝需采用压注环氧浆液封堵, 渗水严重处采用凿槽引排处理。
3.2 隧道底部结构破坏案例分析及处理措施
3.2.1 工程概况
某工程隧道长12.8公里, 洞身穿越底层为第四系中更新统洪积层老黄土, 第三系 (N2) 粉质黏土, 下伏三叠系泥岩与砂岩。隧道区域地下水主要为孔隙水和基岩裂隙水, 赋存于第四系老黄土、第三系粉质粘土及三叠系砂岩、泥岩裂隙及风化层中。隧道采用半包防水。
3.2.2 病害情况
该隧道在施工过程中隧道底部隆起开裂335处, 且大段落隧底填充层贯通出现裂缝。出现贯通裂缝段为设计IV级围岩地段 (仰拱内无钢架和钢筋) 最大裂缝宽度8cm, 错台2cm。局部地段, 出现底部裂缝向上冒水。现场照片如图5。
3.2.3 原因分析
(1) 由于隧底存在泥岩, 遇水软化的岩层, 且具有微膨胀性, 因此设计中初期支护未考虑仰拱闭合及深排水措施。
(2) 在隧道防水工程方面, 往往由于勘测中地质钻孔不够, 工程及水文地质资料不足, 对隧道通过的断层带、破碎带的位置判断不准, 设计中简单套用定型图, 缺乏针对性的加强设计, 从而导致隧道水害问题严重。同时, 本工程病害出现在仰拱施做之后不久, 说明隧道的初期支护水平变形较大, 初期支护承受的水平围岩压力可能大于设计采用的荷载值。
(3) 在隧道施工中, 可能出现衬砌蜂窝空洞较多, 铺底或施作仰拱未认真清理底部, 留有浮渣、泥沙及施工用杂物等, 导致基底积水、排水不畅, 同时也使隧道底部结构背后出现空洞, 出现地基承载力不足的情况。
3.2.4 处理措施
(1) 首先从排水方面出发, 降低两侧边沟标高, 疏干基础底部一定范围内的地下水, 防止基地围岩继续软化 (图6) 。
(2) 对已破坏的仰拱进行拆除, 对泥岩段基础采用钢筋混凝土仰拱+微型桩加固处理, 将微型桩与仰拱连成整体, 即承受上部结构传来的向下的荷载, 也可承受泥岩遇水膨胀荷载。对于砂岩地段, 可采用注浆加固措施, 一是提高基础承载能力, 二是将基底水位降低。
4 建议
4.1
隧道病害整治是一个长期的问题, 为了消除或者尽量减少隧道病害, 需要参加各方都能高度重视, 建立健全建设过程中各种检查、监督机制, 将隐患消除在工程建设之初, 实现无质量隐患验交工程。
4.2 勘察设计方面:
从勘察设计开始, 就要充分认识工程所在区域的地质特点, 通过线路避让等规避风险。设计过程中应排查可能出现病害的风险点, 充分考虑结构的耐久性等方面的因素, 针对具体地层做有针对性的结构设计。
4.3 施工、监理方面:
隧道工程施工过程中的质量控制, 是预防隧道病害发生的重要环节。施工中应加强管理, 杜绝偷工减料, 避免隧道超欠挖等问题。
4.4 隧道维护方面: