中南大学隧道工程第13章---隧道养护与维修.ppt

13.4衬砌裂损及整治措施第13章隧道养护与维修13.3隧道水害及整治措施13.1隧道运营阶段的养护工作13.2隧道档案的建立13.5衬砌侵蚀及整治措施13.6隧道冻害及整治措施 13.1.1运营状态监视13.1隧道运营阶段的养护工作铁路隧道:公路隧道:一是严格按照交通法规进行管理，减小在隧道内发生灾害的机会。二是附属设施的管理。附属设施是硬件，管理法规是软件，只有硬件与软件都抓好了，才能保证隧道的畅通无阻。机械通风管理和火灾防灾方面。第13章隧道养护与维修 13.1.2检查以便及时发现隧道结构出现的病害隧道检查有：经常检查、定期检查、特别检查和限界检查等。13.1隧道运营阶段的养护工作1.隧道检查第13章隧道养护与维修 13.1.2检查以便及时发现隧道结构出现的病害隧道病害的类型主要有水害、冻害、衬砌裂损和衬砌侵蚀。最常见为水害，素来有“十隧九漏”之说。13.1隧道运营阶段的养护工作2.隧道检查的方法第13章隧道养护与维修 13.1.2检查以便及时发现隧道结构出现的病害将衬砌划分为左右拱圈、左右边墙及仰拱五个部分，再将每个部分依其内缘周长划分四个等分，即把衬砌断面分为二十个部位。13.1隧道运营阶段的养护工作3.衬砌裂损的描述（1）裂损部位第13章隧道养护与维修 13.1.2检查以便及时发现隧道结构出现的病害13.1隧道运营阶段的养护工作3.衬砌裂损的描述（2）裂缝宽度δδ值是在缝口处沿垂直裂面方向量取的。按裂缝宽度的大小可分为四个等级，即：δ≤0.3mm为毛裂缝；0.3＜δ≤2.0mm为小裂缝；2.0＜δ≤20mm为中裂缝；δ＞20mm为大裂缝。第13章隧道养护与维修 13.1.2检查以便及时发现隧道结构出现的病害13.1隧道运营阶段的养护工作3.衬砌裂损的描述当衬砌出现错牙状裂缝时用裂缝错距表示。沿裂缝垂直方向量取的ε值称垂直错距；沿裂缝水平方向量取的c值称水平错距。（3）裂缝错距第13章隧道养护与维修 13.1.2检查以便及时发现隧道结构出现的病害13.1隧道运营阶段的养护工作走向大致相同的两条相邻裂缝之间的距离称为裂缝间距。它被用来描述衬砌的破损程度。一般采取每一节段或每一节段中的某一部位（如左半拱、右边墙、仰拱等）为单位来分析。3.衬砌裂损的描述（4）裂缝间距第13章隧道养护与维修 13.1.2检查以便及时发现隧道结构出现的病害13.1隧道运营阶段的养护工作裂缝密度即裂缝总面积（各裂缝长度与裂缝宽度乘积的综合）与所分析的节段或节段某一部分衬砌表面积之比值。用此比值的百分数来表示衬砌裂损的程度。3.衬砌裂损的描述（5）裂缝密度第13章隧道养护与维修 13.1.3分析引起隧道病害的原因13.1隧道运营阶段的养护工作引起隧道病害的原因有多种，主要可分为两类，即人为因素和自然因素。人为因素主要指由于设计和施工不当引起，主要包括以下几个方面：建筑材料设计不当施工不当第13章隧道养护与维修 13.1.3分析引起隧道病害的原因13.1隧道运营阶段的养护工作自然因素指隧址处工程地质及水文地质、交通等状态的变化而引起，主要包括以下几个方面：◆地质状态◆内部荷载◆地貌改变◆地下水影响虽然隧道破损的因果关系比较复杂，但两者之间的关系一般具有如下图所示的现象。第13章隧道养护与维修 第13章隧道养护与维修 图13-4衬砌裂损的形式图13-5衬砌沿纵向剪断如图13-4a，由于侧向压力较大时，隧道衬砌则会发生位移、裂缝、塌落、压剪破坏；如图13-4b，在竖向压力较大时，拱圈下沉，拱顶开裂；如图13-4c，当局部压力较大或有态压力时，则会发生局部脱落；如图13-4d，锚杆垫板动处围岩由于受力集中而出现了塑性破坏；图13-5为在围岩产生下沉时，而引起隧道沿着纵向发生不同的位移变形。第13章隧道养护与维修 13.1.4采用适当的维修及修复措施13.1隧道运营阶段的养护工作建筑材料因素设计因素施工因素地质状态地下水效应第13章隧道养护与维修 13.1.5评价隧道结构的安全性及稳定性包括对衬砌结构的刚度及变形状态、材料强度及变形性、仰拱及基底效应等进行评价。1.隧道结构的评价2.围岩状态的评价包括对隧道衬砌与围岩的接触状态、松动区的大小及形状、作用于隧道衬砌上的压力、抗力效应、静水及附加压力、岩石的力学性能等进行评价。第13章隧道养护与维修13.1隧道运营阶段的养护工作 13.1.5评价隧道结构的安全性及稳定性13.1隧道运营阶段的养护工作根据隧道结构的评价和围岩状态的评价结果，可对隧道结构进行静力学计算分析，必要时可做动力学分析，进行截面的强度验算，评价隧道的安全及稳定性。通过对旧隧道综合状态的评价，可以确定维修的必要性及相应的维修及加固方法。第13章隧道养护与维修 13.4衬砌裂损及整治措施第13章隧道养护与维修13.3隧道水害及整治措施13.1隧道运营阶段的养护工作13.5衬砌侵蚀及整治措施13.6隧道冻害及整治措施13.2隧道档案的建立 13.2.1隧道设备概况13.2隧道档案的建立每座隧道都应建立隧道档案，特别是长大隧道的档案建立更应详细。隧道档案中应收集有该隧道的设计、施工及竣工资料，此外还包括养护与维修过程中的一些纪录资料。1.隧道概况：隧道所处线路及区间名称，隧道全长、起讫里程、开工、竣工年月，地质情况等。2.隧道结构的断面形状：内轮廓尺寸、衬砌材料、避车洞设置情况等。第13章隧道养护与维修 13.2.1隧道设备概况13.2隧道档案的建立3.辅助坑道：记录竖井、斜井、横洞及平行导坑的位置及其它情况。4.线路情况：纵坡、平面、设备、道床、轨枕、钢轨等情况。5.洞内排水设施：排水沟类型、长度、深度；检查井形状、间距、数量；盲沟情况、钻孔排水、泄水洞排水等情况。第13章隧道养护与维修 13.2.1隧道设备概况13.2隧道档案的建立6.洞外排水设施：洞外排水沟及山上排水沟类型、长度等。7.路堑的起讫里程、护坡材料等。8.通风设备情况。9.电力及照明设备情况。10.通讯设施情况。第13章隧道养护与维修 13.2.2主要病害状况卡片13.2隧道档案的建立主要病害状况卡片可以用列表的方式表示，如下表所示。记录日期病害性质位置自至长度（mm）最大数量发生时间年月日危险程度简要分析主要病害状况卡片病害种类：第13章隧道养护与维修 13.2.2主要病害状况卡片13.2隧道档案的建立病害种类包括隧道水害、冻害、衬砌病害、整体道床病害、限界不足及有害气体危害等；隧道水害中分涌水、漏水、滴水、渗水和润水；隧道冻害中分衬砌冻害、线路冻害、排水沟冻结及挂冰等；衬砌病害包括衬砌变形、裂损、侵蚀等；至少每年记录或修改一次；在填写卡片时应注意以下几点：第13章隧道养护与维修 13.2.2主要病害状况卡片13.2隧道档案的建立最大数量是指漏水量或刨冰量（t/d），以及冻胀量的最高记录；发生时间是指与季节有关的病害发生时间，如常年漏水、季节漏水或雨后几天漏水等。在填写卡片时应注意以下几点：第13章隧道养护与维修 13.2.3隧道历史概况与现状分析13.2隧道档案的建立1.隧道历史概况2.隧道现状分析第13章隧道养护与维修 13.2.4图纸存档13.2隧道档案的建立1.技术图纸2.隧道衬砌展示图纸3.隧道综合最小限界图纸第13章隧道养护与维修 13.2.5各种检查观测记录13.2隧道档案的建立1.衬砌裂缝记录。2.隧道洞外降雨记录。3.衬砌漏水记录。4.隧道洞内、外地下水的水源、流量及流速观测记录。5.其它项目观测记录（如：衬砌被腐蚀记录、冬季刨冰记录、洞内排水沟冻结记录、衬砌变形记录等）。第13章隧道养护与维修 13.4衬砌裂损及整治措施第13章隧道养护与维修13.1隧道运营阶段的养护工作13.5衬砌侵蚀及整治措施13.6隧道冻害及整治措施13.2隧道档案的建立13.3隧道水害及整治措施 13.3.1水害的种类及其危害13.3隧道水害及整治措施施工中的隧道水害主要是指隧道围岩的地下水或部分地表水，以渗漏或涌出方式进入隧道内造成的危害。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。1.施工中的隧道水害第13章隧道养护与维修 13.3.1水害的种类及其危害13.3隧道水害及整治措施隧道衬砌的漏水现象一般表现为渗、滴、淌、涌几种。以上四种漏水现象，其出露部位与水量的不同，对隧道产生不同的危害:2.运营中水害种类及其危害（1）隧道漏水第13章隧道养护与维修 对电力牵引区段和电力配线，使电绝缘失效，发生短路、跳闸等事故，危及行车安全;洞内空气潮湿，影响养护人员身体健康，使洞内设备（通讯、照明、钢轨等）锈蚀;混凝土衬砌风化、腐蚀、剥落，造成衬砌结构破坏；涌水病害造成衬砌破坏，隧底积水造成道床基底被软化或掏空，使道床翻浆冒泥或下沉开裂，中断行车;有冻害地段的隧道漏水会造成衬砌挂冰侵限和冻融破坏。第13章隧道养护与维修 水压较大时会导致衬砌破裂；使原完好的围岩及围岩的结构面软弱夹层因浸水而软化或泥化，失去承载力，对衬砌压力增大而导致衬砌破裂；使膨胀性围岩体积膨胀，导致衬砌破坏；在寒冷地区发生冰胀和围岩冻胀，快速导致衬砌破坏。主要是指运营隧道中地表水或地下水向隧道周围渗流汇集。如果不能迅速排走而引起的病害有：（2）衬砌周围积水第13章隧道养护与维修 衬砌基础下沉，边墙开裂或者仰拱、整体道床下沉开裂；围岩滑移错动导致衬砌变形开裂；对超挖回填不密实或未全部回填者，引起围岩坍塌，导致衬砌破坏；侵蚀性水对衬砌的侵蚀。主要是指由于地下水渗流和流动而产生的冲刷和溶蚀作用。其危害有：（3）潜流冲刷第13章隧道养护与维修 13.3.2水害产生的原因13.3隧道水害及整治措施1.勘测与设计在防水设计之前，设计人员对工程地质和水文地质情况就了解得不够仔细，对衬砌周围地下水源、水量、流向及水质情况掌握不准等因素导致了隧道的防排水设计很难在隧道的使用期内完全满足防排水的要求。2.施工施工不当也可产生水害，施工单位一味追求施工速度，忽视二次衬砌质量，对排水设施不按施工第13章隧道养护与维修 13.3.2水害产生的原因13.3隧道水害及整治措施规范要求操作等，使地下水丰富地区的隧道造成严重的渗漏水。3.材料如果所选用的防水材料达不到国家质量标准，会导致隧道的渗漏水病害。4.监理监理工程师应对防水材料的选择和使用，铺设基层的处理，铺设工艺等进行跟踪检查，确保防水质量。第13章隧道养护与维修 13.3.2水害产生的原因13.3隧道水害及整治措施5.验收工程竣工后，从衬砌表面往往看不出什么问题，管理单位缺乏检验手段，有时又接近运营期限，往往对交验前的渗水情况，缺乏进一步查验，只好按竣工报告及施工总结，勉强验收，导致运营后渗漏水逐渐严重。6.匹配防水技术的匹配就是指防水设计、防水材料和防水施工工艺与防水工程相适应的问题。第13章隧道养护与维修 第13章隧道养护与维修13.1隧道运营阶段的养护工作13.5衬砌侵蚀及整治措施13.6隧道冻害及整治措施13.2隧道档案的建立13.3隧道水害及整治措施13.4衬砌裂损及整治措施 13.4.1衬砌裂损的类型13.4衬砌裂损及整治措施衬砌变形有横向变形和纵向变形两种，其中横向变形是主要变形。衬砌横向变形是指衬砌由于受力原因而引起拱轴形状的改变。1.衬砌变形衬砌移动是指衬砌整体或其中一部分出现转动(倾斜)、平移和下沉(或上抬)等变化，也有纵向与横向移动之分，其基本形态如表13-4和表13-5所示。2.衬砌移动第13章隧道养护与维修 表13-4隧道衬砌纵向移动的基本形态第13章隧道养护与维修 表13-5隧道衬砌横向移动的基本形态第13章隧道养护与维修 续上表3.衬砌开裂衬砌开裂是指衬砌表面出现裂纹（或龟裂）和裂缝（宽度较大）或贯通衬砌全部厚度的裂纹的总称，是衬砌变形的结果。衬砌开裂包括有张裂、压溃和错台三种。第13章隧道养护与维修 1.张裂弯曲受拉和偏心受拉引起的裂损，其特征是裂纹、裂面与应力方向正交，缝宽由表及里逐渐变窄。如图13-6所示。2.压溃弯曲或偏心受压引起的衬砌裂损。裂纹边缘呈压碎状，严重时受压区表面产生鱼鳞状碎片（中间厚，四周薄）剥落掉块等现象，如图13-7所示。图13-6图13-7第13章隧道养护与维修 3.错台由剪切力引起的裂缝，裂缝宽度在表面至深处大致相同，衬砌在裂缝两侧沿剪切方向有错动，即形成错台，如图13-8所示。图13-813.4.2衬砌裂损的特点1.裂损的自然发展过程衬砌结构受力（轻微变形、移动）→局部出现少量裂纹（变形范围，变形量增大；移动部位，移动量增大）→裂纹宽度、密度增大，隧道净空变小（严重第13章隧道养护与维修 变形，移动显著增大）→隧道净空严重缩小、衬砌破碎、失去承载能力→局部掉块、失稳、甚至拱坍墙倒。2.裂损发展的主要规律衬砌的裂损发展一般有缓慢变化，急剧变化，相对稳定等三个不同的阶段，往往是交替呈周期性地出现。3.裂损的分布特点了解和掌握衬砌裂损的分布特点，就能及早发现病害，及时采取对策。衬砌裂损的分布一般有以下特点。第13章隧道养护与维修 洞口与洞口段，特别是斜交洞门有偏压或边、仰坡不稳固的洞口段。设有大型洞室的节段或各种洞室的接头处。洞身穿过断层、构造破碎带、接触变质带、滑坡带等山体压力大且岩体不稳定的节段。洞身穿过软弱围岩的节段。偏压隧道没有采用加强衬砌或偏压衬砌的节段。寒冷地区围岩有冻胀现象的节段。衬砌实际厚度不足或圬工强度过低的节段。（1）按纵向节段分布：第13章隧道养护与维修 洞口附近及傍山隧道靠山侧裂损多，靠河侧少。靠山侧以拱腰、墙腰内缘张裂多，靠河侧墙顶压劈或墙脚张裂较多。衬砌断面对称，实际荷载分布不对称的变形、移动和裂损的部位也不对称。衬砌的变形、移动和裂损多沿施工期间出现过的裂缝和施工缝发展。施工中超挖过大没有回填或回填不密实及施工中发生大塌方的节段。施工中已经发生裂损的节段。（2）按横断面分布：第13章隧道养护与维修 衬砌背后存在没有回填或回填不密实处则该部位易出现较大的移动和外鼓。衬砌背后临时支撑未能全部拆除的，在支撑部位会出现较大的集中荷载，此处衬砌内缘易出现张裂和错台。采用三心圆尖拱衬砌的隧道，易在拱腰墙腰产生内鼓开裂拱顶内缘压碎。由于各种原因（如坍方、拱架下沉、施工困难等）造成衬砌厚度不足，则此处衬砌容易发生变形和裂损。（2）按横断面分布：第13章隧道养护与维修 13.4.3衬砌裂损的整治措施13.4衬砌裂损及整治措施整治衬砌裂损病害首先要消灭已有的衬砌裂损带来的对结构及运营的一切危害，并防止再加大裂损。其次是采取以稳固围岩为主，稳固围岩与加固衬砌相结合的综合治理措施。1.衬砌裂损的整治原则2.稳固岩体的工程措施(1).治水稳固岩体第13章隧道养护与维修 地下水的浸泡与活动对各种围岩的稳定性消弱最大。通过疏干围岩含水，坚决地采取治水措施是稳固岩体的根本措施之一。（2）锚杆加固岩体对较好的岩体（小于Ⅴ级），自衬砌内侧向围岩内打入一定数量和深度（3～5m）的金属锚杆、砂浆锚杆，可以把不稳定的岩块固定在稳定的岩体上，提高破碎围岩的黏结力。（3）注浆加固岩体通过向破碎松动的岩体压入水泥浆液和其它化学浆液（如铬木素、聚氨酯等），加固围岩。第13章隧道养护与维修 （4）支挡加固岩体对靠山、沿河偏压隧道或滑坡地带，除治水稳固山体外，尚可采用支挡措施，包括设支挡墙、锚固沉井、锚固钻（挖）孔桩等来预防山体失稳与滑坡，这种工程措施只能用于洞外整治。（5）回填与换填如果衬砌外周围存在着各种大小空隙（如超挖而没有回填等），要采取回填措施，用砂浆或混凝土将围岩空隙回填密实。如果隧底存在厚度不大的软弱不稳定的岩体或有不稳定的充填物，可以采取换填办法处理。第13章隧道养护与维修 3.衬砌更换与加固（1）压浆加固圬工体内压浆加固：衬砌裂损发展非常缓慢或者已呈稳定，可以进行圬工体内压浆，一般以压环氧树脂浆为主，并选择无水季节施工。衬砌背后压浆加固：主要是针对衬砌的外鼓和整体侧移。在拱后压浆增加拱的约束可以起到提高衬砌刚度和稳定性的作用，所以一般可以局部应用，主要在发生外鼓变形的部位。第13章隧道养护与维修 （2）嵌补加固对已呈稳定暂不发展的裂缝，如果不能采取压浆加固者则采用嵌补加固。（3）喷锚加固裂损衬砌的所有内鼓变形和向内移动的裂损部位，采用（预应力）锚杆加固岩体（如图13-10所示），可将衬砌与岩第13章隧道养护与维修 体嵌固在一起，形成一个均匀压缩带，以增强围岩的稳定性。(4)套拱加固如果混凝土质量差，厚度不够，或受机车煤烟侵蚀，掉块剥落严重，并且拱顶净空有富余时，可对衬砌拱部加筑套拱（如图13-11所示）或全断面加筑套拱（如图13-12所示）图13-10锚喷加固第13章隧道养护与维修 图13-11拱部套拱加固图13-12全断面套拱加固(5)更换衬砌拱部衬砌破坏严重，已丧失承载能力，用其它整治补强手段难以保证结构稳定，或者衬砌严重侵入限界，采用其它整治措施有困难时，采用全拱更换，彻底根除病害。第13章隧道养护与维修 (6)其它加固手段当仅有墙脚内移而不下沉和隧底岩土隆起时，可在墙基处增设混凝土支撑以扩大基础，如图13-13所示。隧底围岩软弱下沉或隧底填充上鼓时，可加设仰拱，如图13-14所示。图13-13墙基混凝土支撑加固图13-14增设仰拱加固第13章隧道养护与维修 第13章隧道养护与维修13.1隧道运营阶段的养护工作13.6隧道冻害及整治措施13.2隧道档案的建立13.3隧道水害及整治措施13.4衬砌裂损及整治措施13.5衬砌侵蚀及整治措施 13.5.1衬砌侵蚀的种类及危害13.5衬砌侵蚀及整治措施1.水蚀主要指衬砌受到地下水的作用而产生的腐蚀。一般发生在隧道的拱部、边墙、仰拱、排水沟和电缆槽等各部位。（1）溶出型侵蚀（2）硫酸盐侵蚀（3）镁盐和氨化物的侵蚀第13章隧道养护与维修 2.烟蚀主要是指在蒸汽机车牵引的区段，其产生的“烟雾”对衬砌混凝土产生的侵蚀，分为化学性侵蚀和机械性侵蚀。3.冻蚀冻蚀是指在严寒地区的隧道，混凝土衬砌由于冻融交替产生的侵蚀。4.骨料溶胀骨料溶胀指衬砌混凝土中的粗、细骨料中含有遇水溶解和膨胀的材料而造成的对衬砌的侵蚀。第13章隧道养护与维修 13.5.2混凝土侵蚀的整治措施13.5衬砌侵蚀及整治措施在各类侵蚀病害中，除了烟的机械侵蚀外，水是主要的致害媒介，因此，防蚀必先治水。环境水对混凝土和水泥砂浆的侵蚀作用主要可归纳为三种：溶出性侵蚀（即非结晶性侵蚀）、结晶性侵蚀和复合性侵蚀（溶出性和结晶性两种侵蚀同时作用或交替作用）。1.防侵蚀原则第13章隧道养护与维修 13.5.2混凝土侵蚀的整治措施13.5衬砌侵蚀及整治措施(1)采用抗侵蚀混凝土1）抗侵蚀水泥材料的选择2）采用外加剂(2)采用防蚀层1）防蚀层铺设面的确定2）制作防蚀层3）伸缩缝、变形缝防蚀4）已腐蚀衬砌的加固与翻修2.防侵蚀的方法第13章隧道养护与维修 第13章隧道养护与维修13.1隧道运营阶段的养护工作13.2隧道档案的建立13.3隧道水害及整治措施13.4衬砌裂损及整治措施13.5衬砌侵蚀及整治措施13.6隧道冻害及整治措施 13.6.1冻害的种类及其危害13.6隧道冻害及整治措施1.冰柱、冰溜子渗漏的地下水通过混凝土裂缝逐渐渗出，在渗出点出口处受低温影响积成冰柱，尤其在施工接缝处渗水点多，结晶明显，累积十至几十厘米厚的冰溜子（又称为挂冰）。如不清理，冰溜子越积越大，侵入限界，危及行车安全。拱部渗漏逐渐形成冰柱子（冰葫芦），一般地区仅仅是影响限界。第13章隧道养护与维修 隧道排水沟槽设施，保温不良引起冰冻称冰塞子。水沟地下排水困难，因结冰堵塞，使水沟（管或槽）冻裂破损，地下水不易排走，衬砌周边因水结冰而冻胀，致使隧道内各种冻害接踵而来。2.衬砌发生冰楔隧道砌筑在围岩良好地段，一旦衬砌壁后有空隙，渗透岩层的地下水，在排水不通畅时水就积在衬砌与壁后围岩间，结冰冻胀产生冰冻压力，传递给衬砌。第13章隧道养护与维修 （1）隧道拱部衬砌发生变形与开裂（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.围岩冻胀破坏第13章隧道养护与维修 13.6.2冻害的成因13.6隧道冻害及整治措施1.寒冷气温的作用隧道冻害与所在的地区气温（低于0℃或正负交替）有直接关系。2.季节冻结圈的形成沿衬砌周围各最大冻结深度连成一个圈叫做季节冻结圈。隧道的排水设备如埋在冻结圈内，冬季易发生冰塞。在冻结圈范围内的岩土，由于受强烈第13章隧道养护与维修 频繁的冻融破坏，风化破碎程度与日俱增，也是冻害成因之一。3.围岩的岩性对冻胀的影响4.隧道设计和施工的影响第13章隧道养护与维修 13.6.3冻害的整治措施13.6隧道冻害及整治措施1.综合治水2.更换土壤3.保温防冻（1）在隧道内加筑保温层（2）降低水的冰点（3）供热防冻第13章隧道养护与维修 13.6.3冻害的整治措施13.6隧道冻害及整治措施4.防止融塌5.结构加强（1）加大侧向拱度，使拱轴线能更好地抵抗侧向冻胀。（2）拱部衬砌厚度增加，一般加厚10㎝左右。（3）提高衬砌混凝土标号或采用钢筋混凝土。（4）隧底增设混凝土支撑。第13章隧道养护与维修 思考题：1.如何评价隧道结构的安全性及稳定性？2.为什么需要对隧道建立档案？你认为那些资料需要进行存档？为什么？3.隧道工程运营阶段经常发生那些病害？发生这些病害的原因及其整治措施有那些？第13章隧道养护与维修