讲座之一：铁路隧道病害类型成因与维护措施.ppt

讲讲座之一座之一:铁铁路隧道病害路隧道病害类类型、成因及整治措施型、成因及整治措施 1 隧道病害是一个世界性的难题。日本是隧道较多的国家之一，近年来，日本铁路运营隧道相继出现了数起危及行车安全的事故，引起了有关部门的高度重视。1999年6月27日福冈县境内一座隧道边墙上重达200 kg的混凝土砸在高速行驶的列车上。为此，日本西铁路公司对山阳新干线上发现的377处不安全的混凝土衬砌进行了加固。日本运输省也要求对全国铁路线上的4826座总长为3360 km的隧道进行检查，日本建设省则对全国3 529座公路隧道检查，结果发现60以上的隧道都存在着不同程度的病害。为此，日本政府已向两个研究所提供520万美元的经费用于研究隧道病害的检测评估方法及整治措施。第第1节节 概述概述2 据铁道部资料统计，1999年铁路运营隧道失格率为65.2，2000年隧道失格率为65.7。有些隧道的病害还相当严重，甚至已危及到行车安全。如2000年9月兴安岭隧道出现的衬砌掉块和2001年10月达成铁路出现的大范围掉块以及2001年12月宝中线清凉山隧道衬砌掉块都险些造成严重的行车事故。铁路部门每年都投入大量的人力、物力和资金用于隧道病害的维修和整治，但隧道设备的状况仍然没有根本好转。而我国自1888年开始建造第一座铁路隧道以来，迄今已有110余年的修建历史，根据统计，目前我国铁路运营隧道已达5200余座，总长达2500 km以上。其中60 以上存在着不同程度的病害，如表1所示。3 因此，必须通过系统的研究，总结铁路隧道的病害特点，完善隧道病害检测评估手段，制定出符合我国铁路特点的一整套检测方法。形成从日常维护、病害检测、病害整治到质量跟踪的一整套技术体系，以适应信息化目标管理的需要，使运营隧道的日常维护和病害整治提高到一个新的水平。4 第第2节节 铁铁路运路运营营隧道病害隧道病害现现状状目前我国铁路运营隧道存在的主要问题是：(1)隧道病害数量大而且类型多，整治难度大，所需费用多，周期长，而且修理投资缺口较大；(2)由于年代不同，基础资料不完整，管理手段落后；(3)对隧道病害检查和检测手段落后而且不够规范，早期病害难以发现，使某些可以早期整治的病害得以发展成严重的病害，彻底整治更加困难；(4)受施工环境恶劣及材料耐久性差的影响，一些隧道病害的整治效果不明显；(5)新建隧道的设计和施工遗留问题较多，某些隧道还相当严重。5 由于上述种种原因，致使病害隧道的数量逐年增加，又加之投入不够，致使隧道病害的状况进一步恶化。事实上，隧道病害存在于其使用的全过程，有些隧道在使用之前病害就已存在，形成的原因很复杂，对隧道使用寿命的影响也存在较大差异。为此，国内外对隧道病害及安全性问题都进行了大量的研究工作。国外主要侧重于隧道的定期养护，而国内则偏重于防治方面的研究。已有的研究工作也大多是局限于某一类具体的病害及某一类具体的工程条件，而且对隧道病害机理的认识不够深入，因此整治措施的可靠性和可操作性均不够理想。此外，研究工作也没有从隧道检测评估出发，缺乏系统性和完整性，研究深度不够，使得病害整治技术还比较落后。6 第第3节节 铁铁路运路运营营隧道病害的主要隧道病害的主要类类型型 铁路隧道的病害类型主要包括：渗漏水病害(包括冻害)、衬砌结构裂损病害、基底破损病害以及其他类型病害等。而这其中，渗漏水病害和衬砌结构破损病害是影响隧道安全性的主要因素。1、隧道渗漏水病害隧道渗漏水病害类类型型 隧道渗漏水病害类型包括隧道漏水、涌水(拱部滴水、隧底冒水、孔眼渗水)、隧道衬砌周围积水、潜流冲刷、侵蚀性水。对衬砌的侵蚀以及冻害等几种。（1）隧道漏水和涌水）隧道漏水和涌水 隧道围岩的地下水，或洞顶地表水直接地(无衬砌)和间接地(通过衬砌的薄弱环节)以渗、漏、淌、涌等形式进入隧道内所造成的危害，叫漏水或涌水。这是隧道中最常见的一种病害。（2）衬衬砌周砌周围积围积水水 隧道建成后，地表水或地下水向隧道周围渗流汇集，如不能及时排走将引起隧道出现病害就称为积水。7（3）侵侵蚀蚀性水性水对衬对衬砌的侵砌的侵蚀蚀(水水蚀蚀)围岩中地下水因含有盐类、酸类和碱类等化学成分，对混凝土衬砌起腐蚀作用而形成病害(水蚀病害)。（4）冻冻害害 在严寒地区，地下水或地表水进入隧道后，冻结成冰，造成隧道功能受损害，称为冻害。根据冻害的现象，冻害类型可分为挂冰、冰锥、冰塞、冰楔、围岩冻胀、衬砌材质冻融破坏和衬砌冷缩开裂等7种。82、铁铁路隧道路隧道衬衬砌砌结结构裂构裂损损的的类类型型隧道衬砌裂损类型包括衬砌变形、衬砌移动和衬砌开裂3种。（1）衬砌变形 衬砌变形有横向变形和纵向变形两种。而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。（2）衬砌移动 衬砌移动是指衬砌的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。衬砌移动也有纵向移动和横向移动之分。对于大多数已发生裂损的衬砌，往往是纵向和横向移动同时出现。（3）衬砌开裂 衬砌开裂是指衬砌表面出现裂缝，是衬砌变形的结果。隧道衬砌裂缝一般是指作为隧道主要结构的二次衬砌混凝土表面的可见裂缝，它是指二次衬砌混凝土中的不连续面，这些薄弱部位是引起混凝土破坏的主要原因。93、运、运营营隧道隧道衬衬砌裂砌裂损损病害的原因分析病害的原因分析 隧道衬砌裂损是指隧道衬砌的开裂变形、片块剥离以及大块坍落，多是由于隧道通过岩体破碎地段或断层破碎带地段围岩较为松散(地质因素)，或施工时对超挖部分回填不实、防排水处理措施不当(施工因素)等，在地下水的长期作用下引起围岩松动，使衬砌压力不均而造成的。其中地地质质因素是因素是引起隧道引起隧道衬衬砌裂砌裂损损的主要原因。10第第4节节 隧道隧道衬衬砌裂砌裂损损的整治的整治1、隧道、隧道衬衬砌裂砌裂损损的防治原的防治原则则 整治衬砌裂损病害首先要消灭已有的衬砌裂损对结构及运营造成的一切危害及时控制已裂损部位，并防止裂损的扩大，因此必须采取以稳固围岩为主、稳固岩体与加固衬砌相结合的综合治理措施。112、稳稳固岩体的工程措施所起的作用固岩体的工程措施所起的作用（1）改变地压的分布图形、控制围岩塑性变形区的扩展；（2）消灭围岩的膨胀、冻胀、软化泥化、浸析崩解的病害因素，或者最大限度地限制其危害程度，控制围岩变形和失稳；（2）消除围岩地下水对衬砌的动、静水压力和潜流冲刷：控制岩体的整体滑移、错落或局部沿软弱结构面和层面的滑动123、稳稳固岩体的工程措施固岩体的工程措施（1）治水）治水稳稳固岩体固岩体 地下水的浸泡与活动对各种围岩的稳定性影响最大。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）锚锚杆加固岩体杆加固岩体 对围岩类别较好的岩体，自衬砌内侧向围岩内打入一定数量和深度(35 m)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，形成一定厚度的承载拱：在水平层状的岩石中把数层岩层串联成一个组合梁，与衬砌共同承受外荷载（3）注）注浆浆加固加固围围岩岩 通过向破碎、松动的岩体压入水泥浆液、水泥一水玻璃浆液或者其他化学浆液，可以加固围岩，使衬砌的背后形成一个厚度为14 m的人工固结圈，就能够有效地稳固岩体，甚至使作用在衬砌上的地层压力大小和分布图形产生有利的转化13（4）回填与）回填与换换填填 隧道衬砌周围如果存在空隙，不仅会对地层压力分布图形造成不利影响，而且使得衬砌结构失去周边的有利支承条件，使衬砌的承载能力无法得到充分发挥。此时要采取回填措施，用砂浆或混凝土将围岩空隙回填密实。如果隧道底部存在厚度不大的软弱不稳固的岩体或者有不稳固的填充物，可以采取换填的办法处理。14（5）衬衬砌的更砌的更换换与加固与加固 一般情况下已裂损的衬砌均有相当大的支护潜力，可以充分利用，更换衬砌仅在无法加固的条件下才适合采取。加固工程的主要方法有以下几种。1）压浆压浆加固加固 圬工体内压浆加固。衬砌裂损若发展非常缓慢或者已呈稳定 可以进行圬工体内压浆，一般以压环氧脂浆为主，并选择在无水季节施工。2）衬衬砌背后砌背后压浆压浆加固。加固。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，一般可以局部应用，主要用于发生外鼓变形的部位。3）嵌）嵌补补 对已趋稳定、暂不发展的裂缝，如果不能压浆加固，可以采取嵌补的办法，即将裂缝修凿剔深，在缝口处用水泥砂浆、环氧树脂砂浆或环氧树脂混凝土进行嵌补。154）喷锚喷锚加固加固 对衬砌的所有内鼓变形和向内移动的裂损部位，采用锚杆加固岩体是有效的，此时锚杆既可沿内缘张裂纹的走向两边布置，作局部加固，也可按全断面加固，并连同加固岩体一起考虑决定锚杆的类型、直径、间距、深度和布置等。目前一般把锚杆与喷射混凝土(包括加网与不加网)联合用于加固裂损衬砌，可以使锚杆、喷层、喷层内的钢筋网三者优势互补，加固效果更好。对增加裂损衬砌的刚度、稳定性，提高其承载力则特别显著。这是较为常用的加固裂损衬砌的措施。5）套拱加固）套拱加固 掉块剥落严重时，可对衬砌拱部加筑套拱。如果隧道内净空条件不足，可以采取落道加套拱的办法。当拱部灌注混凝土难度较大时可采用喷混凝土、网喷混凝土和钢纤维喷混凝土进行加固。166）更）更换衬换衬砌砌 对拱部衬砌破坏严重、结构丧失承载能力、用其他整治补强手段难以保证结构稳定者，或者衬砌严重侵入限界，采用其他整治措施难度较大时，可通过更换全拱来根除病害。17第第5节节 隧道隧道衬衬砌病害整治工程砌病害整治工程实实例例5.1工程概况工程概况 南岭隧道位于京广铁路衡阳一韶关段，隧道全长为6.1 km，于1988年11月投入运营。隧道采用复合式衬砌和聚乙烯板防水层，轨下道床采用混凝土宽枕板道床，隧道内设人宇坡，除进、出口段外，其余地段设置双侧水沟、双侧电缆槽和中心水沟。南岭隧道位于湖南省南部五盖山与骑田岭之间的剥蚀低山丘陵区，地形起伏不大，地面高程320500 m。隧道范围内岩溶洼地、岩溶漏斗发育，隧道经过横下垅、茅山里、岭白塘、生潮垅、下连溪5处溶蚀洼地，地处中亚热带季风湿润气候区雨量充沛，汛期集中。地表排水系统多为天然形成，局部经过人工修筑，但山上汇水面积大，天然形成的出口狭窄，致使5个溶蚀洼地积水严重。185.2隧道隧道衬衬砌砌结结构病害整治措施构病害整治措施5.2.1 帷幕注帷幕注浆浆 隧道K1927+120K1927+425及K1927+6301928+142段采用帷幕注浆方案处理，注浆段共长817 m。该段隧道埋深5060 m，相对较浅，隧道影响范围内地表陷坑发育，且仍在继续发展同时洞内病害较严重。采取帷幕注浆方案进行整治在增强隧道防水能力的同时，能够改善隧道衬砌的受力条件。195.2.2 隧道隧道衬衬砌砌结结构构补补强强 根据隧道围岩级别、衬砌裂损情况、衬砌厚度不足和衬砌混凝土强度等情况，对局部地段的衬砌采取中空注浆锚杆、喷聚丙烯纤维混凝土单独或组合进行衬砌结构补强。考虑到既有隧道已经电气化的现实，为避免隧道衬砌结构补强时对电气化接触网的影响，隧道衬砌补强采取以中空注浆锚杆为主、喷聚丙烯纤维混凝土为辅的原则。在通常情况下采取中空注浆锚杆加固，只有在衬砌厚度相差较大或隧道衬砌破损较为严重的 隋况下，才采取中空注浆锚杆和喷聚丙烯纤维混凝土补强。205.2.3隧道隧道衬衬砌渗漏水砌渗漏水处处理理 对隧道衬砌渗漏水严重地段采取衬砌背后注浆堵水的办法，注浆材料采用水泥浆；对隧道衬砌渗漏水点、渗漏水环向施工缝和渗漏水裂缝，采取凿槽填充立止水瞬间堵漏剂和外涂优止水高效防水剂进行处理；对隧道衬砌表面渍水采取外涂优止水高效防水剂处理；对一般渗漏水地段，在隧道边墙结合施工缝设置排水槽，在排水槽中向隧道衬砌背后钻引水孔 将隧道衬砌背后积水通过排水槽引排至隧道侧沟，在注浆地段，应先注浆后引排。隧道衬砌背后局部空洞和松散段回填处理对隧道衬砌背后空洞、松散回填物和宫水等病害采取衬砌背后注浆处理在防水的同时改善隧道衬砌的受力条件。在渗漏水严重地段使用水泥浆，对其他地段采用水泥砂浆。21第第6节节 隧道渗漏水隧道渗漏水 6.1隧道渗漏水的危害隧道渗漏水的危害 漏水是运营隧道的1种比较 常见的病害在我同已投入使用的4000多座隧道中出现漏水痫害的就有1000多座，占隧道总数的1/3，隧道漏水的危害概夫它不仅会腐蚀隧道的内部设备(如线路的钢轨和扣 件，通风设备及电气设备等)，而且是衬砌裂损的主要原因，在严寒地区的冬季，洞口段常因拱顶漏水而结冰，形成挂帘现象，有时轨道 结冰影响行车安全 严重时，甚至淹没道床，使碎石道床的道碴松动，影响线路的稳定。此外 由于水能软化地基、因此对整体道床来说，如其下基岩被水软化，将导致整 道床 产生 裂损、沉陷、翻浆冒泥等痛害。226.2大瑶山隧道渗漏水整治措施大瑶山隧道渗漏水整治措施6.2.1成因成因 通过对大瑶山隧道南北的水文气象和该隧道穿越的地质地貌等进行调查和分析，认为该隧道漏水病害的主要成因有以下几个方面：(1)围岩裂隙水丰富 大瑶山隧道所穿越的地质条件十分复杂，隧道以石灰岩、砂岩为主，穿越大小断层14条，最大埋深910 m。其岩层节理发育，岩层断层破碎会富集大量的结构水，产生巨大的水压力，特别是覆盖层厚的隧道，裂隙具有很强的渗透能力。(2)衬砌背后有空隙 衬砌背后的围岩 由于裂隙的存在，在地下水的作用下，裂隙变大并形成空隙，而且相互逐渐连通。另外由于施工中初支与衬砌间留有空隙，或者回填物不够密实也造成空隙。这些空隙随着时间的推移，特别是相互连通后，就会富集大量的地下水，这是大面积渗漏水的主要原因。23(3)有害离子的化学腐蚀作用 衬砌周围的围岩 裂隙水对混凝土有腐蚀性，主要有碳酸根、硫酸根等离子的水化反应而腐蚀，这些腐蚀可造成漏水缝隙，严重时可造成混凝土结构的破坏。(4)防水层失效因使用时间长，漏水地段原有的防水层由于种种原因，失去了作用。(5)混凝土内部的应力作用 混凝土水化反应时收缩、地基的不均匀沉降或因衬砌施工方法不当、拆模过早、围岩应力变化等均有可能使衬砌产生裂缝而导致日后漏水。246.2.2整治措施整治措施（1）增增设设排水暗槽排水暗槽 增设排水暗槽是隧道漏水维修养护常用的整治方法，它可适用于电气化隧道边墙的引水。在隧道起拱线附近或边墙上设引水暗槽引流，其作用是汇集和集中漏水。该方法对大面积渗、漏水达不到良好的整治效果，而漏水中的泥沙往往又容易堵塞暗槽。25（2）PVC管管 将直径 150 mm的PVC管从中间剖开，分成两半，用扣码将剖开的PVC管固定在衬砌表面，漏水可沿管路排放到两侧沟内。其缺点是：只能整治集中漏水，对大面积渗、漏水达不到整治的效果。由于隧道内空气潮湿且成分复杂，扣码容易生锈，影响PVC排水管的稳定，一旦扣码锈蚀断掉的话，PVC管跌落将会打击隧道内通过的列车，构成安全隐患。（3）压压注普通水泥注普通水泥浆浆堵漏堵漏 在漏水处钻孔并安装压浆嘴，用压浆机将预制好的纯水泥浆压人漏水处的衬砌内部。1998年，在雷公尖隧道进行了试验。它的特点是封堵小量渗水，成本低，对滴水成线或大漏不起作用。26（4）TGRM 水泥基灌注料堵漏方法水泥基灌注料堵漏方法 2000年9月，采用北京中铁瑞威铁道工程公司提供的TGRM超细水泥对雷公尖隧道基床病害进行整治，效果良好。（5）TGRM 水泥特性水泥特性 TGRM水泥具有粒径小、速凝、早强、超细、微膨胀等特点，水泥平均粒径为3.7m，可灌人0.1 mm裂缝；其初凝时间为15 min，终凝时间为30 min；早期强度提高快，30 min结石强度为9.2 MPa，1 h的结石强度为l48 MPa。27（6）TGRM 水泥堵水原理 预先配制好的TGRM 纯水泥浆(水灰比035045)通过动力压人漏水处衬砌内后，在衬砌外侧围岩内侧水流及其自重的作用下，向隧道两边墙脚延伸，在衬砌外侧形成一个封闭的TGRM浆层。高速制浆机将小粒径TGRM水泥与水充分搅拌，有利于水泥浆进入微小裂缝，进入微小裂缝后又微膨胀，使裂缝封堵得更密实。由于TGRM水泥具有早强、快凝的特点，故压人的水泥浆能够在较短时间内沉淀在裂缝内及衬砌外侧，起到良好的堵水作用。28 在大瑶山隧道中选择了具有代表性的三处漏水地段进行了试验，分别是京广K1979+3l4、K1979+330、K1979+360地段。在整治之前K1979+330拱顶小范围大漏，呈射水状态冲击着道床；K1979+314和K1979+360两处滴水成线，渗、漏水滴在线路上，影响道床稳定。用该方法灌浆整治三年多以来，原漏水处的整治效果良好。29（7）施工方法 坚持“排、堵结合”的原则，主要是针对拱顶较大面积漏水的处所。首先，在附近的衬砌边墙脚(或避车洞墙脚)寻找既有的排水孔(若没有，就要主动开孔排水)。然后，在漏水处钻孔安装压浆嘴，用高速制浆机制成的水泥浆在压浆机的动力作用下，将水泥浆压人漏水处的衬砌内部，使压人的TRGM水泥浆在衬砌外侧形成一层完整的封闭层，从而达到堵水的目的。由于注浆后，衬砌背后的空隙被填满，围岩和松散的回填物被固结为一个整体，隧道的结构得到了大大的加强，从而也起到了稳定的作用。要确保施工顺利，堵水成功，必须抓住如下几个工作环节：施工安全措施的制定和落实；在合适的位置开孔排水；选准埋设压浆嘴的位置；水灰比的控制。30第第7节节 隧道病害研究中存在的隧道病害研究中存在的问题问题 隧道病害相关研究已经初步开展，并取得了许多有益的研究成果与经验。但由于隧道病害研究处于初级阶段，研究方法、程序等各方面都不太成熟，部分方法和认识可能存在缺陷与不足，很多方面的问题需要进一步查明研究和商榷。隧道病害研究中尚存在以下问题需要进一步研究。31（1）隧道病害）隧道病害检测检测技技术术、方法、程序与制度的研究、方法、程序与制度的研究 深人的病害研究，离不开准确、有效的病害检测技术与方法，也离不开详细、严格的病害检测程序与制度，所以首先需要进一步发展隧道病害检测技术、仪器、方法、程序，以准确、详细测量隧道病害特征。隧道属于地下工程，具有半隐蔽性，病害检测仪器受到地下水、单面测量等不利因素的影响，检测精度不高，所以应结合隧道病害检测基本特征，发展新的病害检测仪器，或进一步提高现有仪器的检测精度，规范病害检测方法与程序，为病害成因分析、健康诊断奠定基础。此外，隧道围岩与衬砌相互作用情况比较复杂，衬砌围岩压力是决定结构安全性的决定性因素之一，但是难以通过相关的试验测得，亦需展开相关研究。32（2）隧道病害成因研究）隧道病害成因研究 隧道病害表观特征与病害成因具有紧密联系，且研究者已经根据实际的经验总结了若干病害现象与成因之间关系，并取得了宝贵的经验，但是由于隧道病害成因复杂，具有多样性和不确定性，尚需要根据病害现场分析结果或利用模型试验，进一步研究病害成因的基本规律。此外，还应结合目前实际病害检测结果和模型试验的结果，建立病害数据库与专家系统，进一步查明病害成因与病害现象之间关系，并展开病害成因与病害线性的模式化研究。33（3）病害分）病害分类类方法、与分方法、与分级级方法、分方法、分级标级标准的研究准的研究 病害分类与分级方法、分级标准是隧道健康诊断的基础，目前已经根据工程中的有关资料开展了相关的研究，提出了不同的分类方法，并针对多类病害提出病害分级方法和标准，且得到了广泛的应用，例如隧道养护规范中提出了变形、材质劣化、裂缝、渗漏水等多种病害的分级方法与标准。但是，目前的分级方法和标准发展尚不够完善，多种病害尚无法利用现有的方法加以有效的描述与表征，譬如，钢筋腐蚀、衬砌剥落剥离等病害分级方法需要进一步研究。34（4）病害健康）病害健康诊诊断方法的研究断方法的研究 隧道病害健康诊断方法在日本开展较早，国内铁路隧道部门也有相关研究，但多数研究是利用层次分析法和模糊数学方法进行的，是基于经验的方法。实际上，隧道健康诊断中一般应包含两个主要内容，一是隧道结构安全性能的诊断与研究，另外一个方面是隧道使用性能的诊断与研究，其中前者是后者的前提和基础，但是目前病害健康诊断大多缺乏隧道结构安全性分析与研究，所以病害健康诊断应综合结构安全性和使用性能两个方面的研究结果，然后通过病害分级方法，进行结构健康诊断。35（5）隧道安全性分析和）隧道安全性分析和计计算模型的研究算模型的研究 隧道病害安全性研究应根据病害的几何与物理、力学性质，从病害的作用机理人手，建立隧道病害力学模型，在此基础上分析病害对于衬砌结构承载特征，并进一步计算病害对于隧道结构安全性能的影响。值得注意的是，并非所有病害都与结构的安全性能相关，所以应该根据病害安全分析需要，重新对病害进行分类与量化，以进行结构安全性分析。此外，病害安全性力学分析方法属于量化的方法，所以病害量化的参数应该能够准确标示病害特征，为建立力学模型奠定基础。36（6）隧道）隧道维维修加固技修加固技术术研究研究 为了研究结构性病害力学机理，以及病害对于衬砌承载影响，并为病害维修加固提供依据，目前国内外已经针对具体病害开展了若干病害模型试验研究和病害补强试验，也取得了卓有成效的结果。但是，目前隧道病害维修与补强技术研究相对比较独立，缺乏与病害检测、分类量化、健康诊断等相关研究的联系，且病害方法、技术、材料等具体措施尚需进一步更新与改进，补强效果的评价也缺乏相关的研究。37