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隧道工程常見病害的危害及成因分析

發布日期:2017-06-18
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摘 要: 隧道內各種病害一般不是單獨存在的,而是互相影響、互相作用的。根據國內外維修、養護的經驗,分別介紹了隧道水害、凍害、襯砌裂損、襯砌侵蝕等病害的現象及其對襯砌結構及運輸安全的影響,并從勘察、設計、施工、監理、材料等諸方面詳細地分析了各種病害的成因,確保從各個方面對隧道工程病害進行有針對性的分析和治理。
       關鍵詞: 隧道  病害成因  襯
  到目前為止,我國已建成約5 000 座鐵路隧道,總延長近2 500 km ,長度居世界領先地位,但隧道病害發生較多。據隧道病害調查的資料表明,我國鐵路隧道大部分存在著不同程度的病害。隧道病害的類型主要有水害、凍害、襯砌裂損和襯砌侵蝕。隧道病害發生較多的地段,從地質情況看,一般是斷層破碎帶,風化變質巖地帶、裂隙發育的巖體、巖溶地層、軟弱圍巖地層等從地形情況看,多發生在斜坡、滑坡構造地帶、巖堆崩坍地帶等。隧道內各種病害一般不是單獨存在的,而是互相影響、互相作用的。
  其中最常見的病害形式是水害,調查中發現在隧道養護人員中流傳著“十隧九漏”這種說法,這正反映 了水害發生的頻繁。隧道水害不僅增加隧道內濕度,造成電路短路等事故,危及運輸安全,而且還引發其他病害。隧道由于滲漏水、積水,將會造成襯砌開裂或使原有裂縫發展變大,加重襯砌裂損當地下水有侵蝕性時,會使襯砌混凝土產生侵蝕,并隨著滲漏水的不斷發展,使混凝土侵蝕日益嚴重。在寒冷地區,水是影響隧道圍巖凍脹的重要因素,襯砌水害嚴重,必然導致凍害嚴重。  襯砌裂損病害主要表現為襯砌的變形、開裂和錯臺,而襯砌一旦開裂,將會給地下水打開一條外滲的通道,引發隧道嚴重水害,進而就會產生襯砌混凝土的侵蝕,在寒冷地區產生凍害等。寒冷地區的鐵路隧道如果圍巖含地下水,就會產生隧道凍害。凍害的循環發生,使襯砌混凝土再產生開裂、變形,導致襯砌承載力降低,同時在春、夏季,凍害部位開始解凍,此時被凍結的冰融化成水,水就會“尋找”通路,致使襯砌產生滲漏水。在含有侵蝕性地下水的圍巖中,地下水的侵蝕將造成襯砌混凝土的疏松、剝落,產生襯砌裂損承載力降低,總之,隧道內各種病害并不是單獨作用的,而是幾種情況共同作用,對襯砌結構產生連環破壞,致使襯砌混凝土開裂、變形,產生剝落、掉塊等,使襯砌的有效厚度減薄,承載力降低,安全可靠性減小,隨著病害的持續發展,最終導致襯砌結構失穩破壞。
  鐵路隧道病害嚴重影響著運輸的安全,制約了鐵路運輸的快速發展。為了整治各類病害,鐵路部門每年都要耗費大量的人力、物力、財力,但是對于病害的整治分析我國還處于相對落后的地位。例如對于已發生病害的隧道,其承載力如何、是否需要加固,尚沒有統一標準,廣大的養護、維修人員總是從經驗推斷病害隧道的可靠性,從而進行維修加固。
  針對以上問題,本文根據國內外維修、養護的經驗,分別介紹隧道水害、凍害、襯砌裂損、襯砌侵蝕等病害的現象及其對襯砌結構及運輸安全的影響,并比較詳細地分析和討論了各種病害的成因。
  水害的種類、危害及成因
  隧道水害是指在隧道的修建或運營過程中遇到水的干擾和危害。水害是隧道中常見的一種病害,調查資料表明,大部分的隧道存在不同程度的水害。水害不僅本身對隧道結構產生危害,降低襯砌結構的可靠性,導致襯砌失穩破壞,而且還會引發其它病害,對隧道整體結構的穩定影響很大。
1. 1  水害的種類及其危害
  1) 施工中的隧道水害
  施工中的隧道水害主要是指隧道圍巖的地下水或部分地表水,以滲漏或涌出方式進入隧道內造成的危害。
  施工中隧道滲、漏水,造成洞內空氣潮濕不僅影響施工人員的身體健康,而且使施工機械、設備產生銹蝕、腐爛,使絕緣設施失效,造成電路短路、跳閘甚至漏電事故,危及人身、設備安全。當變為突水或涌水時,就危及到施工人員的人身安全,損壞施工機械,造成塌方,斜、豎井被淹沒,中斷施工,造成重大的經濟損失。如大瑤山隧道就因突水致使班古坳豎井被淹沒,使其基本上未能發揮豎井作用。
  2) 運營中水害種類及其危害
  ①隧道漏水和涌水。在運營隧道中圍巖的地下水和地表水直接和間接地以滲漏方式或涌出的形式進入隧道內造成的危害。它受漏水、涌水規模以及隧道結構、牽引類型、地質條件等的影響,其產生的危害主要有:
  a. 對電力牽引區段和電力配線,使電絕緣失效,發生短路、跳閘等事故,危及行車安全
  b. 洞內空氣潮濕,影響養護人員身體健康,使洞內設備(通訊、照明、鋼軌等) 銹蝕
  c. 混凝土襯砌風化、腐蝕、剝落,造成襯砌結構破壞
  d. 涌水病害造成襯砌破壞,道床翻漿冒泥,中斷行車。
  ②襯砌周圍積水。主要是指運營隧道中地表水或地下水向隧道周圍滲流匯集,如果不能迅速排走而引起的病害有:
  a. 水壓較大時會導致襯砌破裂
  b. 使原完好的圍巖及圍巖的結構面軟弱夾層因浸水而軟化或泥化,失去承載力,對襯砌壓力增大而導致襯砌破裂:
  c. 使膨脹性圍巖體積膨脹,導致襯砌破壞
  d. 在寒冷地區發生冰脹和圍巖凍脹,快速導致襯砌破壞。
  3) 潛流沖刷
  主要是指由于地下水滲流和流動而產生的沖刷和溶蝕作用。其危害有:
  ①襯砌基礎下沉,邊墻開裂或者仰拱、整體道床下沉開裂
  ②圍巖滑移錯動導致襯砌變形開裂
  ③對超挖回填不密實或未全部回填者,引起圍巖坍塌,導致襯砌破壞
(4) 侵蝕性水對襯砌的侵蝕。
1. 2  水害產生的原因
  水害產生的原因很多,歸納起來可分為以下幾種:
  1) 勘測與設計
  設計人員在設計時往往只重視建筑和結構上的要求,而忽視了防排水的設計要求 在防水設計之前,對其工程地質及水文地質情況了解得不夠仔細,對襯砌周圍地下水源、水量、流向及水質勘察不全有時還缺乏反映防水材料性能的室內試驗數據,對結構抗滲、抗腐蝕未作具體要求。
  2) 施工
  施工中的許多隧道和地下工程由于其光面爆破效果不佳,噴射混凝土面難以吻合加上防水板接縫采用電烙鐵,焊縫不均勻、不牢固,使防水板很容易產生空鼓開裂局部超挖過量,回填不好不實,這樣使塑料防水板的防水效能無法發揮。有的施工單位一味追求施工速度,忽視二次襯砌質量,造成混凝土內部空隙、襯砌表面粗糙不光滑。另外對排水設施不按施工規范要求操作等,使地下水豐富地區的隧道造成嚴重的滲漏水。
  3) 材料
  目前國內許多生產防水材料的廠家由于其設備陳舊,原材料選擇不嚴,工藝落后,而致使產品質量較差,達不到國家質量標準,如果選用這樣的防水材料也是導致隧道滲漏水的原因之一。
  4) 監理
  隧道及地下工程的施工監理是近幾年來才開始的,目前缺乏防水施工工藝等方面的監理規程。以前只是施工單位把關,由于防水概預算定額較低,對防水材料的選擇和使用過問較少,所以,要做到確保速度及地下工程的防水質量,施工監理不可忽視。
  5) 驗收
  工程竣工后,從襯砌表面往往看不出什么問題,管理單位缺乏檢驗手段,有時又接近運營期限,往往對交驗前滲水情況,缺少進一步查驗,只好按竣工報告及施工總結,勉強驗收,導致運營后滲漏水逐漸嚴重。
  6) 匹配
  防水技術的匹配就是指防水設計、防水材料和防水施工工藝與防水工程相適應的問題。從工程實例來看,不少工程滲漏水是由于防水材料與基面粘結不良或不適應造成的,因而搞好防水技術的匹配近年來引起了人們的廣泛關注。
  防水施工方法不外乎噴射、涂刷、抹壓、注漿、粘貼等等,防水材料可分為瀝青、橡膠、塑料、水泥及聚合物等,不論采用何種施工工藝和何種材料,都有與建筑物基面的接觸問題。所以從這一角度考慮,防水效果的關鍵是防水層與基面的粘結和適應問題。
2  襯砌侵蝕的種類及危害
  隧道內金屬構件的銹蝕、混凝土襯砌的侵蝕破壞,都屬于腐蝕病害。一般混凝土具有較好的耐久性、耐腐蝕性和較高的強度。但是,一旦由于地下水的侵入,襯砌受到侵蝕介質經常作用,就會出現起毛、酥松、蜂窩麻面、起鼓剝落、孔洞露石、骨料分離等材質破壞,導致材料強度降低,襯砌厚度變薄,滲、漏水嚴重,降低其使用壽命。隧道內混凝土襯砌的腐蝕按其種類不同,可分為水蝕、煙蝕、凍蝕及骨料溶脹等。
  1) 水蝕
  主要指襯砌受到地下水的作用而產生的腐蝕。一般發生在隧道的拱部、邊墻、仰拱、排水溝和電纜槽等各部位。
  ①溶出型侵蝕。主要是指水泥石中的生成物被水分解溶失造成的侵蝕,表現為外觀尚完善,常有白色沉淀物,內呈多孔狀,強度降低。
  ②硫酸鹽侵蝕。主要是指環境水中含有硫酸根離子對混凝土的侵蝕。
  ③鎂鹽和氨化物的侵蝕。
  2) 煙蝕
  主要是指在蒸汽機車牽引的區段,其產生的“煙霧”對襯砌混凝土產生的侵蝕,分為化學性侵蝕和機械性侵蝕。
  3) 凍蝕
  凍蝕是指在嚴寒地區的隧道,混凝土襯砌由于凍融交替產生的侵蝕。
  4) 骨料溶脹
  骨料溶脹指襯砌混凝土中的粗、細骨料中含有遇水溶解和膨脹的材料而造成的對襯砌的侵蝕。
 
3  凍害的種類及其成因
  隧道凍害會導致襯砌凍脹開裂,以至疏松剝落,造成隧道襯砌結構的失穩破壞,降低襯砌結構的安全可靠 性,嚴重影響鐵路運輸的安全和正常運行。同時由于我國幅員遼闊,凍土地區分布廣泛(其中多年凍土占整個陸地面積的1/ 5) ,在現有的6 萬多公里鐵路5 000 多座鐵路隧道中,有相當一部分處于凍土分布地區。隨著鐵路自身發展的要求,在寒冷地區(西北地區) 修建鐵路隧道已是不可避免,隧道凍害問題會隨之增多。
3. 1  凍害的種類
  1) 冰柱、冰溜子
  滲漏的地下水通過混凝土裂縫逐漸滲出,在滲點出口處受低溫影響積成冰柱,尤其在施工接縫處滲水點多,結冰明顯,累積十至幾十厘米厚的冰溜子(又稱為掛冰) 。如不清理,冰溜子越積越大,侵入限界,危及行車安全。拱部滲漏逐漸形成冰柱子(冰葫蘆) ,一般地區僅僅是影響限界。在電氣化牽引區段,冰柱子下垂,掛在接觸網高壓電線上造成短路、墜斷電線造成放電、跳閘,嚴重時危及人身安全。
  隧道排水溝槽設施,保溫不良引起冰凍稱冰塞子。水溝地下排水困難,因結冰堵塞,使水溝(管或槽) 凍裂破損,地下水不易排走,襯砌周邊因水結冰而凍脹,致使隧道內各種凍害接踵而來。
  2)襯砌發生冰楔
  隧道砌筑在圍巖良好地段,一旦襯砌壁后有空隙,滲透巖層的地下水,在排水不通暢時水就積在襯砌與壁后圍巖間,結冰凍脹產生冰凍壓力,傳遞給襯砌。經緩慢發展,常年積累冰凍壓力像楔子似的,使襯砌發生破碎、斷裂、掉塊等現象。
  3) 圍巖凍脹破壞
  隧道修筑在不良地質地段的圍巖( I、Ⅱ類及破碎花崗巖、砂巖) 地段,如果圍巖層面及結構內含水多時,冬季就易發生凍脹破壞,主要有:
  ①隧道拱部襯砌發生變形與開裂。拱部受凍害影響時,拱頂下沉內層開裂,襯砌開裂嚴重時尚有錯牙發生,拱腳變形移動。凍融時又有回復(留有殘余裂縫) ,多次循環危及結構安全。
  ②隧道邊墻變形嚴重。邊墻壁后排水不暢,積水成冰,產生凍脹壓力,造成拱腳不動,墻頂內移,有的是墻頂不動墻中發生內鼓現象,也有墻頂內移致使斷裂多段。
  ③隧道內線路凍害。線路結構下部無排水設施,在地下水豐富地區,水在冬季就凍結,道床隆起。
  在水溝之處因保溫不好,與線路一樣有凍結,這樣水溝全長也會高低不平。由于凍融使線路和道床翻漿冒泥、水溝斷裂破壞。水溝破壞后排水困難,滲入線路又加大了線路凍害范圍。
  ④襯砌材料凍融破壞。隧道混凝土設計標號較低,抗滲性差,在地下水豐富地區,水就滲入混凝土內部。到冬季水在混凝土結構內凍結,膨脹產生凍脹壓力,經年凍融循環使結構變酥、強度降低,造成凍融破壞。洞口段凍融變化大,襯砌除結構內因含水受凍害外,巖體凍脹壓力傳遞等破壞,促使襯砌發生縱向裂紋和環向裂紋。
  ⑤隧底凍脹和融沉。對多年凍土隧道,隧底季節融化層內圍巖若有凍脹性,而底部沒有排水設備,每年必出現凍脹融沉交替,無鋪底的線路很難維持正常狀態有時鋪底和仰拱也發生隆起或下沉開裂。
3. 2  凍害的成因
  1) 寒冷氣溫的作用
  隧道凍害與所在地區氣溫(低于0 ℃或正負交替) 有直接關系。由于氣溫的變化使得隧道產生凍害。
  2) 季節凍結圈的形成
  沿襯砌周圍各最大凍結深度連成一個圈叫做季節凍結圈。當襯砌周圍超挖尺寸大小不等,超挖回填用料不當及回填密實不夠產生積水,形成凍結圈。在嚴寒冬季,較長的隧道,兩端各有一段長度能形成凍結圈,叫做季節凍結段。中部的一段,多年不會形成季節凍結圈,叫做不凍結段。隧道兩端凍結段長度不一定相等。同一座隧道內季節凍結段的長度恒小于洞內季節負溫段的長度。
  隧道的排水設備如埋在凍結圈內,冬季易發生冰塞。在凍結圈范圍內的巖土,由于受強烈頻繁的凍融破壞,風化破碎程度與日俱增,也是凍害成因之一。
  3) 圍巖的巖性對凍脹的影響
  在隧道的季節凍結圈內如果是非凍脹土,是不會發生凍脹性病害的。凍結圈內凍土的分布情況就決定了發生凍害的部位。如果隧道圍巖全是凍脹性土且均勻分布,則發生凍脹時沿襯砌外圍對稱均勻分布如果是凍脹性土與非凍脹性土成層狀分布,就可能出現凍脹部位不對稱和非均勻分布。
  4) 隧道設計和施工的影響
  隧道在設計和施工時,對防凍問題沒有考慮或考慮不周,造成襯砌防水能力不足、洞內排水設施埋深不夠、治水措施不當,加上施工單位未按施工規范認真施工等,都會造成和加重運營階段隧道的凍害。
4  結 語
  由于隧道穿越地區的地質條件一般來講比較復雜,斷層破碎帶,風化變質巖地帶、裂隙發育的巖體、巖溶地層、軟弱圍巖地層等較為常見,另外水文地質條件也是控制隧道病害發生的重要因素。因此,在弄清隧道病害機理的基礎上,對隧道病害的治理不能被動地進行,而應該從勘察、設計、施工、監理等各方面入手,進行主動、綜合地治理。
 
2012年12月6日
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