摘 要: 隧道內(nèi)各種病害一般不是單獨(dú)存在的,而是互相影響、互相作用的。根據(jù)國內(nèi)外維修、養(yǎng)護(hù)的經(jīng)驗(yàn),分別介紹了隧道水害、凍害、襯砌裂損、襯砌侵蝕等病害的現(xiàn)象及其對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸安全的影響,并從勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、材料等諸方面詳細(xì)地分析了各種病害的成因,確保從各個(gè)方面對(duì)隧道工程病害進(jìn)行有針對(duì)性的分析和治理。
關(guān)鍵詞: 隧道; 病害成因; 襯砌
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(lǐng)先地位,但隧道病害發(fā)生較多。據(jù)隧道病害調(diào)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(fā)生較多的地段,從地質(zhì)情況看,一般是斷層破碎帶,風(fēng)化變質(zhì)巖地帶、裂隙發(fā)育的巖體、巖溶地層、軟弱圍巖地層等;從地形情況看,多發(fā)生在斜坡、滑坡構(gòu)造地帶、巖堆崩坍地帶等。隧道內(nèi)各種病害一般不是單獨(dú)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(diào)查中發(fā)現(xiàn)在隧道養(yǎng)護(hù)人員中流傳著“十隧九漏”這種說法,這正反映 了水害發(fā)生的頻繁。隧道水害不僅增加隧道內(nèi)濕度,造成電路短路等事故,危及運(yùn)輸安全,而且還引發(fā)其他病害。隧道由于滲漏水、積水,將會(huì)造成襯砌開裂或使原有裂縫發(fā)展變大,加重襯砌裂損;當(dāng)?shù)叵滤星治g性時(shí),會(huì)使襯砌混凝土產(chǎn)生侵蝕,并隨著滲漏水的不斷發(fā)展,使混凝土侵蝕日益嚴(yán)重。在寒冷地區(qū),水是影響隧道圍巖凍脹的重要因素,襯砌水害嚴(yán)重,必然導(dǎo)致凍害嚴(yán)重?！ ∫r砌裂損病害主要表現(xiàn)為襯砌的變形、開裂和錯(cuò)臺(tái),而襯砌一旦開裂,將會(huì)給地下水打開一條外滲的通道,引發(fā)隧道嚴(yán)重水害,進(jìn)而就會(huì)產(chǎn)生襯砌混凝土的侵蝕,在寒冷地區(qū)產(chǎn)生凍害等。寒冷地區(qū)的鐵路隧道如果圍巖含地下水,就會(huì)產(chǎn)生隧道凍害。凍害的循環(huán)發(fā)生,使襯砌混凝土再產(chǎn)生開裂、變形,導(dǎo)致襯砌承載力降低,同時(shí)在春、夏季,凍害部位開始解凍,此時(shí)被凍結(jié)的冰融化成水,水就會(huì)“尋找”通路,致使襯砌產(chǎn)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(chǎn)生襯砌裂損承載力降低,總之,隧道內(nèi)各種病害并不是單獨(dú)作用的,而是幾種情況共同作用,對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生連環(huán)破壞,致使襯砌混凝土開裂、變形,產(chǎn)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(xù)發(fā)展,最終導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。
鐵路隧道病害嚴(yán)重影響著運(yùn)輸?shù)陌踩?制約了鐵路運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展。為了整治各類病害,鐵路部門每年都要耗費(fèi)大量的人力、物力、財(cái)力,但是對(duì)于病害的整治分析我國還處于相對(duì)落后的地位。例如對(duì)于已發(fā)生病害的隧道,其承載力如何、是否需要加固,尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),廣大的養(yǎng)護(hù)、維修人員總是從經(jīng)驗(yàn)推斷病害隧道的可靠性,從而進(jìn)行維修加固。
針對(duì)以上問題,本文根據(jù)國內(nèi)外維修、養(yǎng)護(hù)的經(jīng)驗(yàn),分別介紹隧道水害、凍害、襯砌裂損、襯砌侵蝕等病害的現(xiàn)象及其對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)及運(yùn)輸安全的影響,并比較詳細(xì)地分析和討論了各種病害的成因。
1 水害的種類、危害及成因
隧道水害是指在隧道的修建或運(yùn)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(diào)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(duì)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生危害,降低襯砌結(jié)構(gòu)的可靠性,導(dǎo)致襯砌失穩(wěn)破壞,而且還會(huì)引發(fā)其它病害,對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(jìn)入隧道內(nèi)造成的危害。
施工中隧道滲、漏水,造成洞內(nèi)空氣潮濕不僅影響施工人員的身體健康,而且使施工機(jī)械、設(shè)備產(chǎn)生銹蝕、腐爛,使絕緣設(shè)施失效,造成電路短路、跳閘甚至漏電事故,危及人身、設(shè)備安全。當(dāng)變?yōu)橥凰蛴克畷r(shí),就危及到施工人員的人身安全,損壞施工機(jī)械,造成塌方,斜、豎井被淹沒,中斷施工,造成重大的經(jīng)濟(jì)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(fā)揮豎井作用。
2) 運(yùn)營中水害種類及其危害
①隧道漏水和涌水。在運(yùn)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(jìn)入隧道內(nèi)造成的危害。它受漏水、涌水規(guī)模以及隧道結(jié)構(gòu)、牽引類型、地質(zhì)條件等的影響,其產(chǎn)生的危害主要有:
a. 對(duì)電力牽引區(qū)段和電力配線,使電絕緣失效,發(fā)生短路、跳閘等事故,危及行車安全;
b. 洞內(nèi)空氣潮濕,影響?zhàn)B護(hù)人員身體健康,使洞內(nèi)設(shè)備(通訊、照明、鋼軌等) 銹蝕;
c. 混凝土襯砌風(fēng)化、腐蝕、剝落,造成襯砌結(jié)構(gòu)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(yùn)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(shí)會(huì)導(dǎo)致襯砌破裂;
b. 使原完好的圍巖及圍巖的結(jié)構(gòu)面軟弱夾層因浸水而軟化或泥化,失去承載力,對(duì)襯砌壓力增大而導(dǎo)致襯砌破裂:
c. 使膨脹性圍巖體積膨脹,導(dǎo)致襯砌破壞;
d. 在寒冷地區(qū)發(fā)生冰脹和圍巖凍脹,快速導(dǎo)致襯砌破壞。
3) 潛流沖刷
主要是指由于地下水滲流和流動(dòng)而產(chǎn)生的沖刷和溶蝕作用。其危害有:
①襯砌基礎(chǔ)下沉,邊墻開裂或者仰拱、整體道床下沉開裂;
?、趪鷰r滑移錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致襯砌變形開裂;
?、蹖?duì)超挖回填不密實(shí)或未全部回填者,引起圍巖坍塌,導(dǎo)致襯砌破壞;
(4) 侵蝕性水對(duì)襯砌的侵蝕。
1. 2 水害產(chǎn)生的原因
水害產(chǎn)生的原因很多,歸納起來可分為以下幾種:
1) 勘測(cè)與設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)往往只重視建筑和結(jié)構(gòu)上的要求,而忽視了防排水的設(shè)計(jì)要求; 在防水設(shè)計(jì)之前,對(duì)其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況了解得不夠仔細(xì),對(duì)襯砌周圍地下水源、水量、流向及水質(zhì)勘察不全;有時(shí)還缺乏反映防水材料性能的室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù),對(duì)結(jié)構(gòu)抗?jié)B、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(chǎn)生空鼓開裂;局部超挖過量,回填不好不實(shí),這樣使塑料防水板的防水效能無法發(fā)揮。有的施工單位一味追求施工速度,忽視二次襯砌質(zhì)量,造成混凝土內(nèi)部空隙、襯砌表面粗糙不光滑。另外對(duì)排水設(shè)施不按施工規(guī)范要求操作等,使地下水豐富地區(qū)的隧道造成嚴(yán)重的滲漏水。
3) 材料
目前國內(nèi)許多生產(chǎn)防水材料的廠家由于其設(shè)備陳舊,原材料選擇不嚴(yán),工藝落后,而致使產(chǎn)品質(zhì)量較差,達(dá)不到國家質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),如果選用這樣的防水材料也是導(dǎo)致隧道滲漏水的原因之一。
4) 監(jiān)理
隧道及地下工程的施工監(jiān)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(jiān)理規(guī)程。以前只是施工單位把關(guān),由于防水概預(yù)算定額較低,對(duì)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(zhì)量,施工監(jiān)理不可忽視。
5) 驗(yàn)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(yàn)手段,有時(shí)又接近運(yùn)營期限,往往對(duì)交驗(yàn)前滲水情況,缺少進(jìn)一步查驗(yàn),只好按竣工報(bào)告及施工總結(jié),勉強(qiáng)驗(yàn)收,導(dǎo)致運(yùn)營后滲漏水逐漸嚴(yán)重。
6) 匹配
防水技術(shù)的匹配就是指防水設(shè)計(jì)、防水材料和防水施工工藝與防水工程相適應(yīng)的問題。從工程實(shí)例來看,不少工程滲漏水是由于防水材料與基面粘結(jié)不良或不適應(yīng)造成的,因而搞好防水技術(shù)的匹配近年來引起了人們的廣泛關(guān)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(guān)鍵是防水層與基面的粘結(jié)和適應(yīng)問題。
2 襯砌侵蝕的種類及危害
隧道內(nèi)金屬構(gòu)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(qiáng)度。但是,一旦由于地下水的侵入,襯砌受到侵蝕介質(zhì)經(jīng)常作用,就會(huì)出現(xiàn)起毛、酥松、蜂窩麻面、起鼓剝落、孔洞露石、骨料分離等材質(zhì)破壞,導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低,襯砌厚度變薄,滲、漏水嚴(yán)重,降低其使用壽命。隧道內(nèi)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(chǎn)生的腐蝕。一般發(fā)生在隧道的拱部、邊墻、仰拱、排水溝和電纜槽等各部位。
?、偃艹鲂颓治g。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(xiàn)為外觀尚完善,常有白色沉淀物,內(nèi)呈多孔狀,強(qiáng)度降低。
?、诹蛩猁}侵蝕。主要是指環(huán)境水中含有硫酸根離子對(duì)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(jī)車牽引的區(qū)段,其產(chǎn)生的“煙霧”對(duì)襯砌混凝土產(chǎn)生的侵蝕,分為化學(xué)性侵蝕和機(jī)械性侵蝕。
3) 凍蝕
凍蝕是指在嚴(yán)寒地區(qū)的隧道,混凝土襯砌由于凍融交替產(chǎn)生的侵蝕。
4) 骨料溶脹
骨料溶脹指襯砌混凝土中的粗、細(xì)骨料中含有遇水溶解和膨脹的材料而造成的對(duì)襯砌的侵蝕。
3 凍害的種類及其成因
隧道凍害會(huì)導(dǎo)致襯砌凍脹開裂,以至疏松剝落,造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞,降低襯砌結(jié)構(gòu)的安全可靠 性,嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩驼＿\(yùn)行。同時(shí)由于我國幅員遼闊,凍土地區(qū)分布廣泛(其中多年凍土占整個(gè)陸地面積的1/ 5) ,在現(xiàn)有的6 萬多公里鐵路5 000 多座鐵路隧道中,有相當(dāng)一部分處于凍土分布地區(qū)。隨著鐵路自身發(fā)展的要求,在寒冷地區(qū)(西北地區(qū)) 修建鐵路隧道已是不可避免,隧道凍害問題會(huì)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(diǎn)出口處受低溫影響積成冰柱,尤其在施工接縫處滲水點(diǎn)多,結(jié)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(qū)僅僅是影響限界。在電氣化牽引區(qū)段,冰柱子下垂,掛在接觸網(wǎng)高壓電線上造成短路、墜斷電線造成放電、跳閘,嚴(yán)重時(shí)危及人身安全。
隧道排水溝槽設(shè)施,保溫不良引起冰凍稱冰塞子。水溝地下排水困難,因結(jié)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(jié)冰而凍脹,致使隧道內(nèi)各種凍害接踵而來。
2) 襯砌發(fā)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(shí)水就積在襯砌與壁后圍巖間,結(jié)冰凍脹產(chǎn)生冰凍壓力,傳遞給襯砌。經(jīng)緩慢發(fā)展,常年積累冰凍壓力像楔子似的,使襯砌發(fā)生破碎、斷裂、掉塊等現(xiàn)象。
3) 圍巖凍脹破壞
隧道修筑在不良地質(zhì)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(jié)構(gòu)內(nèi)含水多時(shí),冬季就易發(fā)生凍脹破壞,主要有:
?、偎淼拦安恳r砌發(fā)生變形與開裂。拱部受凍害影響時(shí),拱頂下沉內(nèi)層開裂,襯砌開裂嚴(yán)重時(shí)尚有錯(cuò)牙發(fā)生,拱腳變形移動(dòng)。凍融時(shí)又有回復(fù)(留有殘余裂縫) ,多次循環(huán)危及結(jié)構(gòu)安全。
②隧道邊墻變形嚴(yán)重。邊墻壁后排水不暢,積水成冰,產(chǎn)生凍脹壓力,造成拱腳不動(dòng),墻頂內(nèi)移,有的是墻頂不動(dòng)墻中發(fā)生內(nèi)鼓現(xiàn)象,也有墻頂內(nèi)移致使斷裂多段。
?、鬯淼纼?nèi)線路凍害。線路結(jié)構(gòu)下部無排水設(shè)施,在地下水豐富地區(qū),水在冬季就凍結(jié),道床隆起。
在水溝之處因保溫不好,與線路一樣有凍結(jié),這樣水溝全長也會(huì)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。
?、芤r砌材料凍融破壞。隧道混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)較低,抗?jié)B性差,在地下水豐富地區(qū),水就滲入混凝土內(nèi)部。到冬季水在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)凍結(jié),膨脹產(chǎn)生凍脹壓力,經(jīng)年凍融循環(huán)使結(jié)構(gòu)變酥、強(qiáng)度降低,造成凍融破壞。洞口段凍融變化大,襯砌除結(jié)構(gòu)內(nèi)因含水受凍害外,巖體凍脹壓力傳遞等破壞,促使襯砌發(fā)生縱向裂紋和環(huán)向裂紋。
⑤隧底凍脹和融沉。對(duì)多年凍土隧道,隧底季節(jié)融化層內(nèi)圍巖若有凍脹性,而底部沒有排水設(shè)備,每年必出現(xiàn)凍脹融沉交替,無鋪底的線路很難維持正常狀態(tài);有時(shí)鋪底和仰拱也發(fā)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(qū)氣溫(低于0 ℃或正負(fù)交替) 有直接關(guān)系。由于氣溫的變化使得隧道產(chǎn)生凍害。
2) 季節(jié)凍結(jié)圈的形成
沿襯砌周圍各最大凍結(jié)深度連成一個(gè)圈叫做季節(jié)凍結(jié)圈。當(dāng)襯砌周圍超挖尺寸大小不等,超挖回填用料不當(dāng)及回填密實(shí)不夠產(chǎn)生積水,形成凍結(jié)圈。在嚴(yán)寒冬季,較長的隧道,兩端各有一段長度能形成凍結(jié)圈,叫做季節(jié)凍結(jié)段。中部的一段,多年不會(huì)形成季節(jié)凍結(jié)圈,叫做不凍結(jié)段。隧道兩端凍結(jié)段長度不一定相等。同一座隧道內(nèi)季節(jié)凍結(jié)段的長度恒小于洞內(nèi)季節(jié)負(fù)溫段的長度。
隧道的排水設(shè)備如埋在凍結(jié)圈內(nèi),冬季易發(fā)生冰塞。在凍結(jié)圈范圍內(nèi)的巖土,由于受強(qiáng)烈頻繁的凍融破壞,風(fēng)化破碎程度與日俱增,也是凍害成因之一。
3) 圍巖的巖性對(duì)凍脹的影響
在隧道的季節(jié)凍結(jié)圈內(nèi)如果是非凍脹土,是不會(huì)發(fā)生凍脹性病害的。凍結(jié)圈內(nèi)凍土的分布情況就決定了發(fā)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(fā)生凍脹時(shí)沿襯砌外圍對(duì)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(xiàn)凍脹部位不對(duì)稱和非均勻分布。
4) 隧道設(shè)計(jì)和施工的影響
隧道在設(shè)計(jì)和施工時(shí),對(duì)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(nèi)排水設(shè)施埋深不夠、治水措施不當(dāng),加上施工單位未按施工規(guī)范認(rèn)真施工等,都會(huì)造成和加重運(yùn)營階段隧道的凍害。
4 結(jié) 語
由于隧道穿越地區(qū)的地質(zhì)條件一般來講比較復(fù)雜,斷層破碎帶,風(fēng)化變質(zhì)巖地帶、裂隙發(fā)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(zhì)條件也是控制隧道病害發(fā)生的重要因素。因此,在弄清隧道病害機(jī)理的基礎(chǔ)上,對(duì)隧道病害的治理不能被動(dòng)地進(jìn)行,而應(yīng)該從勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等各方面入手,進(jìn)行主動(dòng)、綜合地治理。
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