隧道常见灾害与防治技术.ppt

1 隧道常见灾害及其防治技术 土木工程学院江学良 2 我国各类隧道均存在不同程度的病害 以隧道铁路为例 根据1997年技术状态检查统计 我国运营铁路有隧道5000余座 大部分存在不同程度的病害 有的还相当严重 其中发生失稳现象隧道3270座 占运营总数的65 现状 隧道常见的主要病害包括 隧道水害 衬砌裂损 隧道冻害 与震害 3 隧道水害与隧道防水 4 隧道水害的种类及其危害 隧道渗漏水隧道渗漏 按发生的部位分为 拱部有渗水 滴水 漏水成线和成股射流四种 边墙有渗水 淌水两种 少数有涌水灾害 危害 隧道渗水对隧道稳定 洞内设施 行车安全 地面建筑和隧道周围水环境产生诸多不利影响甚至威胁 衬砌周围积水危害 水压过大时导致衬砌破裂软化围岩 从而加大衬砌压力 导致衬砌破裂膨胀性围岩体积膨胀 导致衬砌破裂寒冷地区引发冻胀病害 5 潜流冲刷概念 由于地下水渗流和流动而产生的冲刷和溶蚀作用 危害 衬砌基础下沉 边墙开裂或仰拱 整体道床下沉开裂围岩滑移错动导致衬砌变形开裂超挖回填不实或未全部回填着 引起围岩坍塌 导致衬砌破坏 6 7 边墙溶洞出水 8 涌水 9 水害的成因 可以归结为客观和主观两方面原因 隧道穿越含水的不良地层隧道衬砌防水及排水设施不完善 10 防水设计应考虑地表水 地下水 毛细管水等的作用 以及由于人为因素引起的附近水文地质改变的影响防水原则 防 排 截 堵相结合 刚柔并济 因地制宜 综合治理 隧道防水结构多采用塑料板防水层和防水混凝土 同时要重视混凝土的 裂缝 处理 对于承受高压水的隧道防水或防水要求高的地下工程要考虑多层防线 层层设防 隧道的防水设计 11 细部构造防水 隧道与地下结构的施工缝 变形缝 后浇带 穿墙管 埋设件 孔口等处是整个工程防水的薄弱环节 对于细部构造的设计与施工要认真对待 12 施工缝防水 13 变形缝的防水 14 15 隧道排水 隧道排水 洞内排水 洞外排水 竖向盲沟 环向盲沟 纵向盲管 排水沟 截水沟 排水沟 洞门仰坡防护 16 17 盾构隧道防水主要是解决管片本身的防水和管片接缝的防水衬砌管片的防水方法 管片结构的自防水 管片的制作精良管片的防水措施 密封垫防水 嵌缝防水 螺栓孔防水 二次衬砌 盾构隧道防水 18 19 衬砌类型和防水 衬砌由防水混凝土 钢板或钢板与混凝土复合材料制作 在侵蚀性介质中采用耐侵蚀材料或做内衬保护层管筒的接口是关键 形式有刚性接口 刚柔结合接口和柔性接口 顶管隧道防水 20 不同形式的顶管接头形式 刚性接口 刚柔结合接口 21 柔性接头 22 沉管隧道防水分为管段自身防水 管段外防水和管段接头防水特点 1 采用水密型的防水技术 2 采用柔性接头 常采用的是性能优越的GINA和OMEGA型橡胶止水带所形成的柔性接头形式 3 三种防水形式的综合应用形成严密的防水体系 沉管隧道防水 23 GINA断面止水设计 24 基本方法 适当疏通注浆堵水增设内防水层水害整治技术关键 分析病害成因 对症整治合理选择防水材料严格施工工艺 运营隧道的水害治理 25 隧道衬砌裂损及其防治 26 衬砌裂损的常见病害衬砌变形 开裂 渗漏水端墙 侧墙 翼墙位移 开裂路面拱起 沉陷 错台 开裂 27 衬砌开裂 28 对不良地质地段衬砌 应贯彻 宁强勿弱 宁曲勿直 加强衬砌过渡段 宁长勿短 的原则尽量减少对围岩的的扰动 提高衬砌质量 大力推广光面爆破 锚喷支护 提高混凝土永久性衬砌的抗裂 抗渗性能 预防措施 29 衬砌变形 开裂的治理措施若衬砌背面存在空隙 可在衬背压注水泥砂浆由于衬砌厚度不足 年久变质 或裂缝区域过大 影响到衬砌强度 可在衬砌面喷射混凝土衬砌裂缝稳定时处理可采用压注环氧水泥砂浆或水泥砂浆的方法加固对于衬砌表面腐蚀 剥落及灰缝脱落可先清除表面然后加喷一层混凝土 整治措施 30 路面拱起 沉陷 错台 开裂处理 诱因 采取措施 围岩侧压力过大 导致两边侧墙内移而引起的路面拱起 在路面下加设水平支撑 路面局部沉陷 错台 严重碎裂 挖出破损的路面以及其下部的基层 重铺路面治理渗漏水 并将水引入两侧边沟 31 32 对洞口的检查与养护 须引起注意的方面 挡墙 边坡的稳定性洞口的排水 防水系统危石 33 泥石流堵塞洞口 34 35 隧道冻害 36 常见的冻害种类 拱部挂冰 边墙结冰 围岩冻胀破坏 引起衬砌变形破坏 衬砌发生冰楔隧道内网线挂冰危害性 隧道冻害会导致衬砌冻胀开裂 甚至疏松剥落 造成隧道衬砌结构的失稳破坏 降低衬砌结构的安全可靠性 严重影响运输的安全和正常运行 37 严寒及寒冷地区隧道冻害的防治 其基本措施是 综合治水更换或改造土壤保温防冻加强结构 如加设仰拱衬砌 采用防水钢筋混凝土衬砌 锚喷混凝土加固 加抗冻胀锚杆等 通过加深边墙 加强底部排水等方法防止融坍 冻害的防治 38 隧道的震害与抗震 39 隧道的震害类型及特征 1906年美国旧金山发生8 3级地震 严重破坏了位于断裂带上的两座隧道 1923年日本关东发生8 2级地震 区铁路线上82座隧道遭到破坏或变形 1952年美国克斯发生7 7级地震 穿越地震断裂带的四座铁路隧道全部都发生了严重破坏 1983年距上海市150km以外的洋面上发生6级地震 打浦路管片上的出现了5座可见裂缝 1995年在日本阪神大地震中 地铁结构发生了很大破坏 车站结构破坏尤为明显 神户高铁大开车站的震害情况 用明挖法于1964年建成 中柱 B400 D1000mm 3 5m 约30根完全破坏 顶板下沉约3m 隧道断面变成M形 40 隧道的震害类型及特征 隧道的中柱上端或下端混凝土剥落 钢筋弯曲 在线路方向及垂直方向上 轴向钢筋鼓出 箍筋也有许多破坏的 在侧壁的隅角部分也发生裂缝及变位但无显著破坏 在阪神大地震中 山岭隧道也遭到严重的破坏 主要是侧壁的压溃裂纹及拱部剪切剥落及环向开裂 许多建于20世纪60年代的隧道 由于设计时未考虑浅埋地层变形的影响 隧道结构的变形性能不能承受这次大地震 拱顶部分发生较严重的剪切裂纹及剥落 隧道横断面方向发生混凝土片的剥落 如山阳新干线的六甲隧道 41 隧道的震害类型及特征 长16235m 横切六甲断层系 地震后隧道的水泥内壁有众多裂缝 裂缝长达数十米的地方有3处 隧道的检查通道在百米范围内出现裂缝 1999年9月21日 我国台湾省台中地区发生了里氏7 3级地震 集集地震 那次大地震造成2375人死亡 10000多人受伤 30000多座建筑物倒塌 地震发生后 通过对台中地区57座山岭隧道进行调查 发现除了8座隧道未受损坏外 其余49座都有不同程度的损坏 而且表现出不同 形式的损坏 如衬砌开裂 衬砌剥落 洞门破坏 地下水涌入 钢筋鼓出及弯曲 衬砌移位 底板开裂及由于边坡破坏造成的隧道坍塌 都汶公路11座隧道示意图 汶川地震隧道的震害类型及特征 1 洞口边坡滑塌与崩塌 13处 洞口边坡滑塌 洞口边坡滑塌 龙洞子隧道出口的震害 龙溪隧道出口高陡边坡崩落 2 洞门裂损 主要发生在端墙式和柱墙式洞门结构中 桃关隧道圆弧形端墙开裂与松脱max 50cm 洞口段坍方 5处 3 衬砌及围岩坍塌 龙溪隧道K21 575 580拱部地震坍方 龙溪隧道二衬坍落 纵向裂缝 4 衬砌开裂及错位 都汶公路11座隧道中8座隧道出现了不同程度的衬砌开裂 横向张裂 环向破裂与错台 最大可达20cm 斜向剪裂 底板强烈隆起 5 底板开裂及隆起 底板强烈隆起 初期支护鼓出 剪裂 6 初期支护变形及开裂 初期钢架溃屈 地下隧道属于几何线性结构 在地震荷载的作用下 由于周围介质的存在 其动态反应会呈现出与地面建筑不同的特性 主要变现为 1 地下隧道的振动变形受周围介质的约束作用明显 结构的动力反应一般不明显 2 在地震荷载作用下 当地下隧道结构存在明显惯性或周围介质与结构间的刚度失配时 结构会产生过度变形而破坏 3 地下隧道震害多发生在地质条件有较大变化的区域 相反如果地质条件均匀 即便震级较大 结构也较安全 4 地下隧道若穿过地质不良地带也易遭震害 5 结构断面形状及刚度发生明显变化的部位 如隧恫进出口等部位均为抗震的薄弱环节 5 地下隧道的破坏形式主要是弯曲裂缝 竖向裂缝混凝土脱落和钢筋外露等 衬砌的剪切移位 当隧道建在断层破碎带上时 常常会发生这种形式的破坏 在台湾 9 21 地震中 位于断层带上的一座输水隧道就发生了这种破坏 由于断层的移位 该输水隧道在进水口下游180m处发生了剪切滑移 如图6 18所示 隧道在竖直方向分开4 隧道震害的主要表现形式 衬砌剪切移位图 m 在水平方向分开3m 整个隧道发生严重破坏 2 边坡破坏造成的隧道坍塌 边坡破坏造成的隧道坍塌 3 衬砌开裂 地震中 衬砌开裂是最常发生的现象 这种形式的衬砌破坏在又可分为纵向裂损 横向裂损 斜向裂损 斜向裂损进一步发展所致的环向裂损 底板裂损以及沿着孔口如电缆槽 避车洞或避人洞发生的裂损 衬砌纵向裂损图 衬砌横向裂损图 衬砌斜向裂损图 衬砌环向裂损图 底板裂损图 孔口附近衬砌裂损图 4 边墙开裂 由于显著的边墙向内变形造成的隧道破坏 这种变形可以造成边墙衬砌的大量开裂 甚至导致边沟的倒塌 边墙变形 隧道震害的机理 现场调查表明 隧道及地下结构的震害形态的差异与地震强度 震中距 地震波的特性 地震力的作用方向 地质条件 衬砌条件 隧道与围岩的相对刚度 施工方法 施工的难易程度以及施工过程中是否出现坍方等有密切关系 根据以往地下结构在地震中所表现的行为可知 地震的主要或次要效应均可使隧道结构遭受破坏 这些效应包括两个方面 1 围岩失稳 主要指围岩的变形 差异位移 震害和液化 2 地震惯性力 主要指强烈的地层运动在结构中所产生的惯性力所造成的破坏 隧道震害的机理 围岩失稳和地震惯性力作用是地下结构震害的两种主要原因 对于同一程度的大地摇动而言 如果仅论及结构的惯性力 地下结构要比地面结构安全的多 这是因为地下结构处于周围地层的约束之中 并与地层一起运动 因而 地下结构在地震运动过程中 仅仅按照其相对于地层的质量密度和刚度分担一部分地震变形和荷载 而不像地面结构那样 承担全部的惯性力 研究表明 隧道结构抵抗纵向的拉压和横向的剪切两种作用的能力 并不因结构刚度的加强而有很大改善 所以 隧道结构的抗震设计原则应当考虑这种破坏作用 使设计的结构应有足够的韧性以吸收地震所产生的相位衍生应力和相对变位 同时又不损害其承受静载的能力 一味加强结构 试图让结构去抵抗相当大的强制变位所产生的内力是不现实的 1 选址与规划设计方面在强震区避免隧道直接穿越活动断裂 穿越活动断裂带的次级断层时必须要加强抗震设防措施 在次级断裂带两侧一定范围内二次衬砌应采用钢筋混凝土结构 隧道抗减震启示 2 洞口段山岭隧道洞口边坡在强震作用下的稳定性直接关系到隧道运营安全 地震中极易产生崩滑 掩埋洞口 毁坏洞门 中断交通 因此 强震区洞口边坡应加大防护力度 将边坡防护 洞口明洞和洞门结构作为一个系统进行综合设计 在条件允许的情况下尽可能采用削竹式洞门这种抗震性能较好的洞门结构 3 隧道衬砌结构软岩与硬岩之间的过渡地带 围岩质量突变地带等 隧道断面发生突变处 两洞相交部位和紧急停车带等其地震动及动位移 动应力响应均与周边较大差异 易遭受破坏 抗震的薄弱环节 应加强抗震设防措施 衬砌刚度应该 刚柔平衡 66 对隧道震害与支护关系的认识 隧道震害与支护的关系 支护与围岩密贴对隧道震害十分重要 推广新奥法施工 采用喷锚衬砌及复合衬