隧道病害的分析及综合整治技术研究

隧道病害的分析及综合整治技术研究
第一章国内外现状及发展趋势
随着我国交通运输业的迅速发展，运营隧道的数量也越来越多，截止 1998 年，仅铁路部门已有隧道 5200 座，总长计 2500 多公里。

然而，由于历史及各方面的原因，现在运营隧道中有 75%以上存在不同程度的病害，影响铁路的正常运营。

据 1997 年对铁路 0 隧道状态检查统计表明，截止 1997 年底，全路有 3270 座隧道病害严重，必须进行大修的隧道，占总数的 65%。

公路隧道的情况也大致如此。

按照铁路工务部门对隧道病害分类的有关规定及统计资料，目前隧道病害主要表现在：严重渗漏水、结构衬砌的腐蚀裂损、仰拱或铺底的变形损坏，共占隧道病害的 75%以上。

这些病害中，衬砌的腐蚀裂损造成的结构侵限、仰拱或铺底的变形损坏造成的季节性和非季节性翻浆冒泥，直接危及行车安全，制约着列车的运行速度，阻碍正常的交通运营，给国民
经济造成了严重的损失。

贯穿中国东西的大动脉——陇海铁路，病害隧道就有 207 座，占整个铁路运营隧道的 89.2%，成为整个干线运营的瓶颈。

近年来，铁路列车多次大幅提速只能在京广、京沪、京哈等干线进行，其它干线因病害隧道太多，维修干扰而只能小幅提速或根本无法提速。

目前国内运营隧道的病害，产生原因有以下几种：
第一，设计原因而造成的先天不足，如早期修建的陇海、宝成、成昆等线路，因经验不
足，盲目照搬国外，在选线时为缩小隧道长度而洞口处理不当导致边坡失稳；忽略了列车运
行时对隧底的破坏作用，仰拱或铺底设计强度不足造成隧道变形裂损；排水沟深度不足导致隧底排水不畅而产生道床翻浆冒泥。

第二，施工质量低劣。

如施工单位不按设计和规范施作防水设施造成结构渗漏；施工中
因隧道围岩稳定性好而忽略仰拱或铺底的质量，特别是清底工作得不到重视而影响铺底的质
量；监理不力，隐蔽工程和混凝土工程不能按规范施工而导致结构缺陷。

第三，特殊地质条件下高难度技术问题解决不当，为隧道日后运营埋下隐患。

第四，随使用年限的延长，衬砌材料劣化变质。

第五，高寒地区的冻害，造成衬砌结构裂损破坏。

第六，在煤层地区，由于采煤形成空区，引起隧道围岩应力重分布，使围岩失稳，导致结构裂损破坏。

在长期的铁路隧道病害整治工作中，各路局工务部门通过多年的探索，已掌握了一套行
之有效的病害治理办法和治理标准。

但是由于资金不足及行车的需要，目前病害治理的方法
仍然停滞在突击式局部修补，仅能满足临时行车的需要，而不能达到根治的目的。

这主要是
由于：第一、对病害发生的机理认识不清；第二、病害对结构的危害程度和行车提速的影响
评价不准；第三、受资金和技术等客观条件制约，工艺、材料比较落后；第四、整治方法和
施工组织上存在不足。

因此，国内铁路运营的长远发展，必须从彻底根治既有病害隧道，使
病害治理从现有的盲目性和局部突击性向系统化、标准化方向发展，形成科学合理的工法体系。

第二章隧道病害原因分析
隧道病害类型主要有渗漏水；结构恶化产生病害，包括衬砌开裂、变形、片块剥离以及大块坍落；基底隆起、边沟变形和塌陷，底板破裂、翻浆冒泥等几种。

2.1 隧道产生渗漏的原因分析
2.1.1 隧道开挖对地下水的影响
根据水力学和水文地质学原理，地下水的流动，有其固定的流线，从高压水位流向低压
水位，但由于隧道的开挖，将引起围岩应力释放和重分布，从而改变围岩的力学特性和泾流
路线，使周围水向隧道内汇集和积聚，给衬砌及底部渗漏水留下隐患。

隧道开挖影响范围的
大小与地层的渗漏系数、水位降深、过水断面大小有关，此外还受隧道周围溶洞、泉眼、水库或湖泊、江河的影响。

2.1.2 衬砌混凝土中的泌水管路
浇筑混凝土时由于水灰比过大，在混凝土硬化过程中，由于多余的水分（不参与水化作
用的游离水分）的蒸发，在混凝土中形成透水的开放性毛细泌水管路。

2.1.3 施工中的原因使混凝土中存在空隙
（1）在混凝土拌合时，因拌合物和易性不佳，或因施工作业草率，以致混凝土质地不够均匀；或水泥浆未能与骨料表面很好粘结，如骨料表面被污染，水泥本身的内聚力超过了与集料的附着力，形成透水缝隙；或混凝土拌合物未能很好灌满捣实，从而产生疏松层或留下各种形状的缝隙与孔洞。

（2）衬砌混凝土材料中有杂物，腐烂后形成缝隙或孔洞。

特别是在两环混凝土接缝部位，由于挡头板未拆除干净，腐烂后形成缝隙而漏水。

（3）灌筑衬砌混凝土的工作缝未加处理或处理不当，产生接合不严的漏水缝隙。

（4）先拱后墙法施工的拱墙连接部位处理不当而产生漏水。

（5）变形缝止水带安设不规范或未安设止水带而漏水。

（6）石衬砌或混凝土砌块衬砌的灰缝不密实而漏水。

2.1.4 衬砌混凝土的化学腐蚀
衬砌周围的天然水对衬砌混凝土有腐蚀性。

常见有溶出性、碳酸性、一般酸性、硫酸盐性和镁盐性的腐蚀等。

这些腐蚀可能造成漏水孔隙，严重时将造成混凝土结构的破坏。

2.1.5 内应力作用使衬砌产生裂隙
如施工方法不当，或拆模过早，或围岩压力过大超过设计荷载等，都能使衬砌内应力超
过破坏强度而导致裂缝。

如果隧道不设变形缝，当温差超过
7~10℃时，混凝土可能因不能承受温度应力而产生裂缝。

2.1.6 防水板安装不规范，未以很好地处理防水板的接缝和破损部，导致渗水，排水管路堵塞。

按施工规范，防水板不能有孔洞，如因锐器戳破，则要修补完好。

上下搭接采用上压下，
并且上下连接部位要粘好，而在施工中操作上的不规范，往往导致以上环节不能保证，使防水板不能很好地达到预期效果。

在半封闭结构中，往往设计有盲管等排水设施，但是，地下水中所含矿物质较多，随时
间推移，水中离析出来的矿物质会附着在管壁上，逐渐堵塞管路，造成排水不畅，结构背后水位升高，压力增大，最后从结构薄弱部位漏水。

2.2 隧道衬砌结构恶化原因分析
隧道衬砌结构恶化是指隧道衬砌开裂变形、片块剥离以及大块坍落。

导致结构恶化有多方面原因，概括起来有如下几种：
2.2.1 水文地质与工程地质原因
（1）在软弱围岩地区，由于地下水的作用，使隧道围岩软化，从而使隧道衬砌因承受偏压或过大压力而裂损。

（2）由于地层偏压，而施工中未采取相应对策导致衬砌开裂。

（3）古滑坡复活、山体滑移等原因导致隧道衬砌开裂。

2.2.2 设计方面的原因
选线时，应避开不良地质地段，实际施工中往往做不到这些，或是在不良地质地段的设计不尽合理，使隧道衬砌结构不能有效抵坑围岩压力而产生损坏，在运营中形成病害。

2.2.3 施工方面的原因
这是隧道生产病害的普遍原因，国内几乎所有产生病害的隧道都在施工方面存在问题。

（1）初期支护强度不足。

根据新奥法的施工原理，围岩压力主要由初期支护承担，如
初期支护强度不足，就会使二次衬砌所受到的围岩压力超出其承受能力，导致二次衬砌裂损破坏。

（2）二次衬砌厚度够，强度不足。

这是隧道衬砌结构裂损的常见原因。

很多施工单位
为片面追求利润而忽视了施工质量，致使衬砌结构厚度不按设计要求施作，如果衬砌结构厚
度不足，自然不能有效抵御外力而破坏；此外，如混凝土强度不能满足要求，也会由于不能有效抵抗外力而裂损。

（3）二次衬砌厚度不均匀，衬砌混凝土拱顶背后存在空洞，特别是人工混凝土，这种现象就更突出，如在施工完成后
又未注浆充填，受到围岩压力时，就容易在衬砌的薄弱部位和
拱顶部位产生应力集中，使衬砌开裂。

2.2.4 人为因素
（1）在隧道安全区内采石取土，影响隧道围岩的稳定，导致隧道受到较大偏压而破坏。

（2）隧道穿越煤层地区时，由于采煤形成的采空区，对隧道安全产生影响。

由于煤层产状不同，与隧道的空间位置不
同，对隧道的结构产生的影响也不同：
①在隧道上方的采空区，一般不会对隧道安全产生影响。

②在隧道下部，水平产状，时间较久的采空区，由于已经闭合，一般不会对隧道产生影响，只有当采空区离隧道基底很近，施工中又未采取措施，才有可能产生较严重的问题。

③在隧道下部，水平产状，刚形成不久的采空区，由于顶板的继续冒落，可能导致隧道基下沉，使隧道结构产生开裂。

④倾斜产状，已经闭合，充填密实的采空区，不会对结构安全
成影响；如果是存在空洞
的采空区，由于其上盘仍处于向下盘靠拢的活动状态，施工中又未采取措施，必然引起结构
裂损。

2.2.5 气候因素
高寒地区，衬砌混凝土由于经过多次的冻融循环，产生了一些微细裂纹，如对衬砌背后
积水未作处理，将造成衬砌混凝土冻胀开裂渗漏水，而排水沟结冰无法满足排水要求造成基
底积水，进一步结冰而造成线路不均匀隆起。

同时渗水又加强了冻融对衬砌结构的破坏，使
隧道衬砌结构进一步破坏，形成恶性循环，最终导致衬砌完全破坏。

这些现象在日本及我国
东北地区较多见。

2.2.6 列车动载
如果施工中浇筑底板混凝土前基底未清理干净，或混凝土强度不足，在列车动载作用下，可导致底板混凝土破裂。

2.3 基底隆起、边沟的变形和塌陷，底板破裂，翻浆冒泥
基底隆起、边沟的变形和塌陷，底板破裂，翻浆冒泥的主要诱因是隧道排水系统不完善，道床集水，产生道床集水的主要原因有以下几种：
（1）盲管设置不合理或被泥、砂堵死，隧道建成后无法正常排水，使隧道内地下水位升高，造成隧道渗漏水。

（2）“三缝”、结构连接部位或混凝土缺陷部位未严格按有关规范或规则施作或未作处理。

混凝土“三缝”、结构连接部位、混凝土缺陷部位是防水的薄弱部位，从材料规格、性能、施工工艺及质量检验，均应严格把关，稍有疏忽便会造成隧道渗漏。

（3）施工质量差，隧道结构强度不足而开裂渗水；隧道超挖部分采用弃碴回填，有些铺底也用弃碴作材料，使隧底成为较弱地基，同时因回填度不均匀，易引起隧底开裂。

而在钢轨接头部位，受到车轮冲击力比一般部位大 5~10 倍，使钢轨接头部位更易产生开裂和翻浆冒泥。

（4）排水沟深度及宽度不够
许多隧道基床翻浆冒泥是由于排水沟深度或宽度不够造成的，现行的排水沟，对于有仰拱的隧道水沟底一般在仰拱以上，无仰拱的隧道水沟底一般在内轨顶面以下 100cm 左右，
（在铺底混凝土底面以下 20~30cm），且水沟宽度一般在
30~40cm，这对于无水地段或含水
量比较小的地段而言，此种形式的水沟能满足排水要求，但对于地下水比较丰富，含有压水
的地段，现行的排水沟太浅，难以有效的疏导铺底与基岩之间的积水，在列车动荷和毛细作用下，地下水上升，造成铺底或仰拱混凝土破碎，泥浆挤出，形成翻浆冒泥。

（5）石灰岩道碴，由于其质地比较软，韧度较低，磨耗率大，在运营中出现道床硬结，污脏现象严重，容易引起排水通道阻塞，道床积水。

由于道床集水，软弱的隧底围岩中的粘土矿物及来自耐磨较差道碴的岩屑，在列车振动
和冲击下液化，液化物在列车的冲击作用下，从破裂的道床和道碴的空隙中被抽吸出来，从
而在道床里形成空洞，成为泥浆的集散地。

空洞的产生使道床的恶化速度加快，加大道床恶
化的面积，严重影响列车运营安全。

第三章隧道病害治理技术的分类
根据隧道病害种类，可将病害整治技术分为：（1）隧道裂缝及渗漏水治理技术；（2）隧
道注浆加固技术；（3）衬砌结构锚固加强技术；（4）结构套衬补强技术；（5）结构拆换技术；（6）基底隆起、边沟的变形和塌陷，底板破裂，翻浆冒泥的整治。

下面分别予以阐述。

第四章隧道病害裂缝及渗漏水治理技术
4.1 裂缝及渗漏水主要产生的部位
据 1979 年日本原国铁对隧道渗漏水实际情况的调查，水平接缝渗漏水占 13%，而大部分渗漏水点在拱部，占 49%，其中有冻害隧道约占 30%。

这些隧道多是战前修建的，1979
年后，因采用了新奥法施工，病害隧道的比例和数量大减少。

我国隧道渗漏水部位主要有：混凝土“三缝”、隧底、结构连接及缺陷部位等。

隧道施工过程中的施工接缝，防止隧道因沉降、伸缩破坏而施作的变形缝及衬砌混凝土
裂缝，俗称“三缝”，是隧道防水的薄弱环节。

隧道二次衬砌施工过程中环与环之间的环间
缝，拱墙间的纵向缝以及由于灌注混凝土过程中的停顿而留下的水平或斜向缝均为施工缝，
施工缝的施工方法有规范有严格规定，但由于材料选择不合理或施工工艺不合要求，往往留下渗漏水的通道。

变形缝是为防止结构不均匀变位而设计的，但由于施工质量不合格或结构变位过大，很容易渗漏水。

混凝土裂缝在隧道中也比较常见，由于砂石料或外加剂不合格、配比不合理、灌捣不密
实、养护时间不足以及温度变化过大均会产生裂缝，一旦裂缝深度接近或达到衬砌厚度，就可能产生渗漏。

二次衬砌混凝土的蜂窝麻面及锚钉孔、螺栓孔、穿墙管等，未按要求认真进行处理，也容易成为渗漏水的主要通道。

4.2 裂缝的分类
（1）根据裂缝渗水量大小，可将混凝土裂缝分为有水裂缝、无水裂缝。

有水裂缝根据其渗漏程度可分为：
①无润水——无潮湿痕迹、无渗水；
②润水——有潮湿迹，无渗水现象包括自愈现象；
③渗水——以一滴一滴的滴水形成渗水；
④漏水——以缓慢的流水形成渗水；
⑤喷水（标水）——以压力水标出形式向洞内喷涌。

（2）根据裂缝宽度，可分为宽缝（1mm 以上），中等缝（0.5~1mm），细缝（0.5mm 以下）。

大于 1mm 的缝常常会贯穿衬砌厚度，在多水地段，往往有水流出或渗出，如果是纵向缝，
将对隧道安全产生恶劣影响，多由地质条件差和施工质量差双重因素造成。

0.5~1mm 的裂缝多数贯穿衬砌，有水地段常会漏水，施工方法不当，质量低下，是其主要原因。

0.5mm 以下的裂缝由于自愈作用，有些裂缝初期会渗水，但随时间推移，裂缝会被水中的析出物堵塞而愈合，这样的裂缝应该结合其产生原因及位置分析对隧道结构的影响。

（3）根据受力情况可分为张性缝和压剪缝。

隧道中剪性缝的危害要大于张性缝。

因为剪性缝多是由于地层压力太大而使隧道结构产
生破坏，这种情况的处理措施及治理难度要比其它原因产生的裂缝治理难度大得多。

而张性缝的产生多与隧道的施工质量有密切关系，而这可以通过结构加固来解决。

（4）根据裂缝深度可分为贯穿缝，表面缝
贯穿缝是指贯穿整个混凝土厚度的裂缝，宽度一般较大，在 1mm 以上；表面缝是指仅在混凝土表面出现的裂缝，宽度一般在 0.5mm 以下。

（5）根据走向，可分为纵向缝，环向缝，在隧道所出现的裂缝中，环向缝多产生在衬砌混凝土结构的变形缝位置，一般来说，如果只有环向缝，而没有纵向缝的话，隧道的安全不会受到太大的影响，但由于缝宽达到一定程度（不能自愈，0.5mm 以上）易产生渗漏水，在进行治理时也要一并考虑。

而纵缝多产生在结构的拱顶及拱腰部位，这类缝对隧道安全影响极大，如果和环向缝相交织将混凝土分割成脱离体，极易发生大块剥落的现象，导致隧道失用。

因此在隧道裂缝治理中，这一类裂缝需重点处理。

4.3 裂缝的治理技术
在隧道病害中，裂缝治理是其他治理手段的一种修补措施，它只能对漏水及外观起到作
用，一般来说要和其他手段共同使用，只用裂缝修补不能从根本上解决隧道的病害问题，因
此，这里仅就裂缝修补及堵水、引排水技术作一阐述。

4.3.1 无水裂缝的治理技术
对于衬砌裂缝，如果裂缝不是很宽（10mm 以下），且无错台，可先采取凿槽嵌补化学注浆予以加固，以期恢复混凝土的整体性和部分承载力，并防止以后出现渗漏水。

具体施工工艺如下：
沿裂缝延伸方向凿宽 5cm，深 5cm 的沟槽，长度由裂缝起止点向外各延伸 10cm。

用高压风吹净或用毛刷刷净浮尘，然后每隔
0.5~0.8m 设置 1 根注浆管，注浆管前端分叉劈开对
准裂缝，再用环氧树脂砂浆嵌补沟槽并固定注浆管，待环氧树脂砂浆凝固后，通过注浆管压注环氧树脂浆液，注浆压力一般为0.3~0.5MPa，注浆后，割掉注浆管外露部分，涂刷刮抹料和调色料。

见图4-1。

图4-1 无水裂缝处理断面图
环氧树脂砂浆配合比见表4-1，环氧树脂浆液配合比见表 4-2。

环氧树脂砂浆配比表表4-1
环氧树脂浆液配比表表4-2
刮抹料的配比为：水泥 : 细砂 : 水 = 1 : 2 : 0.35 搅拌成腻子使用；
调色料配比为：水泥 : 白水泥 : 107 胶 = 5 : 3 : 1 调配成水泥浆使用。

衬砌裂缝的治理要遵循先环向，后纵向的顺序。

延伸较长的裂缝，要分段处理，裂缝密
度大的地段，要逐条处理。

这样处理过后，由于环氧树脂的高强
度可将裂缝两边的混凝土粘
结成一个整体，大大提高既有衬砌的承载能力。

4.3.2 有水衬砌裂缝治理
（1）受季节变化影响比较明显的渗漏水裂缝
这种裂缝一般是雨季渗漏，旱季又变干燥，采用完全封堵的方式较为合适，水泥类固化材料封堵能经久耐用。

施工时，沿裂缝凿出宽5cm，深6cm 的倒梯形槽，在槽底缝中部塞一条腻子型遇水膨胀条，然后用快凝水泥类材料封严。

如图4-2 所示。

图4-2 季节性渗漏水裂缝治理图
（2）常年渗漏水裂缝
对于常年有水裂缝，因为衬砌结构原本已经破损，单靠堵水是治理不了的，要采用注浆
封堵与凿槽引排相结合的方式进行处理，如渗漏水量很小，可采
用注浆封堵的方式；如水量较大，则需要凿槽引排，将渗漏水引至两
边的排水沟。

具体施作工艺如下：
①注浆封堵
如果渗漏水量很小，用注浆封堵的方式就可以达到较好的效果。

由于这类裂缝多数比较
细窄，耗浆量不多，使用超细水泥浆或化学浆液，浆液材料固化
后强度高，与原混凝土要有较好粘接密封性，使水无法透过。

封堵裂缝渗漏水专用注浆机具多为小型设备，如手持式混凝土切
割机、电铲、电锤、手动注浆泵等。

施工工艺：沿裂缝凿出宽 5cm，深 6cm 的倒梯形槽，用水冲洗干净，然后沿裂缝每隔 0.5~0.8m 设置一根长 10cm，φ10mm 的注浆钢管，注浆管的前端分叉劈开对准渗水裂缝，
再用双快水泥填充并固定注浆管，待水泥达到一定强度后，检查
堵塞效果，要保证除注浆管
漏水外，其它部不能漏水，否则要进一步封堵，然后连接好管路和注浆泵，自下而上压注高分子丙凝浆液，注浆压力为0.3~0.5MPa，检查注浆效果，清除残余的注浆嘴，在裂缝表面刷涂调色料，使处理部位表面与原混凝土保持一致。

见图4-3。

图4-3 注浆封堵渗漏水示意图
施工中高分子丙凝浆液配比见表4-3。

高分子丙凝注浆浆液配表表4-3
当裂缝渗水量较大（以线状流出）时，如果渗水含泥砂时，做引排处理比较合适，这样可以减少水对结构的压力。

施作工艺为：沿裂缝凿宽5cm 深5cm 的矩形或倒梯形沟槽，槽上端应高于渗水部位10cm 以上，下端沿边墙一直通到隧道排水沟内。

用水将沟槽冲洗干净，然后在槽中扣入φ50mm 半圆形PVC 管或小直径玻纤透水管均可，用堵漏料封槽，封槽时
要加混凝土界面剂。

封槽材料可选用双快水泥、堵漏灵、堵漏停、聚合物水泥砂浆、改性环
氧树脂砂浆、普通速凝砂浆等。

封槽后应注意使结构表面平整、光滑，并刷涂调色料，使处理表面与原有混凝土表面颜色一致。

见图4-4。

图4-4 凿槽引排处理裂缝渗漏水断面图
③变形缝的渗漏水处理
如果是隧道变形过大，导致变形缝渗漏水，则注浆效果不理想，采用一般的排水方式处
理以后，如有变形仍可将处理部位拉开，产生渗漏水，此处可按下述步骤处理。

断面见图
4-5。

a、用切割机和凿子等工具沿变形缝剔槽，清除缝内原来的填充材料，清除深度9cm，将槽扩为4cm 宽，并将槽口部位扩为宽10cm，深度3cm，要求槽体平整；
b、用冲击钻在槽内钻孔，孔深以接近止水带而不穿透止水带为宜，间距 15~20cm；
c、用钢刷将槽内浮尘扫除干净；
d、孔内插入注浆嘴，在缝内填充遇水膨胀腻子，厚度 2~3cm，之后填入 2cm 厚的环氧砂浆；
e、待砂浆强度达到要求后，注入环氧树脂，对原止水带周围不密实混凝土进行加固和充填；
f、注浆完成后，切断注浆管，在凹槽内嵌入Φ30mm 弹簧排水盲管，盲管两端伸入两侧水沟内；
g、在盲管外侧抹 2cm 防水腻子，再抹 3cm 厚的防水砂浆，砂浆表面与混凝土表面平齐；
h、在混凝土表面刷涂一层防水涂料，然后用水泥砂浆抹面。

图4-5 变形缝渗漏水处理示意图（单位cm）
4.4 点状渗漏水的治理
点状渗水，可采用注浆封堵方式予以治理，具体步骤如下：
a、用凿子将出水口扩大，以利于封口；
b、清除灰渣、浮尘，
钻孔并顶入注浆管； c、用双快水泥或环氧砂浆封紧孔口，抹
平； d、待砂浆达到设计强度后，注入水泥—水玻璃双液浆或水
溶性聚氨脂； e、切除注浆管外露部分，表面磨平；
f、在处理部位周围刷防水涂料及调色料。

4.5 混凝土表面大面积渗漏水的治理
混凝土拱墙大面积渗水，须采用双液注浆堵水的办法进行处理。

为保证注浆堵水效果，先在两侧边墙墙角钻设泄水孔，以降低衬砌背后的水位和压力，孔距 2m，伸入基岩 2m，然后钻设注浆孔，孔深以进入基岩 1m 为准，之后安注浆管，注浆管采用φ33.5mm 钢管制作，注浆孔布设面的半径应比渗水面的半径大2m 以上，孔距1.5m，排1.5m，梅花形布置。

注
浆管安设完毕后压注水泥—水玻璃双液浆，注浆顺序是从周边无
水区向中间渗水部位推进，注浆采用全孔一次性注浆，注浆压力
0.4~0.5MPa。

注浆完成后，对泄水孔进行扫孔，将局
部少量的裂隙水引到排水沟。

注浆孔的布设见图4-6。