隧道衬砌开裂及渗漏水防治指导意见

隧道衬砌开裂及渗漏水防治指导意见
隧道衬砌开裂及渗漏水防治指导意见
隧道衬砌损伤破坏是动态发展的过程，衬砌裂纹是诱因，不及时处置，随着裂纹进一步发展，衬砌将出现压溃错台、崩落掉块直至坍塌破坏。

隧道混凝土衬砌开裂原因很多，也很复杂。

有受围岩变形压力或不均匀沉降、由于材料收缩变形如温度收缩、干缩等原因引起的裂缝，有施工工艺技术和养护不当原因，以及受到外部作用力等因素。

对各种导致隧道衬砌裂缝因素，其产生的机理不同，在实际工程中要区别对待，并采取恰当的治理措施。

一、衬砌裂缝分类
1、按裂缝宽度分类
隧道衬砌裂缝开裂宽度在裂缝口处沿垂直方向量取，裂缝宽度6按大小分为四级:
表1裂缝按宽度分类表
序号分类裂缝宽度
1 毛细裂缝W≤0.3mm
2 小裂缝0.3mm＜W≤2mm
3 中裂缝2mm0.3＜W≤20mm
4 大裂缝W＞20mm
2、按对结构功能影响分类
结构性裂缝:由外荷载(静、动荷载)直接应力引起的裂缝和次应
力引起的裂缝,包括压裂性裂缝、拉裂性裂缝、剪切性裂缝。

非结构性裂缝:由变形变化引起的裂缝,包括结构因收缩膨胀、温度湿度变化、不均匀沉陷、化学腐蚀和施工工艺等因素引起的裂缝。

3、按裂缝走向分类
隧道衬砌裂缝根据裂缝走向及其和隧道纵轴方向的相互关系，分为纵向裂缝、环向裂缝和斜向裂缝三种。

（1）纵向裂缝
纵向裂缝平行于隧道轴线，其危害性最大，发展可引起隧道掉拱、
边墙断裂，甚至引起整个隧道塌方。

纵向裂缝分布具有拱腰部位比拱顶多，双线隧道主要产生在拱腰，单线隧道主要产生在边墙的规律。

从受力分析来看，隧道拱顶混凝上衬砌一般是内侧受压形成内侧挤压混凝上衬砌开裂、剥落掉块;拱腰部位主要是混凝土衬砌内侧受拉张开;拱脚部位裂缝则会产生衬砌错动，导致掉拱可能;边墙裂缝常因混凝上衬砌内侧受拉张开而错位，会使整个隧道失稳。

（2）环向裂缝
环向裂缝主要由纵向不均匀荷载、围岩地质变化、沉降缝等处理不当所引起，多发生在洞口或不良地质地带与完整岩石地层的交接处。

（3）斜向裂缝
斜向裂缝一般和隧道纵轴呈45°左右，也常因混凝土衬砌的环向应力和纵向受力组合而成的拉应力造成的，其危害性仅次于纵向裂缝。

4、按衬砌受力变形形态和裂口特征分类
按隧道衬砌变形形态和裂口特征分类，主要分为衬砌受拉张口型裂纹、内缘受挤压闭口型裂纹、衬砌受剪错台型裂纹、收缩性环向裂纹等四种，见表2。

表2按隧道衬砌受力变形形态和裂口特征分类表
当拱腰和边墙中部出现两条以上粗大的张裂错台，并与斜向、环向裂纹配合，衬砌被切割成小块状时，极易造成结构失稳、发生坍落掉块。

5、按裂缝产生的原因分类
种类衬砌受力变形形态和裂口特征
衬砌受拉张口型裂缝常见在拱腰部位，边墙中部，衬砌承受较大的地层压
力作用，衬砌受弯向内位移，内缘拉应力超过混凝土的极限抗拉强度，而发生张口型裂纹，支护结构不均
匀沉降也导致受拉张口型开裂
内缘受挤压闭口型裂纹常见在对应于两拱腰发生较严重的纵向张裂内移地
段的拱顶部位，出现闭口型纵向裂缝，衬砌向上位移，其中较严
重处，拱顶内缘在高挤压应力作用下发生剥
落掉快
衬砌受剪错台
型裂纹
偶见拱腰部位衬砌，在衬砌背后局部松动滑移围岩的
推力作用下，沿水平工作缝较薄弱处，有一侧的衬砌
变形突出，形成错台型裂缝
收缩性环向裂纹多见在隧道靠近洞口地形，受气温变化影响较大，混凝土衬砌环向施工缝出现收缩性裂缝
按隧道衬砌裂缝产生的原因分类，裂缝可分为: 界面裂缝（主要有干缩裂缝、温度裂缝等），以及外荷载作用产生的变形裂缝等。

二、隧道衬砌裂缝产生机理
1、衬砌外力作用
衬砌外力作用是指由于围岩及环境的变化而施加在衬砌上的作用力变化。

(l)松驰压力。

由于风化及水的作用使围岩强度降低以及拱顶有空洞等原因，围岩松驰压力会逐步发展，在拱顶沿纵向发生张开性裂缝。

若上部空洞较大，空洞上部的岩块可能与围岩分离而掉落，对衬砌产生冲击，严重者会导致隧道衬砌崩塌式破坏。

(2)偏压。

产生偏压的情况有多种。

有地形上的，如斜坡地貌;有地质上的，如围岩倾斜;还有滑坡造成的。

其它因素如:地面挖方、坡面坍塌以及水位上升或急剧降低等也会形成偏压。

即使是很小的偏压，也会使隧道衬砌产生开裂。

偏压导致的裂缝特点是:主动土压力作用侧的拱肩产生纵向的开口开裂，被动土压力侧的拱肩产生龟甲状开裂与斜向开裂，拱和墙的接缝处会产生错台。

(3)膨胀性土压。

膨胀性土压是由风化围岩和含有粘土矿物围岩的体积膨胀所引起的，从现象上说，围岩的塑性变形也可包含在内。

膨胀性土压随时间长期增长，是很大的土压。

一般会引起隧道边墙或拱肩水平开裂，有接缝时会产生错台，拱顶有空洞时，衬砌会上抬，造成拱顶部局部压溃。

(4)水作用力。

此处包括水压力与因水引起的冻胀力。

通常隧道
几乎不考虑水压的作用，但由于连续的大雨积水渗透加上排水系统不畅，将使隧道受力处于极限平衡状态。

引起隧道从拱部到边墙的水平裂缝，同时还有环状开裂。

在寒冷地区，背后的围岩冻结会产生冻结力，一直继续到融雪期，所以其变形是逐年积累的。

衬砌冻结力在拱的下部到边墙的区域产生主动土压力，相应地使拱顶附近产生局部压溃。

(5)温度应力。

温度应力是由于隧道衬砌混凝土的干缩与温缩变形受到约束引起的。

混凝土是抗压性能远高于抗拉性能的材料，能抵抗温度上升时的压应力，却难以抵抗降温时的拉应力。

一般混凝土只能承受的温降为7～10℃，所以常能在隧道轴线方向中看见环向裂缝。

(6)不均匀沉降。

隧道边墙脚处的承载力不足会造成隧道的不均匀下沉。

承载力不足引起的隧道开裂有几种模式:在隧道纵向发生不均匀下沉时，隧道边墙的接地部发生垂直开裂，并逐渐形成环形开裂;在隧道横向发生不均匀下沉时，在拱部产生纵向开裂;重力式或半重力式的端墙多采用与洞口部分离的结构，洞口部的承载力不足时，洞门端墙将前顷，洞口部的拱部将产生环状开裂，路面也会开裂。

(7)其他荷载作用。

受车辆荷载或地震等动荷载的影响，衬砌混凝上会发生疲劳破坏而产生裂缝。

2、施工工艺与质量控制
(l) 隧道底部虚碴和衬砌背后空洞是引起衬砌开裂主要施工因
素。

因施工过程中边墙角、仰拱、隧底处未清理或未夯实而留有虚碴，随着时间发展支护结构不均匀沉降必将导致衬砌被拉裂，甚至造成边墙与仰拱开裂脱落，底部翻浆冒泥。

衬砌背后空洞造成支护结构受力不均，同时排水不畅形成水力聚集，随着松弛压力及水压不断增大最终也将导致衬砌开裂。

(2)施工没有处理好施工缝、变形缝(温度缝、沉降缝)，因施工质量问题没有处理好而出现裂缝，它们主要表现为平行于隧道衬砌环，产生的主要因素是施工质量与混凝上结构本身等因素。

(3)施工技术条件限制，施工质量管理松弛和不善，混凝土材料检
验不力，施工配合比控制不严，水灰比过大，混凝土捣实质量不佳，拱部浇注间歇施工形成水平工作缝，混凝土模板不平等因素，修成的隧道衬砌在施工缝处产生裂缝，以及衬砌混凝土表面产生蜂窝麻面等衬砌质量不良，降低承载能力。

(4)由于施工方法和施工组织不当，在施工过程中各工序紧跟不上不能及时成环，如落中槽挖马口时拱部衬砌悬空段过长、支撑段长度过短，支撑的稳固条件和强度不足，都会造成不均匀沉降和拱脚内移，常在拱顶和拱腰处出现裂缝; 施工浇注过快、衬砌脱模时间过早也会导致衬砌早期便产生纵向裂缝。

(5)光面爆破不理想，欠超挖导致二衬砌厚度不均。

局部欠挖致使断面局部应力过大而产生裂缝，局部超挖会导致灌注的衬砌混凝土与围岩不密贴，拱背部出现空洞，从而产生松弛压力，导致发生裂缝。

(6)施工测量放线发生差错、欠挖、模板拱架支撑变形、塌方等
原因，造成局部衬砌厚度偏薄或衬砌结构受力不对称，降低了衬砌承载能力;
(7)模筑混凝上衬砌拱背部位常出现拱顶衬砌与围岩不密贴的空隙，不及时回填密实，就形成拱腰承受围岩较大荷载，拱顶在一定范围存在空载，从而形成对拱部衬砌不利的“马鞍型”受力状态，正是导致拱腰内移张裂、相应拱顶上移、内缘受挤压等常见病害产生的荷载条件。

3、结构设计因素
(1)隧道设计时，因围岩级别划分不准、衬砌类型选择不当，造成衬砌结构与围岩实际荷载不相适应而引起衬砌裂缝病害;
(2)隧道穿过偏压地段时，没有采用偏压衬砌;
(3)隧道穿过断层破碎带、褶皱区等局部围岩松散压力或结构力较大的地段，衬砌结构没有相应地采取加强措施;
(4)基底软弱和易风化围岩地段，未设可靠防水设施，混凝土铺底厚度及强度不足，使得隧道发生不均匀沉降。

4、水文地质因素
地质因素对隧道衬砌裂缝的产生有很大影响。

地质因素是一些纵
向裂缝和斜向裂缝产生的主要因素。

地质因素包括水的作用、复杂地质条件，如地震带、断裂带、滑坡及偏压等等。

纵向裂缝和斜向裂缝大多数出现在进出口处，进出口处衬砌裂缝主要是由于偏压、滑坡、水的作用等地质因素产生的。

5、衬砌材质的劣化
(l)经年劣化。

指与衬砌混凝土随时间而发展的劣化。

主要是混凝土碳化，混凝土碳化会损伤混凝土的密实性，从而降低其强度，从而可能产生裂缝。

(2)冻害。

在寒冷地区，冻害是衬砌劣化的主要原囚，冻害不仅使混凝土产生麻面，还有混凝土表面剥落。

(3)水。

衬砌背后的地下水，有时含有对衬砌有害的成份，特别是其呈酸性时，是衬砌劣化的主要原因。

三、衬砌裂缝安全性评判
1、裂缝调查监测
通过详细的现场裂缝调查,采用拍照、摄像、现场监测等多种方式，得到裂缝种类、裂缝部位以及裂缝宽度和裂缝程度级别的统计结果，为裂缝原因分析、安全性评判及合理制定防治措施提供资料支撑。

通过持续的现场监测，判断裂缝是否稳定或继续发展中，裂缝处置后也要继续观测一定时间，确定处置措施是否有效。

2、安全性评判
衬砌裂纹对结构安全影响评价，是通过衬砌裂缝安全性评判确定的。

隧道衬砌裂缝安全性评判具体步骤及标准，可参考《公路隧道养护技术规范JTG H12-2003》实施。

四、衬砌渗漏水原因及危害
1、渗漏水原因
衬砌渗漏水是衬砌存在缺陷和围岩含水的综合反映，当地层中地下水通道被隧道截断，隧道支护结构周边就形成了地下水汇集处，处于此种环境中的隧道由于各种原因存在，隧道必然会出现渗漏水。

（1）不良地质环境
隧道穿越漂卵石类土、节理发育的岩层、溶洞、暗河等等。

（2）衬砌开裂损伤
衬砌纵向、环向、斜向、月牙形裂缝处等渗漏水
（3）结构自身缺陷
防排水设计：勘察不详细、防排水材料性能差、混凝土抗渗等级低、防排水措施不完善；
防腐蚀设计：衬砌未作防腐设计，衬砌腐蚀破坏而漏水。

（4）施工不良
材料：骨料污染、拌合不良、水灰比控制不良
工艺：捣鼓不良、模板漏浆、背后空洞、三缝处理不良
2、衬砌渗漏水类型
衬砌渗漏水多发生在衬砌裂损、衬砌质量不良、施工缝、沉降缝、伸缩缝等薄弱部位。

衬砌渗漏水按出水量大小和形态，通常分为渗水、滴水、淌水及冒水。

3、渗漏水危害
在电力牵引区段，拱部漏水，会造成接触网跳闸、放电漏电，影响安全运营，造成人身伤害。

在寒冷和严寒地区，隧道漏水会造成边墙结冰、拱部挂冰，侵入限界，影响隧道正常使用，还会造成衬砌冻胀裂损和洞内线路冻胀起伏不平等病害。

在洞内线路排水不良地段，造成土质和软岩地基翻浆冒泥，整体道床下沉裂损病害，冒水多发生在衬砌及隧底，隧底的冒水易引起底板上拱。

另外，环境水中含有侵蚀性介质，造成衬砌混凝土和砂浆腐蚀损坏，降低衬砌支撑能力，影响结构安全。

五、衬砌开裂及渗漏水的防治
1、预防
(l) )隧道施工方面。

加强施工中的地质复查核实工作，如对地质变化复杂地段通过地质雷达探测、开挖面超前钻探等方法进行超前地质预报。

对开挖暴露后的围岩情况与设计不符，要及时与设计沟通，做好设计变更，选择正确的施工方法。

(2)二衬混凝土材料改善。

二衬混凝土失水收缩和温度差产生的温变是导致隧道二衬裂缝的重要原因。

首先要严格控制施工配合比，特
别是水灰比。

通过合理添加膨胀剂等外加剂，可有效降低二衬混凝土温缩和失水收缩，提高二衬的抗裂缝能力。

(3)尽可能采用先进的施工技术设备，尽量减少施工对围岩的扰动，提高衬砌质量。

施工中可采用光面爆破，锚喷支护，提高混凝土衬砌的抗裂、抗渗性能，采用模板台车进行模筑混凝土，进行壁后注浆提高混凝土衬砌与围岩之间的密实性。

严格控制超欠挖，保证二衬结构厚度的均匀性。

避免拆模过早，保证二衬早期强度。

(4)对地质预测预报有大量涌水的软弱地段开挖后如有渗漏水或大股涌水时，宜采用超前预注浆，当初期支护表面有超出设计允许的渗漏时时，应用回填注浆或径向注浆进行处理，二衬后有渗漏水时应采用衬砌内注浆，富水隧道宜采用分区隔离防排水技术，分
区宜采用带注浆管的背贴式止水带，发生渗漏时立即进行注浆。

(5)做好结构防排水、施工缝和变形缝防水、洞口防排水，严格控制施工工艺及质量，确保盲沟、排水管（沟）排水畅通
(6)建立健全质量管理，把握施工工艺控制，提高施工技术水平。

2、整治原则
把握“验交前整治重在预防”的大原则:
(l) 隧道衬砌裂缝的修补原则:对干裂缝以充填封闭为主;对渗水裂缝以堵为主,排堵结合。

(2)裂纹治理应以加固为主，拆换为辅.
(3)应认真分析裂纹产生的原因和性质，根据不同的受力情况，采取不同的治理方法。

(4)裂纹处理后应能保证结构原有的承载能力、整体性及防水、抗渗性能。

(5)处理方法要力求简单易行，尽量利用合力的既有设施，以降低治理费用。

3、衬砌开裂整治方法
目前对隧道衬砌裂缝病害处治通常采用钢纤维喷射混凝土、补做混凝土套衬、补做混凝土仰拱、双液注浆等方法, 各种方法均有其优缺点和适用范围。

选定病害处治方法，重耍的是要正确把握病害产生的原因。

有必要将有关隧道设计和施工技术资料、地质资料和病害发生至今的过程作综合分析和研究，结合裂缝调查统计结果，分析找出病害原因，选定合适方法加以整治，并加强整治后的监控量测，确保效果。

（1）表面封闭法
如裂缝宽度在0.2～0.5mm之间，且无明显的剪切滑移、渗水迹象，对结构的强度、刚度、稳定性会产生一定的影响，但不影响结构安全和正常使用，可采用直接涂抹法进行处理，涂抹材料建议用水泥基渗透结晶型材料或环氧树脂混凝土修补，且要加强养护。

（2）埋管注浆法
如衬砌混凝土裂缝宽度在0.2～0.5mm之间，无明显错动迹象，但有渗水现象发生，可采用埋管注浆法修补。

浆液可采用环氧树脂、聚氨酯浆材等，可加入适量稀释剂以降低浆液粘度，便于灌注。

如裂缝有明显的剪切滑移迹象，除采用埋管注浆法外，还应进行锚固注浆。

（3）凿槽嵌补法
如衬砌混凝土裂缝宽度0.5～1mm之间，且无明显的剪切错动渗水迹象，可采用凿槽嵌补法修补。

凿槽槽宽2～5cm，槽深根据裂缝深度确定，最大深度不得超过三分之二衬砌厚度。

如裂缝有明显错动迹象，除采用凿槽嵌缝外，还应进行锚固注浆。

（4）套衬补强法
对Ⅳ、Ⅴ级软弱围岩，衬砌裂缝宽度在1～5mm、且密度较大、但无明显错动情况下，在满足隧道净空允许条件下，可采用套衬补强。

套衬可采用钢拱架锚喷结构、喷射钢纤维或模筑混凝土结构。

（5）锚固注浆法
对于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级围岩，裂缝宽度在1～5mm，且密度较小的混
凝土裂缝，主要采用锚固注浆法进行修补。

为了增加锚杆抗拔力，可使用中空螺纹锚杆，并进行灌浆。

（6）拱、墙局部裂损部位的治理
如二次衬砌混凝土拱、墙出现局部拉裂、压溃、掉块或出现宽度在5～10mm的裂缝，可采用局部凿除补强法。

具体根据围岩稳定或
原初期支护破坏情况，可打锚杆、挂网、喷射混凝土。

为了提高混凝土的抗裂性和防水性，可掺入适量钢纤维或聚丙烯纤维以及防水剂、抗裂剂等。

（7）衬砌背后空洞及周围地层充填注浆。

浆液配比及注浆压力是控制注浆效果的关键因素。

注浆可以填充拱背(墙背)空隙，约束衬砌变形，固结稳定衬砌背后松散围岩，填充衬砌裂缝孔隙，对衬砌背后空洞及周围地层注浆的另一作用是可阻塞渗水通道。

注浆填充拱背空隙，是改善衬砌受力状态，提高衬砌承载能力的一项必要措施。

（8）粘钢加固衬砌法
粘钢加固技术的核心是用钢板代替钢筋，采用具有良好粘接性能的高强建筑结构胶，把钢板牢固粘接在隧道二衬表面，增加钢筋隧道二衬的配筋，达到提高其承载力的目的。

采用粘钢板技术加固，必须对所要加固的隧道衬砌进行加固设计计算，并绘制详细的粘钢加固设计图。

加固设计前，要测定混凝土实际强度等级，当小于C15时，不宜用此法加固。

（9）碳纤维布补强衬砌法
碳纤维布柔性材料有效粘贴率高，重量轻、密度小、防水性能强，在修补混凝土结构中可以充分利用其高强度、高弹性模量的特点来提高混凝土结构强度和构件承载力及延性，改善其受力性能，达到高效加固修补的目的。

在隧道衬砌背后出现空洞引起衬砌裂缝的情况下，碳纤维加固效果不是很明显。

因此，用碳纤维粘贴法进行隧道衬砌的修复和加固补强时，要对隧道衬砌结构受力情况及裂缝发展状况进行认真调查，综合各种方法进行处理，有效地保证隧道加固的质量。

（10）严重开裂地段的治理—拆除重建法
如由于严重地质水文灾害、火灾等导致隧道二衬结构性损坏，隧道二次衬砌拱、墙的某一段或某一局部混凝土上出现多条纵向、环向或斜向裂缝，互相交叉，形成网状分布裂缝，且主要裂缝的宽度在10mm以上，有可能造成混凝土局部坍塌、掉块，应采用拆除重建法进行整治。

4、衬砌渗漏水整治方法
(1)引排
当裂缝渗水量较大(以线状流出)、渗水含泥砂且水压大时,应先做引排。

引排开槽的断面形状以矩形或倒梯形为好,封堵槽沟时要加混凝土界面剂。

引排管用半圆形PVC管或小直径钢纤透水管均可。

封槽后应注意使结构表面平整、光滑。

引排管上端应高于渗水部位10cm 以上,并一直通到洞内排水沟。

封槽材料有: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。

目前还有一种最新的毛细透排水管正在隧道衬砌渗漏水防治中推广应用。

(2)注浆封堵
对处于水位线以下的结构渗水裂缝,只用凿槽封堵的方式治理不能彻底,复发率很高,采用注浆封堵的方式较为合理。

同时这类裂缝多数比较细窄,耗浆量不多,注浆材料固化后与原混凝土有较好粘结密封性。

①超细水泥注浆：对于裂缝宽度在0.5mm以上、水量不大时,采用超细水泥进行注浆封堵。

②水泥-水玻璃双液注浆：对拱墙大面积渗水、施工缝渗水等情况采用水泥-水玻璃双液注浆施工③其它新型、高性能化学浆液。

(3)回填注浆
对原衬砌拱部空腔进行回填水泥砂浆。

施工工艺为:在拱部钻设回填注浆孔,安设注浆钢管,接管压注水泥砂浆,注浆压力不大于0.5MPa。

(4) 涂抹防水涂料
水泥基渗透结晶型防水涂料（KRYTON）是一种由硅酸盐水泥、硅砂和活性化学物质配制而成的粉状混合物,是目前世界上先进的刚性防水材料。

在处理混凝土表面湿渍时,主要采用涂抹KRYTON防水涂料的方法进行治理。

针对部分地段混凝土表面湿渍和施工缝渗漏水,考虑到不破坏止水带,主要采用注浆和涂抹防水涂料的方法进行处理。

隧道衬砌开裂常伴随渗漏水，因此，衬砌开裂与渗漏水防治通常是结合在一起的，以上各种处置方法可根据具体情况综合使用。