隧道常见灾害与防治技术

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• 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。
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边墙溶洞出水
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涌水
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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
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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 40 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，
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隧道水害与隧道防水
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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
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GINA断面止水设计
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运营隧道的水害治理
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
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隧道衬砌裂损及其防治
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•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
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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。
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施工缝防水
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变形缝 的防水
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隧道排水
隧道排水
洞内排水
竖 向 盲 沟
洞外排水
排 水 沟
截 水 沟
环 向 盲 沟
纵 向 盲 管
排 水 沟
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。
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。
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
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路面拱起、沉陷、错台、开裂处理 诱因
围岩侧压力过大， 导致两边侧墙内 移而引起的路面 拱起
采取措施
在路面下加设水平支撑
挖出破损的路面以及其下部 路面局部沉陷、 的基层，重铺路面 错台、严重碎 治理渗漏水，并将水引入两 裂 侧边沟
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。
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。
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不同形式的顶管接头形式
刚柔结合接口
刚性接口
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柔性接头
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沉管隧道防水
• 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
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。
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隧道的防水设计
• 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。
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”
洞 门 仰 坡 防 护
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盾构隧道防水
• 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
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顶管隧道防水
• 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
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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
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泥石流堵塞洞口
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隧道冻害
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• 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。
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冻害的防治
• 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
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隧道的震害与抗震
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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;
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衬砌开裂
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预防措施
• 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。
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整治措施
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，ຫໍສະໝຸດ Baidu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
隧道抗减震启示
（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。
（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。
隧道常见灾害及其防治技术
土木工程学院
江学良
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现状
• 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%
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
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。
隧道震害的主要表现形式
(1) 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
衬砌剪切移位图
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。
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
3.衬砌及围岩坍塌
洞口段坍方（5处）
龙溪隧道K21+575-580拱部地震坍方
龙溪隧道二衬坍落
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
纵向裂缝
横向张裂
环向破裂与错台（最大可达20cm）
斜向剪裂
5.底板开裂及隆起
底板强烈隆起
底板强烈隆起
6.初期支护变形及开裂
初期支护鼓出、剪裂
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。
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汶川地震 隧道的震害类型及特征
映秀-汶川： 都汶公路卧龙连接 线（烧火坪隧道） 都汶公路二级路段 （单坎梁子隧道、草 坡隧道、桃关隧道、 福堂坝隧道、彻底关 隧道、毛家湾隧道、 皂角湾隧道） 都江堰－映秀： 都汶高速（紫坪 铺隧道、龙洞子隧 道、龙溪隧道）
都汶公路11座隧道示意图
1. 洞口边坡滑塌与崩塌（13处）