隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施

1、兰兰 州州 交交 通通 大大 学学 继继 续续 教教 育育 学学 院院毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文）专业（班级）：专业（班级）： 12 级土木工程级土木工程指指 导导 教教 师：师：刘永孝刘永孝学学 生生 姓姓 名：名：王建龙王建龙学学号：号：120003625设计题目：隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施毕毕 业业 设设 计计 成成 绩绩 评评 议议 表表学 生 姓 名王建龙班 级120003625指导教师姓名刘永孝职 称审阅人评语审阅人：年月日答辩委员会综合评语主席：年月日论文成绩评语内容包括：（学术）思想、方案选择、设计（论文）达到的水平、设计（论证）有无错误等。毕业设计（论

2、文）任务书毕业设计（论文）任务书班级：土木工程 12 级学生姓名：王建龙指导老师：刘永孝开开 题题 报报 告告设计（论文）题目隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施主要研究内容隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防措施。关键环节1、确定论文题目2、搜集、整理资料3、编写提纲4、撰写初稿5、改写初稿6、定稿计划进度1、2014.5.15.15 分析查阅资料，作好准备；2、2014.5.167.16 编制隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防措施；3、2014.7.177.23 修改、装订。参考资料1、王梦恕，中国隧道及地下工程修建技术，人民交通出版社2、关宝树，隧道工程维修管理要点集，人民交通出版社3、傅鹤林

3、，大跨隧道施工力学行为及衬砌裂缝产生机理，科学出版社4、丁文其、杨林德，隧道工程，人民交通出版社5、关宝树、国兆林，隧道及地下工程，西南交通大学出版社6、陈秋南，隧道工程，机械工业出版社7、陈小雄，隧道施工技术，人民交通出版社8、陈志敏、欧尔峰、马丽娜，隧道及地下工程，清华大学出版社9、洪开荣，山区高速公路隧道施工关键技术，人民交通出版社班级：12 级土木工程专升本学生姓名：王建龙指导老师：刘永孝中中 期期 报报 告告设计（论文）题目隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施一、一、文献综述文献综述近几近年来我国在铁路公路工程中修建了数以千计的隧道工程，其中大部分已建或在建隧道或多或少都存在衬砌

4、开裂的现象，严重影响到运营安全。许多工程还未交付使用就已经出现裂缝，这一现象在公路隧道中尤为常见。陕西境内的多座公路隧道在投入使用后几年时间都曾进行过裂缝防水整治。甘肃某在建隧道建设过程中就出现裂缝，全国其它地方关于隧道衬砌开裂的事例更是不胜枚举，以上实例充分说明，隧道发生裂缝已不是个别现象，隧道工程技术人员对此应予以足够的重视。本文从隧道砌裂缝产生原因入手，从隧道施工方面谈一点预防措施和看法，旨在抛砖引玉。二、选题的目的及意义随着我国大规模基础建设的开展, 隧道工程已成为铁路、公路和水利水电等大型项目中的重要工程。在这种形势下, 隧道工程的重要性越来越显著，隧道工程所占的比例逐步增大。隧道衬

5、砌裂缝不仅影响了美观，还给工程质量留下了隐患。施工中必须采取合理的工程技术措施，控制和减少衬砌裂缝的数量。本文分析了衬砌裂缝产生的原因，提出了缓解裂缝产生的措施，并简要介绍了几种常见的裂缝治理方法。三、重点研究内容分析了隧道衬砌裂缝产生的原因，提出了预防裂缝产生和治理的措施。四、教师意见指导教师：年月日班级：12 级土木工程专升本学生姓名：王建龙指导老师：刘永孝三、设计完成情况目前已完成毕业论文的修改和调整四、教师意见教师姓名：年月日结结 题题 验验 收收设计（论文）题目隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施一、总体设计：自接受毕业设计任务安排以来，首先按照编制的有关要求，进行了相关信息和数

6、据的收集整理，查阅相关资料和书籍以确保本文的合理性。二、详细设计：论文大体分为七个部分第一部分：目前国内隧道衬砌裂缝研究方法及现状。第二部分：隧道衬彻裂损变形的现状和主要危害。第三部分：隧道衬砌开裂的类型。第四部分：隧道衬砌裂缝观测方法。第五部分：隧道施工对衬砌裂缝的预控。第六部分：衬砌开裂原因分析。第七部分：隧道衬砌裂缝的预防和治理措施。班级：12 级土木工程专升本学生姓名：王建龙设计 （论文题目）隧道衬砌裂缝产生原因分析及预防和治理措施结题验收申请：结题验收申请：根据毕业设计任务书要求，毕业设计（论文）已全部完成，请老师审阅。指导教师评语：指导教师评语：指导教师评分（优、良、中、及格、不及

7、格）：教师姓名：年月日摘 要随着国民经济的迅速发展，我国交通运输事业得到了蓬勃发展。隧道作为公路工程建设中的一个重要结构物，也迎来了规模空前的建设热潮。因其在改善路线线形、缩短里程和行车时间、提高运营效益以及减少占地面积等方面发挥的重要作用，必将得到更为广泛的推广和发展。但是，我国地域自然条件差异较大，隧道穿越的山体地质及水文等条件复杂多变。由于对局部软弱围岩、膨胀性围岩以及对衬砌有侵蚀性的环境水等调查不足；未能采用加强衬砌结构或防治措施不当；部分地段隧道衬砌施工质量缺陷等，造成了许多运营隧道出现衬砌裂缝。如衬砌裂缝处治不当就会出现渗漏水，不但不易修缮而且影响隧道正常运营，造成隧道衬砌和通风、

8、照明及消防设备的腐蚀损坏，造成路面积水使行车环境恶化，从而降低行车速度和安全性能。因此对隧道衬砌裂缝进行相关研究是十分必要的。本文从隧道衬砌裂缝的类型入手， 从施工角度分析了隧道衬砌裂缝产生的原因,再现衬砌裂缝特征及破坏形式，得出隧道衬砌裂缝产生及发展规律，从而对隧道设计、施工以及衬砌裂缝病害的防治提出一些粗浅见解。关键词：关键词：隧道；衬砌；裂缝；产生原因；预防；治理AbstractWith the rapid development of national economy, transport undertakings have developedvigorously in our cou

9、ntry. Tunnel as a highway (railway) is a very important part in engineeringconstructionstructure,alsousheredinthe unprecedentedbuildingboom.Tunnel in theimprovement of the route, shorten the distance and travel time, improve the operating efficiencyand reduce the area played an important role,will g

10、et more extensive promotion anddevelopment.However, the regional differences in natural conditions in our country, tunnel through themountain complex geological and hydrological conditions, the local weak surrounding rock andswelling rock and transform Qi You corrosive environment such as water surv

11、ey, failed to useimproper measures, strengthening prevention and control of lining structure or sections of tunnellining construction quality defects, such as tunnel in tunnel lining crack caused many operation.Such as lining crack treatment inappropriate lining will appear, not only is not easy to

12、repair andaffect the normal operation of tunnel, tunnel lining and all kinds of ventilation, lighting and firefighting equipment corrosion damage,worsen water surface driving environment, therebyreducing driving speed and safety performance. So the relevant study on the tunnel lining crackis very ne

13、cessary.From the type of tunnel lining crack, this paper analyzed from the points of view of theconstruction of tunnel lining crack reason, represent the lining crack characteristics and damageforms, draw a tunnel lining crack and the law of development, thus the design and constructionof the tunnel

14、 and tunnel lining crack disease prevention and control of some shallow opinions areput forward.Key Words: Tunnel Lining Crack； The cause of prouduct； PreventAdminister目 录第一章 目前国内隧道衬砌裂缝研究方法及现状. 1一、现场原位试验. 1二、室内模型试验. 1三、理论与数值分析. 1第二章 隧道衬彻裂损变形的现状和主要危害. 2一、现场原位试验. 2二、隧道衬砌裂缝的主要危害. 2第三章 隧道衬砌开裂的类型. 3一、按裂缝

15、与隧道轴向相互关系分类. 3二、按照衬砌受力变形形态和裂口特征分类. 4第四章 隧道衬砌裂缝观测方法. 6一、纸条测标观测. 6二、钢钉测标观测. 6三、标记测标观测. 7第五章 隧道施工对衬砌裂缝的预控. 8第六章 衬砌开裂原因分析. 10一、设计方面的原因. 10二、施工方面的原因. 10第七章 隧道衬砌裂缝的预防和治理措施. 12一、预防. 12二、治理. 12（一）围岩加固. 12（二）二次衬砌表面补强. 21（三）套衬补强. 22（四）换拱换衬. 23结论. 26致谢. 27参考文献. 28兰州交通大学毕业设计(论文)1第一章 目前国内隧道衬砌裂缝研究方法及现状与发达国家相比，我国隧

16、道建设起步较晚，针对运营中隧道呈现出越来越多的裂缝状况， 国内学者对裂缝形成机理及处治方案进行了一系列的研究， 其采用的研究方法主要有：一、现场原位试验现场原位试验是地下工程研究最直接的研究方法，现场试验的研究数据不仅可以为科研提供重要的数据，更重要的是通过现场量测数据分析可以直接指导实际工程的建设，同时与数值模拟分析的结果进行对比分析，以验证其计算的正确性。隧道工程原位试验主要包括：地质和支护状态观察、周边位移和拱顶下沉量测、锚杆轴力量测、初期支护与二次衬砌的接触压力量测、二次衬砌内力量测等。通过对典型断面的现场量测，可以记录隧道结构随开挖过程的实际受力状态，为结构的安全性评价提供可靠的数据

17、；对隧道裂缝治理现场量测，可以为相似地质情况、受力模式、结构尺寸的隧道裂缝治理提供重要参考。国内学者对隧道裂缝进行现场治理的研究较多，具体可分为结构开裂试验；注浆加固围岩、充填空洞和止水防水现场试验；浅埋偏压裂缝治理试验；软弱膨胀性围岩裂缝治理；高寒隧道裂缝治理；采空区和岩溶区裂缝治理以及隧道塌方的治理等。二、室内模型试验模型试验是隧道及地下工程研究中使用较多的一种方法，如西南交通大学王明年、关宝树、何川对渝长高速公路铁山坪隧道在不同构造应力场中破坏模型试验研究；何川、林刚等关于金丽温高速公路 20 座连拱隧道在竖向压力作用下的破坏模型试验研究；兰州交通大学周立霞等关于昆仑山隧道施工缝、变形缝

18、的模型试验研究等。三、理论与数值分析在隧道理论计算中针对不同的情况一般采用荷载-结构模式或共同作用模式。 数值计算方法也较多，在隧道工程应用较为普遍的是有限元法(FEM)和有限差分法（FLAC）。对隧道裂缝进行模拟研究工作可分为：二次衬砌的安全性模拟计算、衬砌背后出现空洞时对结构安全性影响的计算、岩溶区近接施工的影响计算、不同位置溶洞对隧道施工过程的影响计算、双连拱施工的影响分析等。兰州交通大学毕业设计(论文)2第二章 隧道衬砌裂损变形的现状和主要危害一、隧道衬砌裂损变形的现状以我国公路铁路隧道衬砌目前裂损变形情况为例（如表 1）。隧道衬彻裂损变形现状 表 1隧道线路总座数衬砌裂损裂损比例（%

19、）陇海2321340.58成昆276580.21襄渝400880.22阳安148480.32宝成344170.05贵昆180320.18焦柳436270.06二、隧道衬砌裂缝的主要危害1.降低衬砌结构对围岩的承载能力；2.使隧道净空变小，侵入建筑限界，影响车辆行车安全；3.拱部衬砌掉块，影响行车和人身安全；4.裂缝漏水，造成洞内电力水利、通风设施锈蚀、道床翻浆、严寒和寒冷地区产生冻害；5.铺底和仰拱破损、基床翻浆、线路变形、危及行车安全，被迫降低车辆运行速度，大量增加养护维修费用；6.在运营条件下对裂损衬砌进行大修整治，施工与运营相互干扰，费用进一步增大。如贵广线某隧道（铁路）运营后衬砌大面积

20、裂缝渗漏水，仅维修工期就近 5 年，耗费了大量人力物力。兰州交通大学毕业设计(论文)3第三章 隧道衬砌开裂的类型隧道衬砌裂缝产生的原因是复杂的、多方面的，有设计、施工、地质条件等各方面的因素，从而使隧道衬砌裂缝形成各种各样的类型。一、按裂缝与隧道轴向相互关系分类隧道衬砌裂缝按其与隧道轴向相互关系可归纳为纵向裂缝、环向裂缝及斜向裂缝等三种：1.纵向裂缝（如图 3.1）：衬砌裂缝平行或基本平行于隧道轴线，其危害性最大，继续发展可引起隧道掉拱、边墙断裂甚至整个隧道塌方，破坏衬砌断面的整体性。产生裂缝的原因主要是隧道地质条件存在偏压、设计承载力不够、隧道周边欠挖部位未进行处理使衬砌的厚度不够或施工时边

21、墙与拱顶回填不密实等。图 3.1 纵向裂缝2.环向裂缝（如图 3.2）：衬砌裂缝垂直或近似垂直于隧道轴线，主要是由于围岩压力变化、地基不均匀沉降、变形缝、施工缝处理不当等因素引起，大多数发生在洞口、存在不良地质地段及软硬岩层接触地带，环向裂缝对隧道稳定性影响不大。图 3.2 环向裂缝3.斜向裂缝（如图 3.3）：一般和隧道纵轴呈 45左右延伸较长，几条斜向裂缝互相交叉，很容易引起衬砌掉块。斜向裂缝一般是由于混凝土斜截面上的拉应力或剪应力超过混凝土的抗拉或抗剪强度所致，其危害性仅次于纵向裂缝。兰州交通大学毕业设计(论文)4图 3.3 斜向裂缝二、按照衬砌受力变形形态和裂口特征分类按照衬砌受力变形

22、形态和裂口特征划分，主要分为衬砌挤压张口型裂缝、衬砌内缘受弯闭口型裂缝、衬砌受剪错台型裂缝及收缩性裂缝等四种：1.张口裂缝（如图 3.4）：常见在拱腰，边墙部位。多由衬砌承受较大的地层压力作用向内位移，内缘拉应力超过混凝土的极限抗拉强度发生张口裂缝；部分见于拱顶，由于拱顶空腔未完成注浆，衬砌和围岩联结不密实，拱顶松动围岩掉块，随着时间的推移拱顶上部围岩失去自稳能力，衬砌直接承受拱顶松动围岩压力向内位移，内缘拉应力超过钢筋混凝土的极限抗拉强度，产生“ ”形张口裂缝。拱腰和边墙部位出现多条张裂错台，并与斜向、环向裂缝交汇衬砌被切割成小块时容易造成结构失去稳定发生塌落，对运营安全威胁最大。图 3.4

23、 张口裂缝2.闭口裂缝（如图 3.5）：常见于拱顶发生较严重内移地段的拱腰部位和拱腰发生严重内移的拱顶部位，由于衬砌拱顶（拱腰）两侧受压，拱腰（拱顶）衬砌向外位移内侧受压产生劈裂，外侧受拉产生“V”形闭口纵裂缝。当两者进一步发展时产生贯通裂缝，拱顶内缘在高挤压应力作用下发生剥落掉块，甚者产生大型塌方事故。3.错台裂缝（如图 3.6）：主要为拱腰处衬砌混凝土受剪切应力作用而开裂出现错位，呈纵向、斜向或“X”型交叉分布。剪切裂缝主要是由于偏压、围岩自身承载力不足、纵兰州交通大学毕业设计(论文)5向沉降差和其它施工因素引起。由于混凝土浇筑后,地基受力产生不均匀沉降，以及过早脱模后衬砌背后空腔内松动围

24、岩产生滑动，混凝土衬砌遭受巨大外力冲击等都容易产生剪切裂缝。4.收缩裂缝：多见于隧道洞口气温变化影响较大地段，由于施工过程中停电、机械故障等原因，迫使混凝土浇筑中断时间超过混凝土的初凝时间，故障排除后继续浇筑混凝土时，原有的混凝土基础表面没有进行凿毛处理，或者凿毛后没有将松散混凝土层冲洗干净就在原混凝土表面进行浇筑，致使新旧混凝土接茬处出现裂缝。图 3.5 闭口裂缝图 3.6 错台裂缝一般情况下在衬砌封闭成环后，张口裂缝和闭口裂缝相呼应而产生，张口裂缝附近必定会产生闭口裂缝，闭口裂缝周围一定会出现张口裂缝。兰州交通大学毕业设计(论文)6第四章 隧道衬砌裂缝观测方法裂缝观测时，可以用钢尺直接量测

25、裂缝的长度、宽度及错台，或用钻孔和超声波法测定裂缝的深度。对于持续发展的裂缝，一般用下列观测方法观测较简单易行。一、纸条测标观测这种方法简单易行且观测最为直接，纸条测标是将延展性较差、容易拉裂的纸张裁成宽 3-5cm、长 20cm 左右的纸条贴在衬砌裂缝上。在纸条上记录观测日期，并将裂缝编号、宽度、长度和深度等进行记录（如图 4.1）。裂缝如果持续发展，则纸条被拉裂，直接量测纸条裂缝宽度可得到衬砌裂缝增长量。图 4.1 纸条测标观测二、钢钉测标观测这种方法是在裂缝两侧完好的污工中各埋入两个钢钉， 其中一个直立， 另一个制成 “L”图 4.2 钢钉测标观测兰州交通大学毕业设计(论文)7型，两个钢

26、钉的尖端相交于一点（如图 4.2）。这种方法既能测量裂缝的扩张程度，还可以测量裂缝的错距。三、标记测标观测这种方法是在裂缝两侧完好的污工中各画出两个标记（如图 4.3），根据两个标记的相对位移，直接测量裂缝位移程度。图 4.3 标记测标观测兰州交通大学毕业设计(论文)8第五章 隧道施工对衬砌裂缝的预控从 20 世纪 60 年代开始，由于锚杆和喷射混凝土类“主动型”支护技术的使用和发展，使人们对隧道工程中围岩和支护的相互关系有了重新认识，不再传统地将围岩视为荷载的来源，将支护结构归结为“消极地”承受围岩压力。而是立足于保护围岩、利用和调动围岩的自承能力。这就是继传统矿山法后工程界提出的现在使用最

27、广泛的设计施工理念“新奥法”的精髓所在。其目的是在岩石或土层中开挖隧洞时，使围岩形成一个整体环状支承结构，成为支护结构的一部分。其核心是：利用围岩支撑隧道，使围岩本身形成支撑环，并结合监控量测技术进行动态施工。目前隧道开挖均按“新奥法”施工，其基本原则是：“短进尺、弱爆破、强支护、早封闭、勤测量”。开挖后要求及时支护并加强监控测量，确定围岩变形基本稳定后再进行衬砌浇筑。新奥法施工中，围岩是承载结构的主体，以维护围岩自身稳定性为基点，采用锚杆和喷射砼及时进行支护为主要手段，控制围岩的变形和松弛，充分利用围岩的自稳性。锚喷支护仅承受部分松散荷载和围岩变形压力， 在 IV、 V 级类围岩中， 衬砌除

28、承受自身荷载外，还承受围岩变形压力（围岩自稳性较差）；在 II、III 类围岩中，衬砌为安全储备只承受部分流变荷载，不承受地层荷载和周围水压力（围岩自稳性较强）。新奥法设计施工的基本理论为：围岩稳定是岩体自身具有承载和自稳能力，围岩丧失稳定是一个持续的过程，如果在这个过程中提供必要的制约和控制，则能够改变围岩发展现状使围岩进入稳定状态或趋于稳定。“新奥法”在隧道及地下工程的应用推广中逐渐形成自己独特的思想体系，在施工理念上也逐步完善，概括为四大理念即：爱护围岩，内实外美，重视环境，动态施工。爱护围岩是指保护围岩的固有支护能力，采用各种手段和方法来增强围岩的自支护能力。内实外美重点是内实，而内实

29、必须做到“四密实”，即浇筑混凝土密实、喷射混凝土密实、喷射混凝土与围岩接触密实、二次衬砌与初期支护密实。重视环境既包括内部施工作业环境的重视又指施工场所周边环境的影响。动态施工是指根据开挖暴露出来的围岩状态采取对策，隧道开挖过程中的地质条件是变化的，因此施工过程就不可能一成不变，在施工中采取的各种施工方法和技术手段都是为了适应这种“状态”的变化。因此，“新奥法”施工对隧道衬砌裂缝和变形进行了有效兰州交通大学毕业设计(论文)9的预控。兰州交通大学毕业设计(论文)10第六章 衬砌开裂的原因分析一、设计方面的原因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

30、引发衬砌裂缝。如甘肃某在建隧道总长度不足 3KM,因围岩级别划分不准和衬砌类型不相适应，自开工至今就围岩级别和衬砌类型变更不下十余次。2.偏压地段未采用偏压衬砌。仍以甘肃某隧道为例，改隧道在建设过程中某段出现大型塌方 1 次中小型塌方数次。塌方处理论证过程中，有专家提出该段为严重偏压地段，采取偏压衬砌必要时应对地表进行削山卸载，但论证结果只是加强衬砌类型。待塌方处理完毕继续掘进过程中该地段再次发生大型坍塌，造成数榀已支护完成的拱架损毁，后不得已在该段采取偏压衬砌并对地表进行减载处理才顺利通过。3.断层、破碎带、褶皱区等局部围岩松散、压力或构造应力较大地段衬砌结构未能相应采取加强措施；4.对基底

31、软弱地段，未增加防排水可靠性措施，也未对仰拱采取加强措施混凝土铺底厚度及强度不足。二、施工方面的原因1.施工中拱顶超挖太多，衬砌浇筑过程中混凝土与围岩不密贴，未能及时压浆回填或者干脆不回填，造成拱顶衬砌背后空洞较大，加之上部岩土坍落导致拱腰承受围岩较大荷载，而拱顶一定范围空载，这种“马鞍形”受力状态导致拱腰内移张裂、拱顶上移、内缘受挤压产生裂缝。抑或拱腰、边墙衬砌背后空洞较大，衬砌与围岩不密贴，在围岩压力作用下，拱顶下沉内缘衬砌受拉形成张口裂缝，拱腰外移衬砌受弯形成闭口裂缝。2.施工工艺、方法不当。先拱后墙（上下导坑）法施工时，拱架支撑变形下沉，造成拱部衬砌产生不均匀下沉，拱腰和拱顶发生施工早

32、期裂缝。由于工序配合不当，衬砌成环不及时，拱架落脚虚空、间距超设计过大，锁脚锚杆不扎实，开挖后悬空跨度过大、时间太长等原因，都容易造成拱部衬砌产生不均匀沉降。3.由于施工测量放线产生较大误差导致超欠挖、初支变形、坍方等在施工中未能妥善处理。初期支护侵入衬砌限界，造成二次衬砌混凝土厚度不足。或未开展监控量测，仅凭经验来确定二次衬砌的施作时间，安全可靠性差造成二次衬砌超设计荷载承受围岩压力。更有甚者为了获得更大经济利益，在浅埋、软弱地层中删减预留变形量忽略了围岩的自由兰州交通大学毕业设计(论文)11沉降。4.开挖爆破技术不成熟局部超、欠挖严重，导致衬砌厚度不均匀，以致衬砌断面局部应力过大。5.过早

33、拆除模板，混凝土强度达不到公路隧道施工技术规范要求的 2.5MPa，混凝土自身抗拉强度不足， 使得二次衬砌拱部和边墙砼受自重作用而产生水平弯拉裂缝。 同时，由于模板的拆除，使得衬砌内侧变成了临空面，衬砌边墙由原来的部分受压结构变成同时承受弯、压双重作用，最终边墙也产生水平裂缝。6.施工质量管理不严，钢材、混凝土等原材料检验不力，混凝土配合比控制不当，水灰比过大或混凝土捣实不密实，拱部浇注间歇施工形成水平状工作缝等，造成衬砌质量不良承载力下降。7.采用整体式钢模板台车施工，检查口设置不当造成人工振捣不便，混凝土浇筑时漏振现象严重，附着式振捣器难以实现全方位振捣，造成混凝土振捣不均匀。8.其他非技

34、术原因造成隧道衬砌裂缝的原因，常见的主要因素有：偷工减料、野蛮施工、不按设计施工、不按程序施工、对于超挖段和塌方段回填不及时、不完全等。9.双线隧道两个洞室掌子面开挖距离较近，开挖过程中相互扰动较大，破坏了围岩的相对稳定性。兰州交通大学毕业设计(论文)12第七章 隧道衬砌裂缝的预防和治理措施一、预防1.加强地质勘探工作，做好施工前期地质勘查工作，为隧道衬砌结构设计提供准确的工程地质与水文地质资料。2.采用地质雷达探测做好地质超前预报，加强施工过程中的地质复查核实工作，以便及时修正设计正确选择施工方法和衬砌类型。如甘肃某隧道原设计 400 多米长的级围岩地段，开挖后发现绝大部分只能算作 VI 级

35、围岩，因此设计所选用的衬砌类型也就无法适应实际地层情况。这是隧道施工现场经常遇到的问题，为了弥补设计上的缺陷现场工程技术人员（设计、监理、施工）要对开挖暴露后的围岩情况及时与设计图纸进行核对，发现不符之处不可盲目施工，应立即会同现场设计人员协商做出相应的变更。3.采用先进的施工设备、工艺和方法，尽量减少施工对周围围岩的扰动，确保围岩自稳能力不下降。4.严格控制超、欠挖。超、欠挖必须控制在允许范围内，光面爆破技术不成熟的单位应加强机械开挖管理水平。5.衬砌施工时应严格按设计要求设置沉降缝、伸缩缝。确定分段浇筑长度和速度；混凝土拆模时，内外温差不得大于 20；同时加强养护，混凝土温度的变化速度不宜

36、大于5/h。6.把好材料进场关，严格控制混凝土的质量和技术标准，包括水泥、碎石、砂、水、外加剂等原材料。提高喷射混凝土的抗裂、抗渗性能。7.加强观测量控，当围岩变形较大、流变特性明显需提前进行二次衬砌时,必须对初期支护或衬砌结构作出加强调整。8.模筑混凝土浇筑完成之后进行衬砌与初支间空腔压浆，提高混凝土衬砌与喷射混凝土之间的密实性。二、治理在保证衬砌结构和运营安全的前提下，隧道衬砌裂缝的治理主要从围岩加固，二次衬砌表面补强，套衬补强、换拱换衬几方面着手：（一）围岩加固围岩失稳造成的衬砌裂缝较易出现在洞口及浅埋段，由于设计二次衬砌混凝土的结构兰州交通大学毕业设计(论文)13是按照全断面进行受力检

37、算的，而实际施工是一个相对间隔分步的过程，特别是地质不良地段，施工单位应提前作好施工期间可能出现的不利因素（如山体滑坡失稳等）的应对措施及结构的临时支护措施，必要时申请变更，否则一旦二次衬砌混凝土开裂、错位，处理起来相当困难。另外衬砌裂缝较易出现在塌方空洞及衬砌空洞处。在塌方空穴处理时一般采用填浆砌片石、预留注浆孔的办法，这些方法都要求洞穴内回填稳定支撑牢固，出水点引排水通畅，并确保注浆时水路不被堵塞。初支完成或二次衬砌混凝土施工后要及时注浆回填密实是确保塌穴不再失稳造成破坏二次衬砌混凝土的关键。超挖造成的二次衬砌背后的较大空洞，也应注浆回填不宜久拖。近年来，运营隧道出现衬砌裂缝和坍塌事故，主

38、要是该类空洞没有回填密实日久造成围岩失稳所致。为防止以上原因造成衬砌裂缝，可采用衬砌背后空洞回填注浆、超前小导管注浆、大管棚超前支护、地表注浆、隧道径向注浆等措施加固围岩。1.衬砌背后空洞回填注浆加固围岩由于岩石破碎掉块严重，同时受钻孔精度、爆破技术、施工组织管理等因素的影响，超欠挖现象较为严重，导致初支距离岩面空间较大，存在形状不规则的空洞开仓处理难度较大， 且大量开仓处理会破坏初期支护的完整性， 针对此现象当衬砌背后存在较大空腔时，采用衬砌背后空洞回填注浆。（1）施工工艺流程（如图 7.1）：图 7.1 衬砌背后空洞回填注浆加固围岩施工工艺流程（2）施工步骤：1）预埋泵送管或100mm 热

39、轧钢管（与拱架间连接钢筋或钢筋网片焊接牢固），作兰州交通大学毕业设计(论文)14为预埋注浆孔。2）采用 C25 泵送混凝土（坍落度控制 180200mm）进行泵送回填处理直到密实（如图 7.2）。图 7.2 衬砌背后空洞回填注浆2.超前小导管注浆加固围岩超前小导管注浆是隧道工程辅助开挖的一种施工工艺，适用于自稳时间较短的砂层、砂砾层或砂石层、小断层带、软弱围岩带、浅埋地段、地下水较多的破碎围岩地段，一般在隧道地质围岩类别低、自稳性差、开挖面渗水多的情况下适用。但实际施工中普遍存在对小导管注浆的作用认识不清、对其工艺流程的操作把关不严、对注浆量的控制不当等情况，注浆效果不明显，造成工程质量缺陷,

40、出现围岩固结不佳、设计和计量注浆量远大于实际注浆量等问题。超前小导管注浆根据不同的注浆目的及注浆材料一般分为两类，第一类为注水泥砂浆，其主要作用为增强导管的刚度；第二类为注水泥浆或水泥+水玻璃双液浆等化学浆液，通过浆液的化学作用将松散岩体在短时间加固并达到一定自稳力。（1）超前小导管设计参数：采用42 无缝钢管每节长 4-6m，在隧道拱顶 120范围内打设，环向间隔 20-50cm，外插角在 10-15。小导管顶端为尖锥型以利于导管打入岩壁的钻孔内（如图 7.3），小导管打入岩体后外露 10-20cm，焊接有止浆阀的短钢管。（2）施工工艺流程（如图 7.4）：兰州交通大学毕业设计(论文)15图

41、 7.3 超前小导管图 7.4 超前小导管注浆加固围岩施工工艺流程（3）施工步骤：1）制作小导管，导管顶端制成尖锥型以利于导管打入岩壁的钻孔内（如图 7.5），管图 7.5 超前小导管注浆加固围岩兰州交通大学毕业设计(论文)16身必要时梅花状布设10 小孔便于浆液流出。2)钻孔安装小导管，钻孔过程中严格控制孔径、孔位和插角，可采用风动凿岩机顶进导管。3)连接管路并压水检查气密性，采用注浆机进行注浆处理直到浆液外溢。3.大管棚超前支护加固围岩管棚超前支护是利用钢管作为纵向支撑、钢格栅拱架作为环向支撑，构成纵、横向整体刚度较大，能阻止和限制围岩变形并提前承受早期围岩压力的一种超前支护形式。管棚适用

42、于特殊困难地段（如极破碎岩体、塌方体、岩堆地段、砂土质地层、强膨胀性地层、断层破碎带、浅埋大偏压等松散堆积体）的隧道施工。长管棚与短管棚相比，其一次超前量较大，可减少安装钢管次数，并减少与开挖作业之间的干扰，适用于大中型机械进行大断面开挖，所以实际应用中多采用长管棚。(1)长管棚设计参数：长管棚为直径108mm、壁厚 6-8mm 的无缝钢管。管壁上钻注浆孔，孔径为10mm，孔间距50cm， 呈梅花型布置。 10mm长20cm钢筋护孔与钢花管交角30焊接(如图7.6)，钢花管在同一截面的接头数不得超过管数的 50%。沿隧道拱部开挖轮廓线外 10cm 布置，环向中心间距 40cm。每环钢管总长度为

43、 10-30m。钢管分段安装。第一段按奇、偶数分别编号，奇、偶数管长相差 2m（若奇数管长为 4m，则偶数管长为 6m），其后各分段管长可取相等长度（6m）。两段之间用丝扣连接，丝扣螺纹段长度不小于 15cm。钢管尾部 2m不钻孔作为止浆段。（为提高钢管的刚度和强度，钢管内按需可增设 2-4 根20mm 螺纹钢筋和固定短环组成的钢筋笼，环向间距 1m）。纵向两组管棚间，应有不小于 3.0m 的水平搭接长度。钢拱架采用钢格栅钢架。注浆浆夜采用水泥浆，水灰比为：W：C=0.5：1。当地下水较发肓或浆液扩散范围较大时，注浆浆液改为水泥-水玻璃双液浆。注浆压力采用0.51Mpa。图 7.6 长管棚（2

44、）施工工艺流程（如图 7.7）兰州交通大学毕业设计(论文)17图 7.7 大管棚超前支护加固围岩施工工艺流程（3）施工步骤：按设计在拱部施做砼导向墙。导向墙宽、厚各 1 米，并在导向墙内按间距预埋导向管（如图 7.8）。图 7.8 大管棚超前支护加固围岩兰州交通大学毕业设计(论文)181）钻机钻孔达到设计要求，钻杆用连接套接长，钻孔比设计孔深长 0.5m。2）依次拆卸钻杆。3）顶管作业：采用钻机连接套管自动跟进装置连接钢管，将第一节管子顶入孔内。4）钢管孔外剩余 30-40 厘米时，用管钳卡住管棚，反转钻机，使顶进连接套与钢管脱离，人工安装下一节钢管，对准上一节钢管端部，人工持管钳用钢管连接套

45、将两节钢管连在一起，再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。5）按配合比拌制水泥浆，注浆使管内浆液充填密实。注浆采用后退式注浆工艺，以保证注浆效果。4.地表注浆加固围岩地表注浆加固围岩是在地表用钻孔机械打孔，通过注浆管用一定的压力将水泥浆液或具有充填、胶结性能的浆液材料压入岩体裂隙、碎石孔隙或岩土层的界面，经过浆体的充填、渗透作用使岩土体孔隙、裂隙被浆体充填，增强岩体（土体）强度、稳定性和防水性。（1）注浆管设计参数：注浆管直径为40-60mm，壁厚 4-8mm 的钢管。管身设注浆孔，孔径为 68mm，孔间距为 15cm，梅花状布置，前端加工成锥形，尾部止浆段不小于 1m（如图 7.9）。并在尾部

46、焊接6 钢筋箍，以便注浆管连接使用。每当一个孔钻进结束后，顶入钢花管。采用分节顶进的方式，顶进钢管总长度与孔深长度偏差不能大于 5，下管采用人工配合机械顶入的方式。在隧道中心线两侧各 5 米范围内进行注浆处理。注浆深度至仰拱下 3.5 米处。注浆孔间距按 2m2m 梅花型布置（如图 7.10）。图 7.9 地表注浆管兰州交通大学毕业设计(论文)19图 7.10 地表注浆范围（2）施工工艺流程（如图 7.11）：图 7.11 地表注浆加固围岩施工工艺流程兰州交通大学毕业设计(论文)20（3）施工步骤：1）围岩地质调查（土质、孔隙率），根据地质情况选择注浆材料，确定注浆参数和机具。2）钻孔安设导管

47、，连接孔口管安装止浆阀，检查管路是否符合要求，并拌制浆液。3）开始注浆，检查注浆压力是否达标，注浆使管内浆液充填密实外溢为止，以保证注浆效果。5.隧道径向注浆加固围岩根据超前地质预报方案，当判断前方地层自稳性较差，但能保证开挖施工安全，并确定在开挖施工完成后沉降较小时，可采取初支完成后径向注浆补强措施。（1）注浆管设计参数：径向注浆加固围岩范围为开挖轮廓线外 4m 左右。径向注浆孔开孔环向间距 1m，纵向间距根据拱架间距而定，垂直于开挖轮廓线梅花型布设（如图 7.12）。注浆管采用42mm钢管加工，管长 5m，梅花型布设46mm 溢浆孔，孔间距 15cm 花管部分长 3m（如图7.13）。注浆

48、孔采用风钻引孔，成孔后顶入注浆管。注浆管布设完毕后，在注浆管周围喷射混凝土封闭，以防止漏浆保证注浆效果。图 7.12 径向注浆范围图 7.13 径向注浆管（2）施工工艺流程（如图 7.14）：兰州交通大学毕业设计(论文)21图 7.14 径向注浆加固围岩施工工艺流程（3）施工步骤：1）为了防止浆液从附近钻孔中渗流，施工采用隔排隔孔施工，注浆顺序按照先底部、再拱部、最后边墙的顺序进行；2）钻孔施工注浆孔采用风机成孔，成孔以后及时采用高压水进行清孔；3）在注浆过程中，加强对注浆施工段附近围岩的和地质观察，并对注浆施工地段进行监控量测。当出现注浆施工段附近围岩变形时应暂停施工或调整注浆参数。4）正洞

49、开挖后进行径向注浆加固围岩，注浆材料水灰比为不得低于 1：1 的浆液，并根据现场注浆压力及进浆量可作适当调整， 注浆结束后关闭止浆阀将注浆管孔封堵密实。（二）二次衬砌表面补强二次衬砌表面补强用抗拉材料碳纤维，玻璃纤维或钢板等粘在衬砌内表面，控制裂缝的发展和衬砌变形，防止衬砌掉块、剥落。混凝土作为多组材料组成的脆性材料，裂缝的存在是客观的。应加强衬砌混凝土的施工管理，避免或减少混凝土裂缝的产生。对于出现的有害裂缝应及时进行处理，防止裂缝继续发展和漫延，影响衬砌结构的稳定。1.细微裂缝隧道衬砌混凝土表面常出现一些没有扩展性的细微裂缝，这种裂缝是稳定的，不会影响结构的使用和耐久性。从美观角度考虑，可

50、先清洗干净裂缝表面，然后涂刷环氧树脂浆兰州交通大学毕业设计(论文)22液二至三遍，最后用刮抹料、调色料处理混凝土表面，使混凝土表面颜色与周围衬砌颜色一致即可。2.贯通性裂缝贯通性裂缝的危害较大， 必须采取有效的治理方法。可沿裂缝方向凿成宽 5cm、深3cm 的 V 形槽，在槽内骑缝每隔 0.5m 钻一孔，孔深为衬砌厚度的 1/2 或 2/3，一般不少于15cm，并不得穿透衬砌以防跑浆。用清水冲洗干净槽内的杂物及粉尘，在孔内插入10的压浆管，利用环氧树脂水泥砂浆锚固，用灰刀将砂浆压实抹光。待环氧树脂砂浆有一定的强度后，以 0.15MPa0.2MPa 压力压入水泥-水玻璃浆液或环氧树脂浆液。压浆结

51、束后在 0.2MPa 压力下压水检查压浆效果。裂缝表面用刮抹料和调色料处理。3.密集裂缝衬砌背后有空洞或衬砌厚度不足引起的密集裂缝， 必须进行防水和地层加固处理。沿裂缝两侧每隔 1.2m1.5m 交错布点，凿成 10cm10cm 大小深 5cm 的方孔，用风动凿岩机钻孔，孔深 3-5m，安装 WDT25 中空注浆锚杆，注入水泥砂浆，灰砂比 1：（35），水灰比 1：1，施工时由下往上逐级注浆，注浆压力以 0.4MPa0.6MPa 为宜。注浆结束后，另凿新孔在 0.6MPa1.0MPa 压力下压入纯水泥浆检查注浆效果，当达到规定压力而纯水泥浆压不进时，即认为已经注满。用环氧树脂砂浆抹平方槽，表面

52、用刮抹料和调色料处理。（三）套衬补强隧道衬砌产生的密集裂缝，但不足以危及隧道结构安全，经加固后仍有较强的载荷能力；且净空断面存在缩小的余地，在安设锚杆、注浆加固的基础上，可以考虑施作套衬。套衬就是在既有衬砌内表面再浇筑一定厚度的混凝土，与既有衬砌共同承担围岩压力，套衬可以有效地阻止既有衬砌进一步裂损变形。1.施作套衬需要考虑如下几个因素：（1）隧道净空断面是否允许缩小，如允许，可以缩小多少；（2）既有衬砌的厚度是否满足设计要求；（3）套衬的厚度比较薄，并且须采用钢筋混凝土，如何保证混凝土的浇注质量；（4）如何能使新的钢筋混凝土与既有的混凝土结合成一个整体；（5）运营隧道是否允许在混凝土浇注过程

53、中停止通行。2.套衬施作条件：（1）隧道净空有缩小的余地。（2）保证新施作的衬砌有很高的强度和厚度。兰州交通大学毕业设计(论文)23（3）运营隧道在混凝土浇注过程中，每次中断行车的时间应能满足浇注一环混凝土的需要。因为在浇注混凝土过程中的停顿将产生施工缝，可能导致新的衬砌裂缝。3.套衬施作程序（如图 7.15）：图 7.15 套衬施作程序（1）裂缝调查的内容应包括裂缝的宽度，深度，有否渗水，裂缝的连通情况。（2）对衬砌结构的稳定性作出评估，确定采用何种处置措施。对于仅有纵向裂缝，无环向裂缝的可采用系统锚杆加固的方式；对于仅有环向裂缝，无纵向裂缝的衬砌结构，可对隧道注浆阻止不均匀沉降的继续发展，

54、同时在拱角、墙角部位设锚杆加固；对于仅有细微裂纹，原有衬砌结构有较高支承力的，可设锚杆加固，如净空断面尺寸允许，可进行套衬加强。（3）确定采用套衬补强的方式后，应进一步确定支护参数，如厚度、强度、类型、钢筋规格及网片层间距、保护层厚度等。（4）为保证新旧衬砌连接良好，应将原衬砌表面凿毛，浇注新混凝土前要冲刷干净，并刷涂混凝土界面粘合剂，将钢筋网和锚杆进行焊接。必要时可在原衬砌植入钢钎。（5）既有衬砌的边墙基础部位钻孔植筋，新的混凝土钢筋下端插入孔内，用高强粘结剂固定。（四）换拱换衬隧道地质断层、岩体破碎、浅埋偏压等原因，在开挖初期围岩加固措施不到位，造成兰州交通大学毕业设计(论文)24初支向内严重挤压