公路隧道衬砌病害处治材料及技术研究

云南省交通厅科技项目可行性

研究报告

项目名称：公路隧道衬砌病害处治材料及技术研究 承担单位：云南省公路科学技术研究所 编写单位：云南省公路科学技术研究所 编写时间：2008年7月12日

1. 项目概要

1.1 研究的必要性

我国目前已成为世界上公路隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。长期以来，由于地质条件、地形条件、气候条件和设计、施工、运营过程中各种因素的影响，隧道建成后，以及施工质量控制问题或在使用过程中出现了各种各样的病害，部分隧道在建成和使用的几年后就出现了比较严重的隧道病害，如衬砌裂损、衬砌渗漏水、基底下沉和底鼓等现象，如果不及时处理，将埋下安全隐患，严重影响行车安全。

公路隧道的建设，不论是设计还是施工工艺，还是对各种地质围岩的处治技术，还是现场的施工管理，都与现场施工队伍的水平有关，通常都不能完全保证隧道的施工质量。 公路建设的速度较快，使的一些公路隧道在设计和施工以前，通常情况下都没能够做较为细致地质勘察，都是在施工过程中才根据超前预报资料或开挖后的围岩情况，有针对性地确定支护方案或调整衬砌形式，使得整个设计和施工过程具有变更多的特点，加上隐蔽工程量大，在施工中质量难控制，所以大多数隧道都或多或少地存在着病害。 衬砌开裂 衬砌渗水

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地质雷达检测的衬砌缺陷图 病害较为严重的隧道 处治效果较差

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本项目主要是对以下三个方面进行研究：

a. 分析隧道衬砌或混凝土构件裂缝或其它病害成因，有针对性地研究用于处治的浆材、灌注胶、填实堵漏胶、填实混凝土、面板粘接剂、膨润剂等材料的使用配比；材料的性能、机理、使用条件、储存条件等；

b. 浆材可控高频变流高压注射机具和针孔头等附件、弧形面修整设备；

c. 现场使用的方法及手段；实施过程中的技术要求和质量控制标准、监控量测方法。 在我省公路养护管理工作逐步进入高维修阶段，为了保证隧道有良好的营运条件和结构物的使用功能，延长结构体的使用寿命，目前在隧道的维护管养中如何实施对症下药，采取合理、经济、适用、科学的补强和维护措施，是非常关键的，而现在一直还没有明确的质量标准，处治效果也参差不齐。

1.2 隧道衬砌或混凝土构件裂缝成因介绍

混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状，并且耐火性好、不易风化、养护费用低，成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。混凝土最主要的缺点是

抗拉能力差，容易开裂。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，甚至肉眼看不见（＜0.05mm），一般对结构的使用无大的危害，可允许其存在；有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断产生和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、渗水导致钢筋锈蚀，使混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生垮塌事故，危害结构的正常使用，必须加以控制。我国现行公路、铁路、建筑、水利等部门设计规范均采用限制构件裂缝宽度的办法来保障混凝土结构的正常使用。本项目所研究的对象仅指后一类需要处治的裂缝。

近年来，我国交通基础设施建设得到迅猛发展，各地兴建了大量的混凝土隧道及桥梁。在隧道及桥梁的建造和使用过程中，有关因出现裂缝而影响工程质量甚至导桥梁隧道垮塌的报道屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”，经常困扰着隧道及桥梁工程技术人员。其实，如果采取一定的工艺设计和施工过程管理以及养护措施，很多裂缝是可以克服和控制的。实际上，在目前施工队伍参差不齐，管理形式多样的情况下，要做到混凝土结构体无裂缝是很难的。

混凝土结构体裂缝的成因复杂而繁多，甚至是多种因素的相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。隧道衬砌及混凝土构件裂缝的种类，就其产生的原因，大致可划分为以下几种：

1.2.1荷载引起的裂缝

荷载裂缝：混凝土构件在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝。归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：

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a.设计计算阶段，结构计算时有些应力不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够。结构设计时不考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。

b.施工阶段，技术交底不清或不到位，不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

c.使用阶段，超出设计载荷的重型车辆通过；受车辆撞击；发生火灾、地震、爆炸等。 1.2.2 次应力裂缝

次应力裂缝：由外荷载引起的次生应力使混凝土构件产生的裂缝。裂缝产生的原因有： a.在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态与常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构体开裂以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。

b.隧道衬砌上经常需要凿槽、开洞、安装风机设置等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。因此，若处理不当，在这些结构的转角处，或构件形状突变处，或受力钢筋截断处容易出现裂缝。

实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力，不少平面杆系有限元程序均可正确计算，但在前些年却比较困难。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。

荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但是，如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，往往是结构达到承载力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸变化。 1.2.3 根据结构不同受力方式产生的裂缝 受力方式不同产生的裂缝，其特征如下：

a.中心受拉。裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝；

b.中心受压。沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝；

c.受剪。当箍筋太密时发生斜压破坏，出现大于45°方向的斜裂缝；当箍筋适当时发生剪压破坏，沿梁端中下部出现约45°方向相互平行的斜裂缝；

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d.受弯。弯矩最大截面附近从受拉区的边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构体配筋较少时，裂缝少而宽，结构可能发生脆性破坏；

e.大偏心受压。大偏心受压和受拉区的配筋较少的小偏心受压构件，类似于受弯构件； f.小偏心受压。小偏心受压和受拉区的配筋较多的大偏心受压构件，类似于中心受压构件； g.受扭。构件一侧腹部先出现多条约45°方向斜裂缝，并向相邻面以螺旋方向展开； h.受冲切。沿构件侧面发生约45°方向斜面拉裂，形成冲切面； i.局部受压。在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。

1.2.4 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些连拱隧道中，温度应力可以达到甚至超出荷载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有：

a.年温差。一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如连拱隧道我国年温差一般以一月和七月月平均温度的作为变化幅度。考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。

b. 骤然降温。冷空气侵袭、突降大雨、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实地资料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。

c. 水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土（厚度超过2.0米）浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。 d. 蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。 e. 若焊接措施不当，铁件附近混凝土容易烧伤开裂。采用电热张拉法张拉预应力构件时，预应力钢材温度可升高至350℃，混凝土构件也容易开裂。试验研究表明，由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低，钢筋与混凝土的粘结力随之下降，混凝土温度达到300℃后抗拉强度下降50%，抗压强度下降60%，光圆钢筋与混凝土的粘结力下降80%；由于受热，混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。

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1.2.5 收缩引起的裂缝

在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因，另外还有自生收缩和炭化收缩。 塑性收缩。发生在施工过程中、混凝土浇筑后4～5小时左右，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，因此时混凝土尚未硬化，即为塑性收缩。塑性收缩所产生量级很大，可达1%左右。在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡，便形成沿钢筋方向的裂缝。因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。为减小混凝土塑性收缩，施工时应控制水灰比，避免过长时间的搅拌，下料不宜太快，振捣要密实，竖向变截面处宜分层浇筑。

缩水收缩（干缩）。混凝土结硬以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失较快，内部水分损失较慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。如配筋率较大的构件（超过3%），钢筋对混凝土收缩的约束比较明显，混凝土表面容易出现龟裂裂纹。

自生收缩。自生收缩是混凝土在硬化过程中，水泥与水发生水化反应，这种收缩与外界湿度无关，且可以是正的（即收缩，如普通硅酸盐水泥混凝土），也可以是负的（即膨胀，如矿渣水泥混凝土与粉煤灰水泥混凝土）。 炭化收缩。大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。炭化收缩只有在湿度50%左右才能发生，且随二氧化碳的浓度的增加而加快。炭化收缩一般不做计算。 混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。

研究表明，影响混凝土收缩裂缝的主要因素有：

a.水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高，普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大，且发生收缩时间越长。例如，为了提高混凝土的强度，施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，结果收缩应力明显加大。

b.骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小，含水量大收缩越大。

c.水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。

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d.外掺剂。外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。

e.养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长，则混凝土收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式混凝土收缩要小。

f.外界环境。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝土收缩越快。

g.振捣方式及时间。机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。振捣时间应根据机械性能决定，一般以5～15s/次为宜。时间太短，振捣不密实，形成混凝土强度不足或不均匀；时间太长，造成分层，粗骨料沉入底层，细骨料留在上层，强度不均匀，上层易发生收缩裂缝。

对于温度和收缩引起的裂缝，增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁结构（壁厚20～60cm）。构造上配筋宜优先采用小直径钢筋(φ8～φ14)、小间距布置(@10～@15cm)，全截面构造配筋率不宜低于0.3%，一般可采用0.3%～0.5%。 1.2.6 地基础变形引起的裂缝

由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有：

a.地质勘察精度不够、试验资料不准。在没有充分掌握地质情况就设计、施工，这是造成地基不均匀沉降的主要原因。比如丘陵区或山岭区桥梁，勘察时钻孔间距太远，而地基岩面起伏又大，勘察报告不能充分反映实际地质情况。

b.地基地质差异太大或地质与山坡处于变化较大的古滑体上，隧道的修建改变了原有的稳定，产生新的滑移力。

c.分期建造的基础。在原有隧道或明槽附近新建隧道时，如分期修建或改造的高速公路左右幅隧道，新建时放炮引起的震动，使原有隧道受到影响。

d.地基冻胀。在低于零度的条件下含水率较高的地基土，因冰冻膨胀；一旦温度回升，冻土融化，地基下沉。因此地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。

e.结构体基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。 f.隧道建成以后，原有地质基础条件变化。大多数山体人工开挖扰动或浸水、风化后，均可能造成不均匀应力变化，特别是对于承受水平推力的衬砌，对地质情况掌握不够、设计不合理和施工时破坏了原有地质条件是产生水平位移裂缝的主要原因。

1.2.7 钢筋锈蚀引起的裂缝

由于混凝土质量较差或保护层厚度不足，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或由于氯化物介入，钢筋周围氯离子含量较高，均可引起钢筋表面氧化膜破坏，钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反

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应，其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，导致保护层混凝土开裂、剥离，沿钢筋纵向产生裂缝，并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀，使得钢筋有效断面面积减小，混凝土与钢筋的握裹力削弱，结构承载力下降，并将诱发其它形式的裂缝，加剧钢筋锈蚀，导致结构破坏。

要防止钢筋锈蚀，设计时应根据规范要求控制裂缝宽度、采用足够的保护层厚度（当然保护层亦不能太厚，否则构件有效高度减小，受力时将加大裂缝宽度）；施工时应控制混凝土的水灰比，加强振捣，保证混凝土的密实性，防止氧气侵入，同时严格控制含氯盐的外加剂用量，沿海地区或其它存在腐蚀性强的空气、地下水地区尤其应慎重。

1.2.8 冻胀引起的裂缝

大气气温低于零度时，吸水饱和的混凝土出现冰冻，游离的水转变成冰，体积膨胀9%，因而混凝土产生膨胀应力；同时混凝土凝胶孔中的过冷水（结冰温度在-78度以下）在微观结构中迁移和重分布引起渗透压，使混凝土中膨胀力加大，混凝土强度降低，并导致裂缝出现。尤其是混凝土初凝时受冻最严重，成龄后混凝土强度损失可达30%~50%。冬季施工时对预应力孔道灌浆后若不采取保温措施也可能发生沿管道方向的冻胀裂缝。

温度低于零度和混凝土吸水饱和是发生冻胀破坏的必要条件。当混凝土中骨料空隙多 、吸水性强；骨料中含泥土等杂质过多；混凝土水灰比偏大、振捣不密实；养护不力使混凝土早期受冻等，均可能导致混凝土冻胀裂缝。冬季施工时，采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在混凝土拌和水中掺入防冻剂（但氯盐不宜使用），可保证混凝土在低温或负温度条件下硬化。 1.2.9 施工材料质量引起的裂缝

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。 a.水泥

· 水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢，在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用，可破坏已硬化的水泥石，使混凝土抗拉强度下降。 · 水泥出厂时强度不足，水泥受潮或过期，可能使混凝土强度不足，从而导致混凝土开裂。 · 当水泥含碱量较高（例如超过0.6%），同时又使用含有碱活性的骨料，可能导致碱骨料反应。

b.砂、石骨料

· 砂石的粒径、级配、杂质含量。砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响混凝土的强度，使混凝土收缩加大，如果使用超出规定的特细

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砂，后果更严重。砂石中云母的含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低混凝土强度。砂石中含泥量高，不仅将造成水泥和拌和水用量加大，而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质和轻物质过多，将延缓水泥的硬化过程，降低混凝土强度，特别是早期强度。砂石中硫化物可与水泥中的铝酸三钙发生化学反应，体积膨胀2.5倍。

· 碱骨料反应。碱骨料反应有三种类型：

① 碱硅酸反应。参与这种反应的骨料有流纹岩、安山岩、凝灰岩、蛋白石、黑硅石、燧石、鳞石英、玻璃质火山岩、玉髓及微晶或变质石英等。反应发生于碱与微晶氧化硅之间，其生成物硅胶体遇水膨胀，在混凝土中产生很大的内应力，可导致混凝土突然爆裂。这类反应是碱骨料反应的主要形式。

② 碱硅酸盐反应。参与这种反应的骨料有粘土质岩石、千枚岩、硬砂岩、粉砂岩等。此类反应的特点是膨胀速度非常缓慢，混凝土从膨胀到开裂，能渗出的凝胶很少。

③ 碱碳酸岩反应。多数碳酸岩石没有碱活性，有特定结构的泥质细粒白云质灰岩和泥质细粒灰质白云岩才具有与碱反应的碱活性，且还须高碱度、一定湿度环境下才能反应膨胀。 碱骨料反应裂缝的形状及分布与钢筋限制有关，当限制力小时，常出现地图状裂缝，并在缝中有白色或透明的浸出物；当限制力强时则出现顺筋裂缝。在工程实践中必须对骨料进行碱活性检验，采用对工程无害的材料，同时使用含碱量低的水泥品种。 c. 拌和水及外加剂

拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制混凝土，或采用含碱的外加剂，可能对碱骨料反应有影响。 1.2.10施工工艺质量引起的裂缝

在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、斜向的、竖向的、水平的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝，特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有：

a.混凝土保护层过厚，或在施工时乱踩踏已绑扎好的上层钢筋，使承受负弯矩的受力钢筋保护层加厚，导致构件的有效高度减小，形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

b.混凝土振捣不密实、不均匀，出现蜂窝、麻面、空洞，导致钢筋锈蚀或其它荷载裂缝的起源点。

c.混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，既塑性收缩裂缝。

e.混凝土搅拌、传输转运时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。

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f.混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。 g.用泵送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。

h.混凝土分层或分段浇筑时，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。如混凝土分层浇筑时，后浇混凝土因停电或设备故障等原因未能在先浇的混凝土初凝前浇筑，引起层面之间的水平裂缝；采用分段现浇时，先浇混凝土接触面凿毛、清洗不好，新旧混凝土之间粘结力小，或后浇混凝土养护不到位，导致混凝土收缩而引起裂缝。

i.混凝土早期受冻，使构件表面出现裂纹，或局部剥落，或脱模后出现空鼓现象。 j.施工时，台车支撑强度不足或刚度不足在浇筑混凝土时，由于侧向压力的作用使得模板变形或浇筑混凝土后台车的不均匀下沉，产生与模板变形一致的裂缝。

k.混凝土龄期强度不足时拆模，使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

l. 装配式结构，在构件运输、堆放时，支承垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠撞；吊装时的吊点位置不当，侧向刚度较小的构件，侧向无可靠的加固措施等，均可能产生裂缝；

m. 工序不正确，对产生的后果认识不足，导致产生裂缝。如拆模、立模、分段浇注时间控制不好等；

n. 施工质量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料计量不准，结果造成混凝土强度不足和其他性能（和易性、密实度）下降，导致结构开裂。

o. 混凝土衬砌从建成到使用，牵涉到设计、施工、监理、运营管理等各个方面。由上述可知，设计疏漏、施工低劣、监理不力，均可能使隧道衬砌出现裂缝。因此，严格按照国家有关规范、技术标准进行设计、施工和监理，是保证结构安全耐用的前提和基础。在运营管理过程中，进一步加强巡查和管理，及时发现和处理问题，也是相当重要的一个环节。 1.3. 拟定的项目研究专题介绍

由于造成公路隧道的病害的原因较为复杂，病害的形式也较多，所以过去一直形成挑毛病的多，而认真处治的少，同样也是研究隧道病害诊断的多，而研究处治技术措施的少。所以，本研究项目将从以下几个方面有针对性地对隧道衬砌出现的病害，将对隧道衬砌缺陷成因、处治方法、材料选用及配制、施工机具及施工工艺进行研究。即分为以下三个专题： a. 隧道病害处治材料的性能、机理、使用配比、使用条件、储存条件研究； b. 专用型施工机具设备的开发；

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c. 隧道衬砌缺陷（包括裂缝、蜂窝麻面以及不连续浇筑造成的接缝）成因的分析研究和现场施工工艺、使用的方法及手段研究以及实施过程中的技术要求和质量控制标准、监控量测方法的探讨。

2. 项目前期科研及工作基础（国内、外同类技术的现状及发展趋势及主要参考文献） 公路隧道衬砌病害无外乎是由于施工质量和地质原因造成的，主要有以下三个方面： a. 衬砌渗水； b. 衬砌开裂；

c. 结构体强度不够。

国外在防水堵漏技术领域已经发展了近80年，到目前为止，还没有通行的技术标准，只有建议书或指导手册。我国起步较晚，但是，如果要追溯到建筑地下室和人防工程的防水堵漏，也有近50年的发展历史。如：人们熟知的注浆，刷防水涂料，灌环氧树脂，加衬防水混凝

土等。目前国内在水利水电工程、建筑物、铁路和公路隧道、港口和机场以及矿道等结构体的养护都尝试着采用一些新技术、新方法，有的已经取得不错的效果。 混凝土结构体的修补加强方面，目前在柱形烟囱和蒸汽塔、水利设施的素混凝土结构体上实施加固、修补的案例最多，并且有较好的效果，在建筑物和桥梁上加固、修补从粘钢到粘碳素纤维布或玻纤布，成功案例就比较少。隧道修补、加固，成昆铁路曾投入过几个亿的资金，取得过一些经验。

国外这方面的研究主要是集中在材料上，例如，不同基底的碳纤维（聚丙烯晴基、沥青基）、改性低粘度无溶剂环氧类灌浆材料、无溶剂型树脂材料、聚合物混凝土、锚固结构胶、水溶性或油溶性聚氨酯、水泥基渗透结晶等等。

主要参考文献：《混凝土结构加固设计规范》(GB 50367-2006)

《地下工程防水堵漏应用技术》 (90年) 姓名：沈春林 职称：教授级高级工程师 《建筑防水工程堵漏应用技术》 (90年) 姓名：沈春林 职称：教授级高级工程师 《建筑防水材料》化学工业出版社出版41万字（2001年）姓名：沈春林 职称：教授级高级工程师

《中国建筑防水》杂志社

《中国化学灌浆的现状与未来》蒋硕忠、邓敬森2005年10月由长江出版社出版 《水泥基渗透结晶型防水材料》沈春林 主编 出版社：化学工业出版社 书号：7-5025-7514-6 出版日期：2005-8-1 GB／T 19250——2003《聚氨酯防水涂料》

《地下工程防水技术规范》GB50108国家人民防空办公室主编

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《防水建筑材料重要成员---化学灌浆材料》.蒋硕忠编著.长江科学院,湖北,武汉 JC/T 1041-2007 《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》.2007年5月29日实行

全国基岩与混凝土裂缝化学灌浆处理学术研讨会论文集. 中国科学院广州化学研究所主办《广州化学》，2002。Vol. 27

《第十次全国化学灌浆会议论文集》.湖南大学学报(自然科学版增刊)，2004，第31卷 《我国化学灌浆技术发展与展望。》[J]. 蒋硕忠编著. 长江科学院院报，2003(5) 《中国化学灌浆的现状与未来—首届中国化学灌浆论坛论文集》. 中国水利学会化学灌浆分会编. 武汉：长江出版社，2005

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《地下建筑工程防水技术》. 薛绍祖编著. 北京：中国建筑工业出版社，2003年10月 《第八届化学灌浆会议论文专辑》. 长江科学院院报，2000

《混凝土裂缝用环氧树脂灌浆材料》JC/T1041-2007行业标准已于2007年11月1日起正式实施。

《建筑结构加固工程施工质量验收规范》、《工程结构加固材料安全性鉴定技术规范》 《聚氨酯灌浆材料》国家行业标准.

3. 研究、开发的背景、必要性

化学灌浆(Chemical Grouting) 技术是将一定的化学材料(无机或有机材料)配制成真溶液,用化学灌浆泵等压送设备将其灌入混凝土裂缝的缝隙内,使其渗透、扩散、胶凝或固化,以增加混凝土强度、降低混凝土渗透性、进行混凝土建筑物裂缝修补的一项加固基础,防水堵漏和混凝土缺陷补强技术。即化学灌浆是化学与工程相结合，应用化学科学、化学浆材和工程技术进行基础和混凝土缺陷处理(加固补强、防渗止水)，保证工程的顺利进行或借以提高工程质量的一项技术，此项技术的内容包括：浆材、压送设备、注材针头、施工工艺等，其中

又以浆材的选用调配最为重要。国外发达国家一致很重视这方面的研究，重视这方面的技术和知识产权保护。

虽然混凝土结构体的注浆修补、防水堵漏等技术已经发展多年，但用于公路隧道衬砌的病害处治一直还处在尝试阶段。隧道的病害机理是极其复杂的，诱发的成因也比较多，现有的理论研究水平还不能从根本上解释这些现象，所以，从一些隧道病害的处治情况来看，相同的方法，效果却有好有坏，参差不齐，目前普遍存在工艺简单，材料的应用上也比较单一，有些隧道经过多次处治，仍未解决问题。所以研究适合于我国情况的隧道处治技术，建立自己的质量标准是非常必要的。

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随着公路设计线形标准的提高和建设里程数量的增加，特别是山区高速公路隧道将越来越多，高等级公路的隧道，使用年限长的已有十多年了，有的已经过两次以上的维修，病害仍未完全根治，养护维修的问题依然迫切，这就需要一种有效、实用的技术和明确的质量标准作为保障。

我省迫切需要建立自己的专业队伍，使公路隧道的病害处治朝着科学、规范化的方向发展。并通过本项目的研究建立具有指导性的工艺流程和技术方法，为今后的定标准和建立规范打基础。

4. 研究、开发实施方案（研究内容、技术关键、技术路线和研究期限等） 4.1 研究内容和技术关键

本项目为应用技术研究，分为三个专题，即用于防水补漏、裂缝处治和衬砌补强材料的试制和配制方法研究、施工工艺研究、机具及辅件的研究。技术关键点的几个方面：

4.1.1防水堵漏材料、灌注胶、填实胶、填实混凝土、面板粘接剂、膨润剂等材料的研制和使用配比；要求材料要有零收缩性或膨胀性、强粘接性和一定的强度和抗老化性能。技术的关键点是现有高分子材料的选择和使用配比，尽可能做到无溶剂、无固化体积变化。内容包含这些材料的性能、机理、使用条件、储存条件等。

4.1.2处治施工工艺研究，主要是针对隧道病害成因的多样性，其后期发展的不规则性，进行的方案设计，施工工艺研究的关键点，一是隧道病害成因及状态诊断，二是现场处治对策的设计，三是施工工艺及方法的合理运用。例如：无埋设物空管的引流方法处治渗水，斜孔法针孔型高压注浆方法处理裂缝等。内容包含这些方法及手段在实施过程中的技术要求和质量控制建议标准、监控量测方法。

4.1.3材料在固结前，性状是不同的，专用机具及辅件的研制十分重要，将材料填充到处治点或注入修补缺陷或粘贴在构件表面使其具有较好的粘附性，同时也还要考虑施工的效率、成本和外观质量问题。研究内容包含注浆密封件、修补材料灌注设备，创面清理设备等。技术的关键点是高压泵体及汇流器的研制及控制系统。 4.2 技术路线

资料查询——调研——形成个专题的研究试验大纲——开展实体依托过程的试验工作——对实体工程进行观测并采集相关数据进行分析——完善研究成果对实体工程进行效果评价——编写研究报告及有关技术文件——结题。 4.3 意向性依托工程：楚大线九鼎山隧道。

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5. 考核目标和技术经济指标

5.1 试验的实体工程经过处治后，经检测，必须达到病害症状消除的效果； 5.2合成不同用途的专用高分子材料和有相应的配合比； 5.3研制出一套专用的机具和施工辅件及工艺耗材；

5.4提出这套技术应用的经济分析报告；

5.5在国内率先建立公路隧道病害处治的施工技术指导书以及质量控制参考标准。

6. 研究开发进度

本项目预计18到22个月完成，以签订合同时间为起始时间，工作计划如下：

第1～3个月：进行相关资料收集、调研制定详细的研究方案和实施计划、联系确定试验实体工程；

第4～12个月进行实体工程的试验；

第13～15个月对试验实体工程进行观测，并进行相关数据采集、分析； 第16～18个月对课题的研究工作进行整理、分析和总结，编写总结报告。

7. 承担单位、参加单位的工作基础及能力 a. 承担单位

云南省公路科学技术研究所，是云南省公路修筑、养护、试验技术领域，具有领导地位的研究机构，有科技人员128人，固定资产2000多万元，近十年来，完成科研和科研推广项目300多项，获得国家、省、部级科技进步奖17项，拥有云南省公路试验检测最高资质。 注：参加单位专家均为高工，交通部试验检测工程师，多次获省、部级科技进步奖。 b. 参加单位

杭州国电水利电力工程有限公司（原华东勘测设计院科研所） 注：参加单位专家简介

包银鸿：教授级高级工程师， 1939年出生，1958年毕业于上海复旦大学化学系，《中国建筑防水》杂志编委，国家级工程材料研究专家，省级劳动模范，曾到美国从事聚合物混凝土课题研究，是化学灌浆协会主任委员；有突出贡献的中青年科技人员等称号，享受政府特殊津贴待遇，1991-1993年作为国家公派高级访问学者赴美国从事聚合物混凝土课题研究两年。 谭建平：教授级高工，高分子化学专业毕业，国家级注册化学工程师、谭建平专题小组近十次荣获国家、省、部级优秀质量管理小组荣誉。建筑防水工程二级项目经理。

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陈森森：高工，高分子化学专业毕业，从事水利、人防、建筑工程的防渗、补强、加固、防腐等系列的材料研究和工程施工设计工作，参加或领导完成了多个科研和工程项目，获得过省、部级优秀质量管理小组荣誉。

主要研究人员表

课题组成员姓名 承担单位 负责人 主要研究 道桥 项目的总体规划、管理和协调 负责可研性报告、研究大纲编制、试验研究、研究所属单位 性别 年龄 职 称 职 务 专 业 在项目担任工作 云南省公路科程丁生 研所 男 49 高工 人员 报告编写，负责机具及辅件的专题研究，参加施工工艺专题研究和现场试验方案制定。 云南省公路科武明 研所 云南省公路科吴东明 研所 云南省公路科张润民 研所 参加杭州国电水利公司 杭州国电水利谭建平 电力工程有限公司 江苏盐城市康陈森森 泰建筑灌浆技术有限公司

主要女 46 高工 研究人员 主要女 41 高工 研究人员 主要男 40 高工 研究人员 教授女 68 级高工 教授男 48 主要研究人员 主要参加试验检测及材料专题道桥 研究，参加材料的试验检测。 参加试验检测及材料专题道桥 研究，参加材料的试验检测。 参加试验检测编写试验检道桥 测报告，参加材料机理检测。 高分子材负责材料专题研究，并指料 导施工工艺研究。 高分子化负责施工工艺专题研究，学 制定现场试验计划。 单位 包银鸿 电力工程有限级 研究高工 人员 负责现场依托工程的试主要高分子材验，参加施工工艺专题和男 36 高工 研究料 材料专题研究，研究报告人员 编写。 -15-

8. 经费预算及合理性

项目经费及构成表 经费来源（万元） 申请补助款 自筹 工程配套款 贷款 216 —— 各项目自定 —— 经费支出预算（万元） 仪器、设备租用费 材料研究实验费（含现场工程试验材料费） 试验检测费 工时（台班）费 11 143 5 0 其它渠道拨款 —— —— —— —— 人员工资、差旅费 机械加工加工费 技术引进费 交通费 培训、会议费 资料印刷费 税金 管理 合计费 10 5 10（含调研） 3 5 1.32 11.88 (按5.5%计) 10.8(按5%计) 216 —— —— —— —— 合计 216 注：材料研究实验费（含现场工程试验材料费）使用计划 材料及其配合比研究，（主要分项目内容：防水堵漏材料、灌注胶、填实胶和填实混凝土、面板粘接剂）45万元；

施工工艺研究及工程试验82万元（包含现场实体工程的处治费用）； 施工机具及辅助材料开发16万元。 9. 经济和社会效益评估

9.1 为建立相关的技术质量标准提供依据，使隧道养护管理水平得到较大提高；

9.2 减少公路隧道病害，提高安全指数，延长隧道使用寿命，将创造明显的经济效益； 9.3 为建立我省的专业队伍打下基础。 9.4 此课题拓展使用领域：

9.4.1. 桥梁、大坝、水库、涵闸、地下蓄水池等基础防渗帷幕和地基或地基断层破碎带泥化夹层的加固；

9.4.2. 大堤、渠道、渡槽等的防渗堵漏及的加固；

9.4.3. 核电站等的地基加固和混凝土裂缝补强加固和封闭止水防渗；

9.4.4. 地上混凝土建筑物、构筑物(如混凝土坝、城市大厦、桥梁、工厂、油、气和粮库等)的地基加固和混凝土裂缝补强加固；

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9.4.5. 地下建筑物(如地铁、人防、隧道等 )的防渗、堵漏止水、地基加固和裂缝的补强加固；

9.4.6. 石油钻井开采中的堵漏止水、钻孔护壁混凝土裂缝加固和驱油； 9.4.7. 桥基加固及桥体裂缝补强；

9.4.8. 机场跑道和停机坪、公路和铁路特殊路段的软弱地层加固、防渗和混凝土裂缝补强加固；

9.4.9. 江河海港工建筑物 (如码头、船闸、防波堤等)的基础混凝土防渗和裂缝加固； 9.4.10.文物和古建筑物的裂缝修补和保护等；

9.4.11.地震、洪水、泥石流、滑破后对建筑物桥梁隧道损害造成混凝土裂缝的补强加固和防水堵漏。

9.5用此课题每年可以为我省的隧道和桥梁裂缝加固和渗漏水整治养护和新建隧道桥梁缺陷修复和病害处治节省大量费用，也可以拓展到其他省份的处治工程，也可以跨行业使用本课题相关混凝土缺陷处治技术来修复工程质量缺陷，治理工程隐患，将取得较好的社会效益和经济效益，建立起我省自己的专业队伍。 10. 其它需要说明的问题

10.1. 外聘专家科研费和劳务费将由承担单位与其协商确定出；研究成果及技术专利属承担单位。

10.2. 项目依托工程情况及其他必要支撑条件，包括依托工程概况，投资来源、工程进度、项目科研进度的配合等，只在省内选择和确定。

“公路隧道衬砌病害处治材料及技术”

可行性研究报告专家评审意见

由云南省交通厅于2008年8月18日在长沙组织召开了“公路隧道衬砌病害处治材料及技术” 研究项目可行性研究报告专家评审会，与会专家（名单附后）听取了项目组的汇报，审阅了项目可行性研究报告，经讨论形成评审意见如下：

1、开展公路隧道衬砌病害处治材料及技术研究，对云南省公路建设与养护有重要意义。 2、研究目标明确，研究方法、技术路线基本可行。 3、承担单位、参加单位具有相应的科研水平和研究基础。 专家组同意修改可行性研究报告后立项。 专家组建议：

（1） 进一步完善实施方案和技术路线。 （2） 加快落实依托工程。

专家组组长： 副组长： 2008年8月18日

与会专家评审意见概要记录

许晓锋

1、对隧道病害应有分类、成因分析，提出典型病害，并提出处治方案；

2、要明确在课题中是应用材料还是开发材料？

3、处治的工法和机具的确定，机具是作小的改进还是委托试制？施工机具的开发不应当作为本课题的主要研究内容；

4、针对问题实际，项目可行，但应修改内容，并落实依托工程及服务对象。 赵明华

1、报告对隧道渗水的处理，没有体现出来，没有提出处治方案； 关宝树

1、隧道衬砌渗水，应首先考虑排水，而不是堵水；本课题着重考虑堵水，不恰当；应分不同情况，考虑堵排结合，确定处治渗水的原则； 2、研究材料的使用范围及选择；

3、研究材料的使用不能造成环境污染；原则是无害；

4、隧道衬砌开裂应分不同情况，采取不同的材料和处治措施；如：有水压的时候不能单纯采用堵的方案，而是要先引排，而后再采取堵的措施； 5、课题题目与内容不太符合；

6、报告第1句话不合适；不是“我国目前已成为世界上公路隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家”，而是“我国目前已成为世界上隧道工程数量最多、最复杂、发展最快的国家。”

2008年8月18日

公路隧道衬砌病害处治材料及技术研究 立项评审专家组名单 序号 评审会职务 姓名 1 专家组组长 邵旭东 2 工作单位 湖南大学 所学专业 桥梁 现从事专业 桥梁 职称/职务 教授 签名 专家组副组重庆交通科研设计许晓锋 桥梁工程 桥梁工程 研究员 长 院 桥梁 隧道 路桥 桥梁 桥梁 隧道 岩土工程 桥梁 教授 教授 教授 教授 教授 西南交大 湖南大学 湖南大学 湖南大学 3 专家组成员 姜增国 武汉理工大学 4 专家组成员 关宝树 5 专家组成员 陈昌富 6 专家组成员 赵明华 7 专家组成员 刘光栋 岩土工程 岩土工程