山西省長(zhǎng)平高速公路杜公嶺隧道特殊水文地質(zhì)病害變形機(jī)理與處治技術(shù)

張王雷

（山西省第三地質(zhì)工程勘察院，山西 晉中 030600）

1 工程與病害概況

1.1 工程概況

杜公嶺隧道為上下行分離四車道長(zhǎng)隧道，左洞全長(zhǎng)2 474 m，右洞全長(zhǎng)2 515 m。左、右洞中線距離40 m，隧道最大埋深231 m。線路走向近東西向，進(jìn)口端設(shè)計(jì)底板標(biāo)高1 269.11 m，出口端設(shè)計(jì)底板標(biāo)高1 206.5 m，設(shè)計(jì)縱坡2.65%～2.90%，路面整體東高西低。隧道洞身穿過的地層圍巖主要為碳酸鹽巖類地層。

1.2 病害概況

至2014年4月隧道病害加劇，隧道停止通行，病害總長(zhǎng)度達(dá)1 km，出現(xiàn)的病害有襯砌裂縫、路面隆起、脫空、開裂、電纜溝變形及二襯滴滲水。

a）隧道襯砌裂縫病害段左右洞各達(dá)1 km，分布位置邊墻居多，拱腰、拱頂較少；裂縫形式主要表現(xiàn)為環(huán)向、縱向和斜向裂縫，可見裂縫寬度均是外寬內(nèi)窄，局部伴有襯砌崩裂和拱頂?shù)魤K現(xiàn)象。

b）病害段部分地段路面隆起、脫空、開裂現(xiàn)象嚴(yán)重。路面脫空段左洞507 m，右洞543 m，最大脫空達(dá)15 cm；路面隆起段左洞217 m，右洞215 m，最大隆起達(dá)65 cm；路面裂縫最大寬度20 mm，伴生于路面隆起及脫空段。

c）電纜溝變形段總長(zhǎng)524 m，變形特征以電纜溝內(nèi)傾、開裂為主，左洞病害段長(zhǎng)483 m，右洞長(zhǎng)162 m。

d）隧道二次襯砌局部滲水、滴水現(xiàn)象明顯。

2 病害段隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)

以《公路工程質(zhì)量檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)隧道斷面、二襯強(qiáng)度、二襯厚度、二襯鋼筋設(shè)置、仰拱設(shè)置等進(jìn)行檢測(cè)（表1），可見隧道結(jié)構(gòu)均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表1 隧道結(jié)構(gòu)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)表

3 隧道地質(zhì)條件與成因分析

3.1 隧道工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)褶皺發(fā)育，但褶皺規(guī)模不大，巖層局部變形，為開闊褶皺，巖層傾角較??；洞體中部發(fā)育逆斷層1條，斷層與隧道近正交，傾角85°，斷距約20～30 m，可見2～3 m厚破碎帶，該斷層在隧址區(qū)地表可見延伸長(zhǎng)度約300 m。隧道洞身山體頂部分布有寬4～10 m，可見深度1.5～9 m鐵礦采坑數(shù)十個(gè)（圖1）。

圖1 杜公嶺隧道工程地質(zhì)剖面圖（單位：m）

病害段隧道圍巖為碳酸鹽巖地層夾石膏巖，石膏分布呈蜂窩狀，為非連續(xù)分布。在勘查過程中揭露石膏并化驗(yàn)（表2）。

表2 鉆孔石膏巖化驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

區(qū)內(nèi)地下水為上層滯水，降雨入滲是區(qū)內(nèi)地下水的唯一補(bǔ)給來源。

3.2 變形機(jī)理分析

a）隧道開挖、建設(shè)改變隧址區(qū)地下水滲透條件隧道的開挖阻斷了原有地下水滲透通道，隧道隔水系統(tǒng)使入滲水在隧道洞身聚集，隧道基底成為地下水的排泄面與匯水廊道。

b）區(qū)內(nèi)構(gòu)造作用 病害段主要發(fā)育于斷層以西，斷裂構(gòu)造使病害段圍巖為泥灰?guī)r及石膏夾層；洞頂采礦坑的集中分布，為地表水的入滲提供了良好儲(chǔ)水條件，斷裂構(gòu)造也為地下水下滲提供了良好通道。

c）石膏與地下水共同作用 石膏具有吸水膨脹、失水收縮的變形特征，雨季基底圍巖吸水飽和后體積膨脹，造成仰拱混凝土結(jié)構(gòu)隆起上鼓變形，旱季基底圍巖失水收縮，部分仰拱與路面因發(fā)生塑性變形過大而無法復(fù)位，形成路面脫空。

d）泥灰?guī)r遇水軟化 經(jīng)試驗(yàn)，隧道圍巖中泥灰?guī)r軟化系數(shù)一般為0.414～0.794，地下水與泥灰?guī)r作用，使泥灰?guī)r軟化，圍巖強(qiáng)度及圍巖級(jí)別降低，導(dǎo)致隧道病害發(fā)育。

e）地下水對(duì)隧道襯砌混凝土的影響 地下水接觸到可溶于水的石膏，隨著硫酸根離子濃度的增大，而對(duì)混凝土具有一定的腐蝕性。水的腐蝕作用隨著時(shí)間推移，水量和水溫隨季節(jié)變化，其腐蝕性也呈強(qiáng)弱交替，反復(fù)作用，導(dǎo)致初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度逐漸降低，并最終失去承載力；在隧道滲漏水及防水板破壞處，地下水的腐蝕范圍擴(kuò)散到二襯混凝土，影響程度將越發(fā)嚴(yán)重，直接導(dǎo)致隧道二襯結(jié)構(gòu)的破壞。

f）氣候變化 當(dāng)?shù)貧夂蚝导九c雨季交替明顯，隨著季節(jié)交替，隧道圍巖干濕交替，也加劇了石膏及其他可溶性硫酸鹽巖的破壞作用。

4 降排水應(yīng)急處治

4.1 應(yīng)急處治實(shí)施方案

針對(duì)隧道病害情況，2015年12月對(duì)隧道進(jìn)行了降排水應(yīng)急處治。按照“封、疏、排相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則進(jìn)行處治。

a）封 對(duì)上部采礦礦坑回填、密封，最大限度減少降雨經(jīng)礦坑入滲補(bǔ)給隧道滲水。2014年11月，采取回填碎石土、黏土和漿砌片石等形式對(duì)第一批28個(gè)洞頂?shù)V坑進(jìn)行了回填處治，2016年1月開始采取回填碎石土、黏土和漿砌片石形式對(duì)第二批49個(gè)礦坑進(jìn)行處治，并于2016年3月2日全部完成。

b）疏 在隧道主要病害段設(shè)置降水井，布孔間距10～15 m，孔深40 m，并根據(jù)病害發(fā)育程度適當(dāng)調(diào)整；并結(jié)合地質(zhì)鉆探取芯、孔內(nèi)影像等技術(shù)。共計(jì)完成降水井201個(gè)（左洞 113個(gè)，右洞88個(gè)），7 987 m，孔內(nèi)影像72個(gè)。2015年12月27日開工，2016年1月31日完工，歷時(shí)36 d。

c）排 在邊墻明顯滲水點(diǎn)設(shè)置邊墻斜孔，孔深20～30 m，共完成邊墻斜孔82個(gè)（左洞41個(gè)，右洞41個(gè)）1 963 m。2015年12月27日開工，2016年1月31日完工，歷時(shí)36 d。

4.2 應(yīng)急處治效果

截至2014年4月監(jiān)測(cè)效果顯示應(yīng)急工程取得以下成果：

a）總體上看，拱頂沉降、襯砌裂縫發(fā)展變化、周邊位移呈減緩趨勢(shì)。

b）降排水工程有一定效果，能將路面以上水排到隧底40 m以下，使拱頂沉降、裂縫發(fā)展及周邊收斂呈減緩趨勢(shì)。

c）典型病害處大部分豎孔內(nèi)有水，進(jìn)一步印證了水是影響病害發(fā)展的主要因素。由于巖層的不均性及地下水分布的不規(guī)律性，路面隆起總體態(tài)勢(shì)未見減緩。

5 后期處治建議

根據(jù)目前隧道病害發(fā)展情況，僅靠單一的防排水措施難以在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到全面控制病害發(fā)展的效果，建議盡早實(shí)施綜合處治方案。并應(yīng)考慮以下兩個(gè)方面的特殊性。

a）應(yīng)根據(jù)病害的發(fā)育程度，對(duì)初級(jí)支護(hù)及二襯采取對(duì)應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，并適當(dāng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增大仰拱的矢跨比。

b）考慮區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件的特殊性和地下水的腐蝕性，應(yīng)考慮材料的防水及抗腐蝕性。