巖溶區(qū)富水運(yùn)營隧道襯砌病害發(fā)展成因分析

楊 正 璇

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 概述

國外曾對(duì)公路隧道病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，80%的嚴(yán)重病害隧道是在營運(yùn)30年后發(fā)生的，國內(nèi)很多研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，漏水隧道數(shù)量竟占50.4%，有的區(qū)段高達(dá)94%，嚴(yán)重漏水的約占其中的1/3。我國隧道建設(shè)由于地質(zhì)條件復(fù)雜性，運(yùn)營期間的安全性與風(fēng)險(xiǎn)管理成為最為關(guān)注的問題[1]。不少專家與研究人員在以下方面展開頗有成就的研究工作。周宗青[2]利用風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)評(píng)估模型及風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避方法進(jìn)行實(shí)時(shí)控制確保隧道的施工安全。馮冀蒙對(duì)運(yùn)營隧道病害分布規(guī)律，依據(jù)地下水的發(fā)育情況、圍巖巖性等基本指標(biāo)對(duì)圍巖環(huán)境進(jìn)行了等級(jí)劃分[3]。張素磊[4]提出隧道襯砌病害的主成因有襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、圍巖處理不當(dāng)和塑性地壓4個(gè)因素。現(xiàn)有的研究是圍繞施工與運(yùn)營期間巖溶隧道所暴露出來的問題而展開的，但鮮有人從巖溶區(qū)地表塌陷與隧道病害關(guān)聯(lián)因素上進(jìn)行研究，本文以某隧道為例采用地下水示蹤試驗(yàn)、地質(zhì)勘察、統(tǒng)計(jì)分析等手段，得到地表塌陷對(duì)巖溶隧道襯砌病害發(fā)展成因機(jī)制。

2 地下水示蹤試驗(yàn)

2.1 示蹤試驗(yàn)方案

隧道水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，斷裂構(gòu)造或破碎帶地段可能出現(xiàn)突水、涌水。SZK6,SZK7,SSZK5鉆孔均出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，該段斷裂構(gòu)造發(fā)育，具承壓性，且水量較大，其中SZK6孔孔口涌水量為112 m3/d，SZK7孔孔口涌水量為15 m3/d，SSZK5孔孔口涌水量為52.8 m3/d(如圖1所示)。巖溶不良地質(zhì)發(fā)育、在隧道所在位置存在多個(gè)斷裂帶與破碎帶、在富含地下水且在降雨條件下由于地下水的運(yùn)動(dòng)加重地面塌陷范圍的擴(kuò)大，并將導(dǎo)致新的地面塌陷。

2.2 示蹤試驗(yàn)過程

連通試驗(yàn)是一種較為直接的研究地下水流動(dòng)的技術(shù)，利用某種示蹤物質(zhì)在上游點(diǎn)的投放，并在下游利用儀器一起進(jìn)行監(jiān)測，來證實(shí)是否有水力聯(lián)系。試驗(yàn)采用的示蹤劑為熒光素鈉和羅丹明，監(jiān)測儀器為示蹤儀，分別在隧道左右兩端開展。試驗(yàn)共設(shè)置了10個(gè)投放點(diǎn)和9個(gè)接收點(diǎn)。隧道頂部為分水嶺，雨季地表徑流流量大、流速快，可以排除遠(yuǎn)程地下水補(bǔ)給的可能。雨季地表徑流發(fā)育，降雨多形成坡向流，最終在隧道頂部選擇了10個(gè)投放點(diǎn)與9個(gè)接收點(diǎn)。

隧道南段為灰?guī)r，灰?guī)r為含水層，隧道區(qū)主要的塌陷和漏洞都在此處，所以在隧道南段設(shè)置10個(gè)投放點(diǎn)，并布設(shè)5個(gè)接收點(diǎn)，以了解地下水的流動(dòng)途徑。隧道北段為砂巖，相對(duì)于灰?guī)r，砂巖為隔水層，理論上沒有較大流量的地下水，且區(qū)域內(nèi)沒有明顯塌陷或漏洞，所以沒有在此設(shè)投放點(diǎn)，但仍設(shè)了4個(gè)接收點(diǎn)進(jìn)行取樣，論證南段投放點(diǎn)的水沒有流到此處。第一次主要是在隧道進(jìn)口段右塌陷區(qū)投放示蹤劑，共分兩批次投放4個(gè)點(diǎn)。

各監(jiān)測點(diǎn)接收情況是：第一批次實(shí)驗(yàn)JS-01，JS-02無反應(yīng)，未檢出藥劑，JS-03點(diǎn)檢測到熒光素鈉，JS-04，JS-09均未檢出藥劑；第二批次實(shí)驗(yàn)JS-01，JS-02無反應(yīng)，JS-03點(diǎn)檢測到熒光素鈉和羅丹明，JS-04點(diǎn)檢測到熒光素鈉，JS-09未檢出藥劑。從以上分析可知，隧道右側(cè)的6號(hào)～10號(hào)溝的水主要在隧道右側(cè)流出。隧道另一端的JS-05～JS-08點(diǎn)均無明顯反應(yīng)，未檢測出熒光素鈉或羅丹明，可以判斷右塌陷區(qū)的水沒有流到隧道北段。第二次共分三批次投放6個(gè)點(diǎn)，主要是在隧道進(jìn)口段左塌陷區(qū)和中塌陷區(qū)，同時(shí)在隧道右塌陷區(qū)有一投放點(diǎn)TF-05。各監(jiān)測點(diǎn)接收情況是：第三批次實(shí)驗(yàn)JS-02點(diǎn)檢測到羅丹明，JS-03同時(shí)檢測到熒光素鈉和羅丹明，其余各接收點(diǎn)均未檢測出藥劑；第四批次實(shí)驗(yàn)JS-01,JS-02點(diǎn)檢測到熒光素鈉，JS-04點(diǎn)檢測到羅丹明，其余各接收點(diǎn)均未檢測出藥劑；第五批次實(shí)驗(yàn)JS-01，JS-02點(diǎn)同時(shí)檢測到了熒光素鈉、羅丹明，其余各接收點(diǎn)均未檢測出藥劑。

2.3 試驗(yàn)分析

如圖2所示，按照隧道左右兩側(cè)兩條截水溝及3條山脊將隧道進(jìn)口病害段頂部劃分為A～F共六塊匯水區(qū)及隧道進(jìn)口段左、中、右三塊塌陷區(qū)。隧道頂部的不同塌陷區(qū)，面積大小不同、匯水區(qū)域不同，地表水、地下水的去向也不一樣。可以判斷本塌陷區(qū)內(nèi)水均未流入隧道北段，左塌陷區(qū)主要流入隧道左線，中塌陷區(qū)流入隧道兩線，右塌陷區(qū)主要流入隧道右線。JS-09點(diǎn)位于右側(cè)隧道內(nèi)，五次試驗(yàn)均未檢測出藥劑，推測為其與本次地質(zhì)調(diào)查區(qū)域內(nèi)塌陷點(diǎn)關(guān)系不大，主要受灰?guī)r裂隙水影響。

3 結(jié)語

灰?guī)r巖溶區(qū)巖溶發(fā)育、不利地層巖性、富水地質(zhì)、斷裂構(gòu)造條件很大程度決定隧道進(jìn)口段襯砌滲水區(qū)域最嚴(yán)重，其不利地質(zhì)條件提供襯砌病害發(fā)生發(fā)展的天然內(nèi)部條件。地面塌陷導(dǎo)致地表水大面積滲入地下，與巖溶空洞、斷裂構(gòu)造形成滲流通道改變隧道襯砌周邊水土壓力狀態(tài)加重襯砌病害。

綜上所述，此隧道病害主要受斷裂構(gòu)造、不良圍巖、豐富地下水、巖溶空洞的影響，降雨與地下水作用加速地表塌陷，大量地表水入滲，水土壓力及不良圍巖與溶洞改變隧道受力狀態(tài)，其病害逐年增加并呈發(fā)展趨勢，建設(shè)之前應(yīng)對(duì)地面塌陷與斷裂帶進(jìn)行工程災(zāi)害評(píng)估及預(yù)處理，竣工之后對(duì)重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)跟蹤監(jiān)控，從隧道內(nèi)部到外部分層次采取對(duì)應(yīng)的處治措施，為類似病害加速發(fā)展的巖溶區(qū)富水運(yùn)營隧道的防治提供工程參考。

[1] 馮冀蒙.既有隧道病害分布規(guī)律及圍巖環(huán)境等級(jí)劃分研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2013(4):35-41.

[2] 周宗青,李術(shù)才,李利平,等.淺埋隧道塌方地質(zhì)災(zāi)害成因及風(fēng)險(xiǎn)控制[J].巖土力學(xué),2013(5):1375-1382.

[3] 錢七虎.地下工程建設(shè)安全面臨的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(10):1945-1956.

[4] 張素磊.基于對(duì)應(yīng)分析模型的隧道襯砌病害主成因挖掘[J].中國鐵道科學(xué),2012(2):54-58.