黃土隧道仰拱裂縫滲水原因分析及處治措施

索建波

(中鐵二十局集團市政工程有限公司， 甘肅 蘭州 730046)

0 引言

黃土在我國分布很廣，面積約63萬km2，其中濕陷性黃土約占3/4，遍及甘肅、陜西、山西的大部分地區(qū)以及河南、寧夏、河北等部分地區(qū)。近些年隨著國家“一帶一路”政策的推行，中西部地區(qū)的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了長足發(fā)展，隧道選線時難以避免將穿越各種類型的黃土地層。由于地表降水滲透等原因?qū)е滤淼乐車馏w含水率較高，隧道襯砌結(jié)構(gòu)周邊水壓力較大，隧道結(jié)構(gòu)裂縫處將出現(xiàn)滲水。通過對已運營隧道病害的統(tǒng)計分析，隧道襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水為最常見的病害，有著“十隧九漏”的說法。仰拱裂縫滲水作為襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水的一種，對后期運營造成的危害巨大，一方面滲水導(dǎo)致位于寒區(qū)的隧道路面結(jié)冰，影響行車安全，另一方面襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)水的凍脹造成體積膨脹，從而對混凝土造成凍害。而凍害是寒冷地帶導(dǎo)致襯砌混凝土劣化的主要原因。因此有必要對黃土隧道仰拱滲水原因進行分析，并在施工階段采取必要的措施以避免仰拱襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。

文章通過對蒙華鐵路某黃土隧道仰拱裂縫滲水的原因分析并針對裂縫滲水的不同情況提出了兩種處治措施，可為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況

蒙西到華中煤運鐵路是國內(nèi)一次建成最大規(guī)模的運煤專線，線路北起內(nèi)蒙古浩勒報吉，終點到達江西省吉安，線路全長1837km，規(guī)劃設(shè)計輸送能力為2億t/年。跨越蒙、陜、晉、豫、鄂、湘、贛七省區(qū)，投資概算1700億元，是繼大秦線（山西大同至河北秦皇島）之后國內(nèi)又一條超長距離的運煤大通道。

蒙華鐵路某隧道位于陜西省延安市境內(nèi)，隧道全長1369m，最大埋深138m，為單洞雙線隧道。洞身穿越地層范圍內(nèi)為砂質(zhì)新黃土、黏質(zhì)老黃土、粉質(zhì)黏土。隧道區(qū)地下水主要為第四系孔隙水，主要受大氣降水補給，向兩側(cè)山谷排泄。隧道洞身處主要為第四系孔隙潛水，水量受季節(jié)影響較大。設(shè)計正常涌水量125m3/d，最大涌水量326m3/d。

2 黃土隧道仰拱裂縫滲水機理分析

2.1 裂縫產(chǎn)生原因分析

（1）由于蒙華鐵路為煤運重載鐵路，為確保二襯仰拱的整體性，業(yè)主要求仰拱施工采用40m長棧橋，一次施作長度24m。在隧道基底地質(zhì)發(fā)生變化處，地基承載力不同，二襯仰拱若在該處未設(shè)置施工縫，二襯仰拱澆筑完成后，在車輛荷載的作用下，極易導(dǎo)致該處產(chǎn)生橫向貫通裂縫[1]。

（2）對于黃土隧道，施作二襯仰拱前基底清理較困難，尤其當(dāng)基底滲水時，黃土遇水成泥，人工清理難度大大增大。若局部未清理干凈，二襯仰拱澆筑后在車輛荷載的作用下將會產(chǎn)生沿隧道走向呈斜向的裂縫。該類裂縫出現(xiàn)一般具有不確定性和延時性。

2.2 滲水原因分析

黃土是第四紀干旱和半干旱氣候條件下形成的一種特殊沉積物。顏色多呈黃色、淡灰黃色或褐色；顆粒組成以粉土粒為主，約占60%～70%，粒度大小較均勻，粘粒含量較少，一般僅占10%～20%；含碳酸鹽、硫酸鹽及少量易溶鹽；孔隙比大，一般在1.0左右，且具有肉眼可見的大孔隙；具有垂直節(jié)理，常呈現(xiàn)直立的天然邊坡。在土體細小的孔隙和裂隙中，受毛細作用控制的水叫毛細水，其是巖土中三相界面上毛細力作用的結(jié)果。對于土體來說，毛細水上升的快慢和高度決定于土顆粒的大小，土顆粒愈細，毛細水上升高度愈大，上升速度愈慢。砂土及粘性土類毛細水上升最大高度見表1。

表1 毛細水上升高度（單位：cm）

根據(jù)楊新安等人的研究結(jié)果表明，隧道內(nèi)產(chǎn)生滲水的主要原因是建造隧道會破壞山體原始的水系平衡，導(dǎo)致原有的地下水滲流通道發(fā)生了改變，隧道成為了所穿越地區(qū)山體附近地下水匯聚的通道，導(dǎo)致隧道處于地下水包圍之中。對于黃土隧道而言，土體中的含水量與降雨量及隧道埋深均有一定的關(guān)系。當(dāng)隧道穿越溝谷時，隧道周圍土體含水量較大，隧道周圍土體與含水地層連通，若隧道防排水施工存在缺陷或襯砌結(jié)構(gòu)存在裂縫，勢必會導(dǎo)致裂縫處出現(xiàn)滲水。該隧道仰拱裂縫滲水集中區(qū)域縱斷面見圖1。

圖1 仰拱裂縫滲水集中區(qū)域縱斷面圖

此外，對于隧道穿越區(qū)地下水水位較深的地層，在毛細力作用下，一部分水也會沿著細小孔隙上升，能在地下水面以上形成毛細帶。毛細水能做垂直運動，可以傳遞靜水壓力。導(dǎo)致開挖時基底干燥的隧道在施工完仰拱后裂縫也會出現(xiàn)滲水現(xiàn)象[2]。

3 處治措施

3.1 裂縫處治方案概述

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查統(tǒng)計，該隧道仰拱裂縫均為橫向裂縫，寬度＜3mm，共計15條，其中滲水裂縫有8條，無水裂縫7條。裂縫集中分布于隧道400m長度范圍內(nèi)。全部裂縫累計長87.5m。

對于隧道內(nèi)仰拱裂縫按照滲水情況進行分類，劃分為無水、有水兩種，分別采取不同的處治措施。對于無水地段及滲水輕微的仰拱裂縫采取以堵為主的治理原則，處治措施采取表層開槽填筑10cm厚柔性聚氨酯封閉，下部裂縫灌注環(huán)氧樹脂漿液。對于滲水嚴重的仰拱裂縫采取以排為主的處治原則，采取裂縫處開槽埋管將滲水引排至兩側(cè)水溝內(nèi)，槽內(nèi)回填摻膨脹劑的高強度細石混凝土。

3.2 裂縫封堵處治措施

對于無水地段的仰拱裂縫及滲水輕微的仰拱裂縫按照以堵為主的原則進行治理，裂縫內(nèi)灌注環(huán)氧樹脂漿液進行封堵。

對于有水地段仰拱裂縫滲水不嚴重的區(qū)域。裂縫表面僅有少許水跡。

在仰拱裂縫在處治之前，先將裂縫走向沿填充頂面標記清楚，開槽按照標線進行，開槽后將槽內(nèi)雜物、虛渣用高壓水清理干凈，驗收合格后方可進行環(huán)氧樹脂灌漿。

仰拱裂縫處治使用的環(huán)氧樹脂灌漿材料是采用低粘度環(huán)氧樹脂和新型固化劑，漿液粘度低、表面張力及接觸角小，在干、濕及有水條件下均能很好的固化，具有良好的浸潤和抗?jié)B性能，同時具有一定的力學(xué)性能。

壓漿采用專用的注漿管，先用沖擊電鉆打孔，孔徑15mm，孔深10cm。然后在注漿管口涂抹環(huán)氧樹脂漿液并用鐵錘打入孔內(nèi)。注漿口間距根據(jù)裂縫寬度而定，一般為50～60cm。鉆孔清理干凈后安裝注漿針管，注漿針管長10cm，安裝時外露2cm，以便于注漿設(shè)備連接。

壓漿時將注漿針管與注漿嘴聯(lián)結(jié)，每次聯(lián)結(jié) 2個注漿嘴，注漿順序為間隔注漿。如圖2所示。

圖2 注漿嘴聯(lián)結(jié)示意圖

注漿時如果相鄰的管口有漿液流出，即表明注漿飽滿，結(jié)束該管口注漿作業(yè)。若裂縫內(nèi)漿液未能充填飽滿，可在該孔口周圍補鉆孔重新壓漿，每條裂縫注漿結(jié)束后即可進行槽內(nèi)柔性聚氨酯封閉作業(yè)。注漿結(jié)束后要及時用丙酮清洗注漿設(shè)備及管道，防止管路系統(tǒng)固結(jié)堵塞[3]。

3.3 裂縫滲水引排處治措施

對于有水地段仰拱裂縫滲水較嚴重的區(qū)域，一般來說，此類裂縫黃土地層中土體含水率較大，普遍達到 20%以上，土顆粒中的水通過裂縫直接涌出仰拱填充面，造成填充面出現(xiàn)積水。此類裂縫采取以排為主的處治原則，采取裂縫處開槽埋管將滲水引排至兩側(cè)水溝內(nèi)。

3.3.1 處理流程及處理方案

處理流程主要如下：開槽→槽面清理→U型PVC管材安裝→防裂網(wǎng)片安裝→微膨脹混凝土回填。

（1）開槽：在滲水、冒水范圍內(nèi)進行開槽處理，將仰拱填充頂面鑿開 16cm（寬）×15cm（深）倒梯形溝槽接通至隧道水溝電纜槽內(nèi)，槽內(nèi)坡度≥2%，與水溝電纜槽連接處槽口高出水溝電纜槽底部5cm。

（2）槽面清理：槽內(nèi)浮渣、虛渣等清理干凈，槽底平整，確保U型PVC管材安裝平整，槽面清理完成后在槽內(nèi)兩側(cè)施工縫表面涂刷 2層水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料防水。

（3）U型PVC管材安裝：從滲水位置安裝U型PVC管材，U型PVC管材出水口采用PVC管形成圓口聯(lián)通至水溝電纜槽內(nèi)，U型PVC管材兩側(cè)采用M15砂漿將U型PVC管材與槽底進行封堵，防止混凝土回填時水泥漿進入管材內(nèi)，造成管材內(nèi)堵塞。

（4）安裝鋼筋網(wǎng)片及混凝土回填：距填充頂面以下5cm安裝防裂鋼筋網(wǎng)片，開槽部位采用微膨脹混凝土回填密實。具體斷面圖詳見圖3。

圖3 仰拱裂縫滲水處處理斷面圖

3.3.2 其他注意事項

混凝土回填后，混凝土表面墊鋼板，待回填混凝土強大達到100%后方可移除，開槽完成后必須將虛渣清除，不密實處鑿除處理，回填混凝土前新舊混凝土面保持濕潤。

4 結(jié)束語

綜上所述，隧道仰拱裂縫滲水作為隧道病害的一種，產(chǎn)生的原因較復(fù)雜，在隧道勘查設(shè)計階段就要預(yù)防可能出現(xiàn)的病害，進行合理設(shè)計。施工階段發(fā)現(xiàn)此類病害必須進行徹底治理，否則將會對后期的交驗和運營產(chǎn)生的很大影響。

該黃土隧道按照以上處治方案對隧道內(nèi)所有的仰拱裂縫進行處理后，滲水裂縫處不再滲水，裂縫處理達到預(yù)期效果。一方面為后期工程交驗奠定了良好基礎(chǔ)，同時也為類似隧道缺陷的治理提供了一種思路。

[1]邵生俊，楊春鳴，焦陽陽，等.濕陷性黃土隧道的工程性質(zhì)分析[J].巖土工程學(xué)報，2013，35（09）：1580～1590.

[2]盧穎明，陳禮偉.既有隧道病害現(xiàn)象分類及原因分析[J].鐵道建筑，2010（11）：46～49.

[3]張雷順，馬俊斌，張照方.隧道工程滲漏治理分析[J].人民黃河，2009（02）：96～97.