在運(yùn)營高速公路隧道涌水災(zāi)害應(yīng)急搶險(xiǎn)處治研究

劉卓華 朱貴

隧道涌水突泥問題在當(dāng)前運(yùn)營隧道中屢見不鮮，究其原因主要有：不規(guī)范施工、不良地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)問題、極端天氣等等影響因素。文章以云貴高原西南麓某山區(qū)高速公路在運(yùn)營石灰?guī)r隧道為例，采用地質(zhì)雷達(dá)檢測、裂縫綜合測試儀查明隧道襯砌缺陷和背后溶洞的發(fā)育情況，分析了隧道病害成因，并運(yùn)用工程類比方法，結(jié)合運(yùn)營風(fēng)險(xiǎn)、施工安全、質(zhì)量控制、投資控制、施工工期等因素綜合考慮確定應(yīng)急處治方案，對類似地質(zhì)條件在運(yùn)營隧道涌水災(zāi)害搶險(xiǎn)處治提供參考。

在運(yùn)營;灰?guī)r區(qū);應(yīng)急搶險(xiǎn);隧道;涌水災(zāi)害;處治措施

U456.3+2A361264

0 引言

“十三五”期間，我國建成了大量山區(qū)高速公路，然而，山區(qū)高速公路均存在橋隧比高、建設(shè)難度大、投資大、地質(zhì)復(fù)雜等特點(diǎn)，常設(shè)計(jì)大量橋梁、隧道、高填深挖路基。近年來在運(yùn)營山區(qū)高速公路隧道問題越來越多，極端天氣下，石灰?guī)r地區(qū)隧道涌水災(zāi)害問題尤為突出。

針對各種類型隧道水害處治，眾多學(xué)者作了大量研究。左清軍等[1]總結(jié)隧道宏觀變形演化歷史，分析跨越斷層富水軟巖隧道塌方的影響因素及圍巖失穩(wěn)破壞模式，據(jù)此提出針對性的處治措施;焦艷彬等[2]通過喀斯特巖溶地區(qū)鳳凰隧道塌方冒頂實(shí)例，對該隧道塌方冒頂?shù)慕?jīng)過與原因進(jìn)行了分析，提出了處置巖溶地區(qū)塌方冒頂?shù)膶?shí)施方案;馬環(huán)宇[3]通過對隧道病害發(fā)生原因的分析，針對該隧道的具體情況并結(jié)合以前相似病害的處治實(shí)例，采取對病害段進(jìn)行超前支護(hù)，提高圍巖支護(hù)等級，并對涌水段實(shí)施排與堵相結(jié)合的處治措施。盡管眾多研究人員及設(shè)計(jì)工作者做了大量工作，但因各個(gè)隧道地形、地質(zhì)條件等特點(diǎn)不同，石灰?guī)r地區(qū)隧道涌水問題依舊突出。

本文以云貴高原西南麓某山區(qū)高速公路在運(yùn)營石灰?guī)r隧道涌水災(zāi)害為例，采用地質(zhì)雷達(dá)檢測、裂縫綜合測試儀查明隧道襯砌缺陷和背后溶洞的發(fā)育情況，對病害情況進(jìn)行深入勘察，推斷出巖溶分布規(guī)律、規(guī)模、大小以及地下水補(bǔ)-經(jīng)-排之間關(guān)系，提出應(yīng)急處治方案，對后期類似地質(zhì)條件在運(yùn)營隧道涌水災(zāi)害處治提供借鑒和參考。

1 隧道工程概況

金蘭2號隧道位于廣西河池市東蘭縣境內(nèi)，為分離式長隧道。左線起止樁號為Z4K32+035～Z4K34+320，設(shè)計(jì)長度為2 285 m，進(jìn)、出口路基設(shè)計(jì)高程分別為573.5 m、583.6 m，最大埋深約337 m。設(shè)計(jì)為雙洞單行，左右洞各2條車道，設(shè)計(jì)車速為80 km/h。

1.1 工程地質(zhì)概況

隧道位于灰?guī)r地區(qū)，地表為溶蝕洼地。圍巖主要為中風(fēng)化灰?guī)r，灰色，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造;巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體較完整，局部較破碎;節(jié)理裂隙較發(fā)育。隧道溶洞發(fā)育，隧底及隧頂存在小型暗河或排水通道。隧道于2018年9月竣工，其中局部滲漏水情況嚴(yán)重，且二襯局部發(fā)育少量裂縫。

1.2 溶洞病害經(jīng)過

2018-11-28，河百高速公路建成通車。運(yùn)營期間，金蘭2號隧道左洞由于Z4K32+793處溶洞（施工期揭露）的影響，該段滲漏水嚴(yán)重，雨季期間尤其是強(qiáng)降雨后，水壓大幅度波動(dòng)，漲落明顯。2019-03-21最高水壓為0.4 MPa;2019-06-06最高水壓為0.71 MPa;2020年4月最高水壓為0.69 MPa;2020年6月，最高水壓達(dá)到1.1 MPa，隧道二襯滲漏水嚴(yán)重，路面潮濕積水，無法正常通行。運(yùn)營單位隨即封閉左洞，改用右洞進(jìn)行雙向通行。由于高速公路隧道行車速度快，單洞改雙向通行安全風(fēng)險(xiǎn)較大，亟須對左洞巖溶病害進(jìn)行處治，恢復(fù)原有通行方式。

2 病害原因分析

本文通過地質(zhì)雷達(dá)檢測和對災(zāi)害隧道區(qū)域補(bǔ)充地質(zhì)勘查、水文專項(xiàng)勘查，分析巖溶發(fā)育規(guī)律，通過各項(xiàng)成果綜合分析災(zāi)害產(chǎn)生原因。

2.1 病害情況調(diào)查及分析

隧道襯砌及圍巖地質(zhì)雷達(dá)檢測[4-5]采用抽查方式進(jìn)行，其中滲漏水嚴(yán)重的Z4K32+740～Z4K32+870段，沿隧道軸向布設(shè)7條測線，分別采用800 MHz和100 MHz的屏蔽天線進(jìn)行測量;其余里程段布置5條測線，采用800 MHz天線進(jìn)行測量。如圖1所示。

2.1.1 隧道襯砌

分別對隧道治理前后的雷達(dá)檢測結(jié)果進(jìn)行分析后可知，所測位置襯砌厚度大部分在45～60 cm之間，隧道襯砌主要缺陷為層間欠密實(shí)和脫空，共發(fā)現(xiàn)各類缺陷10處。從缺陷分布上看，Z4K32+740～Z4K32+870滲漏水段主要以左拱腰、拱頂和右側(cè)邊墻較嚴(yán)重，其中又以Z4K32+778～Z4K32+845段相對較為嚴(yán)重。

2.1.2 巖溶發(fā)育情況

檢測共發(fā)現(xiàn)背后溶洞、溶腔和破碎帶7處，推測溶洞影響深度范圍為6～14 m，主要位于Z4K32+775～Z4K32+795段左邊墻、左拱腰和拱頂背后，深度在3～26 m。如表1所示。

2.1.3 襯砌裂縫發(fā)育情況

經(jīng)現(xiàn)場測試，完整的二襯表面聲速范圍在1 782～4 012 m/s，裂縫均為沿著隧道軸向的縱向裂縫，部分裂縫伴隨有泛堿現(xiàn)象，裂縫充填氫氧化物，且大部分位于左邊墻（以大里程作為正反向）。裂縫一般距離路面高度約1.94～5.5 m，長2～25 m，裂縫深度在26～148 mm，寬度在0.10～0.57 mm。詳見表2。

2.2 地質(zhì)勘查情況

從地質(zhì)調(diào)查結(jié)果看，場地巖溶發(fā)育。據(jù)地表巖溶發(fā)育情況、物探異常情況、正洞開挖遇洞情況等綜合分析表明，場區(qū)存在的主要巖溶形態(tài)為溶溝、溶槽、石芽、漏斗、溶洞、落水洞、溶蝕洼地等。根據(jù)金蘭2號隧道施工過程資料，隧道左洞進(jìn)口端為Z4K32+359～383段（泄水洞為K0+359～383段）掌子面拱頂、右側(cè)拱腰發(fā)育溶洞，溶洞內(nèi)填充黏土，局部滲水;隧道右洞進(jìn)口端為Z4K32+793段（泄水洞為K0+793段）掌子面左側(cè)、拱頂發(fā)育溶洞、斷續(xù)小溶洞腔體，多充填飽和粉細(xì)砂夾黏土。施工時(shí)未能對飽和粉細(xì)砂進(jìn)行處治，未對溶腔揭開的粉細(xì)砂進(jìn)行清除或置換。泄水洞鉆孔（Z4K3號位于隧道終點(diǎn)附近里程K0+795左8 m，地表高程為755.61 m）揭示一高度為21 m的充填型溶洞，埋深36.8～57.8 m，距離泄水隧道頂部（高程583.37 m）115 m。

地表水：隧址區(qū)未發(fā)現(xiàn)大的地表水體，地表水主要為地面季節(jié)性流水匯合后形成的短暫性溪流，受大氣降雨影響較大;隧道進(jìn)洞口處設(shè)計(jì)高程大于地下水水位高程，地表水對其無不利影響。地下水：勘察期間，測得洞口洼地地下水位高程為554.98 m;地下水類型為松散巖類孔隙水，富水性較差;基巖類含水巖組地下水類型為巖溶水，其富水性隨巖溶發(fā)育程度及地下巖溶管道的連通性而變化，通常巖溶密集發(fā)育帶和地下巖溶管道連通性好的富水性較好。

2.3 巖溶發(fā)育規(guī)律分析

主要病害段落（泄水洞為K0+793段）溶蝕洼地內(nèi)地表水通過裂隙匯入溶洞。Z4K32+793溶洞發(fā)育范圍為隧道左洞外側(cè)0～20 m寬度范圍，終點(diǎn)隧道軸向巖溶發(fā)育區(qū)長68 m，高程在550～630 m。主要部位位于泄水洞與金蘭2號隧道之間，高約80 m，推測該溶洞與ZK3號鉆孔揭示溶洞通過溶蝕裂隙互相連通，巖溶充填物主要為粉細(xì)砂夾黏土。

場地內(nèi)巖溶形態(tài)繁多、密集，但從地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌、水文等方面分析，巖溶分布與發(fā)育規(guī)模呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性?？傮w來看，巖溶形態(tài)以垂向發(fā)育的居多，水平巖溶管道依侵蝕基準(zhǔn)面變遷呈現(xiàn)出明顯分層特征，且多為單管狀或脈管狀，密度相對較小。

2.4 綜合分析

結(jié)合地質(zhì)勘查、病害情況分析以及巖溶規(guī)律分析可知，場區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道穿越不良地質(zhì)段落，左洞Z4K32+793處發(fā)育溶洞，施工期間遇到病害，未對病害徹底根治，未對溶腔粉細(xì)沙進(jìn)行清除，地表與二襯之間巖溶管道處于貫通狀態(tài)。當(dāng)雨量不大時(shí)隧道水頭高差小，二襯承受壓力較小;當(dāng)遇極端天氣時(shí)，地下水未能及時(shí)排出，導(dǎo)致水頭上升，二襯承受壓力增大，致使二襯開裂滲水。而巖溶發(fā)育地區(qū)，地下水加劇了風(fēng)化作用，容易造成襯砌背后和隧道脫空，加劇隧道滲漏水。

3 塌方綜合處治措施

3.1 總體方案（圖2）

第一步：先期進(jìn)行洞內(nèi)加固止水，并通過泄水孔降壓，滿足通車要求，作為應(yīng)急搶險(xiǎn)主要內(nèi)容。

（1）泄水孔排水降壓，設(shè)置里程：Z4K32+785、Z4K32+788、Z4K32+791、Z4K32+794。

（2）二襯背后回填注漿，施工里程：Z4K32+740～Z4K32+840，長度為100 m。

（3）加固止水注漿，施工里程：Z4K32+740～Z4K32+840，長度為100 m。

第二步：施作線外泄水洞，進(jìn)行永久處治（搶險(xiǎn)處治后期，在此不進(jìn)行介紹）。

3.2 泄水孔排水降壓

分別在Z4K32+785、Z4K32+788、Z4K32+791、Z4K32+794里程處鉆設(shè)1環(huán)泄水孔，每環(huán)2～3根，環(huán)向間距為3 m。泄水孔延伸至溶洞邊界，且最小長度≥10 m。泄水孔孔徑為130 mm，向洞內(nèi)排水坡度≥2%，孔內(nèi)埋設(shè)108 mm×3.5 mm的打孔排水鋼花管，鋼花管外裹小孔徑（≤10 mm）鋼絲網(wǎng)，孔口用三通連接110 mmHDPE導(dǎo)水管，將水引排至下方沉砂池，并安排專人定期清淤、抽排處理。

3.3 二襯背后回填注漿

待泄水孔排水減壓之后，對該段二襯背后欠密實(shí)、脫空位置進(jìn)行回填注漿。

注漿采用埋管注漿，注漿管采用42 mm×3.5 mm的鋼花管，搭設(shè)移動(dòng)作業(yè)臺架、人工手持風(fēng)鉆鉆孔?？讖綖?0 mm，沿隧道縱向每5 m布置1環(huán)，每環(huán)3根，共計(jì)20環(huán)，合計(jì)60根。注漿管的長度為0.98 m，鉆孔后須清孔，然后埋設(shè)注漿管，一次性填充水泥漿。

漿液為純水泥漿，水灰比為1∶1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，注漿壓力按照0.2～0.5 MPa進(jìn)行控制。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，穩(wěn)定10 min，不進(jìn)漿或進(jìn)漿量很少時(shí)，即可停止注漿。

3.4 加固止水注漿

孔位布置：加固注漿孔位于溶洞一側(cè)，環(huán)、縱向間距為1.5 m，梅花形布置，采用單根長5 m42 mm×3.5 mm的鋼花管，前端加工成錐形，管壁四周鉆6 mm注漿孔。

注漿材料：水泥采用標(biāo)號42.5號超細(xì)水泥、400目;水玻璃模數(shù)為2.8、濃度為38°Be′。單液漿水灰比為0.8∶1～1∶1，雙液漿中C∶S=1∶0.4～1∶0.6（體積比）。

注漿順序：分段注漿，每個(gè)注漿段四周以雙液漿為主，起止水作用，漿液擴(kuò)散半徑為1.5 m，凝結(jié)時(shí)間為30～60 s，現(xiàn)場動(dòng)態(tài)調(diào)整。每個(gè)注漿段中間以單液漿為主，起加固作用。

注漿壓力：1.0～2.0 MPa，采用純壓式灌漿，為防止?jié){液壓力損壞二襯結(jié)構(gòu)，采用后退式注漿。

注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后，穩(wěn)定10 min，不進(jìn)漿或進(jìn)漿量很少時(shí)，即可停止注漿。

注漿效果檢查：采用檢查孔法，孔數(shù)不少于注漿孔總數(shù)的2%且出水量<0.2 L/min·m，可認(rèn)為合格，否則應(yīng)加密鉆孔注漿。

4 處治效果評價(jià)

4.1 雷達(dá)檢測結(jié)果對比分析

由表3分析可知，處治前、后各進(jìn)行1次地質(zhì)雷達(dá)檢測，依據(jù)前后報(bào)告對比，治理前雷達(dá)檢測共發(fā)現(xiàn)脫空、欠密實(shí)等各類缺陷10處，治理全部消除，消除率為100%。

4.2 二襯背后水壓監(jiān)測及泄水孔排水流量變化對比分析

由表4分析可知，處治前最高水壓達(dá)到1.1 MPa。2020-09-11至2020-09-12連降暴雨，水壓從0.26 MPa快速升到峰值0.8 MPa，隨著洞內(nèi)排水，又快速回落至0.23 MPa，之后穩(wěn)定在0.4～0.5 MPa之間。得出結(jié)論：（1）處治后水壓較處治前的1.1 MPa降低了54%～64%;（2）連續(xù)降雨期間，洞內(nèi)泄水孔排水，泄壓作用明顯，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求;（3）泄水孔排水含泥砂量較高，會逐漸堵塞，水壓隨之上升，僅靠泄水孔排水泄壓，不能根治巖溶隱患，也說明了線外泄水洞施作的必要性。

4.3 處治方案直觀效果對比分析

處治開始前：隧道巖溶段路面整體明顯積水，二襯表面整體滲漏水，并形成大面積的水珠從拱頂部位不斷滴落，隧道內(nèi)無法正常通行。

處治后：巖溶段路面積水及二襯表面滲漏水現(xiàn)象已全部消除，能夠正常通行，洞內(nèi)處治已達(dá)到設(shè)計(jì)及運(yùn)營要求。

5 結(jié)語

從直觀效果、雷達(dá)檢測結(jié)果、水壓監(jiān)測數(shù)據(jù)、總體排水量變化等四個(gè)方面分析，各處二襯脫空、欠密實(shí)等問題均已消除，水壓明顯減小;路面及二襯表面滲水現(xiàn)象基本消除，較處治前均有明顯改觀;巖溶治理效果明顯，已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，滿足通行條件。由此可知，本項(xiàng)目巖溶勘查方法基本合理，巖溶分布規(guī)律、水文地質(zhì)條件分析判斷基本準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)依據(jù)充分合理，制定的處治方案較為合理，解決了時(shí)間緊急、通車任務(wù)重等問題，可為后期類似地質(zhì)條件在運(yùn)營隧道涌水災(zāi)害搶險(xiǎn)處治提供借鑒和參考。

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