合福鐵路樓村隧道滲漏水成因分析及防治技術(shù)

李縱，劉鵬飛

合福鐵路樓村隧道滲漏水成因分析及防治技術(shù)

李縱，劉鵬飛

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧大連116083）

隧道滲漏水會嚴(yán)重影響隧道的正常施工以及安全運營。文章分析了當(dāng)前隧道滲漏水現(xiàn)狀，結(jié)合樓村隧道的工程地質(zhì)情況，采用層次分析法對樓村隧道滲漏水產(chǎn)生的各影響因素進(jìn)行了計算分析，結(jié)果顯示主要因素為隧道防排水施工設(shè)計以及當(dāng)?shù)啬杲涤炅浚⒖偨Y(jié)了相應(yīng)的防治技術(shù)。

隧道；滲漏水；層次分析法；防治技術(shù)

0　引言

截止上世紀(jì)末，我國鐵路隧道總長達(dá)4 000 km，且以每年200余km的速度逐年遞增。當(dāng)前我國高速鐵路修建速度日漸加快，新修隧道不斷增多，與此同時，隨著隧道技術(shù)的不斷發(fā)展，在水利水電、礦山建設(shè)、核廢料地下處理等地下工程中也建成了越來越多的隧道。

隧道的開挖，必然伴有原始地應(yīng)力的重新分布，因此常常伴隨諸多巖土工程問題，其中滲漏水問題最為突出。

隧道開挖破壞了原始應(yīng)力狀態(tài)，巖體產(chǎn)生卸荷回彈和應(yīng)力重分布等現(xiàn)象，賦存在巖體中的水已經(jīng)不能完全被巖體中“通道”所約束，具有高勢能的水會逐步深入巖體已有或新產(chǎn)生的裂隙，并有促使裂隙擴張的效力，進(jìn)而產(chǎn)生滲漏水現(xiàn)象。對此，國內(nèi)外眾多相關(guān)工作者開展了大量探索研究。周程，蔣中明等針對高壓水工隧道中水的滲透性，利用Flac3D數(shù)值模擬軟件模擬了高壓水工隧道的滲流場和應(yīng)力場，并結(jié)合工程實踐予以驗證，具有一定的工程指導(dǎo)意義[1]；潘海澤，黃濤等在進(jìn)行隧道滲漏水災(zāi)害分級研究時采用了距離判別分析法，并結(jié)合國內(nèi)圓梁山隧道和西奇一號隧道展開分析論述，探索了滲漏水災(zāi)害分級的方法和手段，具有較高的指導(dǎo)意義[2]；鈄逢光，范忠勇，劉迎會，魏連峰等也對隧道滲漏水展開了詳細(xì)的分析，并結(jié)合相關(guān)工程實踐提出了相應(yīng)的治理措施[3-6]。

不同的工程具有不同的工程實地條件，因此前人的研究成果只能予以借鑒，只有立足于特定的工程實踐背景，才能準(zhǔn)確地分析工程實際問題，并提出符合實際情況的治理措施。

本文結(jié)合已竣工通車的京福高鐵合福段樓村隧道，綜合分析其滲漏水成因，并總結(jié)相應(yīng)治理措施。

1　當(dāng)前隧道滲漏水原因

隧道滲漏水產(chǎn)生原因大致可分為兩方面：客觀上，為隧道所處工程地質(zhì)條件。工程所處地質(zhì)狀況及水文狀況復(fù)雜，施工前難以準(zhǔn)確探測地下水體賦存狀況，隧道開挖致使其原始地應(yīng)力狀態(tài)破壞，導(dǎo)致產(chǎn)生地應(yīng)力重新分布。同時，工程導(dǎo)致水體在地應(yīng)力作用下的流態(tài)發(fā)生變化，易向隧道自由面匯集流動，造成隧道滲漏水。主觀上，施工過程中的人為因素，主要包括選線不當(dāng)，施工不規(guī)范，管理不健全，設(shè)計不合理，后期維護(hù)不到位等原因。具體表現(xiàn)為：

1）隧道砌筑混凝土出現(xiàn)裂縫，主要包括有環(huán)境溫度變化，混凝土收縮，隧道地基變形，錨固鋼筋銹蝕等。

2）地下水流動狀態(tài)發(fā)生變化，即地下水滲流場的變化。隧道開挖導(dǎo)致原始地應(yīng)力發(fā)生變化，應(yīng)力重新分布，開挖面作為應(yīng)力釋放面，致使地下水向隧道方向集中。同時，隧道周邊圍巖產(chǎn)生變形并伴隨有裂隙的產(chǎn)生，為地下水流向隧道提供了路徑。

3）施工過程中，未有效處理施工縫以及變形縫，防水工具和材料安置不合理。

2　樓村隧道工程概況

合福鐵路閩贛段Ⅱ標(biāo)樓村隧道設(shè)計為雙線隧道，隧道所處區(qū)域地下水較為發(fā)育。隧道大部分處于奧陶系下統(tǒng)印諸埠鈣質(zhì)頁巖，青灰色，巖質(zhì)較軟，地下基巖裂隙水不發(fā)育。該工程自2010年8月開工，至2011年8月因業(yè)主資金不到位暫時停工，截至停工時隧道進(jìn)口完成開挖支護(hù)750 m，襯砌完成640 m，出口完成開挖支護(hù)720m，襯砌完成528 m。停工以后發(fā)現(xiàn)已施工完成的二襯有局部滲漏水現(xiàn)象。

3　樓村隧道滲漏水原因

1）水文地質(zhì)條件復(fù)雜：樓村隧道所處位置水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，地下水豐富，與此同時，該隧道地下水中含有大量的礦物質(zhì)（大多為鈣質(zhì)），長期積累下來的礦物質(zhì)造成排水管、盲管堵塞等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致排水系統(tǒng)無法正常運行，出現(xiàn)多處積水。

2）施工方面的原因：隧道施工質(zhì)量差，在二次襯砌過程中，混凝土振搗不密實，致使對施工縫、變形縫的處置不到位，不規(guī)范。防水層敷設(shè)不規(guī)范，隧道中止水帶和止水條與混凝土沒有有效地結(jié)合在一起；防水板尺寸不達(dá)標(biāo)，長度不合理，沒有有效搭接。

3）防排水設(shè)計不甚合理，防排水施工管理體系不完善。同時，該隧道還未進(jìn)行回填注漿，回填注漿可以彌補襯砌混凝土施工中產(chǎn)生的缺陷，在一定程度上能防止?jié)B漏水的發(fā)生。

4　影響因素層次分析

根據(jù)問題的屬性以及所要分析的最終目的，采用層次分析法對各制約因素進(jìn)行權(quán)重分析。首先，在分析各制約因素之間相互制約關(guān)系以及隸屬關(guān)系的基礎(chǔ)上，將各因素分層組合，得到關(guān)于最終研究問題的分析結(jié)構(gòu)模型。其次，根據(jù)分析得到末層因素對于頂層問題的影響權(quán)重值，并按序排列。最后，根據(jù)各因素排列順序?qū)ρ芯繂栴}進(jìn)行總結(jié)評價[7]。

4.1層次分析模型建立

權(quán)衡滲漏水的各影響因素，將樓村隧道滲漏水問題劃分為三個層次。

首層，分析目標(biāo)層，即樓村隧道滲漏水問題，表示為A。第二層為制約層，即誘發(fā)樓村隧道產(chǎn)生滲漏水的原因因素，主要包括樓村隧道所處自然地質(zhì)情況，隧道施工，隧道防排水措施三個方面，分別表示為B1，B2，B3，該三個因素共同構(gòu)成樓村隧道滲漏水誘因因素集，B={B1 B2 B3}。第三層為子制約層，即誘發(fā)制約層問題產(chǎn)生的原因因素。其中，隧道所處自然地質(zhì)情況主要包括工程地質(zhì)情況，年降雨量，地表水賦存情況三項指標(biāo)，分別表示為C1，C2，C3；隧道施工主要包括初期支護(hù)，襯砌施工，三縫處理施工三項指標(biāo)，分別表示為C4，C5，C6；隧道防排水措施主要包括防排水施工設(shè)計，防排水材料選擇，防排水混凝土質(zhì)量三項指標(biāo)，分別表示為C7，C8，C9。

根據(jù)上述9個因素，得到樓村隧道滲漏水誘因因素集C，C={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9}，由此構(gòu)建樓村隧道滲漏水誘因因素層次分析模型，如圖1。

圖1　樓村隧道滲漏水層次分析模型Fig.1 AHP analysis model of Loucun tunnel water leakage

4.2構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)圖1所示的層次分析結(jié)構(gòu)模型，基于各層之間的隸屬關(guān)系，構(gòu)建各判斷矩陣，以衡量下一層影響因素對上一層制約因素的權(quán)重。判斷矩陣是用來比較本層各因素對上層某一相同因素的影響，根據(jù)表1給出其元素值aij。

表1　判斷矩陣元素Satty標(biāo)度法Table1 Satty scalemethod formatrix element judgment

根據(jù)上述理論可構(gòu)建出目標(biāo)因素A的總判斷矩陣：

子制約層對制約層因素判斷矩陣：

利用數(shù)值計算分析軟件Matlab軟件中的eig函數(shù)，可對各判斷矩陣的特征值與特征向量進(jìn)行快速求解，得矩陣A最大特征值λmax=3.003 7，對應(yīng)特征向量為W=[0.928 1 0.328 8 0.174 7]T。

同理，可得各制約層判斷矩陣最大特征值及特征向量。

B1最大特征值λmax=3.099 9，對應(yīng)特征向量為W1=[0.085 7 0.822 0 0.563 1]T；

B2最大特征值λmax=3.012 6，對應(yīng)特征向量為W2=[0.118 3 0.661 8 0.740 3]T；

B3最大特征值λmax=3.012 6，對應(yīng)特征向量為W3=[0.972 4 0.155 4 0.173 9]T。

將各判斷矩陣對應(yīng)的特征向量歸一化處理，得各權(quán)重特征向量：

W1′=[0.648 3 0.229 7 0.122 0]T；

W1′=[0.058 3 0.558 9 0.382 9]T；

W2′=[0.077 8 0.435 3 0.486 9]T；

W3′=[0.747 0 0.119 4 0.133 6]T。

4.3層次單排序及一致性檢驗

計算一致性指標(biāo)

式中：n 為矩陣階數(shù)，本文為n = 3。

總判斷矩陣A的一致性檢驗，根據(jù)計算公式

式中：RI為平均隨機一致性指標(biāo)，本文矩陣階數(shù)n=3，取RI=0.52。

經(jīng)計算，總判斷矩陣A的一致性指標(biāo)CR值為0.004<0.1，其一致性可被接受。

總判斷矩陣具有符合要求的一致性條件，即可對判斷矩陣B1，B2，B3進(jìn)行一致性檢驗。根據(jù)上述計算方法，得B1，B2，B3判斷矩陣一致性指標(biāo)值分別為0.002，0.054，0.086。由此可知，各

式中：n為矩陣階數(shù)，本文為n=3。

總判斷矩陣A的一致性檢驗，根據(jù)計算公式判斷矩陣的CR值均小于0.1，矩陣的一致性均可被接受。

4.4層次總排序及一致性檢驗

層次總排序是指根據(jù)相對重要性程度，針對總目標(biāo)，將所有影響因素進(jìn)行權(quán)重值排序。具體方法如下：

式中：CIj，RIj分別為制約層有關(guān)因素對目標(biāo)層因素進(jìn)行層次單排序時，根據(jù)計算所得的一致性指標(biāo)和隨機一致性指標(biāo)；aj為目標(biāo)層的層次總排序權(quán)重值，m=3。

根據(jù)公式（2），計算得CR=0.018 9<0.1，即其不一致性程度在允許范圍內(nèi)。

綜上，該層次分析模型通過一致性檢驗。

4.5樓村隧道滲漏水各層次影響因素權(quán)重值排序

將影響因素權(quán)重值進(jìn)行歸一化處理計算，得最終權(quán)重值排序如表2。

表2　樓村隧道滲漏水影響因素Table 2 Influence factors of Loucun tunnel water leakage

由表2可以看到，防排水施工設(shè)計和當(dāng)?shù)啬杲涤炅繉谴逅淼罎B漏水影響程度最高。由于防排水工程設(shè)計不合理，在進(jìn)行隧道開挖時，未能有效避開地下含水裂隙，導(dǎo)致后期排水工程難度加大。同時，當(dāng)?shù)亟涤贻^為集中，雨季項目施工時防排水措施不到位也直接導(dǎo)致了隧道滲漏水現(xiàn)象的發(fā)生。

5　樓村隧道滲漏水的處理方法

根據(jù)樓村隧道滲漏水影響因素層次分析計算結(jié)果，對隧道施工的防排水設(shè)計方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，同時對已發(fā)生的滲漏水問題進(jìn)行及時有效處理。

5.1防排水設(shè)計方案優(yōu)化

1）在二次襯砌時采用防水混凝土，有效克服了普通混凝土的滲漏水問題。

2）針對樓村隧道的縱、環(huán)向施工縫合理布置止水帶、止水條，使其與混凝土有效結(jié)合。

3）優(yōu)化設(shè)計防水板尺寸，規(guī)范防水層的敷設(shè)施工。

4）創(chuàng)新采用具有止水裝置的三通漿液合攏管，使用具有較大凝固體積比以及滲透半徑的新型氰凝注漿材料，優(yōu)化配比方案，更好地達(dá)到堵漏效果。

5.2較大規(guī)模滲漏水的應(yīng)對措施

較大規(guī)模滲漏水主要有以下幾種情況：二次襯砌質(zhì)量低，施工后混凝土表面出現(xiàn)潮濕，局部出現(xiàn)滲水。

主要原因：工程所處地質(zhì)情況復(fù)雜，地下水賦存量大，隧道開挖導(dǎo)致水壓增大。

處理的方法：隧道開挖后的圍巖表面由于應(yīng)力重新分布易產(chǎn)生裂隙，采取噴注水泥砂漿、水泥玻璃漿等措施進(jìn)行有效封堵。同時，在圍巖表面埋設(shè)縱向和橫向排水管，將匯集的隧道承壓水引致排水溝，排到隧道外，以達(dá)堵水排水的目的。

5.3小規(guī)模滲漏水的應(yīng)對措施

隧道開挖后的圍巖表面由于二次襯砌中混凝土密實效果不佳，易出現(xiàn)混凝土蜂窩現(xiàn)象，局部會產(chǎn)生點漏和線漏現(xiàn)象。

處理方法：首先對襯砌后的圍巖表面進(jìn)行徹查，掌握點漏及線漏位置，然后采用化學(xué)注漿方法逐一進(jìn)行注漿堵漏。

6　結(jié)語

本文分析了當(dāng)前我國隧道滲漏水的存在狀況，并結(jié)合樓村隧道實際施工過程中的滲漏水問題，在分析其病因的基礎(chǔ)上，利用層次分析法對各影響因素進(jìn)行了詳細(xì)的權(quán)重分析，得出以下結(jié)論以及工程設(shè)計施工優(yōu)化意見。

1）將層次分析法應(yīng)用到隧道滲漏水分析中，有效判定了各影響因素的權(quán)重大小。

2）樓村隧道滲漏水產(chǎn)生的主要原因為防排水設(shè)計施工不合理和當(dāng)?shù)啬杲涤炅科?。采取?yōu)化二次襯砌方案，選用防水混凝土材料，規(guī)范防水層敷設(shè)施工，使用具有止水裝置的注漿管和新型氰凝注漿材料等手段，優(yōu)化了樓村隧道滲漏水防排設(shè)計方案，效果顯著。

3）針對樓村隧道已產(chǎn)生的滲漏水問題，分別總結(jié)了大范圍滲漏水和小范圍滲漏水產(chǎn)生的具體原因以及相應(yīng)的處理措施。

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Causing analysis and prevention technologies for Loucun tunnel water leakage of Hefei-Fujian Railway

LIZong,LIUPeng-fei
（No.3Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarborEngineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning116083,China）

The tunnelwater leakageaffects the tunnel construction and safe operation seriously.Weanalyzed the currentstatus of the tunnelwater leakage.Based on the engineering geology of Loucun tunnel,we analyzed the influence factors causing the water leakage by using AHP.The results shows themain factors causing the problem ofwater leakage are the drainage design and construction of Loucun tunnel and the localannual rainfall,and the corresponding prevention technologiesare summarized. Keywords：tunnel;water leakage;AHP;prevention technology

U455.4

B

2095-7874（2016）04-0062-05

10.7640/zggw js201604016

2015-10-29

李縱（1979—），男，吉林長春市人，碩士，工程師，建筑與土木工程專業(yè)。E-mail：lizong791205@126.com