在役隧道突水突泥病害成因分析及處治對策

劉燕鵬，藺虎平，孫海東，緱 婷

(1. 中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075；2. 陜西省交通建設集團公司藍商分公司，陜西 藍田 710050)

0 引 言

中國巖溶區(qū)主要分布在以云、貴、桂為主體，包括川、鄂、湘部分地區(qū)在內的約5.0×105km2范圍內[1]。雖然巖溶區(qū)隧道選址多在巖溶安全帶[2]，但受氣象、水文、地質條件等因素的影響，巖溶區(qū)修建的隧道在施工和運營期普遍存在突水、突泥和塌方等災害。文獻[3]統(tǒng)計表明，僅21世紀前10年，在中國交通、水電領域隧道建設過程發(fā)生的重大地質災害中，突水、突泥及其引發(fā)的災害占77.3%，造成了嚴重的人員和經濟損失，也產生了強烈的社會影響。

目前對于隧道突水突泥病害的研究，從研究內容來看，主要集中在致災機理[4-7]、災害形成過程[8-9]、災害評估預測[10-15]和災害處治措施[16-18]等幾方面；從研究對象來看，主要針對新建隧道突水突泥病害，對在役隧道突水突泥病害鮮有研究。

新建隧道突水突泥病害主要是由于巖溶區(qū)地層結構內部裂隙、溶腔、管道及暗河等蓄水構造或導水通道隨著臨空面的增加或受施工擾動而揭露和連通，導致大量的地下水、充填物涌入隧道，而在役隧道突水突泥病害大多與地面強降雨有關。本文依托西南地區(qū)某隧道突水突泥病害處治工程，結合現有研究成果，從從地質構造、病害特征及類型角度對隧道病害成因進行分析，并據此提出“以排為主”的處治對策，研究成果可為巖溶區(qū)新建隧道設計及在役隧道類似病害處治提供參考依據。

1 工程概況

1.1 災害介紹

2017年6月24日前后，西南地區(qū)某運營隧道遭遇特大暴雨，2 h內的極端降雨量達到313 mm，導致該隧道出現嚴重的滲漏水病害和突水突泥病害，計算涌水量約為33 022 m3·d-1，現場病害情況如圖1、2及表1所示。

圖1 拱腳涌水

圖2 溶洞位置突涌水

表1 隧道突水突泥情況

1.2 地質概況

隧址區(qū)的主體構造為大堯寨向斜，該隧道橫穿大堯寨向斜西翼，巖層均為單斜地層，產狀：95° ～115°∠52° ～55° ，主要表現為節(jié)理裂隙發(fā)育。向斜

核部地層由三疊系永寧組(T1yn)灰?guī)r、白云質灰?guī)r組成，兩翼由二疊系(P3c-P1q)夾鈣質頁巖、黏土巖的中厚、厚層狀灰?guī)r組成。該向斜核部平緩開闊，地貌上呈向斜谷地，形成盆狀蓄水構造。大氣降水為地下水的主要來源。風化裂隙、張開～微張的節(jié)理為地下水滲入徑流的通道，泉水為地下水的主要排泄方式。

1.3 隧道結構

該隧道突水突泥病害段為Ⅲ級圍巖，對應襯砌類型為S-Ⅲa型襯砌。該型襯砌未設仰拱，初期支護采用10 cm厚C20噴射混凝土，二襯采用35 cm厚C25素混凝土，二襯混凝土抗?jié)B標號不低于S6，襯砌斷面如圖3所示。

圖3 S-Ⅲa襯砌斷面

2 病害原因分析

根據對隧道巖溶發(fā)育狀況的調查，隧址區(qū)分布6組灰?guī)r地層，各組地層中均夾有屬隔水層的泥巖類地層，可溶巖與非可溶巖相間分布，具備發(fā)育巖溶的地層條件，在整體類別上屬于巖溶類。以下分別從地質構造、病害特征及類型的角度對隧道突水突泥病害成因進行分析。

2.1 地質構造分析

2.1.1 溶蝕槽谷與裂隙

隧址區(qū)在地質構造上處于雪峰古陸穩(wěn)定地臺西緣，在區(qū)域上位于黔北臺隆遵義斷拱的鳳崗北北東向構造變形帶，形成于燕山期，由大致平行排列的褶皺和高角度壓性斷裂組成，為“多”字形排列的扭動構造形式，主要表現為斷裂構造、褶皺構造和節(jié)理裂隙。

隧址區(qū)山脊地形較平緩，巖溶形態(tài)以溶蝕槽谷為主(圖4)，在斜坡地段巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙及零星分布的落水洞為主，大氣降水主要以坡面流或匯入沖溝后形成徑流為主，匯入巖溶洼地，直接注入落水洞補給地下水(圖5)。

圖4 地表溶槽

圖5 落水洞

2.1.2 巖溶管道與地下暗河

隧址區(qū)山脊段附近巖溶洼地呈串珠狀分布，基本每個巖溶洼地都有落水洞，通過實地踏勘走訪及地質雷達檢測，推測隧道右洞915～920 m(距進口)段路面下方存在巖溶管道。據隧道養(yǎng)護人員介紹，2014年7月24日，在暴雨停止7 d后(期間沒有下雨)，隧道涌水量又突然增大且渾濁，推測隧址區(qū)存在地下暗河，可能在發(fā)生虹吸現象后導致隧道涌水量突然增大。

2.2 病害特征及類型

根據調查結果，本次隧道涌水量表現為降雨2 h后明顯增大，雨停后明顯減小的特點，隧道涌水的發(fā)生時間、流量變化與大氣降水的時效性明顯。從涌水水質情況來看，涌水同時伴有泥沙，考慮到隧址區(qū)地表溪溝不發(fā)育，推斷泥沙來源可能為地表徑流、溶腔附近的泥巖、地下暗河等。

結合隧道災害特征及巖溶調查結果，并結合地質構造分析情況，該運營隧道突水突泥病害類型為溶洞溶腔型[19]。地表溶蝕槽谷、落水洞等對隧道突水災害的影響最為顯著，巖溶管道和地下暗河在一定程度上促進了災害的發(fā)生，溶蝕裂隙對災害的作用較小。

3 襯砌背后水壓力計算

3.1 襯砌外水壓力計算

3.1.1 理論折減計算

根據《水工建筑物荷載設計規(guī)范》(SL 744—2016)，作用在襯砌結構外表面的外水壓強可根據排水效果、排水設施的可靠性進行折減。

Pe=βeγwHe

(1)

式中：Pe為作用在襯砌結構外表面的外水壓強(kPa)；βe為外水壓力折減系數，βe=0～1；He為地下水位線至隧道中心的作用水頭(m)。

本文以He=149.53 m，按《隧道巖溶涌水專家評判系統(tǒng)》給出βe=0.5，計算得出涌水點處外水壓力為74.76 m水柱，即0.73 MPa。

3.1.2 排水系統(tǒng)正常計算

北京交通大學朱海濤在排水系統(tǒng)正常的情況下，對應He=203 m情況下，分別采用理論折減(0.85 MPa)、數值模擬(0.33 MPa)和現場監(jiān)測(0.08 MPa)3種方法對齊岳山隧道襯砌背后水壓力進行計算?？梢钥吹?，理論折減結果約為現場監(jiān)測結果的10倍。因此，假設本項目實際襯砌水壓力仍為理論折減的1/10，則取正常排水情況下Pe=0.073 MPa。

3.1.3 排水系統(tǒng)失效計算

重慶大學王森[20]通過現場堵水來模擬排水系統(tǒng)失效，并測試襯砌外水壓力值，實際監(jiān)測表明：襯砌所受水壓力與排水系統(tǒng)失效的長度有關，排水失效長度越長，襯砌所受水壓力越大。

根據現場勘查情況，本次排水系統(tǒng)存在嚴重的淤積、堵塞現象(圖6)。根據渝懷線和宜萬線多個巖溶隧道水壓力測試結果來看，巖溶隧道水壓力最大折減系數為0.02，最小折減系數為0.86。按最不利情況進行考慮，βe=0.86，則排水系統(tǒng)失效情況下，估算Pe=1.26 MPa。

圖6 中心排水溝淤積、堵塞

此外，申志軍[21]通過對馬鹿箐巖溶隧道PDK255+978處掌子面水壓進行測試，得出He=148 m時，泄水前掌子面水壓力為1.2 MPa，與本文在He=149.53 m條件下，估算的Pe=1.26 MPa基本相符。

3.2 計算模型及工況

在不考慮水壓力、排水系統(tǒng)正常和排水系統(tǒng)失效3種工況下，采用ANSYS軟件計算隧道襯砌背后荷載對襯砌結構的影響。計算模型單元分布如圖7所示。

3.2.1 隧道圍巖壓力計算

在不考慮水壓力的情況下，根據《公路隧道設計規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)，隧道的最大開挖寬度Bt=12.1 m，寬度影響系數ω=1+i×(Bt-5)=1.71。

圍巖垂直均布壓力q=0.45×2(s-1)×γω=78.489(kN·m-2)；圍巖水平壓力e=0.13×q=9.684(kN·m-2)。隧道荷載計算結果見表2。

表2 隧道荷載計算

3.2.2 襯砌結構計算

從現場情況來看，隧道突涌水之后，路面、檢修道、墻腳無明顯病害。鑒于此，認為隧道背后水壓力增大未造成拱腳出現位移。

圖7 計算模型單元分布

(1)不考慮水壓力計算。計算結果表明，整個襯砌截面受壓，最大受力發(fā)生在拱腳處，最大值為499.0 kN；最小值發(fā)生在拱頂、拱腰處，為236.9 kN。彎矩在拱腰處達到最大值，兩側拱腳內側受拉，最大彎矩為70.6 kN·m。如表3所示，結構單元最小安全系數為2.91，位于拱頂；最大安全系數為26.56，位于拱腰。

(2)排水系統(tǒng)正常計算。計算結果表明，整個襯砌截面受壓，最大受力發(fā)生在拱腳處，最大值為809.1 kN；最小值發(fā)生在拱頂、拱腰處，為516.8 kN。彎矩在拱腰處達到最大值，兩側拱腳內側受拉，最大彎矩為113.4 kN·m。結構單元最小安全系數為2.10，位于拱頂；最大安全系數為14.79，位于拱腰。

表3 安全系數計算

(3)排水系統(tǒng)失效計算。計算結果表明，整個襯砌截面受壓，最大受力位置在拱腳處，最大值為585 kN；最小受力位置在拱頂、拱腰處，受力值為507 kN。彎矩在拱腰處達到最大值，兩側拱腳內側受拉，最大彎矩為810.4 kN·m。結構單元最小安全系數為0.38，位于拱頂；最大安全系數為1.80，位于拱腰。

對比圖8中3種工況下的安全系數分布曲線，可以看到以下幾點。

圖8 隧道安全系數分布

(1)在排水系統(tǒng)正常的情況下，襯砌結構安全系數比不考慮水壓力時有所降低，但最小安全系數相差不大，襯砌結構安全系數滿足設計要求。

(2)在排水系統(tǒng)失效的情況下，襯砌結構安全系數明顯降低，整個斷面安全系數相差不大，且均不滿足規(guī)范對安全系數的要求，也與該隧道二次襯砌在雨季暴雨情況下953 m處右側邊墻混凝土嚴重開裂病害相佐證(圖9)。

(3)3種計算工況下，拱頂安全系數均最小。

圖9 953 m處襯砌嚴重開裂

4 處治措施

襯砌背后水壓力計算結果表明，隧道排水系統(tǒng)失效將會導致襯砌結構出現嚴重的安全隱患，故在處治隧道突水突泥病害時，關鍵是確保排水系統(tǒng)順暢，處治對策應“以排為主”，從提高排水能力、減少泥沙沉淀2個方面進行處治，具體措施為加密橫向排水管、擴大中心排水溝和增設沉沙洞。

4.1 加密橫向排水管

根據《水工建筑物荷載設計規(guī)范》(SL 744—2016)，外水壓力折減系數βe與地下室活動狀態(tài)有關，隧道洞壁越干燥，滲水量越小，外水壓力折減系數βe越小。

從現場災害情況來看，隧道洞內出現長段落突涌水，為了增強排水能力，增加排水通道，減小襯砌外水壓力，對隧道橫向排水管進行加密(圖10)。既有橫向排水管縱向間距50 m布置一道，加密后縱向間距25 m布置一道，設置時應避開變形縫、施工縫、預留洞室以及預埋管線。

圖10 隧道加密橫向排水管

4.2 擴大中心排水溝

由于災害發(fā)生段落不僅突水，還伴有突泥現象，中心排水溝內出現嚴重的淤積、堵塞現象，通過擴大中心排水溝斷面可以增大中心溝的過水面積，增強隧道的排水能力。擴大中心溝采用整體式箱涵式設計，中心溝矩形斷面尺寸為120 cm×100 cm。

根據《公路排水設計規(guī)范》(JTG/T D33—2012)，計算擴大后中心排水溝的流速為3.2 m·s-1，設計流量為31.91×104m3·d-1，大于本次隧道的涌水量(3.302×104m3·d-1)。中心排水溝擴大后，洞口中心排水溝照片見圖11，對比圖6可以看到隧道中心溝排水能力顯著提高。

圖11 擴大隧道中心排水溝后的排水

4.3 增設沉沙洞

針對隧道地下水中攜帶大量泥沙的問題，可以在主洞行車方向右側設置沉沙洞(圖12)。綜合考慮流量、施工、后期營運等條件，沉沙洞斷面確定為2.5 m×6.6 m(寬×高)。

圖12 沉沙洞結構設計

沉沙洞平面位置位于上行線行車方向右側，垂直于主洞。襯砌采用30 cm厚C30鋼筋混凝土，在沉沙洞洞壁設置Φ16 mm鋼筋蹬梯，方便后期檢修和清淤；在沉沙洞拱部，每環(huán)設置9個Φ100 mm的泄水孔，孔深5 m，一般縱向間距為2 m，襯砌背后涌水量大時，可適當加密。

圖13 沉沙洞設置斷面

5 結 語

受地面強降雨影響，地下溶蝕裂隙、溶洞溶腔與暗河管道等通道在得到地表水補給后，為隧道洞內突涌水持續(xù)提供地下水源，從而引發(fā)隧道突水突泥病害。本文以西南地區(qū)某隧道受特大暴雨影響引發(fā)的突水突泥病害為例，重點從地質構造角度對突水突泥病害進行分析，據此提出了“以排為主”的處治對策，并得出以下結論。

(1)該隧道突水突泥病害為溶洞溶腔型，地表溶蝕槽谷、落水洞等影響最大，巖溶管道和地下暗河次之，溶蝕裂隙影響最小。

(2)在排水系統(tǒng)失效的情況下，隧道襯砌結構安全系數顯著降低，且整個斷面安全系數相差不大，但均不滿足規(guī)范對安全系數的要求。

(3)建議處治在役巖溶隧道突水突泥病害時以排為主，可采取加密橫向排水管、擴大中心排水溝、增設沉沙洞等措施。