隧道工程滲漏誘因及防治研究

毛洛鋒

（杭州兆吉市政設(shè)施養(yǎng)護有限公司，浙江杭州 315500)

0 引言

在公路施工過程中，常面臨特殊的地形，為了縮短行車距離、提升行車速度，需要建設(shè)隧道工程。隧道工程作為地下空間開發(fā)的重要形式，具有熱穩(wěn)定性高、空間密閉性強等諸多優(yōu)勢，但同時也因地下水及隧道所處巖層的狀態(tài)受到不同程度的影響。地下水對隧道工程的影響可大致分為兩方面：一方面是隧道土體埋深及地下水位高低帶來不同程度的滲漏現(xiàn)象，另一方面是地下水水質(zhì)較差，可能誘發(fā)結(jié)構(gòu)性腐蝕破壞。因此隧道工程在無法完全規(guī)避地下水影響的情況下，在設(shè)計和施工過程中應(yīng)重點考慮水影響，保證隧道全生命周期的正常維護運行[1]。

目前，我國隧道防水的設(shè)計和施工始終遵循“以堵為主，堵排結(jié)合，因地制宜，多道防設(shè)，綜合治理”的原則。雖然在該原則的指導(dǎo)下隧道工程的防水能力得到極大提升，但從隧道工程質(zhì)量問題統(tǒng)計結(jié)果來看，近30%的質(zhì)量問題直接與隧道防水有關(guān)，滲漏問題始終是隧道工程的關(guān)鍵難點。

1 隧道滲漏類型與誘因分析

1.1 滲漏類型劃分

不同類型的滲漏的誘發(fā)原因是不同的，因此滲漏排查應(yīng)先行判斷滲漏類型，根據(jù)不同類型的滲漏確定誘發(fā)原因，之后分類處理[2]?？梢愿鶕?jù)隧道滲漏發(fā)生的部位、滲漏的形式以及滲漏的水量劃分滲漏類型。

1.1.1 按照滲漏發(fā)生部位分類

按照滲漏發(fā)生的部位，隧道滲漏可分為：拱頂滲漏、側(cè)墻滲漏、掌子面滲漏、后澆帶及變形縫處滲漏、穿防水層位置管根及預(yù)埋件處滲漏。

1.1.2 按照滲漏的形式分類

按照滲漏的形式，隧道滲漏可大致分為：點滲漏、線滲漏及面滲漏。點滲漏為分散不連續(xù)的滲漏點位分布，未形成串聯(lián)滲漏；線滲漏為滲漏呈線性分布且連續(xù)貫穿；面滲漏為局部滲漏串聯(lián)相交，滲漏范圍較大。

1.1.3 按照滲漏的水量分類

按照滲漏的水量，隧道滲漏可大致分為濕漬、滲水、水珠、滴漏、涌水，滲漏水量及滲漏程度依次增大。濕漬為輕度滲漏，表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)表面呈現(xiàn)潮濕斑點；涌水為大水量嚴重滲漏，表現(xiàn)為滲漏水呈現(xiàn)線狀（發(fā)生于隧道側(cè)墻及拱頂）或噴泉狀（發(fā)生于隧道底部）。

1.2 滲漏誘因分析

隧道防水工程在施工完成后隱蔽于保護層之下，當(dāng)滲漏發(fā)生時不易判別具體誘因，且隧道滲漏原因往往非單項因素導(dǎo)致，大多數(shù)情況下滲漏發(fā)生的原因較復(fù)雜。在分析大量隧道滲漏問題后，可將隧道滲漏的誘因分為以下類型。

1.2.1 水文及地質(zhì)條件因素

隧道工程常處于高水壓作用之下，且地下水水質(zhì)不盡相同。當(dāng)隧道防水層長期處于腐蝕性的高壓地下水中，防水層將加速老化，防水性能退化，進而導(dǎo)致滲漏的發(fā)生。另外長期在高壓腐蝕性地下水的作用下，隧道結(jié)構(gòu)層同樣會發(fā)生損傷破壞，黏附其上的防水層隨之發(fā)生破壞，形成更為嚴重的滲漏狀況。

1.2.2 設(shè)計因素

隧道滲漏的設(shè)計因素包括設(shè)計理念選擇錯誤，針對特殊部位未能考慮到位，防水材料、施工工藝及節(jié)點做法選擇不當(dāng)?shù)惹闆r。

1.2.3 施工因素

大量的防水失效及隧道滲漏情況與施工有直接聯(lián)系。在施工過程中，施工工藝選擇不當(dāng)或因施工順序排布不合理造成擾動破壞情況時有發(fā)生。例如，在結(jié)構(gòu)地基處理中，操作不當(dāng)，未能達到標(biāo)準，導(dǎo)致隧道因結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生不均勻沉降，進而在拉力的作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂，結(jié)構(gòu)自防水直接喪失功能[3]。

1.2.4 外部環(huán)境因素

對隧道防水功能影響較大的外部環(huán)境因素包括暴雨導(dǎo)致地下水位的變化、地震及其他震源的擾動、隧道空間干濕及溫差的頻繁變化等。這些外部環(huán)境因素間接或直接影響隧道的結(jié)構(gòu)和防水層，尤其以對防水材料的破壞最為明顯。目前隧道所采用的防水材料在長期浸水、溫度循環(huán)變化的情況下，抗老化性能減弱，使用壽命有限，導(dǎo)致隧道的防滲漏問題成為全周期問題，并隨著防水材料的老化，防滲能力逐步減弱。暴雨、震動產(chǎn)生的沖擊性荷載、瞬間增大的外部水壓力對結(jié)構(gòu)的破壞更直接，且防滲損傷更為劇烈。

1.2.5 用期的綜合因素

在隧道使用過程中發(fā)生的滲漏，大多是復(fù)雜的誘因組合導(dǎo)致的，而非單一的原因誘發(fā)，就隧道防水設(shè)施的組成來看，滲漏發(fā)生的必要條件為：其一，隧道防水層失效；其二，隧道結(jié)構(gòu)自防水性能失效。

隧道防水層失效的原因主要有：其一，防水材料不適用或質(zhì)量不合標(biāo)準；其二，隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形導(dǎo)致附著其上的防水層脫離或者開裂；其三，易發(fā)生破壞位置的防水處理不到位，如防水搭接部位、轉(zhuǎn)角及隧體應(yīng)力集中部位附加層處理不到位等；其四，防水施工質(zhì)量不到位，或防水層成品保護不當(dāng)，在施工過程中形成貫穿破壞且未進行修復(fù)，形成滲漏通道；其五，在結(jié)構(gòu)施工過程中，施工縫及變形縫留設(shè)數(shù)量較多，或留設(shè)位置不當(dāng)，導(dǎo)致防水薄弱點較多，增大防水難度。

隧道結(jié)構(gòu)自防水性能失效的原因也是綜合的，大體有以下幾點：其一，在設(shè)計過程中，對自防水混凝土的等級判斷錯誤，或自防水混凝土自身存在防水性能缺失的情況；其二，在自防水混凝土施工過程中，因操作不當(dāng)，導(dǎo)致混凝土成型質(zhì)量較差，存在較多的結(jié)構(gòu)裂縫和不密實的情況，喪失自防水性能；其三，在混凝土的養(yǎng)護過程中存在不適當(dāng)操作，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生干縮裂縫，破壞結(jié)構(gòu)的自防水性能；其四，長期高水壓或其他外部荷載作用下，結(jié)構(gòu)自身產(chǎn)生開裂情況，喪失自防水性能。

2 隧道滲漏預(yù)防及治理

隧道滲漏預(yù)防及治理可分為前期設(shè)計及施工階段的預(yù)防手段和后期使用階段發(fā)生滲漏的治理手段，重預(yù)防強治理的有效結(jié)合是解決隧道滲漏問題的重要舉措。在前期滲漏預(yù)防階段，首先在設(shè)計之初要詳細掌握施工范圍內(nèi)工程地質(zhì)及水文條件，研判隧道防水設(shè)計等級。在防水方案及防水材料選擇過程中，要充分考慮方案及材料對施工的適用性[4]。當(dāng)滲漏發(fā)生時，采用有效的治理手段。一般情況下治理滲漏有兩種途徑，一方面采用引排的形式從滲漏源頭治理，在不對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的前提下將滲漏水引導(dǎo)至特定收集系統(tǒng)中，進而解決滲漏問題；另一方面，可以采用注漿等方式對隧道結(jié)構(gòu)進行防滲補強。治理的手段一疏一堵，必要情況下采用疏堵結(jié)合的方式進行隧道滲漏治理。

2.1 隧道防水方案選擇

隧道防水方案根據(jù)疏、堵兩種思路可分為排水型防水方案及堵水型防水方案。排水型防水方案根據(jù)排水效果可分為全排水和限量排水兩種。其作用機理是在隧道底部設(shè)置排水通道，不斷將地下水排出隧道范圍，保持地下水位始終處于隧道仰拱之下。此外為保證排水效果的理想性，在隧道結(jié)構(gòu)的側(cè)墻及仰拱周圍同步設(shè)置排水通道，將地下水匯集于隧道底部排水主通道中。采用該種防水方案在成本上較為經(jīng)濟，且對不同地質(zhì)的適用性較強，因為排水導(dǎo)致隧道所受周邊水壓力較小，可以有效減小隧道襯砌結(jié)構(gòu)的厚度，進一步降低工程的造價。大量的水分排出可能引起隧道范圍內(nèi)地層沉降現(xiàn)象的發(fā)生，排水的同時，排水管道的疏通問題將成為關(guān)鍵。采用此種防水方案，將會增加后期運營管理的成本[5]。

與排水型防水方案相比，堵水型防水方案的理念完全不同。因其不進行外部排水，在設(shè)計過程中要充分考慮外部水壓力對隧道結(jié)構(gòu)帶來的影響。堵水型防水方案的襯砌厚度相較于排水型防水方案更厚，且防水層的復(fù)雜應(yīng)用使得其在造價上要遠高于排水型防水方案。堵水型防水方案是目前較為普遍使用的一種隧道防水方案，原因在于，和排水型防水方案相比，堵水型防水方案對地下水位的擾動很小，對地下環(huán)境的影響無明顯不良反應(yīng)。因此頻繁應(yīng)用于城市密集區(qū)域的地下空間開發(fā)中。此外，堵水型防水方案的防水效果更為優(yōu)良，且對周邊地層的影響較小，因此可以規(guī)避防沉降措施，且后期的維修成本相對較低[6]。

“堵水限排”作為新的隧道防排水理念目前得到廣泛應(yīng)用，其基本內(nèi)涵是在保證安全穩(wěn)定、經(jīng)濟環(huán)保的基礎(chǔ)上，采取注漿等技術(shù)措施降低地層滲透系數(shù)，并允許一定量的地下水排入隧道。“堵水限排”理念克服了全封堵時襯砌水壓力過大的缺點，避免了全排水時可能導(dǎo)致的地下水資源枯竭、水土流失、地層沉陷、植被破壞等生態(tài)環(huán)境問題。

2.2 隧道滲漏治理方案

隧道滲漏治理可分為施工階段的滲漏治理與使用階段的滲漏治理兩方面。在隧道施工階段引發(fā)滲漏的水源一般為突涌水，本質(zhì)為巖溶裂隙水。在隧道挖掘施工過程中，觸及前方含有不明水量的巖層而突涌進入隧道內(nèi)部的水，因滲漏發(fā)生突然，滲漏規(guī)模預(yù)測難度較大，所以滲漏危險性相對較大[7]。巖溶裂隙水突涌滲漏的治理通常分為兩方面，一方面需要在施工過程中采用超前地質(zhì)預(yù)報，提前判斷開挖施工中實時的地質(zhì)情況；另一方面判斷其地質(zhì)情況及水量規(guī)模進而采取針對性解決治理措施。

目前針對隧道突涌水的治理原則因不同地質(zhì)情況有所不同，但治理思路與上述三種防滲漏方案相同，同樣采用以排為主、以堵為主和堵排結(jié)合三種思路。具體治理方法包括：排水降壓法、全斷面帷幕注漿法、超前旋噴法、地層凍結(jié)法、超前管棚預(yù)支護等。在選擇滲漏治理方案的過程中，首先應(yīng)對突涌水的類型進行判定，按照突涌水量的規(guī)模及通道大小，可將突涌水分為微小裂紋突涌水、節(jié)理裂隙突涌水、巖溶通道突涌水、富水?dāng)嗔褞挥克暗叵掳岛油挥克?。不同類型突涌水的水量大小及動水流速將直接影響注漿法滲漏修復(fù)的材料及工藝選擇。目前在工程實踐中，較多采用注漿法進行滲漏治理。針對不同的突涌水類型，注漿法滲漏治理的重點在于如何選擇合適的注漿材料，如何保證注漿按照設(shè)計的擴散率實現(xiàn)滲漏防治的效果，同時在注漿效果得到保證的情況下，如何更加經(jīng)濟地進行注漿厚度設(shè)計[8]。

在隧道使用階段，隧道滲漏的防治重點在于過程中的滲漏檢測及滲漏發(fā)生后的注漿修復(fù)。滲漏檢測可以盡早發(fā)現(xiàn)滲漏問題，對隧道的損傷及重大災(zāi)害的規(guī)避具有重要影響，越早發(fā)現(xiàn)滲漏，修復(fù)成本和后續(xù)危害越低。目前，隧道滲漏檢測主要采用傳統(tǒng)的人工巡查法和處于發(fā)展階段的快速無損檢測法[9]。傳統(tǒng)的人工巡查檢測法主要以目測為主要檢測方式。該方法操作簡便，無較大復(fù)雜設(shè)備應(yīng)用，同時檢測的效率較低，且精度因人而異，準確性較低。我國快速無損檢測法發(fā)展迅速，出現(xiàn)了紅外熱成像法、地面激光掃描法、攝像測量法、溫度梯度法及電導(dǎo)率法等新型滲漏檢測方法，基本實現(xiàn)對滲漏發(fā)生位置、滲漏類型判別、滲漏水溫檢測和水質(zhì)情況檢測等滲漏指標(biāo)的準確監(jiān)控，在極大程度上保證了隧道滲漏即發(fā)生即發(fā)現(xiàn)的滲漏排查效率，為隧道運營養(yǎng)護提供技術(shù)保障。

在隧道使用階段，滲漏發(fā)生后的治理方式以注漿法為主。目前所采用的注漿液主要有顆粒漿液和化學(xué)漿液。顆粒漿液具有低毒、非柔性（凝結(jié)后）的特點，常用于滲漏的短期封堵。化學(xué)漿液種類繁多，性質(zhì)各異，主要包括硅酸鈉、聚氨酯、氨基樹脂、丙烯酸酯、丙烯酰胺等。漿液也可與水泥基滲透結(jié)晶型防水材料混合使用，有利于提高封堵效果、降低反復(fù)滲漏的可能性[10]。

3 結(jié)語

隧道滲漏問題作為常見的工程問題，始終是隧道工程實踐的難點與痛點，因滲漏發(fā)生的周期貫穿于隧道全過程，因此不論在設(shè)計階段、施工階段及后期運維階段都需要全力避免滲漏問題的發(fā)生。希望未來的隧道滲漏防治研究，在設(shè)計階段能夠出現(xiàn)更加合理高效的滲漏防治理念，在施工階段通過施工技術(shù)水平的提升，不斷提高隧道防排水能力，在運維和檢測階段，能夠在超前地質(zhì)預(yù)報和綜合滲漏監(jiān)控方面取得更大成效。