公路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞機(jī)理及處治措施

馬文鎮(zhèn)，張 豹， 張彥龍

(1.廣東大潮高速公路有限公司，廣東 大埔 514200；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

隨著我國(guó)公路隧道不斷向崇山峻嶺和離岸深水區(qū)延伸，在施工、運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)了一系列復(fù)雜的病害，尤其是近年來出現(xiàn)的排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問題，導(dǎo)致隧道排水系統(tǒng)失效、襯砌水壓力增大、滲漏水加劇以及襯砌結(jié)構(gòu)劣化等，給隧道管養(yǎng)部門帶來了較大壓力。

隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害已引起了眾多學(xué)者的關(guān)注，大多數(shù)采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法，對(duì)排水管結(jié)晶堵塞物來源、影響結(jié)晶因素、結(jié)晶機(jī)理以及結(jié)晶預(yù)防處治措施等方面進(jìn)行了研究，然而由于排水系統(tǒng)工程的隱蔽性，許多處治方法工程效果不理想，沒有形成經(jīng)濟(jì)高效的解決方法，且堵塞結(jié)晶現(xiàn)象在隧道建設(shè)期就已出現(xiàn)，因而在建設(shè)期對(duì)隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行可維護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)隧道安全及后期管養(yǎng)十分重要。

本文結(jié)合廣東大潮高速公路東溪山隧道工程，對(duì)施工期隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和取樣分析，并提出針對(duì)性的處治措施，供同類工程參考和借鑒。

1 工程概況

大潮高速公路東溪山隧道位于廣東省潮州市饒平縣新塘鎮(zhèn)烏洋村，設(shè)計(jì)為分離式隧道，左線起止里程ZK61+680～ZK63+480，長(zhǎng)度1 800m，右線起止里程YK61+655～YK63+465，長(zhǎng)度1 810m，為雙向四車道高速公路。隧道最大埋深約162m，隧道縱坡設(shè)計(jì)采用“人”字坡，進(jìn)口縱坡1.0%，出口縱坡1.6%。

1.1 工程地質(zhì)

1.1.1 地形地貌

隧道位于溝谷斜坡-丘陵地貌區(qū)，區(qū)內(nèi)最高標(biāo)高在ZK62+480左側(cè)390m，高365.5m，最低標(biāo)高在隧道左線進(jìn)口，高120.8m，相對(duì)高差244.7m。隧道進(jìn)口段山坡坡度10°～30°，中部一般30°～50°。植被發(fā)育，水土保持較好。

1.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，以斷裂構(gòu)造為主，褶皺構(gòu)造與斷裂相伴而生，由于受到多次斷裂作用及巖漿侵入破壞多數(shù)不完整。斷裂構(gòu)造常成組成帶產(chǎn)出，可分為北東向、東西向和北西向三組。隧道區(qū)有1條斷裂構(gòu)造(F2斷層)通過。ZK62+808，YK62+823附近斷裂構(gòu)造通過，斷層產(chǎn)狀326°-345°∠76°-83°。該斷層為硅化帶，長(zhǎng)度大于5.0km，寬度約2.0m，斷面陡直，構(gòu)造巖組成物為塊狀石英脈、強(qiáng)硅化花崗巖、花崗碎裂巖、碎裂巖等，構(gòu)造巖帶內(nèi)節(jié)理裂隙不發(fā)育，且多閉合，斷層兩側(cè)為燕山期花崗巖。大地音頻電磁法也表現(xiàn)為斜向低阻異常，裂隙發(fā)育，巖石破碎，隧道圍巖穩(wěn)定性差。

1.1.3 地層巖性

隧道區(qū)出露地層為侏羅系上統(tǒng)兜嶺群中段(J3dlb)熔結(jié)凝灰?guī)r和燕山期(γ5)花崗巖，殘積(Qel)砂質(zhì)黏性土、粉質(zhì)黏土，坡積(Qdl)粉質(zhì)黏土。

1.2 水文地質(zhì)

1.2.1 地表水

隧道進(jìn)口位于雨源型山溝交匯處，水文地質(zhì)條件復(fù)雜。地表水主要為大氣降水形成的地表面流，地表徑流條件較好，隧道進(jìn)、出口位于斜坡上，分布標(biāo)高較高，均有溝谷通過，匯水面積較大，水量多。

1.2.2 地下水

隧道進(jìn)口段地下水發(fā)育，于YK61+880發(fā)現(xiàn)一處泉水，為下降泉，雨季流量為0.05L/s，旱季流量為0.01～0.02L/s。隧道地下水為表層坡殘積黏性土、碎石土中的孔隙水及基巖風(fēng)化帶內(nèi)的裂隙水，水量大小受裂隙發(fā)育程度及季節(jié)變化影響，補(bǔ)給來源主要為大氣降水下滲補(bǔ)給。

1.2.3 地下水水質(zhì)

1.3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隧道全長(zhǎng)在行車道前進(jìn)方向左右側(cè)邊緣設(shè)排水邊溝與路面排水溝，襯砌背后墻腳外側(cè)設(shè)φ110mmPE縱向單邊打孔雙壁波紋排水管，并用PEφ110mm橫向排水管(最小坡度2%)與排水邊溝橫向連通，設(shè)置間距不大于10m，實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)消防清洗用水與地下水分開排放的目的。

為了便于對(duì)縱向排水管定期采用管道疏通機(jī)及時(shí)疏通，在二襯墻腳每隔50m設(shè)置檢查維修孔；為了便于維修行車道邊緣排水溝，沿縱向每隔50m設(shè)一處沉淀檢查井；為防止淤積堵塞，路面下排圍巖水邊溝設(shè)置檢查井。

2 排水系統(tǒng)結(jié)晶體堵塞病害

2019年7月5日施工期間，在隧道右洞洞口段二次襯砌發(fā)現(xiàn)多處滲水，主要位置為預(yù)留洞室、施工縫、變形縫等，最高約4m，滲水狀態(tài)為細(xì)股狀水，滲水問題較嚴(yán)重，如圖1和圖2所示。

圖1 YK61+800二襯預(yù)留洞室滲水

圖2 YK61+812二襯滲水

隨后，項(xiàng)目部對(duì)隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行了全面排查，發(fā)現(xiàn)縱向排水暗溝內(nèi)沉積大量的結(jié)晶體(圖3)，最厚處約25cm，多處橫向排水管被白色結(jié)晶體堵塞(圖4)。

圖3 縱向排水暗溝結(jié)晶堵塞

圖4 橫向排水管結(jié)晶堵塞

2019年9月8日，發(fā)現(xiàn)隧道右洞YK62+720～YK62+840段內(nèi)側(cè)縱向排水暗溝內(nèi)有水溢出，打開水溝蓋板后發(fā)現(xiàn)YK62+810～YK62+840段水溝內(nèi)大量白色結(jié)晶體淤積，結(jié)晶體厚度為10～30cm，結(jié)晶體大量淤積是導(dǎo)致水溝堵塞、水溢出的主要原因。同時(shí)該段落一處檢查井內(nèi)及溝壁有大量結(jié)晶體析出，厚約10cm(圖5～圖7)。通過局部蓋板翻開及電纜溝橫向排水孔排查，隧道右洞結(jié)晶體堵塞嚴(yán)重的段落為：洞口段YK61+655～YK62+100，洞身YK62+400～YK63+080，合計(jì)1 125m，其余段落堵塞一般。

圖5 右洞水溝內(nèi)水溢出

圖6 右洞檢查井白色結(jié)晶體

圖7 右洞水溝內(nèi)白色結(jié)晶體

2019年11月10日～12月18日，左洞清理水溝結(jié)晶體，水溝蓋板打開后，發(fā)現(xiàn)水溝大部分發(fā)生結(jié)晶體堵塞現(xiàn)象。結(jié)晶體主要為白色、少部分為黃色，橫向排水孔堵塞量約半孔或全部堵塞，個(gè)別孔水流速較快的未發(fā)生堵塞,如圖8和圖9所示。堵塞嚴(yán)重的段落為：洞口段ZK61+680～ZK62+000，洞身段ZK62+600～ZK63+040嚴(yán)重，合計(jì)760m，其余段落堵塞一般。

圖8 左洞橫向排水管結(jié)晶體堵塞

圖9 左洞排水暗溝結(jié)晶體

3 結(jié)晶堵塞機(jī)理分析

3.1 結(jié)晶堵塞規(guī)律及現(xiàn)象

3.1.1 結(jié)晶堵塞規(guī)律

(1)地下水涌水量大的段落結(jié)晶體堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重，涌水量小的段落堵塞現(xiàn)象較輕，結(jié)晶堵塞具有區(qū)段性。

(2)雨季結(jié)晶體發(fā)展速度快，旱季結(jié)晶體發(fā)展速度相對(duì)較慢。

3.1.2 結(jié)晶體形成現(xiàn)象

(1)結(jié)晶體顏色主要為白色，其次為黃色，黑色及粉紅色較少分布。

(2)結(jié)晶體形成初期為大量白色絮狀物，后期為粉末狀結(jié)晶。

(3)結(jié)晶體初期顏色為雪白色，后逐漸變黃。

(4)結(jié)晶體初期為糊狀，后逐漸變硬。

3.2 結(jié)晶體來源

根據(jù)二襯混凝土開窗及橫向排水孔初步得出結(jié)晶體主要來源于水與初期支護(hù)接觸面(圖10)，分析如下：

圖10 隧道洞內(nèi)開窗

(1)裂隙水經(jīng)過圍巖時(shí)，無任何結(jié)晶體出現(xiàn)。

(2)裂隙水與初支混凝土接觸后，很快出現(xiàn)白色結(jié)晶體。

(3)通過橫向排水孔觀察，結(jié)晶體初期支護(hù)與二襯接觸面、圍巖內(nèi)部并未出現(xiàn)白色結(jié)晶體。

3.3 結(jié)晶體成分

對(duì)隧道洞內(nèi)結(jié)晶沉淀物取樣，采用XRF法對(duì)其成分進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見表1。

表1 隧道洞內(nèi)沉淀物XRF分析 (單位:%)

由表1中結(jié)晶體物相分析結(jié)果可知，白色和黃色樣品中的主要成分為CaO且含量均高于混凝土試樣，表明隧道內(nèi)的結(jié)晶物主要是由于地下水在流經(jīng)混凝土過程中與其發(fā)生反應(yīng)，生成了CaCO3沉淀。

3.4 結(jié)晶堵塞機(jī)理

4 排水系統(tǒng)改造方案

根據(jù)本工程所涉及隧道具體的滲漏及排水系統(tǒng)淤堵特征和情況，考慮營(yíng)運(yùn)期排水系統(tǒng)淤堵后的可維護(hù)性，將隧道暗溝排水改造為明溝排水；考慮到已有的排水系統(tǒng)已堵塞，在隧道邊墻墻角增設(shè)泄水孔，在明溝溝底增設(shè)豎向的井點(diǎn)降水井。

(1)原暗溝斷面尺寸為50cm(寬)×30cm(深)，改造后的明溝斷面尺寸為30cm(寬)×60cm(深)，水溝蓋板采用厚5cm的UHPC預(yù)制塊，改造方案增大了邊溝的過水?dāng)嗝?。明溝斷面如圖11所示。

圖11 隧道明溝排水溝改造

(2)隧道邊墻橫向泄水孔在電纜溝壁向圍巖方向打設(shè)，位置在蓋板以上高度約50～100cm，溝坡度5%，鉆孔深度3.5m，鉆孔φ150mm，鉆孔內(nèi)安裝3.5m長(zhǎng)的曲紋網(wǎng)狀PE韌性組合排水管(部分不透型φ110mm外管，全透型φ60mm內(nèi)管)?；炷炼闻潘芡獍鏊蛎浿顾畻l，嚴(yán)重堵塞段落縱向間距5m/個(gè)，一般堵塞段落縱向間距10m/個(gè)。排水孔排出的水經(jīng)φ110mm可拆卸兩通PE排水管排至縱向排水明溝。隧道橫向排水管如圖12所示。

圖12 隧道橫向排水管

(3)邊溝底部采用井點(diǎn)降水，豎向排水孔打設(shè)長(zhǎng)度5m，鉆孔φ150mm，鉆孔內(nèi)安裝5m長(zhǎng)的曲紋網(wǎng)狀PE韌性組合排水管(φ110mm外管，φ60mm內(nèi)管)，嚴(yán)重堵塞段落縱向間距5m/個(gè)，一般堵塞段落縱向間距10m/個(gè)。邊溝底部井點(diǎn)降水如圖13所示。

圖13 邊溝底部井點(diǎn)降水

5 結(jié)語(yǔ)

(1)東溪山隧道區(qū)域地下水較為發(fā)育，洞內(nèi)多處滲水嚴(yán)重，多處橫向排水管結(jié)晶堵塞，縱向排水暗溝沉積大量白色結(jié)晶體，結(jié)晶體厚度10～30cm。隧道洞內(nèi)結(jié)晶堵塞具有區(qū)段性，主要與該區(qū)域的圍巖地下水環(huán)境及噴射混凝土有關(guān)。

(3)隧道內(nèi)增加井點(diǎn)降水和邊墻泄水孔后，減少了隧道滲漏水的發(fā)生。

(4)采用明溝排水方案，便于實(shí)現(xiàn)定期養(yǎng)護(hù)，可有效預(yù)防水溝堵塞。