水工隧洞建設(shè)中的鋼筋混凝土襯砌水壓致裂原因及對策

趙忠宇

（廣州市泰和混凝土有限公司，廣東 廣州 510450）

1 工程概況

某一水工隧洞左里程樁數(shù)：ZKl3+728~ZKl7+255，右里程樁數(shù)：YKl3+726~YKl7+310，隧道底部標(biāo)高248m~304m，最大埋深約44m，寬10.25m，為深埋超長巖溶隧道，高5.0m，垂直坡度1.6%。隧洞地址處于長江南岸巖溶-溶丘-洼地區(qū)，重點(diǎn)布局在400m~700m的喀斯特地貌上。在長江流域基準(zhǔn)面與區(qū)域內(nèi)部裂縫的雙重作用下，水系發(fā)育程度非常高，河谷遭受了嚴(yán)重的切割。水源侵蝕，洼地近半封閉。可溶性和不溶性巖石呈間隙性分布，巖溶水系統(tǒng)的分布和排泄水受基礎(chǔ)設(shè)施控制和分層控制的影響。隔水頂?shù)装鍖r溶發(fā)育和巖溶水生成條件有顯著影響。

從陶家溪到艾家河，隧道由入口始至出口止，先后經(jīng)過的巖石主要有8種：①下震旦統(tǒng)蓮沱組砂巖；②粉砂巖；③砂質(zhì)頁巖和含礫石砂巖；④南沱組冰磧礫巖；⑤冰磧礫石砂巖；⑥震旦系陡山沱組碳質(zhì)頁巖與泥質(zhì)頁巖混合；⑦含硅結(jié)核或硅條白云巖或硅質(zhì)白云巖；⑧燈影組為灰白色中厚層狀含硅塊狀或白云質(zhì)灰?guī)r。

另外，燈影組下面是白灰色碎屑物質(zhì)巖、一般呈薄層狀、透鏡狀、條帶狀及結(jié)核狀的硅質(zhì)白云巖，這種白云巖與黑色碳質(zhì)頁巖交相輝映，掩映其中的是黑色的薄層硅質(zhì)、瀝青微透明灰?guī)r；上端是灰白色白云質(zhì)灰?guī)r、其內(nèi)部包括一些破碎的白云巖，燧石內(nèi)部包括燧石塊，與黑色頁巖交相輝映。

燈影組是一個中等巖溶含水帶，受隔水頂板和底板、區(qū)域張性和張性斷裂的干涉，巖溶主要沿不溶巖與溶巖接觸帶和區(qū)域張性斷裂生長。隧洞經(jīng)過中間有硅質(zhì)、瀝青灰?guī)r時，顯露出高傾角充填巖溶裂縫蓄水結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了隧洞涌水和襯砌壓垮斷裂病害。

2 高陡傾充填型巖溶裂隙蓄水構(gòu)造形式與致災(zāi)機(jī)制

隧道開挖揭露的是隧道施工中常見、卻極易被忽視的一種致災(zāi)性極強(qiáng)的巖溶蓄水構(gòu)造形式。對其形態(tài)、充填特性、災(zāi)害形成的原因等進(jìn)行全方位研究，能夠?yàn)樵敿?xì)評估施工風(fēng)險(xiǎn)提供參考，也可為類似工程提供參考。

2.1 高陡傾充填型巖溶裂隙蓄水構(gòu)造

2.1.1 形態(tài)

經(jīng)隧道開挖可見，高陡充填型巖溶裂隙儲層構(gòu)造達(dá)300°，與隧道相交成20°左右的小角度。擴(kuò)展性好，走線長度超過20m，產(chǎn)狀30。由于構(gòu)造和溶蝕差異，局部產(chǎn)狀和傾角變化不大，但整體產(chǎn)量高、陡。這組裂紋是沿局部拉伸裂紋熔化形成的。隧道的可見寬度為20cm~40cm，并向上延伸。隧道內(nèi)進(jìn)水動態(tài)、充填物性質(zhì)、洞穴狀表面和洞底沉積物根據(jù)高角裂縫腐蝕后的裂縫寬度為0.3m~3.0m向上延伸，據(jù)推測它會到達(dá)并形成一個角度比較高的縫隙溶洞。大面積空腔會被全面填充，順著界面不斷發(fā)育的巖溶管道則使儲層結(jié)構(gòu)達(dá)到了中等滲透率。

2.1.2 充填物性質(zhì)

許多巖溶裂縫布滿碎屑廢棄沉淀物。沉淀物在水壓與自重應(yīng)力的影響下，產(chǎn)生伸展及凝結(jié)狀態(tài)。暴露的初始階段是半堅(jiān)硬狀的，允許使用鎬或鋼筋等工具進(jìn)行移動。

2.1.3 致災(zāi)機(jī)制

高傾角增加巖溶裂縫水儲集結(jié)構(gòu)，以大角度裂隙的形式出現(xiàn)，下雨后輕易匯聚在縫隙中，產(chǎn)生高水壓。并且，因?yàn)樵黾咏橘|(zhì)浸透率低，沉淀物活動緩慢，底端容易沉淀，增加介質(zhì)中一般具有多量黏土顆粒，在自重應(yīng)力與高水壓密實(shí)的影響下，增加介質(zhì)沉淀、凝固成堅(jiān)硬和半堅(jiān)硬狀態(tài)，浸透性極差。

在開挖和暴露初期，水往往出現(xiàn)很少，往往不被重視，然而經(jīng)過長時間暴露后，其內(nèi)部介質(zhì)的流失會不斷加劇，不僅會導(dǎo)致水量持續(xù)增加，而且會使水壓增加。水的流入和水壓的增加加劇了巖溶裂隙中充填介質(zhì)的損失。因此，涌水和充填介質(zhì)滲透變形的形成以及兩個正反饋回路的變形加劇變形了充填介質(zhì)的水壓和滲透隧道的水文地質(zhì)條件。涌水和滲透變形的正反饋機(jī)制降低了充填介質(zhì)的性質(zhì)，最后，它以填充管的形式和流動土壤的滲透變形的方式被擠出，或作為一個整體被擠出。然后將地下河水、溶洞水或地表水引入隧道。這可能導(dǎo)致例如壓碎等災(zāi)難不斷發(fā)生。

所以，在挖掘隧道時，如果發(fā)現(xiàn)陡傾角充填涵洞蓄水構(gòu)造，就需要全面調(diào)查隧道所處區(qū)域的巖溶特點(diǎn)，同時對涵洞產(chǎn)水狀況也要進(jìn)行全面分析。在對水源進(jìn)行分析后，評論蓄水構(gòu)筑物的水壓變化幅度、安全性、水泥侵入風(fēng)險(xiǎn)等。對強(qiáng)充填介質(zhì)應(yīng)盡快進(jìn)行治理，盡可能降低擾動，提升抗?jié)B、抗變形能力，防止充填介質(zhì)發(fā)生管涌與流土形式的滲透變形，避免充填介質(zhì)沿管道或裂隙壁整體擠出。

2.2 水源與災(zāi)害成因分析

2.2.1 隧址區(qū)地形

隧道區(qū)域的地貌受到兩個條件的影響：①隧洞經(jīng)過艾家河和高家溪合流陶家溪的界線，界線南北長大概3km；②南部為三峽-清江流域，古剝蝕面發(fā)育，海拔1000m~1600m；長江以北的三峽段，高程為10m~20m，造成地形起伏。

然后從南到北整體下降。并且受黃陵背斜的限制，隧道地址橫縱方向呈張性裂縫生長，地面溝谷及地面和地下巖溶受其影響比較顯著。總的來說，地貌被溝谷橫豎分割，以上地形在限制條件下，內(nèi)部巖溶水域范圍相對小。

2.2.2 巖溶水流域系統(tǒng)

隧道處于黃陵背斜的東南側(cè)，燈影組白云巖順東西向呈帚狀漫衍，帚底面向東北方位。西穿陶家、中部多數(shù)地下水穿過龍洞窩巖溶水體系、局部通向猴豹溝、向東經(jīng)猴豹溝、簡溝到達(dá)艾嘉河，后流入長江。

中部龍洞窩巖溶水盆地體系補(bǔ)充區(qū)，主要位于艾家河-陶家溪流域海拔400m~700m上，漫衍多數(shù)是密封及半密封的低地，補(bǔ)充范圍大概是2km2。泄水點(diǎn)龍洞窩位于隧道出口端愛家河左岸，東北方向大概800m，流量最低為20L/s，最高為60L/s，與具體艾家河河面相比，其高出2m，海拔達(dá)到了265m。龍窩巖溶水系地質(zhì)剖面和隧道中心線兩相交融。

除此之外,隧道場區(qū)在50°、300°方向分布斷層破碎帶,腐蝕較強(qiáng),隧道裂縫走向統(tǒng)一,裂縫為龍洞窩巖溶水體系的西北走向支流,因?yàn)樽邉莺退矶闯市〗嵌冉粎R,在結(jié)構(gòu)和腐蝕的影響下,非常容易在隧洞作業(yè)時被經(jīng)常暴露,從而引起巖溶涌水或坍塌等病害。

2.2.3 水源與災(zāi)害成因分析

在強(qiáng)對流天氣狀況下，順著楊家沖河谷燈影組巖溶水并沒有出現(xiàn)泉水，對隧道涌突水進(jìn)行了詳細(xì)觀測，并對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了全面分析，同時還探究了高程，從中可以知道，涌突水段最大水壓不會超過0.5MPa。

此外，早期突水病害引起的大規(guī)模襯砌破裂、底板凸起的主要因素：在作業(yè)時忽略了高傾角填充型巖溶裂縫蓄水結(jié)構(gòu)的破壞性，沒有正確處理巖溶裂縫，其內(nèi)部填充物質(zhì)長時間被浸透，侵蝕空化，增強(qiáng)裂縫滲透率，強(qiáng)對流天氣狀況下，水壓迅速增強(qiáng)，二襯泄水不通，結(jié)果不僅在襯砌內(nèi)部積累了不少地下水，而且在防水板內(nèi)部也存貯了大量地下水。水壓不斷提高，不但破壞了與巖溶裂隙相交的YK16+042~YKl6+020的襯砌組織，而且還讓地下水利用空隙進(jìn)入了附近的襯砌組織與圍巖內(nèi)部，最后形成的結(jié)果是YKl6+086~YKl5+938大面積底板鼓起和二襯開裂[1]。

3 災(zāi)害治理

水力壓裂突水病害引發(fā)的隧洞襯砌問題，重點(diǎn)聚集在YKl6+086~YKl5+938，具體如圖1所示。YK16+040巖溶裂縫最開始是以“無水充填裂縫”的形式顯現(xiàn)出來的，然而由于長時間受到水壓的影響，水流與壓力不斷增大，充填體也會在滲透的作用下不斷變?nèi)?。裂縫不斷增大。這已經(jīng)成為隧道注水的重要原因。水流量增加，襯砌內(nèi)水壓也增加，水侵入規(guī)模增大，隧道底板找平層的破壞程度也與日俱增。

圖1 襯砌受損位置圖

隧道底板調(diào)平層與二襯破壞范圍也越來越廣：從YKl6+076~YK16+050段（26m），到Y(jié)Kl6+086~YKl6+022（64m），其次到Y(jié)Kl6+086~YKl5+985（101m），最后到Y(jié)Kl6+086~YKl5+938（148m）。

對高陡充填巖溶裂隙蓄水結(jié)構(gòu)，其在涌突過程中出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的空心化，在降水比較豐沛的季節(jié)，涌水量會增加，水壓也會提高。在多次討論的基礎(chǔ)上，最后確定出“主堵、補(bǔ)排水、合排、限排”的方案，采用了裂隙封堵、周壁注漿、排水泄壓、結(jié)構(gòu)置換、信息化注漿效果評估的措施處治災(zāi)害（YKl6+096~YKl5+925段）。

3.1 裂隙封堵

3.1.1 注漿工藝

在圖2中，首先在巖溶裂縫開口處應(yīng)用封堵體，并預(yù)埋灌漿管，將線或地表水改成點(diǎn)狀?？煽嘏潘?；然后沿灌漿管注入灌漿，密封巖溶裂隙，形成特定的擴(kuò)散范圍。

圖2 裂縫封堵示意圖

巖溶裂縫出水口阻滯劑由發(fā)泡劑、馬力粉、其他膨脹性快速固化劑、防止水流分散體和防沖刷材質(zhì)對巖溶裂縫出水口的阻塞，如果現(xiàn)場不具備有關(guān)條件，可以利用其他材料將出水口堵住，如棉被等。除此之外，還可以利用某些材料固定于巖溶裂縫壁，如水泥等。但密封體必須保證水壓可以擠出。密封孔洞時，灌漿管要從密封件內(nèi)部穿透而過且其插入巖溶裂縫的深度比較深。嵌入式灌漿管的作用主要有以下4個方面。

3.1.1.1 排水作用

在灌漿中布設(shè)孔板閥管道，將貯存在巖溶裂縫中的地表水更改為可以有效控制點(diǎn)排水。與此同時，避免巖石溶裂縫內(nèi)部貯存大量積水，提高水壓，推出塞體。

3.1.1.2 勘測效果

在注漿管內(nèi)裝配水壓表及孔板閥，來勘測水壓及水量變化情況。

3.1.1.3 注漿效果

按照現(xiàn)場水壓值確認(rèn)能注入1根或多根注漿管道。當(dāng)水壓和水量較低時，嵌入1根灌漿管，塞體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，直接壓漿以封堵巖溶裂隙。如果水壓比較高或者水量比較高，則嵌入多個灌漿管。塞體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，灌漿一部分灌漿管封閉巖溶裂縫，部分灌漿管排出。

3.1.1.4 泄壓功能

灌漿管在施工和運(yùn)行時可作為限排泄壓孔使用[2]。

3.1.2 注漿材料

注漿材料應(yīng)符合以下要求：1）通過實(shí)際狀況確認(rèn)使用泥漿或水泥及硅酸鈉漿料。隧道開裂大、飛濺大的路段采用水泥-水玻璃漿，其余部分推薦單一水泥漿。首選水泥單組份注漿法的原因，首先是泥漿的分散面積能增大，加強(qiáng)了注漿作用；其次，可回避水泥及硅酸鈉漿料注體不持久特性。2）水泥漿選擇的是普通425號硅酸鹽水泥，這種水泥非常普通，也很常見。水灰比為1∶0.6~1∶1。硅酸鈉的濃度是35Be（波美度），硅酸鈉的模量為2.4。水泥與硅酸鈉混合比范圍在1∶0.5~1∶1。

3.2 周壁注漿

在隧道拱頂處進(jìn)行圍墻注漿，封堵溶出裂縫支管及層間接縫裂縫。

3.2.1 孔位設(shè)置

通過設(shè)計(jì)了長度為5m的76mm硅花管灌漿，周向間隔1.2m×1.2m，單孔灌漿分散范圍0.6m，并利用鉆孔驗(yàn)證方法進(jìn)行測試。

3.2.2 灌漿液

根據(jù)當(dāng)?shù)氐孛矤顩r及泄水的具體情況，選擇合適的水泥，材料參數(shù)與裂隙封堵材料參數(shù)是一樣的，水泥單液注漿方式是最佳形式，為第一選擇[3]。

3.2.3 注漿壓力

注漿壓力不低于0.5MPa，不高于1.0MPa。

3.2.4 注漿加固范圍

以隧道開挖輪廓線為基準(zhǔn)，5m以上均在注漿加固范圍之內(nèi)。

3.2.5 成效檢驗(yàn)

參考規(guī)章制度采取打孔檢驗(yàn)和壓水檢驗(yàn)的方法進(jìn)行檢查灌漿成效，沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時，再次進(jìn)行打孔。灌漿。

3.3 排水泄壓

排水泄壓施工應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1）鉆孔穿過巖溶裂隙的主要通道，布置閥門的可操控泄水管，檢測作業(yè)時及運(yùn)營時水壓和水量的轉(zhuǎn)變情況。2）利用將襯砌構(gòu)造中布置圓形及垂直透水管道、橫向泄水管道，同時在襯砌構(gòu)造中布置縱橫交錯碎石盲溝，出現(xiàn)網(wǎng)狀泄水體系，滿足限量排泄壓力的目標(biāo)。3）兩旁邊角處（路沿泄水溝內(nèi)）設(shè)置水平和橫向排水孔，同時和隧道側(cè)溝相連，孔長5m，豎向間隔5m~10m，涌水量聚集點(diǎn)距離取最小數(shù)值。

3.4 結(jié)構(gòu)置換

結(jié)構(gòu)置換施工要求如下：1）鑿除底板受損調(diào)平層，增設(shè)仰拱。2）鏟除破損的二襯和局部一襯，根據(jù)抗水壓為0.5MPa襯砌組織種類進(jìn)行操作，也就是選擇0.6m厚且強(qiáng)度等級是C30鋼筋砼作為二襯且二襯反面滲水盲管由隔10m布置一道轉(zhuǎn)變成隔5m布設(shè)一道。

該文通過隧道襯砌壓裂突水工程實(shí)例分析，研究隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征，得出以下結(jié)論：1）高陡傾角充填巖溶裂隙蓄水構(gòu)造以大角度裂隙形式產(chǎn)生。降雨后，裂縫空間容易積水，形成高水壓；此外，由于其滲透性差，沉積物移動緩慢，容易在底部堆積。在自重應(yīng)力及高壓水的影響下，填充沉積物凝固成硬質(zhì)或半硬質(zhì)，滲水性差，挖掘裸露早期，沒有水或少數(shù)噴水，輕易被忽略；但后期裸露時期內(nèi)，裂縫的填充沉積物將會流失，最后導(dǎo)致沉積物出現(xiàn)在管道、活動土中，被全部擠出。地下水、巖溶空孔水以及地表水全部會進(jìn)入隧道內(nèi)部，并形成襯砌損毀等各種問題。2）如果在隧道施工的過程中，出現(xiàn)了高陡充填型巖溶裂隙蓄水構(gòu)造，有必要研究隧道場址區(qū)域內(nèi)部的巖溶發(fā)育特點(diǎn)及巖溶蓄水規(guī)律，估算隧道內(nèi)水壓變化范圍。該文通過水源對蓄水體系進(jìn)行全面分析，對蓄水體系的安全性與風(fēng)險(xiǎn)性進(jìn)行充分評估，改強(qiáng)充填介質(zhì)性質(zhì)，加強(qiáng)抗?jié)B透能力和抗變形能力。防止充填介質(zhì)發(fā)生管涌與流土形式的滲透變形，避免充填介質(zhì)沿管道或裂隙壁整體擠出。

4 結(jié)語

綜上所述，襯砌開裂會導(dǎo)致滲漏問題，嚴(yán)重時甚至?xí)λに矶吹哪途眯院徒Y(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生巨大的影響。部分隧道注水后，會出現(xiàn)嚴(yán)重的開裂和滲水現(xiàn)象，影響隧道的正常運(yùn)行。運(yùn)行，給隧道的維護(hù)帶來了困難，該文希望為相關(guān)人員了解鋼筋混凝土襯砌水力開裂的原因及對策提供參考。