隧道二襯滲水病害機理及加固處治技術(shù)研究

袁和芬

(云南功東高速公路建設(shè)指揮部,云南 昆明 650299)

1 工程概況

1.1 隧道概況

功東高速公路徐家地隧道位于尋甸縣阿旺鎮(zhèn)東南側(cè)，設(shè)計為分離式隧道，右幅隧道起止樁號為K13+746～K17+660，全長3 914 m，左幅隧道起止樁號為K13+776～K17+641,全長3 865 m。道路等級為雙向四車道高速公路。隧道按照高速公路雙洞單向分離式設(shè)計，設(shè)計車速為80 km/h。根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》及《公路隧道設(shè)計規(guī)范》，隧道建筑限界采用雙車道凈寬10.25 m(行車道寬2×3.75 m，左側(cè)側(cè)向?qū)挾?.5 m，右側(cè)側(cè)向?qū)挾?.75 m，左側(cè)檢修道0.75 m，右側(cè)檢修道0.75 m)，行車道凈高5 m，檢修道凈高2.5 m的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 水文地質(zhì)

隧道左右幅進(jìn)口段軸線方向約326°,隧道軸線與地形等高線近垂直相交，洞口自然坡度約45°，下部呈現(xiàn)近乎直立的陡坎。洞口處覆蓋層主要為第四系殘坡積層，土質(zhì)較均勻，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)玄武巖，自然狀態(tài)下整體無滑動趨勢，調(diào)繪訪問斜坡無整體變形現(xiàn)象，斜坡自然狀態(tài)下整體穩(wěn)定性較好，但邊坡施工開挖會破壞其穩(wěn)定性，形成臨空面后，邊坡易失穩(wěn)，存在垮塌、滑坡的可能?；虑熬壱呀?jīng)抵達(dá)響水河床，側(cè)緣發(fā)育次級滑坡，目前滑坡上已有植被生長，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。在強降雨、較強地震的激發(fā)下，存在滑動可能。擬建線路采用隧道從滑坡后方穩(wěn)定山體通過，隧道埋深較大，滑坡對線路穩(wěn)定性影響較小。

1.3 滲水特點

隧道右幅出口段在施工到K16+320時出現(xiàn)局部滲水，經(jīng)臨時處理排放后隧道繼續(xù)向前掘進(jìn)，近一年跟蹤觀察：滲水點出水單點集中，流量大小、壓力基本持恒穩(wěn)定，不受季節(jié)變化。

2 滲水病害處治方案

本次隧道缺陷處治方案編制時主要考慮了隧道正在運營通車中，瀝青路面滲水對行車存在較大安全隱患，參考類似隧道處治施工的成功經(jīng)驗，針對不同部位不同程度的滲漏水情況，特制定處治方案如下。

表1 場地各巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2.1 隧道裂縫滲水

采用導(dǎo)流法灌注丙烯酸鹽漿液或針孔法灌注聚氨酯漿液進(jìn)行封堵處治。

2.2 隧道局部浸潤、點面狀滲水

首先采用鉆孔灌注丙烯酸鹽漿液進(jìn)行封堵處治；對于滲漏水比較嚴(yán)重的部位，再鉆孔鑿槽安裝三通引流管處治。

2.3 線槽、消防栓、電話亭等預(yù)設(shè)構(gòu)件邊角滲水

開裂滲水：采用導(dǎo)流法灌注丙烯酸鹽漿液或針孔法灌注聚氨酯漿液進(jìn)行封閉處治(處治措施同裂縫滲水處治一致)?；炷了缮?、麻面：采用鉆孔灌注丙烯酸鹽漿液進(jìn)行封堵處治(處治措施同點面滲水處治一致)。

2.4 施工環(huán)縫或沉降縫滲漏水

對滲漏水施工縫進(jìn)行鑿槽安裝U型橡膠排水帶引流處治。

2.5 瀝青路面滲漏水

采用槽鋼盲溝引排處治。

3 隧道滲水現(xiàn)場情況分析

3.1 滲水隱患

由于隧道的修建破壞了山體原始的水系統(tǒng)平衡，隧道成為所穿越山體附近地下水聚集的通道，在隧道防排水施工中，工藝質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，極易照成隧道滲漏水現(xiàn)象發(fā)生。通過對管段內(nèi)隧道滲漏水觀察發(fā)現(xiàn)，滲漏點主要集中在5個部位：(1)隧道裂縫處滲水；(2)隧道局部浸潤、點面狀滲水；(3)線槽、消防栓、電話亭等預(yù)設(shè)構(gòu)件邊角滲水；(4)施工環(huán)縫或沉降縫滲漏水；(5)隧道瀝青路面滲漏水。

根據(jù)現(xiàn)場勘測和施工單位提供的資料可得：(1)水溝已做變更設(shè)計(右幅K16+315～K17+660段和左幅K16+030～K641段取消清水溝蓋板，適當(dāng)加厚路面水溝蓋板，增大水溝凈空斷面，達(dá)到增大水溝流量，增大S=寬0.3×高(0.08+0.02)=0.03 m2)；(2)右幅K16+315右邊墻滲水點出水單點集中，流量大小、壓力基本持恒穩(wěn)定，不受季節(jié)變化；(3)右幅K15+615～K17+660出口段(長2 045 m)右側(cè)水溝流量局部已近極限，隧道貫通在即，K13+746～K15+615進(jìn)口段(長1 869 m)右側(cè)水溝流量最終匯入出口段，導(dǎo)致出口段水溝滿負(fù)荷或超限運行；(4)右幅K16+315～K17+660(長1 345 m)出口段因K16+315處右側(cè)邊墻出現(xiàn)滲水，左右側(cè)水溝水流量及水位差異較大；(5)從隧道局部預(yù)留排水口孔得：該隧道排水中鈣化物含量較高，排水系統(tǒng)在運行中易堵，隧道長期運營存在水隱患。

3.2 滲水原因分析

(1)山區(qū)地下水資源豐富，年降雨量大。為了達(dá)到新的平衡，隧道必須承受地層水壓力和圍巖壓力。大多數(shù)隧道都低于地下水位，而且后面的水壓很高。在長期積累后，很容易沿著隧道的弱防水部分(板的防水焊縫和防水板的受損部分)滲透，通常通過沉降縫或結(jié)構(gòu)縫[9]。

(2)隧道周圍的裂縫水含有鈣和混凝土中的化學(xué)物質(zhì)，容易堵塞隧道的下水道系統(tǒng)，導(dǎo)致漏水。

(3)防水隧道系統(tǒng)故障。在施工過程中，防水板的透水性受到損壞，防水板的焊接不足，防水板和混凝土的間隙太大，沒有止水帶，或存在反裝等施工問題。由于施工質(zhì)量、材料質(zhì)量等因素，隧道的防水層在施工過程中可能被破壞。因此，水有可能滲透到結(jié)構(gòu)縫隙中，特別是拐角處。

(4)隧道的建設(shè)不理想。由于施工問題，隧道內(nèi)環(huán)向盲溝，縱向和橫向排水管連接不牢固，不形成閉環(huán)，水從缺水口流出。部分隧道排水量大，水平排水管不能滿足排水需求，水量聚集過大造成車行橫洞和人行橫洞滲水。

(5)二次襯砌缺陷。在施工過程中，二次襯砌的質(zhì)量、厚度、密封性不符合標(biāo)準(zhǔn)時會發(fā)生泄漏，二次襯砌混凝土具有一定的耐久性，但施工過程中也可能是由于缺乏研磨而引起的。混凝土和橡膠等防水材料由于外力容易分離，施工縫漏水。

(6)隧道路面的損壞主要表現(xiàn)在板裂、掉角，造成地下水滲漏。用剛性密封結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行防水時汽車碾壓導(dǎo)致材料出現(xiàn)破碎。隧道結(jié)構(gòu)也存在熱膨脹和冷卻問題，發(fā)生了漏水。

3.3 缺陷處治實施步驟及施工工藝

(1)隧道裂縫滲水處治

采用針孔法灌注油溶性(或水溶性)聚氨酯漿液進(jìn)行處理。

①準(zhǔn)備：鑿除裂縫30 cm范圍防火涂料，詳細(xì)檢查、分析裂縫的情況，確定鉆孔的位置和間距。

②裂縫表面處理：人工配合小型機械沿裂紋走向?qū)捈s5 cm、深約5～6 cm范圍進(jìn)行“V”型鑿槽，然后清除縫口表面水泥浮塵、砂粒及疏松的混凝土塊。

③鉆孔：使用大功率沖擊電錘等鉆孔工具沿裂縫兩側(cè)交叉進(jìn)行鉆孔，孔距在40～50 cm，鉆頭為直徑14 mm，孔與裂縫斷面應(yīng)成45°～60°交叉，鉆孔深度必須穿過裂縫，但不得將墻打穿。

④洗縫：用空壓機以0.6 MPa的壓力向孔內(nèi)吹風(fēng)，將縫內(nèi)粉塵吹洗干凈，并觀察裂縫的貫通情況。

⑤埋針頭：在鉆好的孔內(nèi)安裝灌膠針頭，并用專用內(nèi)六角扳手?jǐn)Q緊，使針頭后的膨脹螺栓脹開。

⑥封縫：用瞬凝早強水泥砂漿封閉注漿孔。最后在表面噴涂20 cm寬2 mm厚水泥基滲透結(jié)晶型防水材料。

⑦灌漿：采用具有彈性止水的油溶性(或水溶性)聚氨酯漿液進(jìn)行針孔法灌注處理，灌注順序為由下向上，單孔逐一連續(xù)進(jìn)行，當(dāng)相鄰孔開始出漿后，保持壓力3～5 min，即可停止本孔灌注，改注相鄰孔。

⑧拆嘴：灌漿完畢，確認(rèn)聚氨酯完全固化即可去掉灌膠針頭，清理干凈已固化的溢漏出的漿液，恢復(fù)防火涂層。

(2)隧道局部浸潤、點面狀滲水處治

遵照“拱部封堵，邊墻疏排”的原則，采用注漿引排工法，首先采用鉆孔灌注丙烯酸鹽漿液進(jìn)行封堵處治。在滲漏水區(qū)域邊緣線外12.5 cm范圍內(nèi)鉆孔，孔徑為14 mm，孔深為襯砌厚度-10 cm，孔間距70 cm，梅花形布置，然后安裝止回注漿針頭；注漿施工過程中逐步增加注漿壓力，根據(jù)現(xiàn)場情況最終確定注漿壓力參數(shù)。再進(jìn)行鉆孔鑿槽三通引流管處治，三通引流管應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況，盡量設(shè)置在滲水較集中的位置，若相鄰兩條施工縫均滲水，則排水管設(shè)在兩條滲水縫中間位置；排水管鑿槽深度為15～20 cm，寬度為14～18 cm。設(shè)置一根直徑為110 mm的豎向PVC管，在管壁周圍鉆設(shè)三排深度≥1.5 m泄水孔(與水平面夾角15°～45°)，使管壁外滲水能順利進(jìn)入管內(nèi)，通過PVC管排出。施工時排水鑿槽位置可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)入排水管的水排入邊溝中。

(3)隧道施工環(huán)縫或沉降縫滲漏水處治

采用鑿槽安裝U型橡膠排水帶引流處治：沿施工縫或沉降縫位置整環(huán)采用人工開鑿第一層槽口，槽寬22 cm、深12 cm,注意槽面必須修整平順無較大坑洼，槽口整齊；第一層槽口鑿除完成后，再沿施工縫或沉降縫位置整環(huán)人工開鑿第二層槽口，槽寬8 cm、深7 cm，呈V型狀；施工縫或沉降縫位置拱腳采用鉆機鉆孔設(shè)置泄水孔，(與水平面夾角15°～45°)，孔深不低于150 cm；開槽完成后在第一層槽口兩側(cè)鉆孔安裝不銹鋼內(nèi)抱螺栓，然后將第一層槽面涂抹一層密封膠；清除U型橡膠排水帶灰塵油污，將U型橡膠排水帶錨固密貼于槽口上，然后采用不銹鋼壓條壓實排水帶；裝結(jié)束后在U型橡膠排水帶兩側(cè)再涂刮一層密封膠，最后進(jìn)行封口填充，為便于以后養(yǎng)護(hù)維修，保證隧道沉降變形不再拉裂，封口應(yīng)露出排水帶的U型部分，呈內(nèi)“八”封閉；U型橡膠排水帶安裝封閉后，拱腳采用PVC管連接將水排入到邊溝中。

(4)隧道瀝青路面滲漏水處治

采用槽鋼盲溝引排處治：新增斜向槽鋼排水溝底，必須保證坡度不小于1.5%～2%；每道槽鋼長度為8.5 m；每處滲水區(qū)域布設(shè)一道；滲水嚴(yán)重處可適當(dāng)加密；100 mmHDPE雙壁打孔波紋管外裹400 g/m無紡布,接頭處搭接寬度大于30 cm，盡量布置在滲水區(qū)域處；施工時開槽注意對原橫向、縱向盲溝的保護(hù)與路基邊溝的連接；由于調(diào)查時間為雨季過后，該路段多處滲水點路面位置不明確，加之隧道光線差，路面滲水的具體樁號位置在路面滲水?dāng)?shù)量表中未能一一列出。施工前應(yīng)做詳細(xì)，找準(zhǔn)滲水位置根據(jù)滲水位置觀察橫坡度，沿設(shè)置槽鋼的地勢測設(shè)高程，推算出出水口在槽鋼的高程是否能使水順暢排出后在進(jìn)行施工，槽鋼排水可根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置橫向或是斜向。

4 滲水量預(yù)測

結(jié)合隧道資料、地質(zhì)資料和水文地質(zhì)資料等，由于地下水形成條件簡單，基本上是靠大氣降水補給，故采用水均衡法較適宜。水均衡法預(yù)測滲水量時，常分為降雨入滲法和地下徑流模數(shù)法。故本隧道滲水量預(yù)測采用降雨入滲法、地下徑流模數(shù)法對隧道進(jìn)行估算，綜合評定隧道整體滲水量。

4.1 降雨入滲法

此法適用于埋藏深度較淺的越嶺隧道，亦適用于巖溶區(qū)。根據(jù)隧道通過地段的年均降水量、集水面積并考慮地形地貌、植被、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件選取合適的降水入滲系數(shù)經(jīng)驗值，可宏觀、概略預(yù)測隧道正常滲水量。

根據(jù)隧道地形及水文地質(zhì)條件，采用《鐵路工程地質(zhì)手冊》中降雨入滲法進(jìn)行估算，具體計算及公式如下。

Q=2.74α|W|A

式中：Q為隧道滲水量,m3/d；α為降水入滲系數(shù);W為區(qū)域多年年降雨量,mm；A為隧道通過含水體的地下集水面積,km2。

4.2 地下徑流模數(shù)法

此法適用于越嶺隧道通過一個或多個地表水流域地區(qū)，亦適用于巖溶區(qū)。本法采用假設(shè)地下徑流模數(shù)等于地表徑流模數(shù)的相似原理，根據(jù)大氣降水入滲補給的下降泉流量或由地下水補給的河流流量,求出隧道通過地段的地表徑流模數(shù),作為隧道流域的地下徑流模數(shù),再確定隧道的集水面積,便可宏觀、概略地預(yù)測隧道的正常滲水量。

Q徑=86.4|M|A

式中:Q徑為隧道滲水量，m3/d;86.4為換算系數(shù);M為地下水徑流模數(shù);A為計算匯水面積。

4.3 滲水量預(yù)測評估

結(jié)合地區(qū)及工程經(jīng)驗,建議以地下徑流模數(shù)法預(yù)測的最大滲水量作為設(shè)計依據(jù)，即隧道預(yù)計雙洞總體滲水量：正常滲水量約80.4 m3/d,最大滲水量約102.3 m3/d,在開挖過程中揭穿砂巖富集段的泥巖時，可能產(chǎn)生短時集中滲水。

4.4 處治結(jié)果分析

(1)流量監(jiān)測

對水量監(jiān)測采用容積法監(jiān)測。通過圖1監(jiān)測結(jié)果可以看出，處治前，洞內(nèi)滲水為小股滲水，滲水量可達(dá)1 L/s，在第15 d時進(jìn)行處治，處治后洞內(nèi)滲水出現(xiàn)波動，但從第20 d處治完成后其滲水量迅速降低，隨后滲水量略有增加，但當(dāng)其增加達(dá)到峰值后，滲水量逐漸減小，最終逐漸減小趨于穩(wěn)定。由于檢測時間的限制，當(dāng)停止檢測時，滲水量還處于下降階段，無法確定最終穩(wěn)定后的滲水量。但從已有數(shù)據(jù)可以看出，其滲水量已經(jīng)減小到了0.15 L/s，相較于處治前的1 L/s已減小了約85%左右。說明處治措施效果明顯，尤其時剛處治完之后，其滲水量迅速降低，兩天時間內(nèi)下降了90%左右，起到了很好的止水效果。

圖1 滲水量-時間曲線

(2)孔隙水壓力監(jiān)測

對孔隙水壓力的監(jiān)測采用孔隙水壓力計測定。通過圖2監(jiān)測結(jié)果可以看出，處治前，孔隙水壓力較大，在8 kPa左右。在第15 d進(jìn)行處治后，孔隙水壓力開始減小。一段時間后隨著滲水量的劇烈減小，孔隙中得到補充的水減小，起孔隙水壓力進(jìn)一步下降。并且隨著時間的推移，其孔隙水壓力逐漸減小，并不會出現(xiàn)類似滲水量曲線在劇烈減小后有一個明顯增長的過程。最終其孔隙水壓力減小到2.7 kPa左右，但這是因為監(jiān)測時間的限制。從圖3中可以看出，檢測在第55 d結(jié)束，但孔隙水壓力仍處于下降階段，且未出現(xiàn)放緩的趨勢。說明孔隙水壓力后續(xù)還將持續(xù)降低。從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)中已經(jīng)可以明顯的看出處治措施起到了很好的止水效果。

(3)受力特征分析

選取隧道拱頂處裂縫滲水時不同階段拱頂及混凝土平均應(yīng)力情況如表2所示。

由表2可以看出，未發(fā)生滲水時，拱頂處于受力狀態(tài)，隧道的豎向與水平方向應(yīng)力較大，沿隧道方向應(yīng)力較小。發(fā)生滲水后，由于隧道的結(jié)構(gòu)可能受到破壞，無論是拱頂豎向應(yīng)力還是混凝土平均應(yīng)力均會出現(xiàn)一定程度的減小，其中拱頂豎向應(yīng)力的減小幅度最大，而混凝土的水平方向應(yīng)力出現(xiàn)了一個由負(fù)到正的變化，混凝土沿隧道方向應(yīng)力變化幅度最小，幾乎不受滲水的影響。處治后，隧道拱頂豎向應(yīng)力恢復(fù)到原來的受力水平，混凝土的平均應(yīng)力也恢復(fù)到與原來受力水平接近。說明所采用的處治措施能有效改善結(jié)構(gòu)的受力情況，處治效果較好。

表2 不同階段拱頂及混凝土平均應(yīng)力

5 結(jié) 論

滲漏水是隧道工程中常見的地質(zhì)災(zāi)害之一，防止和及時處理滲漏水問題是隧道工程中經(jīng)常面對的問題，需要高度重視。以功東高速徐家地隧道為背景，對隧道裂縫滲水提出針孔法灌注油溶性(或水溶性)聚氨酯漿液的處治方法；對隧道局部浸潤、點面狀滲水采用注漿引排工法；對隧道施工環(huán)縫或沉降縫滲漏水采用鑿槽安裝U型橡膠排水帶引流處治；對隧道瀝青路面滲漏水采用槽鋼盲溝引排處治。處治完成后通過對隧道的滲流量、孔隙水壓力以及受力特征分析，發(fā)現(xiàn)處治效果較好，最終消除了隧道缺陷，確保行車安全；滿足公路荷載要求，保證隧道正常投入運營，并預(yù)防后續(xù)運營過程中滲水現(xiàn)象的發(fā)生。為類似問題的處理提供了一定的工程經(jīng)驗。