在役公路隧道涌水突泥與滲漏水成因分析及處治對(duì)策

林海山，劉少明,2，王辰晨，朱明波

（1.廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420；2.廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510550）

1 引言

隨著我國隧道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道施工期或運(yùn)營期發(fā)生涌水突泥災(zāi)害已屢見不鮮，如陳俊武等[1]對(duì)九頂山隧道施工中發(fā)生特大涌水突泥事故進(jìn)行綜合分析后得出此段涌水突泥的主要原因是突發(fā)性和間歇性的巖溶涌水；楊雁[2]和黃杰[3]分別從地質(zhì)角度揭示了公路隧道施工中涌水突泥災(zāi)害成因；郭連[4]則從工程地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工三方面入手對(duì)田壩嶺隧道涌水進(jìn)行了原因分析；張煒等[5]對(duì)巖溶發(fā)育特征與涌突水的關(guān)系作了深入介紹并給出了判斷標(biāo)準(zhǔn)，提出巖溶涌水與地質(zhì)、氣象以及施工等因素的關(guān)系；劉燕鵬等[6]通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查對(duì)隧道地質(zhì)構(gòu)造和病害特征進(jìn)行分析后確定了某在役隧道突水突泥病害類型為溶洞溶腔型，并給出了以排為主的處治對(duì)策。

本文依托某在役公路隧道在暴雨期間發(fā)生的涌水突泥和滲漏水病害處治工程，采用地表調(diào)查、水聯(lián)通試驗(yàn)、地震映像法探測(cè)以及排水系統(tǒng)檢查等多種手段，對(duì)涌水突泥及滲漏水的成因進(jìn)行綜合分析，并基于分析結(jié)果提出“地表+洞內(nèi)”相結(jié)合的處治對(duì)策，可以為同類工程提供參考。

2 工程概況

2018年5月10日，韶關(guān)地區(qū)遭遇特大暴雨襲擊，京港澳高速粵境南段某隧道山體匯水劇增，隨著隧址區(qū)地下水位迅速上升，導(dǎo)致該隧道北行ZK141+147～ZK141+267段出現(xiàn)涌水突泥，伴隨其他區(qū)段出現(xiàn)嚴(yán)重滲水現(xiàn)象，嚴(yán)重影響隧道內(nèi)交通安全（圖1）。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)涌水突泥調(diào)查，涌出的泥沙中夾有樹枝，同時(shí)發(fā)現(xiàn)部分墻腳增設(shè)有泄水孔部位存在墻腳滲漏水現(xiàn)象。

圖1 隧道涌水突泥

2.1 工程地質(zhì)條件

隧道進(jìn)口端ZK139+840～ZK140+740為中泥盆統(tǒng)東崗嶺組及上泥盆統(tǒng)天子嶺組中、厚層狀灰?guī)r（泥灰?guī)r），該地段巖層受擠壓彎曲現(xiàn)象明顯；中部地段ZK140+740～ZK141+240為下侏羅統(tǒng)炭質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖；出口段ZK141+240～ZK141+520分布有下泥盆統(tǒng)大塘階石澄子段泥質(zhì)灰?guī)r夾劣煤層，此段巖層受擠壓彎曲現(xiàn)象明顯。隧道穿越2個(gè)背斜、1條較大的斷層，背斜1位于K139+920～K140+840地段，背斜2位于K140+840～K141+505地段，斷層位于K140+840附近為正斷層。隧道施工過程中，曾經(jīng)遭遇過多個(gè)溶洞。

2.2 水文地質(zhì)條件

隧址區(qū)地表降雨豐富，沖溝內(nèi)僅有季節(jié)性洪流；地下水以裂隙、溶隙水為主，局部有溶蝕現(xiàn)象，主要接受大氣降水的補(bǔ)給。

3 地表調(diào)查結(jié)果

由地表調(diào)查結(jié)果可知，隧道山體地表巖溶不發(fā)育，隧道山頂?shù)乇砉舶l(fā)現(xiàn)三處塌陷（圖2）。塌陷1（TX1）為新塌陷，位于106國道邊坡截排水溝交匯處，即隧道北行ZK141+233上方，距廣州端洞口約282 m，106國道邊坡降水通過截排水溝匯集后經(jīng)該塌陷流入地下。塌陷2（TX2）為舊塌陷，施工期已進(jìn)行表面硬化處治，處治后重新開裂塌陷，塌陷位置大約位于ZK140+320上方距北京端進(jìn)洞口大約400 m，2013年ZK140+365北行慢車道拱腳部位曾出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，該處沖溝上游的降水匯聚后在該處流入地下。塌陷3（TX3）為新塌陷，塌陷位置大約位于ZK139+997上方附近，地表降雨經(jīng)塌陷處匯聚并流入地下。

圖2 隧道地表塌陷分布示意圖

4 水連通試驗(yàn)結(jié)果

通過水連通試驗(yàn)基本查明了地表塌陷與隧道之間的水力聯(lián)系與特征。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件，本次水連通試驗(yàn)基本信息如表1所示，由于塌陷3不具備試驗(yàn)條件，因此本試驗(yàn)只選取塌陷1（TF01）和塌陷2（TF02）作為示蹤劑投放點(diǎn)，選取該隧道北行超車道排水溝（JS01）和慢車道排水溝（JS02）作為示蹤劑接收點(diǎn)，每個(gè)投放點(diǎn)分別依次投放羅丹明、熒光增白劑2種熒光染料示蹤劑。不同投放點(diǎn)和接收點(diǎn)的示蹤劑濃度—時(shí)間變化關(guān)系如圖3所示。

表1 水連通試驗(yàn)基本信息

由圖3可知，塌陷1（TF01）和塌陷2（TF02）投放的熒光增白劑在接收點(diǎn)JS01和JS02均有明顯反應(yīng)，經(jīng)塌陷1和塌陷2匯聚的地表水分別經(jīng)過2 h和1.5 h左右即可達(dá)到隧道內(nèi)，且后續(xù)連續(xù)24 h仍接收到相關(guān)試劑，表明隧道山體地表塌陷位置與隧道之間的水力連通性能較好。投放熒光增白劑和羅丹明2種示蹤劑的濃度—時(shí)間變化曲線的走勢(shì)較為一致，其中塌陷1（TF01）至隧道超車道排水溝（JS01）和隧道慢車道排水溝（JS02）的熒光增白劑濃度—時(shí)間關(guān)系曲線均存在多個(gè)峰值，表明TF01-JS01、TF01-JS02之間的水流通道較為復(fù)雜，可能存在多條長度不同的水流路徑；塌陷2（TF02）至隧道超車道排水溝（JS01）和隧道慢車道排水溝（JS02）的熒光增白劑濃度—時(shí)間關(guān)系曲線存在2個(gè)峰值，表明TF02-JS01、TF02-JS01之間的水流通道相對(duì)較為簡(jiǎn)單。

圖3 水連通試驗(yàn)示蹤劑濃度—時(shí)間變化關(guān)系圖

由于羅丹明易被泥沙吸附，而地表水?dāng)y帶有泥沙經(jīng)塌陷處匯入山體，加上山體溶洞充填物或者破碎帶松散體等影響，導(dǎo)致本次試驗(yàn)測(cè)得的羅丹明濃度較低。

5 隧道襯砌背后巖溶探測(cè)結(jié)果

為了探明隧道襯砌背后巖溶發(fā)育和含水體的分布情況，采用地震映像法沿隧道拱頂、拱腰、邊墻和路面布置了7條測(cè)線，如圖4所示，對(duì)ZK140+357～ZK140+437、ZK141+147～ZK141+267段的巖溶發(fā)育情況進(jìn)行探測(cè)。本次物探共發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域66處，推測(cè)為溶洞等不良地質(zhì)體發(fā)育區(qū)域；異常區(qū)域的寬度在2.0～38.0 m，高度在1.1～4.0 m，可見溶洞等主要集中在ZK140+357～ZK140+437和ZK141+147～K141+207區(qū)間，如圖5所示。

圖4 測(cè)線布置斷面示意圖

圖5 隧道重點(diǎn)區(qū)段溶洞分布示意圖

6 隧道滲漏水及排水系統(tǒng)檢查結(jié)果

6.1 洞內(nèi)滲漏水檢查結(jié)果

2018年6月，隧道定期檢查發(fā)現(xiàn)北行隧道洞內(nèi)共發(fā)現(xiàn)78處病害，僅發(fā)現(xiàn)1處拱部滴漏，其余均為輕微滲漏水及滲漏水痕跡。其中ZK140+307～ZK140+437區(qū)段發(fā)現(xiàn)17處病害，ZK141+147～ZK141+267區(qū)段（涌水突泥區(qū)段）發(fā)現(xiàn)18處滲漏水病害，兩區(qū)段合共長250 m，占隧道總長16.5%，該兩區(qū)段隧道病害總數(shù)占隧道總病害45.0%。

6.2 排水系統(tǒng)調(diào)查結(jié)果

2018年6月，對(duì)隧道中央排水溝檢查發(fā)現(xiàn)排水量較小，由于排水管涵直徑較小無法對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步檢查，初步推斷中央排水溝可能局部堵塞，但未能檢查其具體堵塞位置及情況。對(duì)隧道ZK141+147～K141+227段（涌水突泥段）排水邊溝每隔10 m抽查結(jié)果發(fā)現(xiàn)溝內(nèi)排水正常，但是溝底有淤泥堆積，淤積厚度均在20～24 cm之間。

7 隧道水害成因分析

7.1 水害水源分析

該隧道山體地表水系不發(fā)育，無常年性河流，沖溝內(nèi)僅有季節(jié)性洪流。隧道山體地層巖性為灰?guī)r（泥灰?guī)r）、炭質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r夾巖劣質(zhì)煤層，地下水以裂隙、溶隙水為主，富水性差、水量弱，主要接受大氣降水的補(bǔ)給，隧址區(qū)年平均降雨量1 640 mm，且每年雨季（4～9月份）降雨量占全年降雨量的77.5%，結(jié)合該隧道雨季期間出現(xiàn)涌水突泥和嚴(yán)重的滲漏水現(xiàn)象，說明該隧道水害的水源主要是大氣降水。

7.2 水害水流路徑和特征分析

地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)該隧道山體地表有3處塌陷，水連通試驗(yàn)結(jié)果顯示塌陷1和塌陷2與隧道存在明顯的水力聯(lián)系，且經(jīng)塌陷處匯聚的地表水最多2 h左右即可達(dá)到隧道內(nèi)。地震映像法探測(cè)結(jié)果則顯示隧道涌水突泥和滲漏水病害段內(nèi)共有66處異常區(qū)域，推測(cè)這些異常區(qū)域?yàn)槿芏吹炔涣嫉刭|(zhì)體發(fā)育區(qū)域。

結(jié)合該隧道穿越2個(gè)背斜和1個(gè)斷層可知，構(gòu)造裂隙在侵蝕性水流的作用下不斷擴(kuò)大并形成溶蝕裂隙，溶蝕裂隙繼續(xù)發(fā)展成寬大的管道，管道繼續(xù)溶蝕逐漸形成大的溶洞，為地下水、泥沙等提供良好的流通通道，即在暴雨季節(jié)，隧道山體大氣降水在地表塌陷處匯聚后大量流入地下，通過裂隙、管道、溶洞等連通性通道到達(dá)隧道位置，又因水流攜帶泥沙或者溶腔充填物大量涌入隧道排水溝，導(dǎo)致邊溝發(fā)生不同程度淤堵，隧道排水系統(tǒng)排水能力減弱，短時(shí)間內(nèi)隧道襯砌背后水位快速升高，受強(qiáng)大水壓作用進(jìn)而誘發(fā)隧道襯砌結(jié)構(gòu)薄弱部位發(fā)生破損。隧道在暴雨時(shí)發(fā)生涌水突泥，而旱季期間則以輕微滲水為主，進(jìn)一步表明隧道內(nèi)涌水突泥情況與大氣降雨的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間等密切相關(guān)。

8 隧道水害處治對(duì)策

綜上所述，該隧道水害水源主要是大氣降水；地表塌陷起匯水作用，溶洞或裂隙等作為地表水的流通通道。因此，該隧道水害防治應(yīng)該重點(diǎn)防止大氣降雨或地表水經(jīng)地表塌陷處直接涌入地下，同時(shí)防止或者減少地下水通過溶洞或者溶蝕裂隙等通道匯聚至隧道襯砌結(jié)構(gòu)周邊。

由于隧道水害通道為隱蔽性地質(zhì)現(xiàn)象，目前巖溶發(fā)育規(guī)律的研究成果尚不能揭露巖溶的真實(shí)發(fā)育情況，故采取截?cái)嗟叵滤ǖ婪椒ň哂幸欢ǖ娘L(fēng)險(xiǎn)；而截排大氣降雨匯聚的地表水屬地表工程，可操作性強(qiáng)、截排水效果好、施工方便、施工質(zhì)量能得到保證，缺點(diǎn)是地表截排水工程治理完成后，不能完全阻止地下水的滲流，隨著地下水滲流延續(xù)，可能繼續(xù)存在潛蝕現(xiàn)象以至于會(huì)出現(xiàn)新的塌陷。根據(jù)該隧道水害實(shí)際情況，建議采取如下處治方法。

（1）采取地表和洞內(nèi)結(jié)合的處治方法，地表處治以截排水為主，對(duì)地表塌陷進(jìn)行封堵以及對(duì)地表截排水系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)與重建，應(yīng)先清理塌陷處原來的地表硬化混凝土，然后采取低滲透性材料進(jìn)行回填、壓實(shí)，地表采用混凝土密封隔水，同時(shí)完善地表排水溝系統(tǒng)，確保大氣降雨匯聚后及時(shí)、順暢地向遠(yuǎn)離隧道位置的低洼處排泄，而不是就地下滲；隧道內(nèi)以邊墻鉆泄水孔引排水為主。

（2）對(duì)隧道周邊圍巖內(nèi)的溶洞進(jìn)行注漿處治。

（3）地表處治完成后，日常養(yǎng)護(hù)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)洞頂塌陷巡查，及時(shí)解決發(fā)現(xiàn)的問題；同時(shí)雨季應(yīng)對(duì)洞內(nèi)排水系統(tǒng)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，確保隧道排水通暢。

9 結(jié)論與建議

本文以在役公路隧道暴雨期間發(fā)生涌水突泥病害為例，通過采用地表調(diào)查、水聯(lián)通試驗(yàn)、地震映像法探測(cè)以及排水系統(tǒng)檢查等手段對(duì)病害成因進(jìn)行了綜合分析后，得出結(jié)論如下：

（1）隧道由于穿越地層巖性為灰?guī)r（泥灰?guī)r）、炭質(zhì)灰?guī)r夾炭質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r夾巖劣質(zhì)煤層地段，溶蝕裂隙、溶洞溶腔等較為發(fā)育，易誘發(fā)地表塌陷，在雨季則易導(dǎo)致隧道發(fā)生嚴(yán)重水害。

（2）大氣降雨為該隧道水害的主要水源，經(jīng)塌陷匯集的地表水與隧道連通性能較好，約2 h即可達(dá)到隧道。

（3）隧道水害治理宜采取地表和洞內(nèi)結(jié)合的處治方法，宜以截排大氣降水匯聚的地表水為主，可采取低滲透性材料進(jìn)行回填、壓實(shí)，地表采用混凝土密封隔水，同時(shí)完善地表的排水系統(tǒng)。