隧道結(jié)晶堵塞對安全的影響及對策分析

郭藝輝 胡英帥 沈益國 陳奕林 吳茂明

（1.中建一局集團(tuán)第五建筑有限公司，北京 100024；2.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司福建省綠色建筑重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002）

0 引言

隧道內(nèi)滲透結(jié)晶堵塞問題是近年來隧道的主要病害[1-4]。現(xiàn)在的研究主要集中在巖溶隧道方面[5-6]，針對該類結(jié)晶體如何影響隧道安全，以及在既有隧道內(nèi)如何防治該類病害，現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究較少。針對該類病害，主要通過物理或者化學(xué)清洗疏通方法減少結(jié)晶體，保持排水系統(tǒng)的暢通，或者通過改進(jìn)設(shè)計(jì)方法或材料來避免該類病害的產(chǎn)生[7-9]。

本文根據(jù)現(xiàn)場隧道結(jié)晶的狀態(tài)及堵塞后滲漏的結(jié)果，利用數(shù)值手段反演分析該過程，分析隧道結(jié)晶堵塞排水系統(tǒng)，以及系統(tǒng)受力和變形對巖土體的影響，為今后該類病害的治理工程提供重要的案例參考。

1 隧道地質(zhì)概況

該隧道工程位于福建省南平市，全線設(shè)置一處雙洞分離式隧道，長約1400m，為長隧道。隧道右洞長1380m，左洞長1411m，隧道右洞進(jìn)出口高程分別為118.363m和153.685m，隧道左洞進(jìn)出口標(biāo)高分別：118.346m 和154.036m。采用礦山法施工。

場地屬閩西北地層小單元，根據(jù)沿線地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，沿線巖土體分布、厚度及巖性變化較大。隧道范圍內(nèi)上部覆蓋層為雜填土（Q4ml）；粉質(zhì)黏土（Qdl），表層常覆有厚約0.30m的耕植土（Qcml）；殘積土（Qel），表層常覆有厚約0.30m的耕植土（Qcml）；下伏為二疊系翠屏山組粉砂巖（P2cp）。地質(zhì)剖面圖見圖1所示。地下水的分布主要受巖性、構(gòu)造、地貌和植被等因素的控制和影響，分為基巖構(gòu)造裂隙水、基巖及風(fēng)化層孔隙-裂隙水、第四系沖洪積層孔隙水三大類型。

圖1 地質(zhì)剖面圖

2 隧道滲水及結(jié)晶現(xiàn)象

在隧道施工過程中，有滲水部位出現(xiàn)大量白色結(jié)晶體（以碳酸鈣為主）。結(jié)晶體隨著時(shí)間的延長不斷增加，造成排水管道堵塞，從而造成隧道初期支護(hù)的局部開裂、噴射混凝土強(qiáng)度遲遲不能達(dá)到設(shè)計(jì)要求、二次襯砌與仰拱、仰拱與仰拱之間的施工縫出現(xiàn)滲水現(xiàn)象（見圖2所示），嚴(yán)重威脅到隧道施工階段的安全性以及使用階段的使用壽命。

圖2 隧道滲水及結(jié)晶現(xiàn)象

3 數(shù)值建模及現(xiàn)場對比

模擬采用同濟(jì)曙光公路隧道設(shè)計(jì)分析軟件7.0，根據(jù)隧道設(shè)置二次襯砌，襯砌采用C40,彈性模型E為32.5GPa，重度為23kN/m3；考慮圍巖等級為V級時(shí)，內(nèi)摩擦角為45°，模擬上下臺階法進(jìn)行開挖?？紤]結(jié)晶堵塞后隧道水壓力增大，地下水位從隧道底部上升到頂部，同時(shí)滲透導(dǎo)致隧道襯砌材料劣化，劣化后襯砌強(qiáng)度降低，本次采用其劣化后材料強(qiáng)度達(dá)到其70%進(jìn)行考慮，計(jì)算模型及結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，隧道結(jié)晶堵塞并劣化后，隧道整體位移由原來的4.1mm增加到7.3mm，增加約78%，說明隧道結(jié)晶堵塞對隧道安全產(chǎn)生不利影響。

圖3 模擬結(jié)晶堵塞后水壓力增加的變形

現(xiàn)場調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)晶隧道二次襯砌施工完成后，仍舊會產(chǎn)生局部的滲透漏水現(xiàn)象，同時(shí)漏水處出現(xiàn)結(jié)晶物及變形跡象，變形量與數(shù)值模擬結(jié)果相符，說明隧道局部結(jié)晶堵塞對隧道變形產(chǎn)生較大的影響，應(yīng)引起各方的重視。

4 隧道結(jié)晶堵塞病害的應(yīng)對策略

通過以上現(xiàn)場調(diào)查及數(shù)值模擬分析可以看出，巖溶/非巖溶隧道游離的碳酸氫根離子與空氣接觸而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生碳酸鈣或碳酸鎂等結(jié)晶體。而該類結(jié)晶體通常會堵塞泄排水通道，特別是堵塞隧道內(nèi)部的盲管，造成疏通困難，局部產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象，導(dǎo)致水壓力過高而對隧道拱頂產(chǎn)生較大的壓力，從而誘發(fā)隧道的透水、巖土變形過大等災(zāi)害。針對結(jié)晶堵塞病害，應(yīng)改進(jìn)隧道設(shè)計(jì)、設(shè)置隧道排水系統(tǒng)、及時(shí)地補(bǔ)充勘察、加強(qiáng)隧道的監(jiān)測工作、及時(shí)疏通并做好二次排水設(shè)計(jì)。

4.1 改進(jìn)隧道設(shè)計(jì)

隧道設(shè)計(jì)的主要參數(shù)包括：（1）道路等級：城市主干道；（2）設(shè)計(jì)速度：60km/h；（3）隧道內(nèi)共設(shè)4 個(gè)平曲線交點(diǎn)，最小圓曲線半徑R=700m；（4）道路凈空：車行道凈空高度＞5.0m；檢修道凈空高度＞2.5m；（5）設(shè)計(jì)使用年限：100年。

隧道V級深埋段采用超前長管棚+超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固，初期支護(hù)采用20a工字鋼架加強(qiáng)，縱向間距0.5m，施工采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。隧道Ⅳ級圍巖地段采用超前錨桿預(yù)加固，加強(qiáng)段初期支護(hù)采用I8工字鋼架，縱向間距0.75m，施工采用CD法。一般段初期支護(hù)采用格鋼架，縱向間距0.75m，施工采用短臺階法。內(nèi)輪廓線設(shè)計(jì)見圖4所示。

圖4 內(nèi)輪廓線設(shè)計(jì)

4.2 隧道排水設(shè)置

在隧道襯砌背后環(huán)向鋪設(shè)A5 cm HDPE單壁波紋管盲溝，將水引入邊墻兩側(cè)中A11 cm HDPE雙壁打孔波紋管，然后通過A11 cm HDPE波紋管橫向排水管將水引入兩側(cè)A25cm雙壁打孔波紋管側(cè)式排水管排出洞外。路面水通過路緣排水溝排出洞外，與洞外的天溝、排水溝、截水溝形成完整的排水系統(tǒng)，見圖5所示。

圖5 隧道排水設(shè)計(jì)

4.3 其它措施

（1）及時(shí)地補(bǔ)充勘察：補(bǔ)充水文地質(zhì)的調(diào)查，特別是水體和巖土體中離子含量的分析工作，為后續(xù)制定應(yīng)對措施提供依據(jù)；

（2）加強(qiáng)隧道的監(jiān)測工作：在遇到隧道結(jié)晶堵塞災(zāi)害時(shí)，加強(qiáng)監(jiān)測，特別是針對拱頂變形、水位等進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測。

（3）及時(shí)疏通并做好二次排水：針對堵塞區(qū)域應(yīng)及時(shí)進(jìn)行探測，條件允許時(shí)實(shí)施疏通施工，并及時(shí)進(jìn)行二次排水設(shè)計(jì)，防止再次堵塞。

5 結(jié)束語

綜上所述，隧道內(nèi)滲透結(jié)晶堵塞問題是近年來隧道的主要病害，會造成隧道內(nèi)排水不暢，局部水壓力集中從而導(dǎo)致滲水現(xiàn)象，會對隧道安全造成重要影響。本文以某隧道結(jié)晶堵塞排水系統(tǒng)導(dǎo)致滲水的案例為基礎(chǔ)，通過數(shù)值模擬反演分析該類災(zāi)害的致災(zāi)過程，提出改進(jìn)隧道設(shè)計(jì)、設(shè)置隧道排水系統(tǒng)、及時(shí)地補(bǔ)充勘察、加強(qiáng)隧道的監(jiān)測工作、及時(shí)疏通并做好二次排水設(shè)計(jì)等應(yīng)對措施。本文分析研究成果可以為結(jié)晶堵塞隧道的設(shè)計(jì)、防治提供一定的參考。