巖溶隧道襯砌施工縫排水設施可維護性試驗研究

蔣雅君,杜 坤,廖甲影,陳 興,肖華榮

(1.西南交通大學土木工程學院,成都 610031； 2.廣西交通投資集團河池高速公路運營有限公司,廣西河池 547000； 3.成都揚華源動新材料科技有限公司,成都 610213)

引言

我國巖溶地區(qū)分布較為廣泛,約占陸地國土面積的三分之一[1],隨著近年來我國公路、鐵路交通建設大發(fā)展時期的到來,在我國云南、貴州、廣西、四川等巖溶地質地區(qū)修建的隧道也越來越多。對于施工階段的隧道巖溶處治問題,我國目前已經(jīng)總結了較多的經(jīng)驗,比如采取注漿加壓、溶腔防護加固、分水降壓、釋能降壓、迂回繞避、注漿填充加固等手段對巖溶進行綜合處治,同時也從隧道結構設計的角度對支護參數(shù)進行了較為全面的分析和考慮,在實際工程中也取得了較好的效果[2-5]。

雖然目前對巖溶隧道排水系統(tǒng)中出現(xiàn)結晶堵塞及其帶來的問題已經(jīng)有所認識[6-7],但是與巖溶隧道施工處治技術相比,運營期間巖溶隧道襯砌的養(yǎng)護技術還不夠成熟,尤其是排水系統(tǒng)的可維護性理念尚未引起重視,相應的技術和措施也不夠完善。巖溶地區(qū)隧道最常見的病害就是滲漏水問題[6],其中由于隧道排水設施內發(fā)生結晶堵塞的情況較為普遍[8-9],也會造成隧道襯砌背后水壓增大、滲漏水加劇、仰拱底鼓、襯砌掉塊等事故,并威脅隧道襯砌結構的安全[10]。目前在巖溶隧道運營期間，針對隧道襯砌施工縫滲漏水的處理仍然還是采用常規(guī)引排措施[11-12],處治效果往往有限,且處治完成后的可維護手段極其有限,運營期間屢屢出現(xiàn)反復處治的情況。隨著我國巖溶地區(qū)修建隧道數(shù)量的增長,將面臨越來越多的運營巖溶隧道排水系統(tǒng)結晶堵塞的問題,同時隧道排水系統(tǒng)的可維護性理念雖然已經(jīng)提出多年[13],但是仍然未真正較好地在工程實踐中尤其是運營隧道中得到全面改善,也有必要進行積極的探索和嘗試。

因此,依托廣西河池某運營高速公路隧道的襯砌施工縫滲漏水處治實踐和探討,希望能為隧道排水系統(tǒng)的可維護性技術提供一定思路和借鑒。

1 依托工程概況及前期處治情況

1.1 隧道工程概況

該隧道位于蘭海高速六寨—河池段,隧址區(qū)位于云貴高原邊緣,是云貴高原向廣西丘陵地帶的過渡區(qū)段,地形地貌受地區(qū)巖性及構造控制明顯,是典型的喀斯特地質區(qū)。該隧道長約1670 m,在修建過程中揭露了多處溶洞、溶腔,在施工期間采取初支加強、超前注漿、溶腔加固、基底加固等措施通過了巖溶不良地質區(qū)段。

該隧道暗洞段采用常規(guī)的復合式襯砌結構形式,襯砌背后的排水系統(tǒng)構造如圖1所示,包括環(huán)向、縱向、橫向、中央排水管等設施。

圖1 依托工程隧道排水系統(tǒng)構造示意

該高速公路于2012年7月正式通車,根據(jù)2014年4月的檢查結果,全線各隧道均出現(xiàn)了不同程度的滲漏水病害,當遇到暴雨極端天氣時,個別病害點還會出現(xiàn)集中涌水現(xiàn)象,其中施工縫滲漏最為嚴重,發(fā)生部位多為邊墻[11]。由此可以判斷,隧道排水系統(tǒng)已經(jīng)部分失效。

1.2 隧道襯砌施工縫滲漏處治及效果

針對該高速公路隧道下行線中滲漏較為嚴重4條相鄰的襯砌施工縫進行了處治,主要采用鑿槽埋設排水半管的方式對襯砌施工縫處的滲水進行引排,處治方案構造示意見圖2[11]。

圖2 隧道襯砌施工縫滲漏處治示意

隧道處治完成以后,滲漏水病害的問題得到了緩解,襯砌施工縫處的滲水被引排進電纜溝內排走。在隨后的3年中,該隧道中做過引排處治后的襯砌施工縫未暴露出滲水的問題,但是在2018年7月雨季期間,仍出現(xiàn)了復漏,處治措施已經(jīng)失效。4條施工縫中的3條從處治部位的頂端出現(xiàn)了集中的股狀流水,造成路面積水濕滑,影響行車安全(圖3)。

圖3 隧道襯砌施工縫出現(xiàn)復漏(2018年7月)

于2018年7月對該隧道的4條施工縫進行現(xiàn)場調查,采用工業(yè)內窺鏡對施工縫的底部出水管口進行了初步檢查,發(fā)現(xiàn)施工縫排水半管底部已經(jīng)被白色的碳酸鈣結晶物堵塞,造成半管內的滲水從隧道邊墻排水半管頂部溢出(圖4)。由檢查結果可以很直觀地判斷出,由于巖溶水在排水設施內的結晶堵塞,前期的處治措施已經(jīng)失效,必須要重新進行處治。

圖4 隧道襯砌施工縫滲漏水引排設施檢查結果

2 隧道襯砌施工縫滲漏水處治方案改進

鑒于常規(guī)處治措施不能保證長期效果,需要根據(jù)巖溶隧道排水系統(tǒng)中易出現(xiàn)巖溶水結晶堵塞的問題考慮有效的防治措施,并提高排水系統(tǒng)的可維護性,以減輕運營養(yǎng)護工作的壓力。

2.1 排水設施基面防結晶措施

由該隧道施工縫的實際調查結果可知,造成排水設施失效的主要原因是碳酸鈣結晶附著在混凝土和管道基面上,結晶體長期堆積、增長后堵塞管道,造成了排水不暢。因此,如何盡量減少碳酸鈣結晶在基面上的形成和附著,也成了本問題的關鍵所在。

根據(jù)文獻[14]的研究結果可知,碳酸鈣在排水管壁上結晶析出必須經(jīng)歷如下過程：首先要產(chǎn)生微小的粒子作為晶核,然后晶核再生長成微晶粒,微晶粒在溶液中相互碰撞,和管壁也不斷地進行碰撞,使小晶體不斷變成大晶體。在此過程中,碳酸鈣結晶的形成歷經(jīng)晶核生成(結晶誘導期)、結晶層形成(結垢誘導期)這兩個關鍵階段,當?shù)竭_結垢誘導期的終點時,結垢的生長速率將有一個突躍[15]。在此過程中,基面接觸角是結垢誘導期的主要影響因素,提高基面接觸角可以使得碳酸鈣晶體成核困難,結垢誘導期延長,文獻[16-17]的研究結果也分別驗證了以上結論。因此,可以從提高如圖2所示排水構造中與滲水直接接觸的基面(混凝土、排水半管)的接觸角入手,盡量延長巖溶水中碳酸鈣結晶的誘導期,減輕或緩解排水設施中出現(xiàn)結晶堵塞的程度。

選用了一款滲透性的疏水涂料(YHYD-SS-NM),在實驗室內制備砂漿試塊并涂刷該涂料以后,對試塊的表面6處不同點位進行接觸角的量測(圖5),其平均值為114.6°。通常情況下未經(jīng)處理的混凝土基面的接觸角僅為30°～40°,屬于親水基面,而處理后接觸角達到90°以上,成為疏水表面[17]。另外，由于該涂料也可以直接噴涂在玻璃、金屬、塑料等材料表面,均能較好地改善基面疏水性能,因此決定在圖2所示排水構造內部的混凝土和PVC排水半管基面上涂刷一層該涂料,以提高基面的防結晶性能。

圖5 砂漿試塊基面接觸角量測

2.2 排水設施可維護性提高措施

在圖2所示的隧道襯砌施工縫滲漏水引排構造中,施作完畢后排水半管將用環(huán)氧防水砂漿全部封閉,后期無法打開檢查內部的情況,也沒有預留進行清理或疏通的通道,僅能從排水半管的底部出水口勉強進行觀察,檢查和維護不便,因此可維護性很差。

為改善其可維護性能,設計了帶有檢查孔的襯砌施工縫滲漏水引排設施(圖6),其基本構造與圖2一致,但是在排水半管的頂部、中部采用PVC管的三通接頭和堵頭預留了檢查孔,檢查孔的頂蓋伸出襯砌混凝土的表面,可以擰開檢查孔的頂蓋對排水半管的內部進行檢查。檢查孔的預留部位和數(shù)量可以根據(jù)施工縫的長度和后期維護的需要,在排水半管不同高度位置設置。

圖6 增加檢查孔的隧道襯砌施工縫滲水排水設施

在預留了檢查孔之后,即可以在后期采用工業(yè)內窺鏡方便地對排水半管的內部進行檢查,觀察排水半管內的結晶和堵塞的情況,并能及時進行管內的清洗和疏通。經(jīng)過調研和比選,選用具有如表1所示性能參數(shù)要求的工業(yè)內窺鏡,可以滿足在該隧道現(xiàn)場檢查排水管內部情況的需要。

表1 某型號轉向工業(yè)內窺鏡性能參數(shù)

3 隧道襯砌施工縫滲漏水處治實施效果

2018年8月對該隧道的4條施工縫進行再次處治,并分別于2018年10月、12月和2019年1月進行了檢查,以檢驗處治的效果。

3.1 隧道襯砌施工縫滲漏水處治實施過程

按表2所示的要點對4條施工縫進行了處治,以便進行對比。處治方法為在該隧道襯砌施工縫部位開U形槽,將帶有檢查孔的PVC半管鋪設嵌入U形槽內,之后用環(huán)氧砂漿封閉。與第1、2條施工縫的做法有所區(qū)別的是：在第3、4條施工縫處的U形槽內混凝土表面需要用鋼絲刷清潔,隨后噴涂YHYD-SS-NM滲透性涂料,等待基面干燥0.5 h；在PVC半管表面也涂刷一層YHYD-SS-NM滲透性涂料,靜置0.5 h,之后再將PVC半管用環(huán)氧砂漿封閉在U形槽內。施工縫處治主要過程和檢查孔安裝結果見圖7。

圖7 隧道襯砌施工縫滲漏水處治實施情況

表2 該隧道襯砌施工縫滲漏水處治要點

3.2 隧道襯砌施工縫滲漏水處治效果回訪(圖8)

截至到2019年1月,共在該隧道現(xiàn)場開展了3次回訪檢查,檢查方法為將工業(yè)內窺鏡的鏡頭從襯砌邊墻部位的檢查孔內伸入排水半管內,重點查看從邊墻到墻腳范圍內排水半管內部的情況,以確定排水管內結晶和堵塞的程度。由于施工縫改造以后,2018年的雨季已經(jīng)接近尾聲,所以各條施工縫中出現(xiàn)滲水的情況均小于2018年7月份的情況,但在排水半管中也出現(xiàn)了一定的結晶覆蓋情況,此處主要選取第2、3條施工縫的檢查結果進行說明。

觀察到第2條施工縫處的排水半管內的混凝土基面在接近墻腳的部位出現(xiàn)了一處滲水點,2018年10月已經(jīng)出現(xiàn)了初步的結晶情況,2018年12月結晶的覆蓋面積擴大,2019年1月的時候結晶覆蓋面情況變化不大(該月為枯水期)。拍攝的典型照片見圖9。

圖9 第2條施工縫處排水設施混凝土基面情況

在第3條施工縫處的排水半管中,在中下部僅出現(xiàn)了幾縷成條狀的白色結晶,最早在2018年10月時已經(jīng)形成,但是后續(xù)變化不明顯,也未出現(xiàn)結晶大面積覆蓋、附著在混凝土和PVC半管壁面上的情況。拍攝的典型照片見圖10。

圖10 第3條施工縫處排水設施混凝土基面情況

施工縫1、4排水設施內部的檢查對比與以上結果類似。將這兩條施工縫中部的檢查孔頂蓋打開后分別進行了拍照記錄,所觀察到的情況也是在沒有經(jīng)過疏水處理的混凝土基面上已經(jīng)開始出現(xiàn)了較大面積的結晶覆蓋情況,而做過疏水處理的混凝土基面上基本能保持潔凈的狀態(tài),對比效果比較明顯。見圖11。

圖11 施工縫1、4檢查孔處混凝土基面(2019年1月)

3.3 隧道襯砌施工縫滲漏水處治效果討論

根據(jù)以上檢查結果可知。

(1)采用YHYD-SS-NM滲透性涂料對該隧道襯砌施工縫滲漏水引排設施基面進行的處理是有效的,噴涂過疏水材料的施工縫內部的結晶情況要遠少于未進行疏水處理的施工縫。但是在施工縫3、4排水設施內的混凝土基面上仍然還有少量的白色結晶條帶,初步分析應該是由于槽內混凝土基面不平整,還有一定的掛水作用,形成水帶附著,水分蒸發(fā)以后仍然會形成結晶條帶殘留。

(2)對該隧道襯砌施工縫處排水設施進行預留檢查孔的可維護性改造以后,為排水設施的檢查工作提供了很大的便利條件。但也需要注意到,仍然需要選用適用的檢查設備,比如帶有4向轉向功能的工業(yè)內窺鏡,才能較好地適應排水半管檢查孔的90°轉彎部位。

基于目前的試驗結果,可以在下一階段中針對以上所采取的措施進行改進,以提高防結晶的效果及可維護性,比如：對開槽后的混凝土基面進行整平,盡量防止?jié)B水在基面的流掛以減少結晶物的附著； PVC半管上所開的檢查孔可以開設在邊墻、底部,以便后續(xù)檢查和清洗。

4 結語

依托廣西河池地區(qū)的一個巖溶隧道襯砌施工縫排水設施的防結晶和可維護性改造工程實例,探討了巖溶隧道襯砌施工縫滲漏水處治措施和檢查手段,得出如下結論。

(1)基于提高基面接觸角(表面能)的思路去預防或延緩巖溶水在排水系統(tǒng)內出現(xiàn)結晶的措施應該是有效的,但也需要注意到基面本身的不平整性對結晶仍然有一定的作用。

(2)隧道排水系統(tǒng)的可維護性能提高可以從增加管道可檢查設施的思路去實施,為運營期間的檢查、清理等工作預留便利的通道,但也應注意適用的檢查、清洗設備的研發(fā),才能較好地整體提高隧道排水系統(tǒng)的可維護性能。

以上措施不僅適用于公路隧道,也一樣適用于高速鐵路隧道。基于課題研究工作的延續(xù),下一步將在巖溶隧道中開展隧道排水系統(tǒng)中結晶堵塞的規(guī)律和影響因素、隧道排水系統(tǒng)的改造、隧道排水系統(tǒng)的檢查和評價方法、隧道排水系統(tǒng)結晶的清洗技術等方面的全面研究工作,后續(xù)研究工作成果將隨研究工作進展另文討論。

致謝：

本文所開展的相關研究工作得到了廣西交通投資集團河池高速公路運營有限公司陳華梁、陸山風、蘇衛(wèi)迪、余康文、黃秀珠、郭佳,中交公路規(guī)劃設計院有限公司沈朝峰以及西南交通大學李福海、張小林、鄭靖、鄭良、陶磊、劉基泰、魏晨茜、藍天威等人的支持和協(xié)助,在此一并表示感謝。