在運營高速公路隧道涌水災害應急搶險處治研究

劉卓華 朱貴

隧道涌水突泥問題在當前運營隧道中屢見不鮮，究其原因主要有：不規范施工、不良地質條件、設計問題、極端天氣等等影響因素。文章以云貴高原西南麓某山區高速公路在運營石灰巖隧道為例，采用地質雷達檢測、裂縫綜合測試儀查明隧道襯砌缺陷和背后溶洞的發育情況，分析了隧道病害成因，并運用工程類比方法，結合運營風險、施工安全、質量控制、投資控制、施工工期等因素綜合考慮確定應急處治方案，對類似地質條件在運營隧道涌水災害搶險處治提供參考。

在運營;灰巖區;應急搶險;隧道;涌水災害;處治措施

U456.3+2A361264

0 引言

“十三五”期間，我國建成了大量山區高速公路，然而，山區高速公路均存在橋隧比高、建設難度大、投資大、地質復雜等特點，常設計大量橋梁、隧道、高填深挖路基。近年來在運營山區高速公路隧道問題越來越多，極端天氣下，石灰巖地區隧道涌水災害問題尤為突出。

針對各種類型隧道水害處治，眾多學者作了大量研究。左清軍等[1]總結隧道宏觀變形演化歷史，分析跨越斷層富水軟巖隧道塌方的影響因素及圍巖失穩破壞模式，據此提出針對性的處治措施;焦艷彬等[2]通過喀斯特巖溶地區鳳凰隧道塌方冒頂實例，對該隧道塌方冒頂的經過與原因進行了分析，提出了處置巖溶地區塌方冒頂的實施方案;馬環宇[3]通過對隧道病害發生原因的分析，針對該隧道的具體情況并結合以前相似病害的處治實例，采取對病害段進行超前支護，提高圍巖支護等級，并對涌水段實施排與堵相結合的處治措施。盡管眾多研究人員及設計工作者做了大量工作，但因各個隧道地形、地質條件等特點不同，石灰巖地區隧道涌水問題依舊突出。

本文以云貴高原西南麓某山區高速公路在運營石灰巖隧道涌水災害為例，采用地質雷達檢測、裂縫綜合測試儀查明隧道襯砌缺陷和背后溶洞的發育情況，對病害情況進行深入勘察，推斷出巖溶分布規律、規模、大小以及地下水補-經-排之間關系，提出應急處治方案，對后期類似地質條件在運營隧道涌水災害處治提供借鑒和參考。

1 隧道工程概況

金蘭2號隧道位于廣西河池市東蘭縣境內，為分離式長隧道。左線起止樁號為Z4K32+035～Z4K34+320，設計長度為2 285 m，進、出口路基設計高程分別為573.5 m、583.6 m，最大埋深約337 m。設計為雙洞單行，左右洞各2條車道，設計車速為80 km/h。

1.1 工程地質概況

隧道位于灰巖地區，地表為溶蝕洼地。圍巖主要為中風化灰巖，灰色，微晶結構，中厚層狀構造;巖質堅硬，巖體較完整，局部較破碎;節理裂隙較發育。隧道溶洞發育，隧底及隧頂存在小型暗河或排水通道。隧道于2018年9月竣工，其中局部滲漏水情況嚴重，且二襯局部發育少量裂縫。

1.2 溶洞病害經過

2018-11-28，河百高速公路建成通車。運營期間，金蘭2號隧道左洞由于Z4K32+793處溶洞（施工期揭露）的影響，該段滲漏水嚴重，雨季期間尤其是強降雨后，水壓大幅度波動，漲落明顯。2019-03-21最高水壓為0.4 MPa;2019-06-06最高水壓為0.71 MPa;2020年4月最高水壓為0.69 MPa;2020年6月，最高水壓達到1.1 MPa，隧道二襯滲漏水嚴重，路面潮濕積水，無法正常通行。運營單位隨即封閉左洞，改用右洞進行雙向通行。由于高速公路隧道行車速度快，單洞改雙向通行安全風險較大，亟須對左洞巖溶病害進行處治，恢復原有通行方式。

2 病害原因分析

本文通過地質雷達檢測和對災害隧道區域補充地質勘查、水文專項勘查，分析巖溶發育規律，通過各項成果綜合分析災害產生原因。

2.1 病害情況調查及分析

隧道襯砌及圍巖地質雷達檢測[4-5]采用抽查方式進行，其中滲漏水嚴重的Z4K32+740～Z4K32+870段，沿隧道軸向布設7條測線，分別采用800 MHz和100 MHz的屏蔽天線進行測量;其余里程段布置5條測線，采用800 MHz天線進行測量。如圖1所示。

2.1.1 隧道襯砌

分別對隧道治理前后的雷達檢測結果進行分析后可知，所測位置襯砌厚度大部分在45～60 cm之間，隧道襯砌主要缺陷為層間欠密實和脫空，共發現各類缺陷10處。從缺陷分布上看，Z4K32+740～Z4K32+870滲漏水段主要以左拱腰、拱頂和右側邊墻較嚴重，其中又以Z4K32+778～Z4K32+845段相對較為嚴重。

2.1.2 巖溶發育情況

檢測共發現背后溶洞、溶腔和破碎帶7處，推測溶洞影響深度范圍為6～14 m，主要位于Z4K32+775～Z4K32+795段左邊墻、左拱腰和拱頂背后，深度在3～26 m。如表1所示。

2.1.3 襯砌裂縫發育情況

經現場測試，完整的二襯表面聲速范圍在1 782～4 012 m/s，裂縫均為沿著隧道軸向的縱向裂縫，部分裂縫伴隨有泛堿現象，裂縫充填氫氧化物，且大部分位于左邊墻（以大里程作為正反向）。裂縫一般距離路面高度約1.94～5.5 m，長2～25 m，裂縫深度在26～148 mm，寬度在0.10～0.57 mm。詳見表2。

2.2 地質勘查情況

從地質調查結果看，場地巖溶發育。據地表巖溶發育情況、物探異常情況、正洞開挖遇洞情況等綜合分析表明，場區存在的主要巖溶形態為溶溝、溶槽、石芽、漏斗、溶洞、落水洞、溶蝕洼地等。根據金蘭2號隧道施工過程資料，隧道左洞進口端為Z4K32+359～383段（泄水洞為K0+359～383段）掌子面拱頂、右側拱腰發育溶洞，溶洞內填充黏土，局部滲水;隧道右洞進口端為Z4K32+793段（泄水洞為K0+793段）掌子面左側、拱頂發育溶洞、斷續小溶洞腔體，多充填飽和粉細砂夾黏土。施工時未能對飽和粉細砂進行處治，未對溶腔揭開的粉細砂進行清除或置換。泄水洞鉆孔（Z4K3號位于隧道終點附近里程K0+795左8 m，地表高程為755.61 m）揭示一高度為21 m的充填型溶洞，埋深36.8～57.8 m，距離泄水隧道頂部（高程583.37 m）115 m。

地表水：隧址區未發現大的地表水體，地表水主要為地面季節性流水匯合后形成的短暫性溪流，受大氣降雨影響較大;隧道進洞口處設計高程大于地下水水位高程，地表水對其無不利影響。地下水：勘察期間，測得洞口洼地地下水位高程為554.98 m;地下水類型為松散巖類孔隙水，富水性較差;基巖類含水巖組地下水類型為巖溶水，其富水性隨巖溶發育程度及地下巖溶管道的連通性而變化，通常巖溶密集發育帶和地下巖溶管道連通性好的富水性較好。

2.3 巖溶發育規律分析

主要病害段落（泄水洞為K0+793段）溶蝕洼地內地表水通過裂隙匯入溶洞。Z4K32+793溶洞發育范圍為隧道左洞外側0～20 m寬度范圍，終點隧道軸向巖溶發育區長68 m，高程在550～630 m。主要部位位于泄水洞與金蘭2號隧道之間，高約80 m，推測該溶洞與ZK3號鉆孔揭示溶洞通過溶蝕裂隙互相連通，巖溶充填物主要為粉細砂夾黏土。

場地內巖溶形態繁多、密集，但從地質構造、地形地貌、水文等方面分析，巖溶分布與發育規模呈現出一定的規律性。總體來看，巖溶形態以垂向發育的居多，水平巖溶管道依侵蝕基準面變遷呈現出明顯分層特征，且多為單管狀或脈管狀，密度相對較小。

2.4 綜合分析

結合地質勘查、病害情況分析以及巖溶規律分析可知，場區地質條件復雜，隧道穿越不良地質段落，左洞Z4K32+793處發育溶洞，施工期間遇到病害，未對病害徹底根治，未對溶腔粉細沙進行清除，地表與二襯之間巖溶管道處于貫通狀態。當雨量不大時隧道水頭高差小，二襯承受壓力較小;當遇極端天氣時，地下水未能及時排出，導致水頭上升，二襯承受壓力增大，致使二襯開裂滲水。而巖溶發育地區，地下水加劇了風化作用，容易造成襯砌背后和隧道脫空，加劇隧道滲漏水。

3 塌方綜合處治措施

3.1 總體方案（圖2）

第一步：先期進行洞內加固止水，并通過泄水孔降壓，滿足通車要求，作為應急搶險主要內容。

（1）泄水孔排水降壓，設置里程：Z4K32+785、Z4K32+788、Z4K32+791、Z4K32+794。

（2）二襯背后回填注漿，施工里程：Z4K32+740～Z4K32+840，長度為100 m。

（3）加固止水注漿，施工里程：Z4K32+740～Z4K32+840，長度為100 m。

第二步：施作線外泄水洞，進行永久處治（搶險處治后期，在此不進行介紹）。

3.2 泄水孔排水降壓

分別在Z4K32+785、Z4K32+788、Z4K32+791、Z4K32+794里程處鉆設1環泄水孔，每環2～3根，環向間距為3 m。泄水孔延伸至溶洞邊界，且最小長度≥10 m。泄水孔孔徑為130 mm，向洞內排水坡度≥2%，孔內埋設108 mm×3.5 mm的打孔排水鋼花管，鋼花管外裹小孔徑（≤10 mm）鋼絲網，孔口用三通連接110 mmHDPE導水管，將水引排至下方沉砂池，并安排專人定期清淤、抽排處理。

3.3 二襯背后回填注漿

待泄水孔排水減壓之后，對該段二襯背后欠密實、脫空位置進行回填注漿。

注漿采用埋管注漿，注漿管采用42 mm×3.5 mm的鋼花管，搭設移動作業臺架、人工手持風鉆鉆孔。孔徑為50 mm，沿隧道縱向每5 m布置1環，每環3根，共計20環，合計60根。注漿管的長度為0.98 m，鉆孔后須清孔，然后埋設注漿管，一次性填充水泥漿。

漿液為純水泥漿，水灰比為1∶1，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥，注漿壓力按照0.2～0.5 MPa進行控制。

注漿結束標準：當注漿壓力達到設計壓力后，穩定10 min，不進漿或進漿量很少時，即可停止注漿。

3.4 加固止水注漿

孔位布置：加固注漿孔位于溶洞一側，環、縱向間距為1.5 m，梅花形布置，采用單根長5 m42 mm×3.5 mm的鋼花管，前端加工成錐形，管壁四周鉆6 mm注漿孔。

注漿材料：水泥采用標號42.5號超細水泥、400目;水玻璃模數為2.8、濃度為38°Be′。單液漿水灰比為0.8∶1～1∶1，雙液漿中C∶S=1∶0.4～1∶0.6（體積比）。

注漿順序：分段注漿，每個注漿段四周以雙液漿為主，起止水作用，漿液擴散半徑為1.5 m，凝結時間為30～60 s，現場動態調整。每個注漿段中間以單液漿為主，起加固作用。

注漿壓力：1.0～2.0 MPa，采用純壓式灌漿，為防止漿液壓力損壞二襯結構，采用后退式注漿。

注漿結束標準：當注漿壓力達到設計壓力后，穩定10 min，不進漿或進漿量很少時，即可停止注漿。

注漿效果檢查：采用檢查孔法，孔數不少于注漿孔總數的2%且出水量<0.2 L/min·m，可認為合格，否則應加密鉆孔注漿。

4 處治效果評價

4.1 雷達檢測結果對比分析

由表3分析可知，處治前、后各進行1次地質雷達檢測，依據前后報告對比，治理前雷達檢測共發現脫空、欠密實等各類缺陷10處，治理全部消除，消除率為100%。

4.2 二襯背后水壓監測及泄水孔排水流量變化對比分析

由表4分析可知，處治前最高水壓達到1.1 MPa。2020-09-11至2020-09-12連降暴雨，水壓從0.26 MPa快速升到峰值0.8 MPa，隨著洞內排水，又快速回落至0.23 MPa，之后穩定在0.4～0.5 MPa之間。得出結論：（1）處治后水壓較處治前的1.1 MPa降低了54%～64%;（2）連續降雨期間，洞內泄水孔排水，泄壓作用明顯，達到了設計要求;（3）泄水孔排水含泥砂量較高，會逐漸堵塞，水壓隨之上升，僅靠泄水孔排水泄壓，不能根治巖溶隱患，也說明了線外泄水洞施作的必要性。

4.3 處治方案直觀效果對比分析

處治開始前：隧道巖溶段路面整體明顯積水，二襯表面整體滲漏水，并形成大面積的水珠從拱頂部位不斷滴落，隧道內無法正常通行。

處治后：巖溶段路面積水及二襯表面滲漏水現象已全部消除，能夠正常通行，洞內處治已達到設計及運營要求。

5 結語

從直觀效果、雷達檢測結果、水壓監測數據、總體排水量變化等四個方面分析，各處二襯脫空、欠密實等問題均已消除，水壓明顯減小;路面及二襯表面滲水現象基本消除，較處治前均有明顯改觀;巖溶治理效果明顯，已達到設計要求，滿足通行條件。由此可知，本項目巖溶勘查方法基本合理，巖溶分布規律、水文地質條件分析判斷基本準確，設計依據充分合理，制定的處治方案較為合理，解決了時間緊急、通車任務重等問題，可為后期類似地質條件在運營隧道涌水災害搶險處治提供借鑒和參考。

[1]左清軍，吳 立，林存友，等.富水軟巖隧道跨越斷層段塌方機制分析及處治措施[J].巖石力學與工程學報，2016，35（2）：369-377.

[2]焦艷彬，郜占紅，凡 偉，等.喀斯特巖溶地區隧道施工塌方冒頂處理方案[J].山西建筑，2020，46（23）：143-145.

[3]馬環宇.麗攀高速公路新莊特長隧道涌水及塌方病害工程地質分析與防治對策研究[D].成都：西南交通大學，2012.

[4]張 霄，尹占超，劉 嘯，等.綜合物探法在運營巖溶隧道病害探查中的應用[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2020（10）：60-66.

[5]李志華，張吉振.物探在隧道塌方應急搶險中的應用[J].鐵道建筑技術，2015（10）：27-29.