隧道二襯滲水病害機理及加固處治技術研究

袁和芬

(云南功東高速公路建設指揮部,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東南側，設計為分離式隧道，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計，設計車速為80 km/h。根據《公路工程技術標準》及《公路隧道設計規范》，隧道建筑限界采用雙車道凈寬10.25 m(行車道寬2×3.75 m，左側側向寬度0.5 m，右側側向寬度0.75 m，左側檢修道0.75 m，右側檢修道0.75 m)，行車道凈高5 m，檢修道凈高2.5 m的標準。

1.2 水文地質

隧道左右幅進口段軸線方向約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，土質較均勻，下伏基巖為二疊系上統玄武巖，自然狀態下整體無滑動趨勢，調繪訪問斜坡無整體變形現象，斜坡自然狀態下整體穩定性較好，但邊坡施工開挖會破壞其穩定性，形成臨空面后，邊坡易失穩，存在垮塌、滑坡的可能?；虑熬壱呀浀诌_響水河床，側緣發育次級滑坡，目前滑坡上已有植被生長，整體處于基本穩定狀態。在強降雨、較強地震的激發下，存在滑動可能。擬建線路采用隧道從滑坡后方穩定山體通過，隧道埋深較大，滑坡對線路穩定性影響較小。

1.3 滲水特點

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

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性質指標

2.1 隧道裂縫滲水

采用導流法灌注丙烯酸鹽漿液或針孔法灌注聚氨酯漿液進行封堵處治。

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行封堵處治；對于滲漏水比較嚴重的部位，再鉆孔鑿槽安裝三通引流管處治。

2.3 線槽、消防栓、電話亭等預設構件邊角滲水

開裂滲水：采用導流法灌注丙烯酸鹽漿液或針孔法灌注聚氨酯漿液進行封閉處治(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行封堵處治(處治措施同點面滲水處治一致)。

2.4 施工環縫或沉降縫滲漏水

對滲漏水施工縫進行鑿槽安裝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，工藝質量不達標，極易照成隧道滲漏水現象發生。通過對管段內隧道滲漏水觀察發現，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、電話亭等預設構件邊角滲水；(4)施工環縫或沉降縫滲漏水；(5)隧道瀝青路面滲漏水。

根據現場勘測和施工單位提供的資料可得：(1)水溝已做變更設計(右幅K16+315～K17+660段和左幅K16+030～K641段取消清水溝蓋板，適當加厚路面水溝蓋板，增大水溝凈空斷面，達到增大水溝流量，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、壓力基本持恒穩定，不受季節變化；(3)右幅K15+615～K17+660出口段(長2 045 m)右側水溝流量局部已近極限，隧道貫通在即，K13+746～K15+615進口段(長1 869 m)右側水溝流量最終匯入出口段，導致出口段水溝滿負荷或超限運行；(4)右幅K16+315～K17+660(長1 345 m)出口段因K16+315處右側邊墻出現滲水，左右側水溝水流量及水位差異較大；(5)從隧道局部預留排水口孔得：該隧道排水中鈣化物含量較高，排水系統在運行中易堵，隧道長期運營存在水隱患。

3.2 滲水原因分析

(1)山區地下水資源豐富，年降雨量大。為了達到新的平衡，隧道必須承受地層水壓力和圍巖壓力。大多數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構縫[9]。

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

(3)防水隧道系統故障。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。由于施工質量、材料質量等因素，隧道的防水層在施工過程中可能被破壞。因此，水有可能滲透到結構縫隙中，特別是拐角處。

(4)隧道的建設不理想。由于施工問題，隧道內環向盲溝，縱向和橫向排水管連接不牢固，不形成閉環，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，二次襯砌的質量、厚度、密封性不符合標準時會發生泄漏，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?；炷梁拖鹉z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在板裂、掉角，造成地下水滲漏。用剛性密封結構材料進行防水時汽車碾壓導致材料出現破碎。隧道結構也存在熱膨脹和冷卻問題，發生了漏水。

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)聚氨酯漿液進行處理。

①準備：鑿除裂縫30 cm范圍防火涂料，詳細檢查、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寬約5 cm、深約5～6 cm范圍進行“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交叉進行鉆孔，孔距在40～50 cm，鉆頭為直徑14 mm，孔與裂縫斷面應成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的壓力向孔內吹風，將縫內粉塵吹洗干凈，并觀察裂縫的貫通情況。

⑤埋針頭：在鉆好的孔內安裝灌膠針頭，并用專用內六角扳手擰緊，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)聚氨酯漿液進行針孔法灌注處理，灌注順序為由下向上，單孔逐一連續進行，當相鄰孔開始出漿后，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行封堵處治。在滲漏水區域邊緣線外12.5 cm范圍內鉆孔，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，根據現場情況最終確定注漿壓力參數。再進行鉆孔鑿槽三通引流管處治，三通引流管應根據現場情況，盡量設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。設置一根直徑為110 mm的豎向PVC管，在管壁周圍鉆設三排深度≥1.5 m泄水孔(與水平面夾角15°～45°)，使管壁外滲水能順利進入管內，通過PVC管排出。施工時排水鑿槽位置可根據現場情況進行調整，進入排水管的水排入邊溝中。

(3)隧道施工環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鉆孔安裝不銹鋼內抱螺栓，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；裝結束后在U型橡膠排水帶兩側再涂刮一層密封膠，最后進行封口填充，為便于以后養護維修，保證隧道沉降變形不再拉裂，封口應露出排水帶的U型部分，呈內“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；每處滲水區域布設一道；滲水嚴重處可適當加密；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，盡量布置在滲水區域處；施工時開槽注意對原橫向、縱向盲溝的保護與路基邊溝的連接；由于調查時間為雨季過后，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數量表中未能一一列出。施工前應做詳細，找準滲水位置根據滲水位置觀察橫坡度，沿設置槽鋼的地勢測設高程，推算出出水口在槽鋼的高程是否能使水順暢排出后在進行施工，槽鋼排水可根據現場情況設置橫向或是斜向。

4 滲水量預測

結合隧道資料、地質資料和水文地質資料等，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。水均衡法預測滲水量時，常分為降雨入滲法和地下徑流模數法。故本隧道滲水量預測采用降雨入滲法、地下徑流模數法對隧道進行估算，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。根據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、地質和水文地質條件選取合適的降水入滲系數經驗值，可宏觀、概略預測隧道正常滲水量。

根據隧道地形及水文地質條件，采用《鐵路工程地質手冊》中降雨入滲法進行估算，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;W為區域多年年降雨量,mm；A為隧道通過含水體的地下集水面積,km2。

4.2 地下徑流模數法

此法適用于越嶺隧道通過一個或多個地表水流域地區，亦適用于巖溶區。本法采用假設地下徑流模數等于地表徑流模數的相似原理，根據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,作為隧道流域的地下徑流模數,再確定隧道的集水面積,便可宏觀、概略地預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;M為地下水徑流模數;A為計算匯水面積。

4.3 滲水量預測評估

結合地區及工程經驗,建議以地下徑流模數法預測的最大滲水量作為設計依據，即隧道預計雙洞總體滲水量：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，可能產生短時集中滲水。

4.4 處治結果分析

(1)流量監測

對水量監測采用容積法監測。通過圖1監測結果可以看出，處治前，洞內滲水為小股滲水，滲水量可達1 L/s，在第15 d時進行處治，處治后洞內滲水出現波動，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，但當其增加達到峰值后，滲水量逐漸減小，最終逐漸減小趨于穩定。由于檢測時間的限制，當停止檢測時，滲水量還處于下降階段，無法確定最終穩定后的滲水量。但從已有數據可以看出，其滲水量已經減小到了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)孔隙水壓力監測

對孔隙水壓力的監測采用孔隙水壓力計測定。通過圖2監測結果可以看出，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，但這是因為監測時間的限制。從圖3中可以看出，檢測在第55 d結束，但孔隙水壓力仍處于下降階段，且未出現放緩的趨勢。說明孔隙水壓力后續還將持續降低。從現有的數據中已經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力情況如表2所示。

由表2可以看出，未發生滲水時，拱頂處于受力狀態，隧道的豎向與水平方向應力較大，沿隧道方向應力較小。發生滲水后，由于隧道的結構可能受到破壞，無論是拱頂豎向應力還是混凝土平均應力均會出現一定程度的減小，其中拱頂豎向應力的減小幅度最大，而混凝土的水平方向應力出現了一個由負到正的變化，混凝土沿隧道方向應力變化幅度最小，幾乎不受滲水的影響。處治后，隧道拱頂豎向應力恢復到原來的受力水平，混凝土的平均應力也恢復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構的受力情況，處治效果較好。

表2 不同階段拱頂及混凝土平均應力

5 結 論

滲漏水是隧道工程中常見的地質災害之一，防止和及時處理滲漏水問題是隧道工程中經常面對的問題，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，發現處治效果較好，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，并預防后續運營過程中滲水現象的發生。為類似問題的處理提供了一定的工程經驗。