隧道結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.中建一局集團第五建筑有限公司，北京 100024；2.福建省建筑科學研究院有限責任公司福建省綠色建筑重點實驗室，福建 福州 350002）

0 引言

隧道內滲透結晶堵塞問題是近年來隧道的主要病害[1-4]?，F在的研究主要集中在巖溶隧道方面[5-6]，針對該類結晶體如何影響隧道安全，以及在既有隧道內如何防治該類病害，現有的文獻研究較少。針對該類病害，主要通過物理或者化學清洗疏通方法減少結晶體，保持排水系統的暢通，或者通過改進設計方法或材料來避免該類病害的產生[7-9]。

本文根據現場隧道結晶的狀態及堵塞后滲漏的結果，利用數值手段反演分析該過程，分析隧道結晶堵塞排水系統，以及系統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 隧道地質概況

該隧道工程位于福建省南平市，全線設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，隧道右洞進出口高程分別為118.363m和153.685m，隧道左洞進出口標高分別：118.346m 和154.036m。采用礦山法施工。

場地屬閩西北地層小單元，根據沿線地質調查及鉆探揭露，沿線巖土體分布、厚度及巖性變化較大。隧道范圍內上部覆蓋層為雜填土（Q4ml）；粉質黏土（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）。地質剖面圖見圖1所示。地下水的分布主要受巖性、構造、地貌和植被等因素的控制和影響，分為基巖構造裂隙水、基巖及風化層孔隙-裂隙水、第四系沖洪積層孔隙水三大類型。

圖1 地質剖面圖

2 隧道滲水及結晶現象

在隧道施工過程中，有滲水部位出現大量白色結晶體（以碳酸鈣為主）。結晶體隨著時間的延長不斷增加，造成排水管道堵塞，從而造成隧道初期支護的局部開裂、噴射混凝土強度遲遲不能達到設計要求、二次襯砌與仰拱、仰拱與仰拱之間的施工縫出現滲水現象（見圖2所示），嚴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 隧道滲水及結晶現象

3 數值建模及現場對比

模擬采用同濟曙光公路隧道設計分析軟件7.0，根據隧道設置二次襯砌，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，內摩擦角為45°，模擬上下臺階法進行開挖?？紤]結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，同時滲透導致隧道襯砌材料劣化，劣化后襯砌強度降低，本次采用其劣化后材料強度達到其70%進行考慮，計算模型及結果如圖3所示。從圖3可以看出，隧道結晶堵塞并劣化后，隧道整體位移由原來的4.1mm增加到7.3mm，增加約78%，說明隧道結晶堵塞對隧道安全產生不利影響。

圖3 模擬結晶堵塞后水壓力增加的變形

現場調查可以發現，在結晶隧道二次襯砌施工完成后，仍舊會產生局部的滲透漏水現象，同時漏水處出現結晶物及變形跡象，變形量與數值模擬結果相符，說明隧道局部結晶堵塞對隧道變形產生較大的影響，應引起各方的重視。

4 隧道結晶堵塞病害的應對策略

通過以上現場調查及數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生化學反應，從而產生碳酸鈣或碳酸鎂等結晶體。而該類結晶體通常會堵塞泄排水通道，特別是堵塞隧道內部的盲管，造成疏通困難，局部產生堵塞現象，導致水壓力過高而對隧道拱頂產生較大的壓力，從而誘發隧道的透水、巖土變形過大等災害。針對結晶堵塞病害，應改進隧道設計、設置隧道排水系統、及時地補充勘察、加強隧道的監測工作、及時疏通并做好二次排水設計。

4.1 改進隧道設計

隧道設計的主要參數包括：（1）道路等級：城市主干道；（2）設計速度：60km/h；（3）隧道內共設4 個平曲線交點，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）設計使用年限：100年。

隧道V級深埋段采用超前長管棚+超前小導管預注漿加固，初期支護采用20a工字鋼架加強，縱向間距0.5m，施工采用雙側壁導坑法。隧道Ⅳ級圍巖地段采用超前錨桿預加固，加強段初期支護采用I8工字鋼架，縱向間距0.75m，施工采用CD法。一般段初期支護采用格鋼架，縱向間距0.75m，施工采用短臺階法。內輪廓線設計見圖4所示。

圖4 內輪廓線設計

4.2 隧道排水設置

在隧道襯砌背后環向鋪設A5 cm HDPE單壁波紋管盲溝，將水引入邊墻兩側中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A25cm雙壁打孔波紋管側式排水管排出洞外。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，見圖5所示。

圖5 隧道排水設計

4.3 其它措施

（1）及時地補充勘察：補充水文地質的調查，特別是水體和巖土體中離子含量的分析工作，為后續制定應對措施提供依據；

（2）加強隧道的監測工作：在遇到隧道結晶堵塞災害時，加強監測，特別是針對拱頂變形、水位等進行重點監測。

（3）及時疏通并做好二次排水：針對堵塞區域應及時進行探測，條件允許時實施疏通施工，并及時進行二次排水設計，防止再次堵塞。

5 結束語

綜上所述，隧道內滲透結晶堵塞問題是近年來隧道的主要病害，會造成隧道內排水不暢，局部水壓力集中從而導致滲水現象，會對隧道安全造成重要影響。本文以某隧道結晶堵塞排水系統導致滲水的案例為基礎，通過數值模擬反演分析該類災害的致災過程，提出改進隧道設計、設置隧道排水系統、及時地補充勘察、加強隧道的監測工作、及時疏通并做好二次排水設計等應對措施。本文分析研究成果可以為結晶堵塞隧道的設計、防治提供一定的參考。