劉 浩， 祝志恒， 李林毅

(1. 廣東交科檢測有限公司， 廣東 廣州 510550； 2. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展，為滿足人們?nèi)找嬖鲩L的出行需求，以公路隧道為代表的基礎(chǔ)建設(shè)項目迅速增加[1]。已建公路隧道運營情況調(diào)查表明，在富水地層(尤其是巖溶地層)中，因復(fù)雜地質(zhì)條件、防排水系統(tǒng)缺陷、地表強降雨等造成的運營隧道結(jié)構(gòu)滲漏水、局部裂損破壞等問題時有發(fā)生[2-4]。這些問題不僅影響隧道內(nèi)部機電、消防等設(shè)備的使用，還會導(dǎo)致路面大面積變形、結(jié)構(gòu)開裂破壞，嚴(yán)重時將危及來往車輛的行駛安全[5-6]。

目前，不少學(xué)者及工程人員從仿真分析、現(xiàn)場調(diào)研、地質(zhì)勘探等方面對運營公路隧道水害問題的成因及演變機理進行了研究。例如： 劉敏捷等[7]針對隧道路面滲漏水問題，建立隧底結(jié)構(gòu)流固耦合模擬計算模型，分析了隧底結(jié)構(gòu)形式、孔隙率在交通荷載作用下的動水壓力響應(yīng)特征；張彥龍等[8]依托廣梧高速公路茶林頂隧道工程，通過現(xiàn)場勘探與仿真分析手段，明確了此隧道水害發(fā)生的原因及機理；李凱等[9]通過隧道地表調(diào)查，明確了集中降雨、滲透性強、巖溶發(fā)育是韶贛高速白山隧道水害發(fā)生的主要原因；林嗣雄[10]依托典型水害案例，對現(xiàn)場水害特征進行了詳細統(tǒng)計，定性分析了水害原因，并提出了相關(guān)防治建議；邵明利等[11]從氣候條件、地形地質(zhì)、區(qū)域構(gòu)造等方面分析了黃衢南高速石崖塢隧道水害機理，并提出了隧道內(nèi)井點降水法的水害治理方案。

上述研究經(jīng)工程實踐驗證，一定程度上揭示了隧道水害問題的病害機理，較好地指導(dǎo)了同類工程施工及設(shè)計。但是，受限于現(xiàn)場實施條件，既有研究多為基于地質(zhì)資料的定性分析與模擬探討，而對水害隧道隧址區(qū)水流動特性與不良地質(zhì)體的探查缺乏足夠認(rèn)識，難以從本質(zhì)上揭示水害問題的演變過程。因此，本文依托京珠高速洋碰隧道水害案例，聯(lián)合地質(zhì)勘探與水連通試驗手段，探明隧址區(qū)不良地質(zhì)情況與水連通特性，并采用FLAC 3D軟件對雨后高水壓下的隧道結(jié)構(gòu)安全性進行模擬評價，系統(tǒng)分析案例隧道病害成因，以期為同類案例提供借鑒與參考。

1 洋碰隧道基本概況

1.1 隧道概況及工程地質(zhì)條件

洋碰隧道是京珠高速公路的一座分離式雙線隧道，位于廣東省北部山區(qū)，左線里程號為LK76+287～LK78+340，全長2 053 m，右線里程號為RK76+300～RK78+410，全長2 110 m。隧道為單向坡設(shè)計，西高東低，線路坡度為2%，隧道起訖高程分別為228.37、187.07 m，最大埋深250 m。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，洞身穿越多處斷層，地層巖體破碎，巖質(zhì)主要為砂巖、灰?guī)r。隧道地表大范圍為強透水地層，雨水下滲條件較好，加之隧址區(qū)降雨較為豐富、夏季暴雨頻發(fā)，地下水補給較為充分。隧道西端進口附近為南水水庫，工作期間的水位高程約為210 m；隧道東端出口處為雙口河，為當(dāng)?shù)刈畹团判够鶞?zhǔn)，高程約為128 m。隧道與周邊工程、地質(zhì)構(gòu)造的位置關(guān)系如圖1所示。由圖可知隧道總體處于“南水水庫—雙口河”排泄路徑高程之上，該排泄路徑會影響隧道滲流，但并非起主導(dǎo)作用。

圖1 洋碰隧道區(qū)域構(gòu)造及周邊情況

Fig. 1 Regional geological structure and surrounding conditions of Yangpeng Tunnel

1.2 運營期水害情況

洋碰隧道2003年通車后，水害頻發(fā)段1、2(見圖1)常年存在隧道滲漏水病害，部分?jǐn)嗝嬉r砌邊墻部位出現(xiàn)環(huán)向、斜向裂縫。2012年雨季期間，隧道內(nèi)發(fā)生涌流及噴射狀滲漏水，危及結(jié)構(gòu)安全與行車安全，現(xiàn)場病害情況如圖2所示。此外，由于地層巖溶發(fā)育、溶洞塌陷頻發(fā)，水害段地表還存在較為嚴(yán)重的地面塌陷問題。其中，病害最嚴(yán)重的水害頻發(fā)段2的地質(zhì)縱斷面情況如圖3所示?？紤]洋碰隧道受“南水水庫—雙口河”排泄路徑的滲流影響總體不大，其運營期水害應(yīng)主要與地表降雨有關(guān)。

(a) 拱頂噴射狀滲漏水 (b) 邊墻泄水孔涌水

(c) 地表塌陷 (d) 塌陷處地表落水洞

圖2現(xiàn)場病害情況

Fig. 2 On-site disease situation

1.3 水害段支護設(shè)計

水害頻發(fā)段2(RK77+500 ～ RK78+000)穿越4處斷層，洞身主要穿越灰?guī)r、砂巖，圍巖等級包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。在Ⅴ級圍巖段內(nèi)，隧道采用S2型復(fù)合式襯砌，其開挖跨度×高度=13.00 m×9.80 m，仰拱內(nèi)徑R3=15.80 m，開挖面積為105.52 m2，如圖4所示。具體支護參數(shù)為：φ22 mm藥卷錨桿，長3 m，間距1.0 m×1.0 m(環(huán)×縱)；初期支護25 cm厚C20噴射混凝土、間距80 cm的I22 a工字鋼；二次襯砌50 cm厚C20鋼筋混凝土，環(huán)向鋼筋配筋φ22 mm@200 mm。

圖3 水害嚴(yán)重段落地質(zhì)縱斷面(右線)(單位： m)

Fig. 3 Geological profile of water disease section(right line)(unit: m)

圖4 S2型復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)斷面(單位： cm)

2 基于高密度電法的地質(zhì)勘探分析

洋碰隧道出現(xiàn)的滲漏水病害及地表塌陷情況表明水害段地質(zhì)條件復(fù)雜、地層巖溶發(fā)育，因此，開展地表物探工作，進而探明水害段溶槽、溶洞、斷層破碎帶等不良地質(zhì)體的分布狀況是十分必要的，也可以為后續(xù)整治工程的方案制定提供依據(jù)。

2.1 測試方法及具體方案

高密度電法勘探是一種工作效率高、環(huán)境干擾小、地電結(jié)構(gòu)信息豐富的地球物理勘探方法。以巖溶地層為例，其工作原理為： 通常情況下巖溶發(fā)育巖體與巖溶不發(fā)育巖體存在明顯的電性差異(見表1)，對于水位以下或土類充填的溶洞、溶槽、溶溝，因水、土介質(zhì)電阻率低，視電阻率將呈現(xiàn)低阻異常；而空洞或半充填溶洞，因空氣介質(zhì)電阻率高，視電阻率將呈現(xiàn)高阻異常。由此，通過上述地電性質(zhì)的差異，可用于探查巖溶、斷層等不良地質(zhì)體。

高密度電法采用施倫貝爾裝置，其電極排列規(guī)律是： A、M、N和B為4根電極，其中，A和B是供電電極，M和N是測量電極，且AM=NB。在整個測量過程中MN點距固定，隨著間隔系數(shù)由nmin增至nmax，AM與NB之間的點距均勻增加。數(shù)據(jù)按間隔系數(shù)由小到大的順序分層存儲，結(jié)果為倒梯形區(qū)域，如圖5所示。

表1 測區(qū)主要地下介質(zhì)電阻率范圍

圖5 施倫貝爾裝置電極排列方式

結(jié)合水害段病害情況，在F13、F14斷層帶及影響區(qū)域地表布設(shè)3條橫向測試線(見圖3)，單條測線長130 m，有效測點共152個。測線橫跨隧道上方，分別與隧道交于RK77+765、RK77+800、RK77+840。

2.2 水害段勘探結(jié)果分析

經(jīng)數(shù)據(jù)處理，測線1—3的勘探結(jié)果如圖6所示。由圖6可知： 1)3條測線均探測到溶洞或溶蝕，已探得的最大巖溶發(fā)育區(qū)出現(xiàn)在測線3下方，達30余m，同時在測線2還探測到斷層，上述情況表明水害段地層巖溶發(fā)育，存在多處溶洞或溶蝕； 2)結(jié)合現(xiàn)場病害情況，可以認(rèn)為水害段隧道上覆地層斷層交錯復(fù)雜，溶洞、溶蝕發(fā)育，雨后地下水徑流引發(fā)的溶洞變形、坍塌應(yīng)是地表塌陷的直接原因，而斷層破碎帶及巖溶發(fā)育區(qū)同時也成為了隧道突涌水的主要通道，是雨后隧道滲漏水病害的主要原因。

3 地下水連通試驗及分析

地質(zhì)勘探揭示了洋碰隧道水害段不良地質(zhì)體分布情況，但對“雨水-巖溶水-隧道涌水”之間的水力聯(lián)系仍不甚明確，因此，通過開展地下水連通試驗，以期進一步探明水害段地下水連通性。

3.1 現(xiàn)場試驗方案

水連通試驗是一種研究地下水流動特性的常用方法。其基本流程為： 在上游點投放特定示蹤物質(zhì)，并在下游點監(jiān)測其質(zhì)量濃度，最終得到上、下游點的水力聯(lián)系程度。依據(jù)現(xiàn)場病害情況，本次試驗選取病害嚴(yán)重的水害頻發(fā)段2作為研究區(qū)段。通過詳細的地表調(diào)查，在水害段地表選擇6個典型地質(zhì)點(巖溶管道口、坍陷區(qū))作為投放點，并依據(jù)位置關(guān)系，在隧道出口及與隧道臨近且基本等高的4#平導(dǎo)內(nèi)依次布置9個接收點。同時，設(shè)置有2組投放工況，以區(qū)別探究平導(dǎo)與隧道的水連通性，具體分組及測試點位如表2和圖7所示。此外，為區(qū)分不同投放點的測試結(jié)果，分別采用了熒光素鈉(Na)、羅丹明(L)、增白劑(Z)3種示蹤物質(zhì)。

(a) 測線1測試結(jié)果

(b) 測線2測試結(jié)果

(c) 測線3測試結(jié)果

表2 測試工況與測點信息

(a) 測試組1

(b) 測試組2

(c) 1號投放點

(d) 6號接收點

3.2 測試結(jié)果及分析

2013年8月21日，隧址區(qū)歷經(jīng)大雨，于上午8:00進行了測試組1的示蹤劑投放，并即時開始接收點的示蹤物質(zhì)測試，測試頻率為半小時1次。2013年8月23日，隧址區(qū)歷經(jīng)中雨，于上午11：30進行了測試組2的示蹤劑投放，接收點測試頻率同測試組1。經(jīng)現(xiàn)場測試，各測點示蹤劑質(zhì)量濃度變化時程曲線如圖8所示。

由圖8可知：

1)試驗組1的示蹤劑于8:00投放后，平導(dǎo)內(nèi)的接收點JS05—JS09在9:00前均出現(xiàn)示蹤劑，并在10:00時質(zhì)量濃度到達峰值，表明地表降雨1 h內(nèi)雨水便可通過溶洞、巖溶管道等地下水通道影響平導(dǎo)附近滲流場，而在降雨2 h后雨水引發(fā)的地下徑流影響將達到最大。同時，測試結(jié)果還反映出水害段地下徑流存在2個特點： ①地下徑流以由西往東排泄為主；②地下水通道徑流的影響區(qū)域范圍不大。以TF02投放點為例，羅丹明(L)僅在其東側(cè)的JS06、JS07被檢測到，在西側(cè)的JS05與距離稍遠的JS08、JS09基本未被檢測到； TF03投放的增白劑(Z)測試結(jié)果與TF02基本相同，進一步驗證了上述特點。

2)試驗組2的示蹤劑于11：30投放后，位于隧道出口的接收點JS01—JS04在14:00檢測到示蹤劑，并在18:00左右質(zhì)量濃度值到達峰值。表明地表降雨2 h后雨水便可通過地下水通道影響隧道滲流場，而在降雨6 h后影響達到峰值。此外，考慮投放點與接收點水平距離超過500 m，隧道排水流至出口還需一定時間，降雨實際影響時間應(yīng)更早。

3)從測試結(jié)果來看，地表降雨與平導(dǎo)滲流場、隧道滲流場之間的水力聯(lián)系規(guī)律大致相似，但降雨對平導(dǎo)的水力影響更為迅速。分析此現(xiàn)象，這應(yīng)是由于隧道注漿措施優(yōu)于平導(dǎo)的注漿措施，圍巖注漿發(fā)揮了堵水效果，削弱了水力聯(lián)系。但是總的來說，地表降雨與隧道滲流場之間仍具備較強的水力聯(lián)系，同時,在強降雨條件下,雨水可通過巖溶水通道灌入式匯入地層，導(dǎo)致地層水頭的明顯升高，最終引發(fā)了隧道的相關(guān)水害問題。

(a) 測試組1

(b) 測試組1

(c) 測試組1(TF07)

(d) 測試組1(TF08)

(e) 測試組1(TF09)

(f) 測試組2(TF01)

(g) 測試組2(TF02)

(h) 測試組2(TF03)

(i) 測試組2(TF04)

圖8水連通試驗測試結(jié)果

Fig. 8 Results of water connectivity test

4 雨后高水壓下隧道結(jié)構(gòu)安全性評價

4.1 數(shù)值模型及邊界條件

為進一步明確雨后高水壓對隧道結(jié)構(gòu)安全的影響規(guī)律，本文采用FLAC 3D有限差分軟件[12]進行仿真模擬研究。依據(jù)現(xiàn)場病害情況，選取病害嚴(yán)重的RK77+800(測線2所在斷面)作為典型斷面進行分析。該斷面埋深約90 m，計算中頂部取實際埋深，兩側(cè)及底部距離左右線3倍洞徑以上，最終范圍取為120 m×130 m(寬×高)，如圖9所示。

(a) 邊界條件設(shè)定(單位： m)

(b) 計算模型網(wǎng)格

(c) 隧道結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

該斷面采用S2型復(fù)合式襯砌方案，根據(jù)地質(zhì)特性和邊溝排水方式，建立隧道結(jié)構(gòu)排水模型，且滲流計算遵循如下假定： 1)地下水排泄?jié)M足Darcy定律； 2)圍巖為均質(zhì)、各向同性材料； 3)襯砌僅通過邊墻排水管排水，環(huán)向盲管的排水特性通過增大初期支護滲透性的方式進行模擬。

模型力學(xué)邊界： 底部固定約束，兩側(cè)水平約束。滲流邊界： 底部、兩側(cè)孔壓固定，均能與外界發(fā)生液體交換； 根據(jù)不同工況，對應(yīng)調(diào)整地下水面高度。圍巖采用實體單元模擬，服從摩爾庫侖屈服準(zhǔn)則。參考有關(guān)文獻[2,5,7-8]，隧道結(jié)構(gòu)(初期支護、二次襯砌、排水管等)均采用實體單元模擬，服從線彈性本構(gòu)模型。

4.2 模擬工況及參數(shù)選定

根據(jù)地勘資料，該斷面圍巖主要為地表碎石土、深部灰?guī)r2種，模型中對上述2種圍巖均予以考慮，具體材料參數(shù)依據(jù)地勘資料取值；支護結(jié)構(gòu)的力學(xué)參數(shù)按照“等效剛度法”計算；支護結(jié)構(gòu)滲透系數(shù)采用“以管代孔”的方法進行等效[13]。各材料的計算參數(shù)見表3。

表3 材料計算參數(shù)取值

地質(zhì)勘探與水連通試驗結(jié)果顯示，在集中降雨后該斷面存在地層水頭迅速上升的可能，同時有關(guān)案例表明類似地質(zhì)條件下因降雨引發(fā)的地層水位動態(tài)變化超過50 m[14]。因此，參考文獻[5,15]研究成果以及結(jié)合本隧道埋深情況，采用逐級提升地下水液面高度的方式，等效降雨引發(fā)的地層水頭增長，并設(shè)置如下4種模擬工況： 1)無水工況，作為有水工況的對比組； 2)地下水位高出隧道頂面20 m； 3)地下水位高40 m； 4)地下水位高60 m。

4.3 模擬結(jié)果分析

根據(jù)工況1—4的計算結(jié)果，提取左線隧道結(jié)構(gòu)外水壓力分布，如圖10所示。提取二次襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并依據(jù)《公路隧道設(shè)計規(guī)范》[16]計算其結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)，最終獲得典型部位相關(guān)數(shù)值，結(jié)果如表4所示。

由圖10可知： 1)隨著地層水頭的升高，隧道外水壓力迅速增長，其中拱頂、隧底部位增幅較為明顯，而邊墻腳處因受排水影響增幅較小； 2)在各工況下，水壓力量值均存在“隧底、拱頂最大，邊墻、拱部次之，邊墻腳排水處最小”的分布規(guī)律，同時當(dāng)?shù)貙铀^為20、40、60 m時，隧身最大水壓力分別為118、246、356 kPa(均位于隧底)； 3)水壓力分布出現(xiàn)了一定的左右不對稱，即左側(cè)水壓力總體大于右側(cè)，分析此現(xiàn)象，應(yīng)是由于隧道右側(cè)的右線隧道排水降壓所導(dǎo)致。

由表4計算結(jié)果可知： 1)當(dāng)?shù)貙訜o水條件下，即工況1，襯砌結(jié)構(gòu)最危險點位于邊墻處，其安全系數(shù)為3.6，能夠滿足規(guī)范[16]限值要求，表明無水條件下襯砌安全性良好； 2)隨著地層水頭的升高，襯砌結(jié)構(gòu)各部位內(nèi)力變化顯著，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)降幅明顯，其中拱頂、邊墻部位內(nèi)力增長明顯，仍以小偏心受壓模式承載，而隧底部位承載模式由小偏心受壓逐步發(fā)展為大偏心受壓； 3)至地層水頭60 m時，邊墻、隧底部位安全系數(shù)均較小，已接近規(guī)范[16]中規(guī)定的“結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不得小于2.0”的限值要求，若考慮其他不利因素影響，襯砌結(jié)構(gòu)存在開裂、破損的可能。同時，上述計算結(jié)果與現(xiàn)場病害特征、病害位置吻合較好，也驗證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

圖10 外水壓力分布圖(單位： kPa)

表4 模擬計算結(jié)果

注：N為軸力，正值代表受壓；M為彎矩，正值代表內(nèi)側(cè)受拉。

綜合上述結(jié)果可知，在降雨引發(fā)的地層高水頭條件下，排水系統(tǒng)雖發(fā)揮了一定泄壓作用，但是隧道結(jié)構(gòu)仍承受著較高水壓力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力惡化，大幅削弱了襯砌安全性，尤其是在邊墻、隧底部位還存在結(jié)構(gòu)安全性無法滿足的可能。因此，集中降雨時，應(yīng)注重富水段落隧道結(jié)構(gòu)的泄水降壓，并關(guān)注邊墻、隧底部位襯砌結(jié)構(gòu)安全性。

4.4 水害防治措施與現(xiàn)場效果

結(jié)合地質(zhì)勘探、連通試驗、仿真分析結(jié)果可知，地表強降雨頻發(fā)、地層巖溶發(fā)育、灌入式雨水下滲通道是此隧道水害的主要原因，而上述原因綜合導(dǎo)致的隧身外水壓力過高是病害發(fā)生的直接原因?；谏鲜龇治?，現(xiàn)場制定了“疏排為主、局部封堵為輔”的整治原則，并開展了水害段治理(見圖11)。具體措施包括： 1)4#平導(dǎo)內(nèi)新增魚骨式泄水廊道，提高地層水疏導(dǎo)能力； 2)根據(jù)水連通試驗結(jié)果，將與水害段具有強水力聯(lián)系的數(shù)個塌陷區(qū)、落水洞進行封堵及引流處理，封堵處理采取“粗顆粒料+注漿加固”的方式，而引流處理采取“坍陷區(qū)外圍截水溝+區(qū)內(nèi)排水溝”的方式； 3)隧道水害區(qū)段新增一定數(shù)量的邊墻泄水孔，加強隧道排水能力。

經(jīng)現(xiàn)場整治后，隧道運營狀況良好，雨季期間未發(fā)現(xiàn)明顯的水害，驗證了上述整治方法的有效性。

(a) 泄水廊道泄水疏導(dǎo) (b) 落水洞封堵回填

圖11病害隧道現(xiàn)場治理情況

Fig. 11 On-site treatment of disease tunnel

5 結(jié)論與討論

1)依托京珠高速洋碰隧道水害案例，通過地質(zhì)勘探與水連通試驗手段，探明了隧址區(qū)不良地質(zhì)體分布情況，明確了水害段“雨水與隧道涌水”之間的水力聯(lián)系。測試結(jié)果表明，地表強降雨頻發(fā)、地層巖溶發(fā)育、灌入式雨水下滲通道是水害的主要原因，而上述原因綜合導(dǎo)致的隧道外水壓力過高是病害發(fā)生的直接原因。

2)基于FLAC 3D軟件分析了雨后高水壓下隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)力場與滲流場的規(guī)律特征，計算結(jié)果表明由于排水能力相對不足，在地層高水頭下隧道結(jié)構(gòu)(尤其是拱頂與隧底)仍承受著較高水壓力，且隨著水頭升高,結(jié)構(gòu)受力逐步惡化，襯砌結(jié)構(gòu)安全性大幅削弱，特別是在邊墻、隧底部位還可能引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂等裂損問題。

3)針對現(xiàn)場病害情況，案例隧道采取了“增設(shè)泄水廊道+地表封堵及引流+增設(shè)邊墻泄水孔”的治理措施，經(jīng)整治后隧道運營狀況良好，雨季期間未發(fā)現(xiàn)明顯的水害，整治方案可供同類案例參考。

此外，由于巖溶水、管道水等宏觀地下徑流的流動明顯異于常規(guī)滲流地下水，而現(xiàn)有模擬手段難以全方位反映巖溶管道水的流動特征，因此,如何在現(xiàn)場實勘的基礎(chǔ)上采用考慮巖溶管道的隧道模型試驗及數(shù)值仿真，探究巖溶水流動特性及其對隧道結(jié)構(gòu)的影響，將作為后續(xù)研究的主要方向。