劉燕鵬，藺虎平，孫海東，緱 婷

(1. 中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075；2. 陜西省交通建設(shè)集團(tuán)公司藍(lán)商分公司，陜西 藍(lán)田 710050)

0 引 言

中國(guó)巖溶區(qū)主要分布在以云、貴、桂為主體，包括川、鄂、湘部分地區(qū)在內(nèi)的約5.0×105km2范圍內(nèi)[1]。雖然巖溶區(qū)隧道選址多在巖溶安全帶[2]，但受氣象、水文、地質(zhì)條件等因素的影響，巖溶區(qū)修建的隧道在施工和運(yùn)營(yíng)期普遍存在突水、突泥和塌方等災(zāi)害。文獻(xiàn)[3]統(tǒng)計(jì)表明，僅21世紀(jì)前10年，在中國(guó)交通、水電領(lǐng)域隧道建設(shè)過(guò)程發(fā)生的重大地質(zhì)災(zāi)害中，突水、突泥及其引發(fā)的災(zāi)害占77.3%，造成了嚴(yán)重的人員和經(jīng)濟(jì)損失，也產(chǎn)生了強(qiáng)烈的社會(huì)影響。

目前對(duì)于隧道突水突泥病害的研究，從研究?jī)?nèi)容來(lái)看，主要集中在致災(zāi)機(jī)理[4-7]、災(zāi)害形成過(guò)程[8-9]、災(zāi)害評(píng)估預(yù)測(cè)[10-15]和災(zāi)害處治措施[16-18]等幾方面；從研究對(duì)象來(lái)看，主要針對(duì)新建隧道突水突泥病害，對(duì)在役隧道突水突泥病害鮮有研究。

新建隧道突水突泥病害主要是由于巖溶區(qū)地層結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂隙、溶腔、管道及暗河等蓄水構(gòu)造或?qū)ǖ离S著臨空面的增加或受施工擾動(dòng)而揭露和連通，導(dǎo)致大量的地下水、充填物涌入隧道，而在役隧道突水突泥病害大多與地面強(qiáng)降雨有關(guān)。本文依托西南地區(qū)某隧道突水突泥病害處治工程，結(jié)合現(xiàn)有研究成果，從從地質(zhì)構(gòu)造、病害特征及類(lèi)型角度對(duì)隧道病害成因進(jìn)行分析，并據(jù)此提出“以排為主”的處治對(duì)策，研究成果可為巖溶區(qū)新建隧道設(shè)計(jì)及在役隧道類(lèi)似病害處治提供參考依據(jù)。

1 工程概況

1.1 災(zāi)害介紹

2017年6月24日前后，西南地區(qū)某運(yùn)營(yíng)隧道遭遇特大暴雨，2 h內(nèi)的極端降雨量達(dá)到313 mm，導(dǎo)致該隧道出現(xiàn)嚴(yán)重的滲漏水病害和突水突泥病害，計(jì)算涌水量約為33 022 m3·d-1，現(xiàn)場(chǎng)病害情況如圖1、2及表1所示。

圖1 拱腳涌水

圖2 溶洞位置突涌水

表1 隧道突水突泥情況

1.2 地質(zhì)概況

隧址區(qū)的主體構(gòu)造為大堯寨向斜，該隧道橫穿大堯寨向斜西翼，巖層均為單斜地層，產(chǎn)狀：95° ～115°∠52° ～55° ，主要表現(xiàn)為節(jié)理裂隙發(fā)育。向斜

核部地層由三疊系永寧組(T1yn)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r組成，兩翼由二疊系(P3c-P1q)夾鈣質(zhì)頁(yè)巖、黏土巖的中厚、厚層狀灰?guī)r組成。該向斜核部平緩開(kāi)闊，地貌上呈向斜谷地，形成盆狀蓄水構(gòu)造。大氣降水為地下水的主要來(lái)源。風(fēng)化裂隙、張開(kāi)～微張的節(jié)理為地下水滲入徑流的通道，泉水為地下水的主要排泄方式。

1.3 隧道結(jié)構(gòu)

該隧道突水突泥病害段為Ⅲ級(jí)圍巖，對(duì)應(yīng)襯砌類(lèi)型為S-Ⅲa型襯砌。該型襯砌未設(shè)仰拱，初期支護(hù)采用10 cm厚C20噴射混凝土，二襯采用35 cm厚C25素混凝土，二襯混凝土抗?jié)B標(biāo)號(hào)不低于S6，襯砌斷面如圖3所示。

圖3 S-Ⅲa襯砌斷面

2 病害原因分析

根據(jù)對(duì)隧道巖溶發(fā)育狀況的調(diào)查，隧址區(qū)分布6組灰?guī)r地層，各組地層中均夾有屬隔水層的泥巖類(lèi)地層，可溶巖與非可溶巖相間分布，具備發(fā)育巖溶的地層條件，在整體類(lèi)別上屬于巖溶類(lèi)。以下分別從地質(zhì)構(gòu)造、病害特征及類(lèi)型的角度對(duì)隧道突水突泥病害成因進(jìn)行分析。

2.1 地質(zhì)構(gòu)造分析

2.1.1 溶蝕槽谷與裂隙

隧址區(qū)在地質(zhì)構(gòu)造上處于雪峰古陸穩(wěn)定地臺(tái)西緣，在區(qū)域上位于黔北臺(tái)隆遵義斷拱的鳳崗北北東向構(gòu)造變形帶，形成于燕山期，由大致平行排列的褶皺和高角度壓性斷裂組成，為“多”字形排列的扭動(dòng)構(gòu)造形式，主要表現(xiàn)為斷裂構(gòu)造、褶皺構(gòu)造和節(jié)理裂隙。

隧址區(qū)山脊地形較平緩，巖溶形態(tài)以溶蝕槽谷為主(圖4)，在斜坡地段巖溶形態(tài)以溶蝕裂隙及零星分布的落水洞為主，大氣降水主要以坡面流或匯入沖溝后形成徑流為主，匯入巖溶洼地，直接注入落水洞補(bǔ)給地下水(圖5)。

圖4 地表溶槽

圖5 落水洞

2.1.2 巖溶管道與地下暗河

隧址區(qū)山脊段附近巖溶洼地呈串珠狀分布，基本每個(gè)巖溶洼地都有落水洞，通過(guò)實(shí)地踏勘走訪及地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，推測(cè)隧道右洞915～920 m(距進(jìn)口)段路面下方存在巖溶管道。據(jù)隧道養(yǎng)護(hù)人員介紹，2014年7月24日，在暴雨停止7 d后(期間沒(méi)有下雨)，隧道涌水量又突然增大且渾濁，推測(cè)隧址區(qū)存在地下暗河，可能在發(fā)生虹吸現(xiàn)象后導(dǎo)致隧道涌水量突然增大。

2.2 病害特征及類(lèi)型

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，本次隧道涌水量表現(xiàn)為降雨2 h后明顯增大，雨停后明顯減小的特點(diǎn)，隧道涌水的發(fā)生時(shí)間、流量變化與大氣降水的時(shí)效性明顯。從涌水水質(zhì)情況來(lái)看，涌水同時(shí)伴有泥沙，考慮到隧址區(qū)地表溪溝不發(fā)育，推斷泥沙來(lái)源可能為地表徑流、溶腔附近的泥巖、地下暗河等。

結(jié)合隧道災(zāi)害特征及巖溶調(diào)查結(jié)果，并結(jié)合地質(zhì)構(gòu)造分析情況，該運(yùn)營(yíng)隧道突水突泥病害類(lèi)型為溶洞溶腔型[19]。地表溶蝕槽谷、落水洞等對(duì)隧道突水災(zāi)害的影響最為顯著，巖溶管道和地下暗河在一定程度上促進(jìn)了災(zāi)害的發(fā)生，溶蝕裂隙對(duì)災(zāi)害的作用較小。

3 襯砌背后水壓力計(jì)算

3.1 襯砌外水壓力計(jì)算

3.1.1 理論折減計(jì)算

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 744—2016)，作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的外水壓強(qiáng)可根據(jù)排水效果、排水設(shè)施的可靠性進(jìn)行折減。

Pe=βeγwHe

(1)

式中：Pe為作用在襯砌結(jié)構(gòu)外表面的外水壓強(qiáng)(kPa)；βe為外水壓力折減系數(shù)，βe=0～1；He為地下水位線至隧道中心的作用水頭(m)。

本文以He=149.53 m，按《隧道巖溶涌水專(zhuān)家評(píng)判系統(tǒng)》給出βe=0.5，計(jì)算得出涌水點(diǎn)處外水壓力為74.76 m水柱，即0.73 MPa。

3.1.2 排水系統(tǒng)正常計(jì)算

北京交通大學(xué)朱海濤在排水系統(tǒng)正常的情況下，對(duì)應(yīng)He=203 m情況下，分別采用理論折減(0.85 MPa)、數(shù)值模擬(0.33 MPa)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)(0.08 MPa)3種方法對(duì)齊岳山隧道襯砌背后水壓力進(jìn)行計(jì)算。可以看到，理論折減結(jié)果約為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的10倍。因此，假設(shè)本項(xiàng)目實(shí)際襯砌水壓力仍為理論折減的1/10，則取正常排水情況下Pe=0.073 MPa。

3.1.3 排水系統(tǒng)失效計(jì)算

重慶大學(xué)王森[20]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)堵水來(lái)模擬排水系統(tǒng)失效，并測(cè)試襯砌外水壓力值，實(shí)際監(jiān)測(cè)表明：襯砌所受水壓力與排水系統(tǒng)失效的長(zhǎng)度有關(guān)，排水失效長(zhǎng)度越長(zhǎng)，襯砌所受水壓力越大。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，本次排水系統(tǒng)存在嚴(yán)重的淤積、堵塞現(xiàn)象(圖6)。根據(jù)渝懷線和宜萬(wàn)線多個(gè)巖溶隧道水壓力測(cè)試結(jié)果來(lái)看，巖溶隧道水壓力最大折減系數(shù)為0.02，最小折減系數(shù)為0.86。按最不利情況進(jìn)行考慮，βe=0.86，則排水系統(tǒng)失效情況下，估算Pe=1.26 MPa。

圖6 中心排水溝淤積、堵塞

此外，申志軍[21]通過(guò)對(duì)馬鹿箐巖溶隧道PDK255+978處掌子面水壓進(jìn)行測(cè)試，得出He=148 m時(shí)，泄水前掌子面水壓力為1.2 MPa，與本文在He=149.53 m條件下，估算的Pe=1.26 MPa基本相符。

3.2 計(jì)算模型及工況

在不考慮水壓力、排水系統(tǒng)正常和排水系統(tǒng)失效3種工況下，采用ANSYS軟件計(jì)算隧道襯砌背后荷載對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算模型單元分布如圖7所示。

3.2.1 隧道圍巖壓力計(jì)算

在不考慮水壓力的情況下，根據(jù)《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3370.1—2018)，隧道的最大開(kāi)挖寬度Bt=12.1 m，寬度影響系數(shù)ω=1+i×(Bt-5)=1.71。

圍巖垂直均布?jí)毫=0.45×2(s-1)×γω=78.489(kN·m-2)；圍巖水平壓力e=0.13×q=9.684(kN·m-2)。隧道荷載計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 隧道荷載計(jì)算

3.2.2 襯砌結(jié)構(gòu)計(jì)算

從現(xiàn)場(chǎng)情況來(lái)看，隧道突涌水之后，路面、檢修道、墻腳無(wú)明顯病害。鑒于此，認(rèn)為隧道背后水壓力增大未造成拱腳出現(xiàn)位移。

圖7 計(jì)算模型單元分布

(1)不考慮水壓力計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，整個(gè)襯砌截面受壓，最大受力發(fā)生在拱腳處，最大值為499.0 kN；最小值發(fā)生在拱頂、拱腰處，為236.9 kN。彎矩在拱腰處達(dá)到最大值，兩側(cè)拱腳內(nèi)側(cè)受拉，最大彎矩為70.6 kN·m。如表3所示，結(jié)構(gòu)單元最小安全系數(shù)為2.91，位于拱頂；最大安全系數(shù)為26.56，位于拱腰。

(2)排水系統(tǒng)正常計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，整個(gè)襯砌截面受壓，最大受力發(fā)生在拱腳處，最大值為809.1 kN；最小值發(fā)生在拱頂、拱腰處，為516.8 kN。彎矩在拱腰處達(dá)到最大值，兩側(cè)拱腳內(nèi)側(cè)受拉，最大彎矩為113.4 kN·m。結(jié)構(gòu)單元最小安全系數(shù)為2.10，位于拱頂；最大安全系數(shù)為14.79，位于拱腰。

表3 安全系數(shù)計(jì)算

(3)排水系統(tǒng)失效計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，整個(gè)襯砌截面受壓，最大受力位置在拱腳處，最大值為585 kN；最小受力位置在拱頂、拱腰處，受力值為507 kN。彎矩在拱腰處達(dá)到最大值，兩側(cè)拱腳內(nèi)側(cè)受拉，最大彎矩為810.4 kN·m。結(jié)構(gòu)單元最小安全系數(shù)為0.38，位于拱頂；最大安全系數(shù)為1.80，位于拱腰。

對(duì)比圖8中3種工況下的安全系數(shù)分布曲線，可以看到以下幾點(diǎn)。

圖8 隧道安全系數(shù)分布

(1)在排水系統(tǒng)正常的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)比不考慮水壓力時(shí)有所降低，但最小安全系數(shù)相差不大，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2)在排水系統(tǒng)失效的情況下，襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)明顯降低，整個(gè)斷面安全系數(shù)相差不大，且均不滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)安全系數(shù)的要求，也與該隧道二次襯砌在雨季暴雨情況下953 m處右側(cè)邊墻混凝土嚴(yán)重開(kāi)裂病害相佐證(圖9)。

(3)3種計(jì)算工況下，拱頂安全系數(shù)均最小。

圖9 953 m處襯砌嚴(yán)重開(kāi)裂

4 處治措施

襯砌背后水壓力計(jì)算結(jié)果表明，隧道排水系統(tǒng)失效將會(huì)導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患，故在處治隧道突水突泥病害時(shí)，關(guān)鍵是確保排水系統(tǒng)順暢，處治對(duì)策應(yīng)“以排為主”，從提高排水能力、減少泥沙沉淀2個(gè)方面進(jìn)行處治，具體措施為加密橫向排水管、擴(kuò)大中心排水溝和增設(shè)沉沙洞。

4.1 加密橫向排水管

根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 744—2016)，外水壓力折減系數(shù)βe與地下室活動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，隧道洞壁越干燥，滲水量越小，外水壓力折減系數(shù)βe越小。

從現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害情況來(lái)看，隧道洞內(nèi)出現(xiàn)長(zhǎng)段落突涌水，為了增強(qiáng)排水能力，增加排水通道，減小襯砌外水壓力，對(duì)隧道橫向排水管進(jìn)行加密(圖10)。既有橫向排水管縱向間距50 m布置一道，加密后縱向間距25 m布置一道，設(shè)置時(shí)應(yīng)避開(kāi)變形縫、施工縫、預(yù)留洞室以及預(yù)埋管線。

圖10 隧道加密橫向排水管

4.2 擴(kuò)大中心排水溝

由于災(zāi)害發(fā)生段落不僅突水，還伴有突泥現(xiàn)象，中心排水溝內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重的淤積、堵塞現(xiàn)象，通過(guò)擴(kuò)大中心排水溝斷面可以增大中心溝的過(guò)水面積，增強(qiáng)隧道的排水能力。擴(kuò)大中心溝采用整體式箱涵式設(shè)計(jì)，中心溝矩形斷面尺寸為120 cm×100 cm。

根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D33—2012)，計(jì)算擴(kuò)大后中心排水溝的流速為3.2 m·s-1，設(shè)計(jì)流量為31.91×104m3·d-1，大于本次隧道的涌水量(3.302×104m3·d-1)。中心排水溝擴(kuò)大后，洞口中心排水溝照片見(jiàn)圖11，對(duì)比圖6可以看到隧道中心溝排水能力顯著提高。

圖11 擴(kuò)大隧道中心排水溝后的排水

4.3 增設(shè)沉沙洞

針對(duì)隧道地下水中攜帶大量泥沙的問(wèn)題，可以在主洞行車(chē)方向右側(cè)設(shè)置沉沙洞(圖12)。綜合考慮流量、施工、后期營(yíng)運(yùn)等條件，沉沙洞斷面確定為2.5 m×6.6 m(寬×高)。

圖12 沉沙洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

沉沙洞平面位置位于上行線行車(chē)方向右側(cè)，垂直于主洞。襯砌采用30 cm厚C30鋼筋混凝土，在沉沙洞洞壁設(shè)置Φ16 mm鋼筋蹬梯，方便后期檢修和清淤；在沉沙洞拱部，每環(huán)設(shè)置9個(gè)Φ100 mm的泄水孔，孔深5 m，一般縱向間距為2 m，襯砌背后涌水量大時(shí)，可適當(dāng)加密。

圖13 沉沙洞設(shè)置斷面

5 結(jié) 語(yǔ)

受地面強(qiáng)降雨影響，地下溶蝕裂隙、溶洞溶腔與暗河管道等通道在得到地表水補(bǔ)給后，為隧道洞內(nèi)突涌水持續(xù)提供地下水源，從而引發(fā)隧道突水突泥病害。本文以西南地區(qū)某隧道受特大暴雨影響引發(fā)的突水突泥病害為例，重點(diǎn)從地質(zhì)構(gòu)造角度對(duì)突水突泥病害進(jìn)行分析，據(jù)此提出了“以排為主”的處治對(duì)策，并得出以下結(jié)論。

(1)該隧道突水突泥病害為溶洞溶腔型，地表溶蝕槽谷、落水洞等影響最大，巖溶管道和地下暗河次之，溶蝕裂隙影響最小。

(2)在排水系統(tǒng)失效的情況下，隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全系數(shù)顯著降低，且整個(gè)斷面安全系數(shù)相差不大，但均不滿(mǎn)足規(guī)范對(duì)安全系數(shù)的要求。

(3)建議處治在役巖溶隧道突水突泥病害時(shí)以排為主，可采取加密橫向排水管、擴(kuò)大中心排水溝、增設(shè)沉沙洞等措施。