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        公路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞機(jī)理及處治措施

        2021-11-17 07:02:24馬文鎮(zhèn)張彥龍
        廣東公路交通 2021年5期
        關(guān)鍵詞:明溝右洞邊溝

        馬文鎮(zhèn),張 豹, 張彥龍

        (1.廣東大潮高速公路有限公司,廣東 大埔 514200;2.廣東華路交通科技有限公司,廣州 510420)

        0 引言

        隨著我國公路隧道不斷向崇山峻嶺和離岸深水區(qū)延伸,在施工、運(yùn)營過程中出現(xiàn)了一系列復(fù)雜的病害,尤其是近年來出現(xiàn)的排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞問題,導(dǎo)致隧道排水系統(tǒng)失效、襯砌水壓力增大、滲漏水加劇以及襯砌結(jié)構(gòu)劣化等,給隧道管養(yǎng)部門帶來了較大壓力。

        隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞病害已引起了眾多學(xué)者的關(guān)注,大多數(shù)采用理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法,對(duì)排水管結(jié)晶堵塞物來源、影響結(jié)晶因素、結(jié)晶機(jī)理以及結(jié)晶預(yù)防處治措施等方面進(jìn)行了研究,然而由于排水系統(tǒng)工程的隱蔽性,許多處治方法工程效果不理想,沒有形成經(jīng)濟(jì)高效的解決方法,且堵塞結(jié)晶現(xiàn)象在隧道建設(shè)期就已出現(xiàn),因而在建設(shè)期對(duì)隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行可維護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)隧道安全及后期管養(yǎng)十分重要。

        本文結(jié)合廣東大潮高速公路東溪山隧道工程,對(duì)施工期隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和取樣分析,并提出針對(duì)性的處治措施,供同類工程參考和借鑒。

        1 工程概況

        大潮高速公路東溪山隧道位于廣東省潮州市饒平縣新塘鎮(zhèn)烏洋村,設(shè)計(jì)為分離式隧道,左線起止里程ZK61+680~ZK63+480,長度1 800m,右線起止里程YK61+655~YK63+465,長度1 810m,為雙向四車道高速公路。隧道最大埋深約162m,隧道縱坡設(shè)計(jì)采用“人”字坡,進(jìn)口縱坡1.0%,出口縱坡1.6%。

        1.1 工程地質(zhì)

        1.1.1 地形地貌

        隧道位于溝谷斜坡-丘陵地貌區(qū),區(qū)內(nèi)最高標(biāo)高在ZK62+480左側(cè)390m,高365.5m,最低標(biāo)高在隧道左線進(jìn)口,高120.8m,相對(duì)高差244.7m。隧道進(jìn)口段山坡坡度10°~30°,中部一般30°~50°。植被發(fā)育,水土保持較好。

        1.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

        區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜,以斷裂構(gòu)造為主,褶皺構(gòu)造與斷裂相伴而生,由于受到多次斷裂作用及巖漿侵入破壞多數(shù)不完整。斷裂構(gòu)造常成組成帶產(chǎn)出,可分為北東向、東西向和北西向三組。隧道區(qū)有1條斷裂構(gòu)造(F2斷層)通過。ZK62+808,YK62+823附近斷裂構(gòu)造通過,斷層產(chǎn)狀326°-345°∠76°-83°。該斷層為硅化帶,長度大于5.0km,寬度約2.0m,斷面陡直,構(gòu)造巖組成物為塊狀石英脈、強(qiáng)硅化花崗巖、花崗碎裂巖、碎裂巖等,構(gòu)造巖帶內(nèi)節(jié)理裂隙不發(fā)育,且多閉合,斷層兩側(cè)為燕山期花崗巖。大地音頻電磁法也表現(xiàn)為斜向低阻異常,裂隙發(fā)育,巖石破碎,隧道圍巖穩(wěn)定性差。

        1.1.3 地層巖性

        隧道區(qū)出露地層為侏羅系上統(tǒng)兜嶺群中段(J3dlb)熔結(jié)凝灰?guī)r和燕山期(γ5)花崗巖,殘積(Qel)砂質(zhì)黏性土、粉質(zhì)黏土,坡積(Qdl)粉質(zhì)黏土。

        1.2 水文地質(zhì)

        1.2.1 地表水

        隧道進(jìn)口位于雨源型山溝交匯處,水文地質(zhì)條件復(fù)雜。地表水主要為大氣降水形成的地表面流,地表徑流條件較好,隧道進(jìn)、出口位于斜坡上,分布標(biāo)高較高,均有溝谷通過,匯水面積較大,水量多。

        1.2.2 地下水

        隧道進(jìn)口段地下水發(fā)育,于YK61+880發(fā)現(xiàn)一處泉水,為下降泉,雨季流量為0.05L/s,旱季流量為0.01~0.02L/s。隧道地下水為表層坡殘積黏性土、碎石土中的孔隙水及基巖風(fēng)化帶內(nèi)的裂隙水,水量大小受裂隙發(fā)育程度及季節(jié)變化影響,補(bǔ)給來源主要為大氣降水下滲補(bǔ)給。

        1.2.3 地下水水質(zhì)

        1.3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        隧道全長在行車道前進(jìn)方向左右側(cè)邊緣設(shè)排水邊溝與路面排水溝,襯砌背后墻腳外側(cè)設(shè)φ110mmPE縱向單邊打孔雙壁波紋排水管,并用PEφ110mm橫向排水管(最小坡度2%)與排水邊溝橫向連通,設(shè)置間距不大于10m,實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)消防清洗用水與地下水分開排放的目的。

        為了便于對(duì)縱向排水管定期采用管道疏通機(jī)及時(shí)疏通,在二襯墻腳每隔50m設(shè)置檢查維修孔;為了便于維修行車道邊緣排水溝,沿縱向每隔50m設(shè)一處沉淀檢查井;為防止淤積堵塞,路面下排圍巖水邊溝設(shè)置檢查井。

        2 排水系統(tǒng)結(jié)晶體堵塞病害

        2019年7月5日施工期間,在隧道右洞洞口段二次襯砌發(fā)現(xiàn)多處滲水,主要位置為預(yù)留洞室、施工縫、變形縫等,最高約4m,滲水狀態(tài)為細(xì)股狀水,滲水問題較嚴(yán)重,如圖1和圖2所示。

        圖1 YK61+800二襯預(yù)留洞室滲水

        圖2 YK61+812二襯滲水

        隨后,項(xiàng)目部對(duì)隧道排水系統(tǒng)進(jìn)行了全面排查,發(fā)現(xiàn)縱向排水暗溝內(nèi)沉積大量的結(jié)晶體(圖3),最厚處約25cm,多處橫向排水管被白色結(jié)晶體堵塞(圖4)。

        圖3 縱向排水暗溝結(jié)晶堵塞

        圖4 橫向排水管結(jié)晶堵塞

        2019年9月8日,發(fā)現(xiàn)隧道右洞YK62+720~YK62+840段內(nèi)側(cè)縱向排水暗溝內(nèi)有水溢出,打開水溝蓋板后發(fā)現(xiàn)YK62+810~YK62+840段水溝內(nèi)大量白色結(jié)晶體淤積,結(jié)晶體厚度為10~30cm,結(jié)晶體大量淤積是導(dǎo)致水溝堵塞、水溢出的主要原因。同時(shí)該段落一處檢查井內(nèi)及溝壁有大量結(jié)晶體析出,厚約10cm(圖5~圖7)。通過局部蓋板翻開及電纜溝橫向排水孔排查,隧道右洞結(jié)晶體堵塞嚴(yán)重的段落為:洞口段YK61+655~YK62+100,洞身YK62+400~YK63+080,合計(jì)1 125m,其余段落堵塞一般。

        圖5 右洞水溝內(nèi)水溢出

        圖6 右洞檢查井白色結(jié)晶體

        圖7 右洞水溝內(nèi)白色結(jié)晶體

        2019年11月10日~12月18日,左洞清理水溝結(jié)晶體,水溝蓋板打開后,發(fā)現(xiàn)水溝大部分發(fā)生結(jié)晶體堵塞現(xiàn)象。結(jié)晶體主要為白色、少部分為黃色,橫向排水孔堵塞量約半孔或全部堵塞,個(gè)別孔水流速較快的未發(fā)生堵塞,如圖8和圖9所示。堵塞嚴(yán)重的段落為:洞口段ZK61+680~ZK62+000,洞身段ZK62+600~ZK63+040嚴(yán)重,合計(jì)760m,其余段落堵塞一般。

        圖8 左洞橫向排水管結(jié)晶體堵塞

        圖9 左洞排水暗溝結(jié)晶體

        3 結(jié)晶堵塞機(jī)理分析

        3.1 結(jié)晶堵塞規(guī)律及現(xiàn)象

        3.1.1 結(jié)晶堵塞規(guī)律

        (1)地下水涌水量大的段落結(jié)晶體堵塞現(xiàn)象嚴(yán)重,涌水量小的段落堵塞現(xiàn)象較輕,結(jié)晶堵塞具有區(qū)段性。

        (2)雨季結(jié)晶體發(fā)展速度快,旱季結(jié)晶體發(fā)展速度相對(duì)較慢。

        3.1.2 結(jié)晶體形成現(xiàn)象

        (1)結(jié)晶體顏色主要為白色,其次為黃色,黑色及粉紅色較少分布。

        (2)結(jié)晶體形成初期為大量白色絮狀物,后期為粉末狀結(jié)晶。

        (3)結(jié)晶體初期顏色為雪白色,后逐漸變黃。

        (4)結(jié)晶體初期為糊狀,后逐漸變硬。

        3.2 結(jié)晶體來源

        根據(jù)二襯混凝土開窗及橫向排水孔初步得出結(jié)晶體主要來源于水與初期支護(hù)接觸面(圖10),分析如下:

        圖10 隧道洞內(nèi)開窗

        (1)裂隙水經(jīng)過圍巖時(shí),無任何結(jié)晶體出現(xiàn)。

        (2)裂隙水與初支混凝土接觸后,很快出現(xiàn)白色結(jié)晶體。

        (3)通過橫向排水孔觀察,結(jié)晶體初期支護(hù)與二襯接觸面、圍巖內(nèi)部并未出現(xiàn)白色結(jié)晶體。

        3.3 結(jié)晶體成分

        對(duì)隧道洞內(nèi)結(jié)晶沉淀物取樣,采用XRF法對(duì)其成分進(jìn)行了分析,分析結(jié)果見表1。

        表1 隧道洞內(nèi)沉淀物XRF分析 (單位:%)

        由表1中結(jié)晶體物相分析結(jié)果可知,白色和黃色樣品中的主要成分為CaO且含量均高于混凝土試樣,表明隧道內(nèi)的結(jié)晶物主要是由于地下水在流經(jīng)混凝土過程中與其發(fā)生反應(yīng),生成了CaCO3沉淀。

        3.4 結(jié)晶堵塞機(jī)理

        4 排水系統(tǒng)改造方案

        根據(jù)本工程所涉及隧道具體的滲漏及排水系統(tǒng)淤堵特征和情況,考慮營運(yùn)期排水系統(tǒng)淤堵后的可維護(hù)性,將隧道暗溝排水改造為明溝排水;考慮到已有的排水系統(tǒng)已堵塞,在隧道邊墻墻角增設(shè)泄水孔,在明溝溝底增設(shè)豎向的井點(diǎn)降水井。

        (1)原暗溝斷面尺寸為50cm(寬)×30cm(深),改造后的明溝斷面尺寸為30cm(寬)×60cm(深),水溝蓋板采用厚5cm的UHPC預(yù)制塊,改造方案增大了邊溝的過水?dāng)嗝?。明溝斷面如圖11所示。

        圖11 隧道明溝排水溝改造

        (2)隧道邊墻橫向泄水孔在電纜溝壁向圍巖方向打設(shè),位置在蓋板以上高度約50~100cm,溝坡度5%,鉆孔深度3.5m,鉆孔φ150mm,鉆孔內(nèi)安裝3.5m長的曲紋網(wǎng)狀PE韌性組合排水管(部分不透型φ110mm外管,全透型φ60mm內(nèi)管)?;炷炼闻潘芡獍鏊蛎浿顾畻l,嚴(yán)重堵塞段落縱向間距5m/個(gè),一般堵塞段落縱向間距10m/個(gè)。排水孔排出的水經(jīng)φ110mm可拆卸兩通PE排水管排至縱向排水明溝。隧道橫向排水管如圖12所示。

        圖12 隧道橫向排水管

        (3)邊溝底部采用井點(diǎn)降水,豎向排水孔打設(shè)長度5m,鉆孔φ150mm,鉆孔內(nèi)安裝5m長的曲紋網(wǎng)狀PE韌性組合排水管(φ110mm外管,φ60mm內(nèi)管),嚴(yán)重堵塞段落縱向間距5m/個(gè),一般堵塞段落縱向間距10m/個(gè)。邊溝底部井點(diǎn)降水如圖13所示。

        圖13 邊溝底部井點(diǎn)降水

        5 結(jié)語

        (1)東溪山隧道區(qū)域地下水較為發(fā)育,洞內(nèi)多處滲水嚴(yán)重,多處橫向排水管結(jié)晶堵塞,縱向排水暗溝沉積大量白色結(jié)晶體,結(jié)晶體厚度10~30cm。隧道洞內(nèi)結(jié)晶堵塞具有區(qū)段性,主要與該區(qū)域的圍巖地下水環(huán)境及噴射混凝土有關(guān)。

        (3)隧道內(nèi)增加井點(diǎn)降水和邊墻泄水孔后,減少了隧道滲漏水的發(fā)生。

        (4)采用明溝排水方案,便于實(shí)現(xiàn)定期養(yǎng)護(hù),可有效預(yù)防水溝堵塞。

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