李 清， 祝志恒, *， 李林毅

(1. 廣東華路交通科技有限公司， 廣東 廣州 510420； 2. 廣東交科檢測有限公司， 廣東 廣州 510550；3. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著國家路網(wǎng)建設的發(fā)展，大量公路隧道逐步投入運營，截至2019年底已建公路隧道超19 000座，運營總里程達18 966 km[1]。然而，由于我國巖溶地層廣泛分布(如西南地區(qū))，有相當比例的公路隧道建設于富水巖溶地區(qū)[2-3]。據(jù)巖溶公路隧道運營情況調查，因地層富水性較好、排水系統(tǒng)逐步失效等原因，以結構滲漏水、混凝土裂損、路面隆起、局部掉塊為典型特征的隧道運營水害頻發(fā)[4-6]，且隧址區(qū)出現(xiàn)強降雨時水害特征尤為嚴重[7-8]。以上問題的存在不僅影響隧道內部電力、消防等設施的正常使用，還會導致隧道運營存在安全隱患，嚴重時甚至危及行車人員的生命安全[9-11]。因此，如何探明運營水害演化機制成為公路隧道領域關注的重點問題。

截至目前，研究人員已從數(shù)值仿真、地質勘探、現(xiàn)場調查、模型試驗等方面開展了研究工作。其中，張彥龍等[12]依托廣梧高速某巖溶隧道水害案例，聯(lián)合現(xiàn)場勘探與數(shù)值仿真手段，探究了水害發(fā)生原因及機制；高春君等[13]采用“以板代孔”仿真方法對排水管堵塞進行了分析，探討了在不同水位及堵塞條件下二次襯砌結構的應力響應規(guī)律；李林毅等[14]針對隧道排水系統(tǒng)堵塞問題，通過融合3D打印技術的模型試驗，探究了堵管后仰拱結構及其上覆軌道的上拱規(guī)律。以上研究成果經(jīng)實踐驗證，在一定程度上探明了巖溶隧道水害成因，指導了類似工程的整治與設計。

但是，由于現(xiàn)場條件常受限制，既有研究多為基于地勘的定性討論與簡化仿真分析，而忽略了地形因素的影響，且對巖溶區(qū)水力連通特性、不良地質體分布缺乏必要認識，故而難以全面揭示運營水害的演化過程與形成機制。隨著無人機航拍技術與圖像點云處理技術的不斷進步，在三維仿真分析中考慮實景地形地貌逐步成為了可能[15]。因此，本文依托京港澳高速大寶山隧道雨后二次襯砌掉塊病害，通過地質勘察、地表調查與雨后水連通試驗，探明水害段地質信息與水力連通特性；基于“無人機航飛+三維地質建模”聯(lián)合技術，構建考慮地形地貌、隧道結構與地質信息的精細化三維仿真模型，探究強降雨引起地層水位驟升時隧道結構應力-應變響應與水害演化過程，分析案例隧道運營水害成因，以期為巖溶隧道水害整治與設計提供參考。

1 工程概況

1.1 工程地質條件

京港澳高速大寶山隧道位于廣東省韶關市南部山區(qū)，是分離式雙線單向3車道隧道。隧道左線(北行線)里程為ZK139+920～ZK141+505，全長1 585 m；右線(南行線)里程為YK139+940～YK141+505，全長1 565 m。隧道縱向為單向坡，南高北低，最大埋深約230 m。隧址區(qū)地形以山嶺、重丘為主，陡峭山坡與沖溝發(fā)育，具有較大起伏。隧道左右線結構凈距約30 m，其地質條件基本類似，左線縱斷面地質情況如圖1所示。隧道所處地質條件相對復雜，洞身穿越1處破碎帶、1處斷層帶、2處背斜裂隙帶，地層巖體相對完整，巖質主要為灰?guī)r、碳質灰?guī)r。同時，地勘資料顯示，隧道沿線巖溶特征發(fā)育，施工期曾揭露多處溶洞。隧址區(qū)屬亞熱帶季風氣候區(qū)，年均降雨量為1 640 mm，分布不均且集中在6—11月，夏季強降雨事件頻發(fā)，加之地表大范圍透水地層的存在，雨季時地層地下水補給充分。

圖1 大寶山隧道左線縱斷面地質圖

1.2 現(xiàn)場襯砌裂損情況

2013年5月14日至15日，韶關地區(qū)遭遇特大強降雨襲擊，隧址區(qū)48 h累計降雨量達417.5 mm。強降雨作用下，隧道左線ZK140+365斷面處高山側拱腰至邊墻過渡區(qū)襯砌突然剝落，混凝土掉塊面積約6.88 m2，其中，2.81 m2范圍防水板出露，現(xiàn)場情況如圖2所示。從混凝土失效特征來看，現(xiàn)場破壞面平整性一般，混凝土掉落零散，具有較明顯的壓潰破壞特征，推測現(xiàn)場襯砌應屬于壓應力超限破壞。經(jīng)現(xiàn)場緊急巡查，掉塊附近多處區(qū)段還存在結構滲水嚴重、射水、涌泥等現(xiàn)象(見圖2)。此外，發(fā)現(xiàn)涌出泥砂中裹挾有樹枝、樹葉等地表植被特征物，側面證明了涌水來源應與地表降水直接相關。

(a) 混凝土破壞情況(b) 襯砌掉塊

(c) 拱頂嚴重滲水 (d) 突水涌泥嚴重

1.3 裂損段結構設計與施工期概況

裂損斷面及臨近段落洞身主要處于Ⅱ、Ⅲ級灰?guī)r地層，隧道采用復合式襯砌支護。具體支護參數(shù)如下：Ⅱ級圍巖，初期支護采用5 cm厚C20噴射混凝土，拱墻二次襯砌采用40 cm厚C25模注混凝土，底部采用C15混凝土鋪底且不設置仰拱；Ⅲ級圍巖，初期支護采用10 cm厚C20噴射混凝土、φ22徑向錨桿(長3 m，間距1.5 m×1.5 m)，拱墻二次襯砌采用45 cm厚C25模注混凝土，底部采用C15混凝土鋪底且不設置仰拱。需要說明的是，襯砌混凝土均未布設鋼筋。Ⅱ級圍巖隧道支護斷面如圖3所示。

由于未設仰拱，隧道水害段采取路面下設置中心水溝的暗溝排水設計；同時，隧道兩側邊墻外布設有φ110縱向排水盲管，每隔30～50 m設有φ150橫向排水管，將縱向排水管水流引入中心水溝內。查閱施工期相關資料，發(fā)現(xiàn)： 1)隧道施工過程中揭露多處溶洞，多數(shù)溶洞位于水害段所在的背斜1區(qū)段附近，少數(shù)位于F1斷層帶附近； 2)背斜1區(qū)段施工中,在拱頂、路基面下均有狹長帶式溶洞揭露，部分溶洞存在涌水現(xiàn)象，而處理方式以回填為主。

圖3 Ⅱ級圍巖隧道支護斷面圖(單位： cm)

2 裂損段現(xiàn)場勘察與水連通試驗

大寶山隧道運營期的嚴重水害特征表明，水害段落地質條件相對復雜、地層應存在巖溶特征。因此，開展一系列勘察與試驗(結構檢測、現(xiàn)場勘探、地表調查以及水連通試驗)，力求最大程度地探明水害段地質條件、巖溶分布以及水連通特性，為后續(xù)的病害仿真模擬提供可靠依據(jù)。

2.1 隧道結構檢測分析

水害后檢測單位采用400 MHz天線地質雷達對ZK140+327～+407段襯砌結構厚度進行了探測。探測采取連續(xù)測量法，于拱頂、掉塊側拱腰、掉塊側邊墻布設3條測線，測試斷面間距為5 m，共計31個斷面、93個測點，檢測結果如圖4所示。

圖4 襯砌厚度檢測結果

由圖4可知： 測試段落包括Ⅱ、Ⅲ級圍巖段，Ⅱ級圍巖段襯砌厚度均高于設計厚度40 cm，而Ⅲ級圍巖段僅有1處稍低于設計厚度45 cm。此外，從掉塊混凝土中取出3個完整芯樣并測取其抗壓強度，結果顯示，3個試塊強度分別為28.3、26.1、30.2 MPa，均大于設計強度25 MPa。此外，經(jīng)現(xiàn)場檢查，除排水系統(tǒng)存在一定堵塞外，未見空洞、混凝土不密實等缺陷問題。因此，從檢測結果可推斷此次水害更大程度上與雨后地下水環(huán)境有關。

2.2 地表情況調查分析

為了解地表降雨入滲條件，水害后運營人員對掉塊斷面上覆地表進行了實地踏勘，具體形式包括實地調查與無人機航飛，現(xiàn)場情況如圖5所示。由圖可知，掉塊斷面地表處于兩山之間的溝谷位置，溝側坡體相對較陡，植被旺盛，強降雨條件下兩側坡面雨水極易匯聚于此，可為巖溶水提供充分的補給來源。同時，距掉塊斷面約30 m處的地表出現(xiàn)了明顯的塌陷，塌陷區(qū)長約6 m、寬約2.5 m，塌陷深度為0.5～0.8 m，可推測其下覆地層存在明顯巖溶特征，應是雨水入滲或向下徑流的主要通道。從地表調查情況來看，掉塊斷面上覆地表處于兩山之間溝谷地帶，兩側坡角較陡，且地表出現(xiàn)了明顯的巖溶塌陷，側面印證了地層發(fā)育的巖溶特征。

圖5 地表現(xiàn)場踏勘情況

2.3 襯砌背后巖溶特征探測

為探明掉塊段落地層巖溶特征分布，檢測單位在ZK140+327～+407段采用淺層地震儀進行了物探檢測，采用美國GEODE24地震采集系統(tǒng)記錄、SQJ17-100 Hz檢波器接收。測試中共布置7條測線(截面測點分布見圖6(a))，具體檢測結果見圖6(b)。

結合具體檢測結果可得： 1)各測線下物探異常區(qū)域共計27處，縱向分布長度為35～45 m，且在隧道底部、邊墻、拱部均有密集分布； 2)物探異常區(qū)主要位于襯砌外2.0～6.0 m的深度范圍，異常區(qū)高度在1.1～ 3.0 m，最大縱向長度約17 m，異常區(qū)與隧道結構相距較近，一旦飽水時易對結構產(chǎn)生明顯影響； 3)巖溶發(fā)育區(qū)的平面分布存在明顯的斜向特征，巖溶區(qū)方位大致與地表溝谷軸線一致，即地表溝谷下方地層具有較突出的巖溶特征。綜上可知，掉塊斷面及臨近區(qū)段巖溶特征發(fā)育明顯，應是隧道地層雨后富水的主要原因。

(a) 測點分布圖

(b) 測試結果

2.4 地下水連通試驗分析

作為研究地下水流動特性的常規(guī)方法之一，水連通試驗廣泛應用于隧道、巖土、地質等領域。為進一步探明雨水與隧道涌水之間的連通特性，現(xiàn)場以掉塊區(qū)段為研究對象開展地下水連通試驗。根據(jù)地表踏勘情況，試驗選取熒光增白劑作為示蹤試劑，將巖溶塌陷口作為投放點，左線隧道出口的兩側排水溝作為接收點。試驗時間為2018年6月21日(中雨)，測試結果如圖7所示。

由圖7可知： 1)試劑投放后約2 h便被檢測到，考慮檢測時間間隔、隧道排水流至洞口耗時等因素，實際影響時間應少于2 h，這表明地表塌陷處與隧道之間存在較強的水連通性； 2)從試劑質量濃度來看，試劑投放前期高山側的水溝元素質量濃度明顯高于低山側，而后逐步降至相近水平； 3)試驗結果顯示，地表降雨形成的地層涌水對隧道高山側的影響大于低山側，這應是結構掉塊出現(xiàn)于高山側的原因之一。

3 考慮真實地貌的隧道水害三維仿真分析

由于大寶山隧道地形條件復雜、左右線地貌差異明顯，為真實模擬雨后高水壓下隧道結構裂損病害，本文采用“無人機航飛+地層與隧道三維建模+FLAC3D滲流計算[16]”聯(lián)合方法進行仿真分析。

3.1 基于無人機航飛的三維仿真模型構建

基于無人機航飛的三維仿真建模流程如圖8所示。1)對大寶山全隧及兩側5～10倍洞徑范圍進行無人機航飛拍攝，航飛海拔為650 m，航飛區(qū)域平面尺寸約為700 m×2 200 m。同時，航飛過程還需確保以下2點： ①航線拍攝的相鄰照片具有50%以上的重疊度，以滿足點云處理準確性；②提前布置不少于3個明顯的地表標記點，并測量標記點高程及位置信息，以便于點云模型坐標校準。2)航飛采集照片后，利用SFM、SGM算法依次形成航拍區(qū)域的三維稀疏點云、三維密集點云，再借助PhotoScan軟件進行地表曲面三維重建與坐標標定，最終形成地表曲面模型,如圖9(a)所示。3)使用Rhino軟件截取所需建模區(qū)域地表模型，并經(jīng)拉升、裁剪、布爾運算等處理形成三維實體模型；根據(jù)結構設計資料、地質勘察成果，構建隧道結構模型，劃分地層主要地質區(qū)域，最終生成三維網(wǎng)格模型，如圖9(b)、(c)所示。4)經(jīng)數(shù)據(jù)格式轉化，將三維網(wǎng)格導入FLAC3D數(shù)值計算平臺實現(xiàn)仿真模擬。

同時，滲流計算中遵循如下假定： 1)地下水排泄?jié)M足Darcy定律； 2)圍巖為均質、各向同性材料； 3)隧道通過襯砌與隧底排水管排水，環(huán)向盲管的排水特性通過增大二次襯砌滲透性的方式模擬。模型力學邊界條件為四周水平約束、底面固定約束。滲流邊界條件為： 根據(jù)不同工況，設置對應地下水面高度，再固定底部、四周孔壓，使得邊界能與外界發(fā)生液體交換； 固定隧底排水管內壁、隧底結構內壁的孔壓為0。模型全部單元均采用實體單元進行模擬，其中，地層圍巖、集水溝碎石滿足摩爾-庫侖屈服準則，隧道結構單元均服從線彈性模型。

圖8 基于無人機航飛的三維仿真建模流程

(a) 三維重建實景地表平面圖

(b) 三維仿真模型網(wǎng)格

(c) 隧道結構網(wǎng)格

3.2 材料參數(shù)與工況設置

3.2.1 材料參數(shù)

依據(jù)地勘資料，計算模型范圍內主要以灰?guī)r為主，但是現(xiàn)場物探與水連通試驗均顯示溝谷地帶下覆地層存在明顯異于其他區(qū)段的巖溶特征。因此，參考類似研究[17]，在數(shù)值計算中通過提高地層滲透性的方式對溝谷地帶地層強透水性進行等效處理，而對溶洞規(guī)模、位置不做細化體現(xiàn)。常規(guī)區(qū)段圍巖參數(shù)依據(jù)地勘資料與工程經(jīng)驗取值，溝谷地帶強透水地層圍巖參數(shù)參考文獻[8]取值；支護結構的力學參數(shù)依據(jù)“等效剛度法”[18]獲得，支護結構內排水管的排導作用采用“以管代孔”方法[19-20]等效提升滲透性來模擬。其中，排水管具體參數(shù)為： 環(huán)向、縱向、橫向盲管均為φ60圓管，環(huán)向、橫向盲管布設間距分別為10、20 m。模型計算參數(shù)見表1。

表1 模型計算參數(shù)

3.2.2 工況設置

考慮強降雨下巖溶地層存在地下水位驟增的現(xiàn)象(強降雨后實測地層水位上升達50 m以上[21])，結合后續(xù)計算結果，設定本計算中因強降雨引發(fā)的地層水位最大上升量(相對隧道而言)為60 m。

具體工況設置如下(見圖10)： 工況1，常態(tài)水位工況；工況2，雨后巖溶區(qū)最大地下水位上升30 m；工況3，雨后巖溶區(qū)最大地下水位上升45 m；工況4，雨后巖溶區(qū)最大地下水位上升60 m。

需要說明的是： 1)考慮隧道排水狀態(tài)，常態(tài)水位設置于拱頂平面； 2)雨后地下水位上升以地表面形態(tài)為基準，左右線水位將存有差異。

圖10 地下水位設置示意圖

3.3 隧道外水壓力特征分析

提取各工況下典型斷面的襯砌外水壓力分布，如圖11所示。根據(jù)地下水位面設置，左線典型斷面取最大外水壓斷面(ZK140+366)，右線典型斷面為ZK140+420。由圖可知：

1)隨地下水位的上升，各部位結構外水壓力均有一定程度的增加，但隧道左右線、單線左右側的增長規(guī)律存在差異性。以拱腰部位為例，從工況1至工況4，左線左拱部峰值水壓從26 kPa增至448 kPa，增量為422 kPa，而左線右拱部、右線左拱部、右線右拱部的增量分別為336、260、106 kPa。分析上述現(xiàn)象，應與受地形主導(地表地形左高右低，見圖10)的地下水位面有關。

2)在排水系統(tǒng)降壓效應與地下水位分布形態(tài)共同影響下，水位上升時結構外水壓力峰值一直位于左線左拱腰與邊墻過渡區(qū)，即該部位是受地下水變動影響最為顯著的結構位置。結合現(xiàn)場破壞特征與水連通試驗來看，地表降雨時左線高山側的水連通性更強、結構響應更為突出，因此，可認為本仿真模型分析結果與現(xiàn)場情況吻合較好，亦驗證了其正確性。

(a) 左線隧道

(b) 右線隧道

3.4 襯砌結構安全性評價及破損機制分析

3.4.1 襯砌受力特征與結構安全性評價

提取典型工況下襯砌結構應力，如圖12和圖13所示。由于數(shù)值結果表現(xiàn)為壓應力超限，故在圖13中僅展示結構應力分布。由圖可知： 1)受地形影響(左高右低)，工況1中左線隧道襯砌結構應力均高于右線，而高山側結構應力高于低山側； 2)工況1中襯砌結構最大拉應力為0.69 MPa，位于左線拱頂位置，最大壓應力為9.87 MPa，位于左線高山側拱腳位置，但上述應力均低于規(guī)范限值； 3)工況4中巖溶區(qū)范圍內，左線隧道拱部以下結構壓應力出現(xiàn)了明顯增長，最大壓應力增至21.52 MPa(已超過規(guī)范[22]中C25混凝土極限強度19.0 MPa)，且該峰值主要分布于ZK140+360～+375段的拱腰與邊墻過渡部位，這與現(xiàn)場開裂位置吻合較好； 4)工況4中右線拱墻部位亦出現(xiàn)了一定的應力增長，最大壓應力從工況1的7.23 MPa增至15.86 MPa，但因初始應力水平較低、水位抬升量相對較小，結構應力并未超過限值。

為進一步展示結構受力狀態(tài)，提取ZK140+365斷面的內力與安全系數(shù)信息，如圖14所示。由圖可知： 1)常態(tài)水位工況下，即工況1，襯砌結構最小安全系數(shù)為6.9，位于高山側拱腳，不僅滿足規(guī)范[22]中“抗壓安全系數(shù)不小于2.0”的限值要求，而且具有一定富余量； 2)隨著地下水位上升，襯砌結構彎矩、軸力均有所增長，其中，彎矩增長集中于拱頂、拱腰位置但總體增量不大，至工況4時最大增量為56.2 kN·m，而襯砌軸力的增長更為顯著(尤其是拱腳與邊墻部位)，最大軸力增長量達2 320 kN，位于高山側邊墻處； 3)隨地下水位上升，襯砌安全系數(shù)明顯降低，至工況4時高山側拱腳、邊墻處的安全系數(shù)已低于規(guī)范限值，其最小值為1.67，而低山側邊墻處的安全系數(shù)(最小值為2.12)亦已接近限值。因此，考慮現(xiàn)場其他不利因素，在最大地下水位上升60 m時，左線隧道高山側拱墻位置存在較高的壓潰風險，同時上述結果與現(xiàn)場破壞特征具有較高的一致性。

(a) 襯砌拉應力

(b) 襯砌壓應力

(a) 剖面示意圖 (b) 襯砌結構壓應力剖面圖

3.4.2 襯砌結構破損機制分析

根據(jù)3.4.1節(jié)數(shù)值計算結果，可基本歸納案例隧道水害機制： 1)由于巖溶發(fā)育段的水連通特性，地表強降雨后地層水位出現(xiàn)了一定抬升，而具體作用于隧道時還會受地形地貌影響存在差異性； 2)在“左高右低”地形特征下，左線隧道初始應力水平高于右線，且在地下水位抬升后承受著更大的水壓力作用，導致結構受力惡化，尤其在拱墻部位出現(xiàn)了襯砌軸力的顯著增長； 3)至最大地下水位上升60 m時，左線隧道高山側拱墻部位出現(xiàn)了結構壓應力超限、安全系數(shù)低于規(guī)范值的情況，最終引發(fā)了現(xiàn)場的襯砌混凝土壓潰破壞。

基于上述病害原因分析，針對隧道整治設計可形成如下建議： 1)地表強降雨是地下水的主要來源，應盡可能地減少雨水的匯集、下滲并提升地表疏水能力； 2)針對富水段落圍巖進行注漿，降低地層水與隧道間的水力聯(lián)系； 3)完善隧道防排水系統(tǒng)并定期清淤，確保強降雨時隧道排導能力與排水通暢。

為此，依托該工程制定了如下處治措施： 1)封堵地表巖溶塌陷處，修建地表排水溝渠用于降雨時引排地表水； 2)針對巖溶塌陷點臨近區(qū)域進行淺層溶洞注漿，針對襯砌破損臨近區(qū)段開展圍巖注漿，以此降低地層水流動速度、減小地層水對隧道結構的影響； 3)新設邊墻降壓孔和仰拱處的井點降水管，提升隧道排水能力，且定期清理隧道內排水通道，謹防淤堵。

(a) 彎矩分布圖(單位： kN·m)

(b) 軸力分布圖(單位： MN)

(c) 襯砌安全系數(shù)分布圖

4 結論與討論

1)依托京港澳高速大寶山隧道水害案例，通過結構檢測、地質勘探與水連通試驗等多重手段，探明了病害段地層巖溶發(fā)育特征，揭示了“地表降雨與隧道涌水”之間的水連通特性。探測結果顯示，地層巖溶發(fā)育可為雨水向下徑流提供良好的水利通道，而由此引發(fā)的強降雨作用下地層水位抬升與結構水壓驟增是導致結構壓潰的直接原因。

2)基于“無人機航飛+三維地質建?！甭?lián)合技術，構建了考慮地形地貌、隧道結構與地質信息的精細化三維仿真模型，探究了強降雨下地層水位驟升時隧道結構應力-應變響應，真實模擬了現(xiàn)場水害的演化過程，有力驗證了模擬方法的可行性。同時，該模擬方法的提出對于創(chuàng)新水害分析手段、完善病害研究體系具有現(xiàn)實意義。

3)通過FLAC3D軟件分析了強降雨下地層水位驟升時隧道結構的外水壓力特征與結構受力狀態(tài)，結果表明： 受地形地貌影響，左右線隧道初始應力狀態(tài)已具有差異性，高山側結構應力均高于低山側；隨地下水位抬升，外水壓力呈現(xiàn)不對稱式增長，結構受力持續(xù)惡化，尤其在左線隧道高山側拱墻處，襯砌軸力的顯著增長還引發(fā)了結構壓應力超限、安全系數(shù)低于限值的風險；考慮仿真結果與現(xiàn)場病害特征、病害位置吻合良好，推測該隧道水害時地層水位抬升應達60 m。

4)由于本文三維仿真重點關注地表地形狀態(tài)，而未考慮地層溶洞的細化特征，故如何結合現(xiàn)場多種探測手段進一步明確溶洞位置、規(guī)模，進而探究巖溶特征對隧道水害演化機制的影響，形成更具有針對性、實用性的水害防治措施是后續(xù)研究的主要方向。