合福铁路楼村隧道渗漏水成因分析及防治技术

李纵，刘鹏飞

合福铁路楼村隧道渗漏水成因分析及防治技术

李纵，刘鹏飞

（中交一航局第三工程有限公司，辽宁大连116083）

隧道渗漏水会严重影响隧道的正常施工以及安全运营。文章分析了当前隧道渗漏水现状，结合楼村隧道的工程地质情况，采用层次分析法对楼村隧道渗漏水产生的各影响因素进行了计算分析，结果显示主要因素为隧道防排水施工设计以及当地年降雨量，并总结了相应的防治技术。

隧道；渗漏水；层次分析法；防治技术

0　引言

截止上世纪末，我国铁路隧道总长达4 000 km，且以每年200余km的速度逐年递增。当前我国高速铁路修建速度日渐加快，新修隧道不断增多，与此同时，随着隧道技术的不断发展，在水利水电、矿山建设、核废料地下处理等地下工程中也建成了越来越多的隧道。

隧道的开挖，必然伴有原始地应力的重新分布，因此常常伴随诸多岩土工程问题，其中渗漏水问题最为突出。

隧道开挖破坏了原始应力状态，岩体产生卸荷回弹和应力重分布等现象，赋存在岩体中的水已经不能完全被岩体中“通道”所约束，具有高势能的水会逐步深入岩体已有或新产生的裂隙，并有促使裂隙扩张的效力，进而产生渗漏水现象。对此，国内外众多相关工作者开展了大量探索研究。周程，蒋中明等针对高压水工隧道中水的渗透性，利用Flac3D数值模拟软件模拟了高压水工隧道的渗流场和应力场，并结合工程实践予以验证，具有一定的工程指导意义[1]；潘海泽，黄涛等在进行隧道渗漏水灾害分级研究时采用了距离判别分析法，并结合国内圆梁山隧道和西奇一号隧道展开分析论述，探索了渗漏水灾害分级的方法和手段，具有较高的指导意义[2]；钭逢光，范忠勇，刘迎会，魏连峰等也对隧道渗漏水展开了详细的分析，并结合相关工程实践提出了相应的治理措施[3-6]。

不同的工程具有不同的工程实地条件，因此前人的研究成果只能予以借鉴，只有立足于特定的工程实践背景，才能准确地分析工程实际问题，并提出符合实际情况的治理措施。

本文结合已竣工通车的京福高铁合福段楼村隧道，综合分析其渗漏水成因，并总结相应治理措施。

1　当前隧道渗漏水原因

隧道渗漏水产生原因大致可分为两方面：客观上，为隧道所处工程地质条件。工程所处地质状况及水文状况复杂，施工前难以准确探测地下水体赋存状况，隧道开挖致使其原始地应力状态破坏，导致产生地应力重新分布。同时，工程导致水体在地应力作用下的流态发生变化，易向隧道自由面汇集流动，造成隧道渗漏水。主观上，施工过程中的人为因素，主要包括选线不当，施工不规范，管理不健全，设计不合理，后期维护不到位等原因。具体表现为：

1）隧道砌筑混凝土出现裂缝，主要包括有环境温度变化，混凝土收缩，隧道地基变形，锚固钢筋锈蚀等。

2）地下水流动状态发生变化，即地下水渗流场的变化。隧道开挖导致原始地应力发生变化，应力重新分布，开挖面作为应力释放面，致使地下水向隧道方向集中。同时，隧道周边围岩产生变形并伴随有裂隙的产生，为地下水流向隧道提供了路径。

3）施工过程中，未有效处理施工缝以及变形缝，防水工具和材料安置不合理。

2　楼村隧道工程概况

合福铁路闽赣段Ⅱ标楼村隧道设计为双线隧道，隧道所处区域地下水较为发育。隧道大部分处于奥陶系下统印诸埠钙质页岩，青灰色，岩质较软，地下基岩裂隙水不发育。该工程自2010年8月开工，至2011年8月因业主资金不到位暂时停工，截至停工时隧道进口完成开挖支护750 m，衬砌完成640 m，出口完成开挖支护720m，衬砌完成528 m。停工以后发现已施工完成的二衬有局部渗漏水现象。

3　楼村隧道渗漏水原因

1）水文地质条件复杂：楼村隧道所处位置水文地质条件较复杂，地下水丰富，与此同时，该隧道地下水中含有大量的矿物质（大多为钙质），长期积累下来的矿物质造成排水管、盲管堵塞等现象，从而导致排水系统无法正常运行，出现多处积水。

2）施工方面的原因：隧道施工质量差，在二次衬砌过程中，混凝土振捣不密实，致使对施工缝、变形缝的处置不到位，不规范。防水层敷设不规范，隧道中止水带和止水条与混凝土没有有效地结合在一起；防水板尺寸不达标，长度不合理，没有有效搭接。

3）防排水设计不甚合理，防排水施工管理体系不完善。同时，该隧道还未进行回填注浆，回填注浆可以弥补衬砌混凝土施工中产生的缺陷，在一定程度上能防止渗漏水的发生。

4　影响因素层次分析

根据问题的属性以及所要分析的最终目的，采用层次分析法对各制约因素进行权重分析。首先，在分析各制约因素之间相互制约关系以及隶属关系的基础上，将各因素分层组合，得到关于最终研究问题的分析结构模型。其次，根据分析得到末层因素对于顶层问题的影响权重值，并按序排列。最后，根据各因素排列顺序对研究问题进行总结评价[7]。

4.1层次分析模型建立

权衡渗漏水的各影响因素，将楼村隧道渗漏水问题划分为三个层次。

首层，分析目标层，即楼村隧道渗漏水问题，表示为A。第二层为制约层，即诱发楼村隧道产生渗漏水的原因因素，主要包括楼村隧道所处自然地质情况，隧道施工，隧道防排水措施三个方面，分别表示为B1，B2，B3，该三个因素共同构成楼村隧道渗漏水诱因因素集，B={B1 B2 B3}。第三层为子制约层，即诱发制约层问题产生的原因因素。其中，隧道所处自然地质情况主要包括工程地质情况，年降雨量，地表水赋存情况三项指标，分别表示为C1，C2，C3；隧道施工主要包括初期支护，衬砌施工，三缝处理施工三项指标，分别表示为C4，C5，C6；隧道防排水措施主要包括防排水施工设计，防排水材料选择，防排水混凝土质量三项指标，分别表示为C7，C8，C9。

根据上述9个因素，得到楼村隧道渗漏水诱因因素集C，C={C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9}，由此构建楼村隧道渗漏水诱因因素层次分析模型，如图1。

图1　楼村隧道渗漏水层次分析模型Fig.1 AHP analysis model of Loucun tunnel water leakage

4.2构造判断矩阵

根据图1所示的层次分析结构模型，基于各层之间的隶属关系，构建各判断矩阵，以衡量下一层影响因素对上一层制约因素的权重。判断矩阵是用来比较本层各因素对上层某一相同因素的影响，根据表1给出其元素值aij。

表1　判断矩阵元素Satty标度法Table1 Satty scalemethod formatrix element judgment

根据上述理论可构建出目标因素A的总判断矩阵：

子制约层对制约层因素判断矩阵：

利用数值计算分析软件Matlab软件中的eig函数，可对各判断矩阵的特征值与特征向量进行快速求解，得矩阵A最大特征值λmax=3.003 7，对应特征向量为W=[0.928 1 0.328 8 0.174 7]T。

同理，可得各制约层判断矩阵最大特征值及特征向量。

B1最大特征值λmax=3.099 9，对应特征向量为W1=[0.085 7 0.822 0 0.563 1]T；

B2最大特征值λmax=3.012 6，对应特征向量为W2=[0.118 3 0.661 8 0.740 3]T；

B3最大特征值λmax=3.012 6，对应特征向量为W3=[0.972 4 0.155 4 0.173 9]T。

将各判断矩阵对应的特征向量归一化处理，得各权重特征向量：

W1′=[0.648 3 0.229 7 0.122 0]T；

W1′=[0.058 3 0.558 9 0.382 9]T；

W2′=[0.077 8 0.435 3 0.486 9]T；

W3′=[0.747 0 0.119 4 0.133 6]T。

4.3层次单排序及一致性检验

计算一致性指标

式中：n 为矩阵阶数，本文为n = 3。

总判断矩阵A的一致性检验，根据计算公式

式中：RI为平均随机一致性指标，本文矩阵阶数n=3，取RI=0.52。

经计算，总判断矩阵A的一致性指标CR值为0.004<0.1，其一致性可被接受。

总判断矩阵具有符合要求的一致性条件，即可对判断矩阵B1，B2，B3进行一致性检验。根据上述计算方法，得B1，B2，B3判断矩阵一致性指标值分别为0.002，0.054，0.086。由此可知，各

式中：n为矩阵阶数，本文为n=3。

总判断矩阵A的一致性检验，根据计算公式判断矩阵的CR值均小于0.1，矩阵的一致性均可被接受。

4.4层次总排序及一致性检验

层次总排序是指根据相对重要性程度，针对总目标，将所有影响因素进行权重值排序。具体方法如下：

式中：CIj，RIj分别为制约层有关因素对目标层因素进行层次单排序时，根据计算所得的一致性指标和随机一致性指标；aj为目标层的层次总排序权重值，m=3。

根据公式（2），计算得CR=0.018 9<0.1，即其不一致性程度在允许范围内。

综上，该层次分析模型通过一致性检验。

4.5楼村隧道渗漏水各层次影响因素权重值排序

将影响因素权重值进行归一化处理计算，得最终权重值排序如表2。

表2　楼村隧道渗漏水影响因素Table 2 Influence factors of Loucun tunnel water leakage

由表2可以看到，防排水施工设计和当地年降雨量对楼村隧道渗漏水影响程度最高。由于防排水工程设计不合理，在进行隧道开挖时，未能有效避开地下含水裂隙，导致后期排水工程难度加大。同时，当地降雨较为集中，雨季项目施工时防排水措施不到位也直接导致了隧道渗漏水现象的发生。

5　楼村隧道渗漏水的处理方法

根据楼村隧道渗漏水影响因素层次分析计算结果，对隧道施工的防排水设计方案进行了优化设计，同时对已发生的渗漏水问题进行及时有效处理。

5.1防排水设计方案优化

1）在二次衬砌时采用防水混凝土，有效克服了普通混凝土的渗漏水问题。

2）针对楼村隧道的纵、环向施工缝合理布置止水带、止水条，使其与混凝土有效结合。

3）优化设计防水板尺寸，规范防水层的敷设施工。

4）创新采用具有止水装置的三通浆液合拢管，使用具有较大凝固体积比以及渗透半径的新型氰凝注浆材料，优化配比方案，更好地达到堵漏效果。

5.2较大规模渗漏水的应对措施

较大规模渗漏水主要有以下几种情况：二次衬砌质量低，施工后混凝土表面出现潮湿，局部出现渗水。

主要原因：工程所处地质情况复杂，地下水赋存量大，隧道开挖导致水压增大。

处理的方法：隧道开挖后的围岩表面由于应力重新分布易产生裂隙，采取喷注水泥砂浆、水泥玻璃浆等措施进行有效封堵。同时，在围岩表面埋设纵向和横向排水管，将汇集的隧道承压水引致排水沟，排到隧道外，以达堵水排水的目的。

5.3小规模渗漏水的应对措施

隧道开挖后的围岩表面由于二次衬砌中混凝土密实效果不佳，易出现混凝土蜂窝现象，局部会产生点漏和线漏现象。

处理方法：首先对衬砌后的围岩表面进行彻查，掌握点漏及线漏位置，然后采用化学注浆方法逐一进行注浆堵漏。

6　结语

本文分析了当前我国隧道渗漏水的存在状况，并结合楼村隧道实际施工过程中的渗漏水问题，在分析其病因的基础上，利用层次分析法对各影响因素进行了详细的权重分析，得出以下结论以及工程设计施工优化意见。

1）将层次分析法应用到隧道渗漏水分析中，有效判定了各影响因素的权重大小。

2）楼村隧道渗漏水产生的主要原因为防排水设计施工不合理和当地年降雨量偏大。采取优化二次衬砌方案，选用防水混凝土材料，规范防水层敷设施工，使用具有止水装置的注浆管和新型氰凝注浆材料等手段，优化了楼村隧道渗漏水防排设计方案，效果显著。

3）针对楼村隧道已产生的渗漏水问题，分别总结了大范围渗漏水和小范围渗漏水产生的具体原因以及相应的处理措施。

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Causing analysis and prevention technologies for Loucun tunnel water leakage of Hefei-Fujian Railway

LIZong,LIUPeng-fei
（No.3Eng.Co.,Ltd.ofCCCCFirstHarborEngineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning116083,China）

The tunnelwater leakageaffects the tunnel construction and safe operation seriously.Weanalyzed the currentstatus of the tunnelwater leakage.Based on the engineering geology of Loucun tunnel,we analyzed the influence factors causing the water leakage by using AHP.The results shows themain factors causing the problem ofwater leakage are the drainage design and construction of Loucun tunnel and the localannual rainfall,and the corresponding prevention technologiesare summarized. Keywords：tunnel;water leakage;AHP;prevention technology

U455.4

B

2095-7874（2016）04-0062-05

10.7640/zggw js201604016

2015-10-29

李纵（1979—），男，吉林长春市人，硕士，工程师，建筑与土木工程专业。E-mail：lizong791205@126.com