在役隧道突水突泥病害成因分析及处治对策

刘燕鹏，蔺虎平，孙海东，缑 婷

(1. 中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2. 陕西省交通建设集团公司蓝商分公司，陕西 蓝田 710050)

0 引 言

中国岩溶区主要分布在以云、贵、桂为主体，包括川、鄂、湘部分地区在内的约5.0×105km2范围内[1]。虽然岩溶区隧道选址多在岩溶安全带[2]，但受气象、水文、地质条件等因素的影响，岩溶区修建的隧道在施工和运营期普遍存在突水、突泥和塌方等灾害。文献[3]统计表明，仅21世纪前10年，在中国交通、水电领域隧道建设过程发生的重大地质灾害中，突水、突泥及其引发的灾害占77.3%，造成了严重的人员和经济损失，也产生了强烈的社会影响。

目前对于隧道突水突泥病害的研究，从研究内容来看，主要集中在致灾机理[4-7]、灾害形成过程[8-9]、灾害评估预测[10-15]和灾害处治措施[16-18]等几方面；从研究对象来看，主要针对新建隧道突水突泥病害，对在役隧道突水突泥病害鲜有研究。

新建隧道突水突泥病害主要是由于岩溶区地层结构内部裂隙、溶腔、管道及暗河等蓄水构造或导水通道随着临空面的增加或受施工扰动而揭露和连通，导致大量的地下水、充填物涌入隧道，而在役隧道突水突泥病害大多与地面强降雨有关。本文依托西南地区某隧道突水突泥病害处治工程，结合现有研究成果，从从地质构造、病害特征及类型角度对隧道病害成因进行分析，并据此提出“以排为主”的处治对策，研究成果可为岩溶区新建隧道设计及在役隧道类似病害处治提供参考依据。

1 工程概况

1.1 灾害介绍

2017年6月24日前后，西南地区某运营隧道遭遇特大暴雨，2 h内的极端降雨量达到313 mm，导致该隧道出现严重的渗漏水病害和突水突泥病害，计算涌水量约为33 022 m3·d-1，现场病害情况如图1、2及表1所示。

图1 拱脚涌水

图2 溶洞位置突涌水

表1 隧道突水突泥情况

1.2 地质概况

隧址区的主体构造为大尧寨向斜，该隧道横穿大尧寨向斜西翼，岩层均为单斜地层，产状：95° ～115°∠52° ～55° ，主要表现为节理裂隙发育。向斜

核部地层由三叠系永宁组(T1yn)灰岩、白云质灰岩组成，两翼由二叠系(P3c-P1q)夹钙质页岩、黏土岩的中厚、厚层状灰岩组成。该向斜核部平缓开阔，地貌上呈向斜谷地，形成盆状蓄水构造。大气降水为地下水的主要来源。风化裂隙、张开～微张的节理为地下水渗入径流的通道，泉水为地下水的主要排泄方式。

1.3 隧道结构

该隧道突水突泥病害段为Ⅲ级围岩，对应衬砌类型为S-Ⅲa型衬砌。该型衬砌未设仰拱，初期支护采用10 cm厚C20喷射混凝土，二衬采用35 cm厚C25素混凝土，二衬混凝土抗渗标号不低于S6，衬砌断面如图3所示。

图3 S-Ⅲa衬砌断面

2 病害原因分析

根据对隧道岩溶发育状况的调查，隧址区分布6组灰岩地层，各组地层中均夹有属隔水层的泥岩类地层，可溶岩与非可溶岩相间分布，具备发育岩溶的地层条件，在整体类别上属于岩溶类。以下分别从地质构造、病害特征及类型的角度对隧道突水突泥病害成因进行分析。

2.1 地质构造分析

2.1.1 溶蚀槽谷与裂隙

隧址区在地质构造上处于雪峰古陆稳定地台西缘，在区域上位于黔北台隆遵义断拱的凤岗北北东向构造变形带，形成于燕山期，由大致平行排列的褶皱和高角度压性断裂组成，为“多”字形排列的扭动构造形式，主要表现为断裂构造、褶皱构造和节理裂隙。

隧址区山脊地形较平缓，岩溶形态以溶蚀槽谷为主(图4)，在斜坡地段岩溶形态以溶蚀裂隙及零星分布的落水洞为主，大气降水主要以坡面流或汇入冲沟后形成径流为主，汇入岩溶洼地，直接注入落水洞补给地下水(图5)。

图4 地表溶槽

图5 落水洞

2.1.2 岩溶管道与地下暗河

隧址区山脊段附近岩溶洼地呈串珠状分布，基本每个岩溶洼地都有落水洞，通过实地踏勘走访及地质雷达检测，推测隧道右洞915～920 m(距进口)段路面下方存在岩溶管道。据隧道养护人员介绍，2014年7月24日，在暴雨停止7 d后(期间没有下雨)，隧道涌水量又突然增大且浑浊，推测隧址区存在地下暗河，可能在发生虹吸现象后导致隧道涌水量突然增大。

2.2 病害特征及类型

根据调查结果，本次隧道涌水量表现为降雨2 h后明显增大，雨停后明显减小的特点，隧道涌水的发生时间、流量变化与大气降水的时效性明显。从涌水水质情况来看，涌水同时伴有泥沙，考虑到隧址区地表溪沟不发育，推断泥沙来源可能为地表径流、溶腔附近的泥岩、地下暗河等。

结合隧道灾害特征及岩溶调查结果，并结合地质构造分析情况，该运营隧道突水突泥病害类型为溶洞溶腔型[19]。地表溶蚀槽谷、落水洞等对隧道突水灾害的影响最为显著，岩溶管道和地下暗河在一定程度上促进了灾害的发生，溶蚀裂隙对灾害的作用较小。

3 衬砌背后水压力计算

3.1 衬砌外水压力计算

3.1.1 理论折减计算

根据《水工建筑物荷载设计规范》(SL 744—2016)，作用在衬砌结构外表面的外水压强可根据排水效果、排水设施的可靠性进行折减。

Pe=βeγwHe

(1)

式中：Pe为作用在衬砌结构外表面的外水压强(kPa)；βe为外水压力折减系数，βe=0～1；He为地下水位线至隧道中心的作用水头(m)。

本文以He=149.53 m，按《隧道岩溶涌水专家评判系统》给出βe=0.5，计算得出涌水点处外水压力为74.76 m水柱，即0.73 MPa。

3.1.2 排水系统正常计算

北京交通大学朱海涛在排水系统正常的情况下，对应He=203 m情况下，分别采用理论折减(0.85 MPa)、数值模拟(0.33 MPa)和现场监测(0.08 MPa)3种方法对齐岳山隧道衬砌背后水压力进行计算。可以看到，理论折减结果约为现场监测结果的10倍。因此，假设本项目实际衬砌水压力仍为理论折减的1/10，则取正常排水情况下Pe=0.073 MPa。

3.1.3 排水系统失效计算

重庆大学王森[20]通过现场堵水来模拟排水系统失效，并测试衬砌外水压力值，实际监测表明：衬砌所受水压力与排水系统失效的长度有关，排水失效长度越长，衬砌所受水压力越大。

根据现场勘查情况，本次排水系统存在严重的淤积、堵塞现象(图6)。根据渝怀线和宜万线多个岩溶隧道水压力测试结果来看，岩溶隧道水压力最大折减系数为0.02，最小折减系数为0.86。按最不利情况进行考虑，βe=0.86，则排水系统失效情况下，估算Pe=1.26 MPa。

图6 中心排水沟淤积、堵塞

此外，申志军[21]通过对马鹿箐岩溶隧道PDK255+978处掌子面水压进行测试，得出He=148 m时，泄水前掌子面水压力为1.2 MPa，与本文在He=149.53 m条件下，估算的Pe=1.26 MPa基本相符。

3.2 计算模型及工况

在不考虑水压力、排水系统正常和排水系统失效3种工况下，采用ANSYS软件计算隧道衬砌背后荷载对衬砌结构的影响。计算模型单元分布如图7所示。

3.2.1 隧道围岩压力计算

在不考虑水压力的情况下，根据《公路隧道设计规范》(JTG 3370.1—2018)，隧道的最大开挖宽度Bt=12.1 m，宽度影响系数ω=1+i×(Bt-5)=1.71。

围岩垂直均布压力q=0.45×2(s-1)×γω=78.489(kN·m-2)；围岩水平压力e=0.13×q=9.684(kN·m-2)。隧道荷载计算结果见表2。

表2 隧道荷载计算

3.2.2 衬砌结构计算

从现场情况来看，隧道突涌水之后，路面、检修道、墙脚无明显病害。鉴于此，认为隧道背后水压力增大未造成拱脚出现位移。

图7 计算模型单元分布

(1)不考虑水压力计算。计算结果表明，整个衬砌截面受压，最大受力发生在拱脚处，最大值为499.0 kN；最小值发生在拱顶、拱腰处，为236.9 kN。弯矩在拱腰处达到最大值，两侧拱脚内侧受拉，最大弯矩为70.6 kN·m。如表3所示，结构单元最小安全系数为2.91，位于拱顶；最大安全系数为26.56，位于拱腰。

(2)排水系统正常计算。计算结果表明，整个衬砌截面受压，最大受力发生在拱脚处，最大值为809.1 kN；最小值发生在拱顶、拱腰处，为516.8 kN。弯矩在拱腰处达到最大值，两侧拱脚内侧受拉，最大弯矩为113.4 kN·m。结构单元最小安全系数为2.10，位于拱顶；最大安全系数为14.79，位于拱腰。

表3 安全系数计算

(3)排水系统失效计算。计算结果表明，整个衬砌截面受压，最大受力位置在拱脚处，最大值为585 kN；最小受力位置在拱顶、拱腰处，受力值为507 kN。弯矩在拱腰处达到最大值，两侧拱脚内侧受拉，最大弯矩为810.4 kN·m。结构单元最小安全系数为0.38，位于拱顶；最大安全系数为1.80，位于拱腰。

对比图8中3种工况下的安全系数分布曲线，可以看到以下几点。

图8 隧道安全系数分布

(1)在排水系统正常的情况下，衬砌结构安全系数比不考虑水压力时有所降低，但最小安全系数相差不大，衬砌结构安全系数满足设计要求。

(2)在排水系统失效的情况下，衬砌结构安全系数明显降低，整个断面安全系数相差不大，且均不满足规范对安全系数的要求，也与该隧道二次衬砌在雨季暴雨情况下953 m处右侧边墙混凝土严重开裂病害相佐证(图9)。

(3)3种计算工况下，拱顶安全系数均最小。

图9 953 m处衬砌严重开裂

4 处治措施

衬砌背后水压力计算结果表明，隧道排水系统失效将会导致衬砌结构出现严重的安全隐患，故在处治隧道突水突泥病害时，关键是确保排水系统顺畅，处治对策应“以排为主”，从提高排水能力、减少泥沙沉淀2个方面进行处治，具体措施为加密横向排水管、扩大中心排水沟和增设沉沙洞。

4.1 加密横向排水管

根据《水工建筑物荷载设计规范》(SL 744—2016)，外水压力折减系数βe与地下室活动状态有关，隧道洞壁越干燥，渗水量越小，外水压力折减系数βe越小。

从现场灾害情况来看，隧道洞内出现长段落突涌水，为了增强排水能力，增加排水通道，减小衬砌外水压力，对隧道横向排水管进行加密(图10)。既有横向排水管纵向间距50 m布置一道，加密后纵向间距25 m布置一道，设置时应避开变形缝、施工缝、预留洞室以及预埋管线。

图10 隧道加密横向排水管

4.2 扩大中心排水沟

由于灾害发生段落不仅突水，还伴有突泥现象，中心排水沟内出现严重的淤积、堵塞现象，通过扩大中心排水沟断面可以增大中心沟的过水面积，增强隧道的排水能力。扩大中心沟采用整体式箱涵式设计，中心沟矩形断面尺寸为120 cm×100 cm。

根据《公路排水设计规范》(JTG/T D33—2012)，计算扩大后中心排水沟的流速为3.2 m·s-1，设计流量为31.91×104m3·d-1，大于本次隧道的涌水量(3.302×104m3·d-1)。中心排水沟扩大后，洞口中心排水沟照片见图11，对比图6可以看到隧道中心沟排水能力显著提高。

图11 扩大隧道中心排水沟后的排水

4.3 增设沉沙洞

针对隧道地下水中携带大量泥沙的问题，可以在主洞行车方向右侧设置沉沙洞(图12)。综合考虑流量、施工、后期营运等条件，沉沙洞断面确定为2.5 m×6.6 m(宽×高)。

图12 沉沙洞结构设计

沉沙洞平面位置位于上行线行车方向右侧，垂直于主洞。衬砌采用30 cm厚C30钢筋混凝土，在沉沙洞洞壁设置Φ16 mm钢筋蹬梯，方便后期检修和清淤；在沉沙洞拱部，每环设置9个Φ100 mm的泄水孔，孔深5 m，一般纵向间距为2 m，衬砌背后涌水量大时，可适当加密。

图13 沉沙洞设置断面

5 结 语

受地面强降雨影响，地下溶蚀裂隙、溶洞溶腔与暗河管道等通道在得到地表水补给后，为隧道洞内突涌水持续提供地下水源，从而引发隧道突水突泥病害。本文以西南地区某隧道受特大暴雨影响引发的突水突泥病害为例，重点从地质构造角度对突水突泥病害进行分析，据此提出了“以排为主”的处治对策，并得出以下结论。

(1)该隧道突水突泥病害为溶洞溶腔型，地表溶蚀槽谷、落水洞等影响最大，岩溶管道和地下暗河次之，溶蚀裂隙影响最小。

(2)在排水系统失效的情况下，隧道衬砌结构安全系数显著降低，且整个断面安全系数相差不大，但均不满足规范对安全系数的要求。

(3)建议处治在役岩溶隧道突水突泥病害时以排为主，可采取加密横向排水管、扩大中心排水沟、增设沉沙洞等措施。