水工隧洞建设中的钢筋混凝土衬砌水压致裂原因及对策

赵忠宇

（广州市泰和混凝土有限公司，广东 广州 510450）

1 工程概况

某一水工隧洞左里程桩数：ZKl3+728~ZKl7+255，右里程桩数：YKl3+726~YKl7+310，隧道底部标高248m~304m，最大埋深约44m，宽10.25m，为深埋超长岩溶隧道，高5.0m，垂直坡度1.6%。隧洞地址处于长江南岸岩溶-溶丘-洼地区，重点布局在400m~700m的喀斯特地貌上。在长江流域基准面与区域内部裂缝的双重作用下，水系发育程度非常高，河谷遭受了严重的切割。水源侵蚀，洼地近半封闭。可溶性和不溶性岩石呈间隙性分布，岩溶水系统的分布和排泄水受基础设施控制和分层控制的影响。隔水顶底板对岩溶发育和岩溶水生成条件有显著影响。

从陶家溪到艾家河，隧道由入口始至出口止，先后经过的岩石主要有8种：①下震旦统莲沱组砂岩；②粉砂岩；③砂质页岩和含砾石砂岩；④南沱组冰碛砾岩；⑤冰碛砾石砂岩；⑥震旦系陡山沱组碳质页岩与泥质页岩混合；⑦含硅结核或硅条白云岩或硅质白云岩；⑧灯影组为灰白色中厚层状含硅块状或白云质灰岩。

另外，灯影组下面是白灰色碎屑物质岩、一般呈薄层状、透镜状、条带状及结核状的硅质白云岩，这种白云岩与黑色碳质页岩交相辉映，掩映其中的是黑色的薄层硅质、沥青微透明灰岩；上端是灰白色白云质灰岩、其内部包括一些破碎的白云岩，燧石内部包括燧石块，与黑色页岩交相辉映。

灯影组是一个中等岩溶含水带，受隔水顶板和底板、区域张性和张性断裂的干涉，岩溶主要沿不溶岩与溶岩接触带和区域张性断裂生长。隧洞经过中间有硅质、沥青灰岩时，显露出高倾角充填岩溶裂缝蓄水结构，出现了隧洞涌水和衬砌压垮断裂病害。

2 高陡倾充填型岩溶裂隙蓄水构造形式与致灾机制

隧道开挖揭露的是隧道施工中常见、却极易被忽视的一种致灾性极强的岩溶蓄水构造形式。对其形态、充填特性、灾害形成的原因等进行全方位研究，能够为详细评估施工风险提供参考，也可为类似工程提供参考。

2.1 高陡倾充填型岩溶裂隙蓄水构造

2.1.1 形态

经隧道开挖可见，高陡充填型岩溶裂隙储层构造达300°，与隧道相交成20°左右的小角度。扩展性好，走线长度超过20m，产状30。由于构造和溶蚀差异，局部产状和倾角变化不大，但整体产量高、陡。这组裂纹是沿局部拉伸裂纹熔化形成的。隧道的可见宽度为20cm~40cm，并向上延伸。隧道内进水动态、充填物性质、洞穴状表面和洞底沉积物根据高角裂缝腐蚀后的裂缝宽度为0.3m~3.0m向上延伸，据推测它会到达并形成一个角度比较高的缝隙溶洞。大面积空腔会被全面填充，顺着界面不断发育的岩溶管道则使储层结构达到了中等渗透率。

2.1.2 充填物性质

许多岩溶裂缝布满碎屑废弃沉淀物。沉淀物在水压与自重应力的影响下，产生伸展及凝结状态。暴露的初始阶段是半坚硬状的，允许使用镐或钢筋等工具进行移动。

2.1.3 致灾机制

高倾角增加岩溶裂缝水储集结构，以大角度裂隙的形式出现，下雨后轻易汇聚在缝隙中，产生高水压。并且，因为增加介质浸透率低，沉淀物活动缓慢，底端容易沉淀，增加介质中一般具有多量黏土颗粒，在自重应力与高水压密实的影响下，增加介质沉淀、凝固成坚硬和半坚硬状态，浸透性极差。

在开挖和暴露初期，水往往出现很少，往往不被重视，然而经过长时间暴露后，其内部介质的流失会不断加剧，不仅会导致水量持续增加，而且会使水压增加。水的流入和水压的增加加剧了岩溶裂隙中充填介质的损失。因此，涌水和充填介质渗透变形的形成以及两个正反馈回路的变形加剧变形了充填介质的水压和渗透隧道的水文地质条件。涌水和渗透变形的正反馈机制降低了充填介质的性质，最后，它以填充管的形式和流动土壤的渗透变形的方式被挤出，或作为一个整体被挤出。然后将地下河水、溶洞水或地表水引入隧道。这可能导致例如压碎等灾难不断发生。

所以，在挖掘隧道时，如果发现陡倾角充填涵洞蓄水构造，就需要全面调查隧道所处区域的岩溶特点，同时对涵洞产水状况也要进行全面分析。在对水源进行分析后，评论蓄水构筑物的水压变化幅度、安全性、水泥侵入风险等。对强充填介质应尽快进行治理，尽可能降低扰动，提升抗渗、抗变形能力，防止充填介质发生管涌与流土形式的渗透变形，避免充填介质沿管道或裂隙壁整体挤出。

2.2 水源与灾害成因分析

2.2.1 隧址区地形

隧道区域的地貌受到两个条件的影响：①隧洞经过艾家河和高家溪合流陶家溪的界线，界线南北长大概3km；②南部为三峡-清江流域，古剥蚀面发育，海拔1000m~1600m；长江以北的三峡段，高程为10m~20m，造成地形起伏。

然后从南到北整体下降。并且受黄陵背斜的限制，隧道地址横纵方向呈张性裂缝生长，地面沟谷及地面和地下岩溶受其影响比较显著。总的来说，地貌被沟谷横竖分割，以上地形在限制条件下，内部岩溶水域范围相对小。

2.2.2 岩溶水流域系统

隧道处于黄陵背斜的东南侧，灯影组白云岩顺东西向呈帚状漫衍，帚底面向东北方位。西穿陶家、中部多数地下水穿过龙洞窝岩溶水体系、局部通向猴豹沟、向东经猴豹沟、简沟到达艾嘉河，后流入长江。

中部龙洞窝岩溶水盆地体系补充区，主要位于艾家河-陶家溪流域海拔400m~700m上，漫衍多数是密封及半密封的低地，补充范围大概是2km²。泄水点龙洞窝位于隧道出口端爱家河左岸，东北方向大概800m，流量最低为20L/s，最高为60L/s，与具体艾家河河面相比，其高出2m，海拔达到了265m。龙窝岩溶水系地质剖面和隧道中心线两相交融。

除此之外,隧道场区在50°、300°方向分布断层破碎带,腐蚀较强,隧道裂缝走向统一,裂缝为龙洞窝岩溶水体系的西北走向支流,因为走势和隧洞呈小角度交汇,在结构和腐蚀的影响下,非常容易在隧洞作业时被经常暴露,从而引起岩溶涌水或坍塌等病害。

2.2.3 水源与灾害成因分析

在强对流天气状况下，顺着杨家冲河谷灯影组岩溶水并没有出现泉水，对隧道涌突水进行了详细观测，并对观测数据进行了全面分析，同时还探究了高程，从中可以知道，涌突水段最大水压不会超过0.5MPa。

此外，早期突水病害引起的大规模衬砌破裂、底板凸起的主要因素：在作业时忽略了高倾角填充型岩溶裂缝蓄水结构的破坏性，没有正确处理岩溶裂缝，其内部填充物质长时间被浸透，侵蚀空化，增强裂缝渗透率，强对流天气状况下，水压迅速增强，二衬泄水不通，结果不仅在衬砌内部积累了不少地下水，而且在防水板内部也存贮了大量地下水。水压不断提高，不但破坏了与岩溶裂隙相交的YK16+042~YKl6+020的衬砌组织，而且还让地下水利用空隙进入了附近的衬砌组织与围岩内部，最后形成的结果是YKl6+086~YKl5+938大面积底板鼓起和二衬开裂[1]。

3 灾害治理

水力压裂突水病害引发的隧洞衬砌问题，重点聚集在YKl6+086~YKl5+938，具体如图1所示。YK16+040岩溶裂缝最开始是以“无水充填裂缝”的形式显现出来的，然而由于长时间受到水压的影响，水流与压力不断增大，充填体也会在渗透的作用下不断变弱。裂缝不断增大。这已经成为隧道注水的重要原因。水流量增加，衬砌内水压也增加，水侵入规模增大，隧道底板找平层的破坏程度也与日俱增。

图1 衬砌受损位置图

隧道底板调平层与二衬破坏范围也越来越广：从YKl6+076~YK16+050段（26m），到YKl6+086~YKl6+022（64m），其次到YKl6+086~YKl5+985（101m），最后到YKl6+086~YKl5+938（148m）。

对高陡充填岩溶裂隙蓄水结构，其在涌突过程中出现了比较严重的空心化，在降水比较丰沛的季节，涌水量会增加，水压也会提高。在多次讨论的基础上，最后确定出“主堵、补排水、合排、限排”的方案，采用了裂隙封堵、周壁注浆、排水泄压、结构置换、信息化注浆效果评估的措施处治灾害（YKl6+096~YKl5+925段）。

3.1 裂隙封堵

3.1.1 注浆工艺

在图2中，首先在岩溶裂缝开口处应用封堵体，并预埋灌浆管，将线或地表水改成点状。可控排水；然后沿灌浆管注入灌浆，密封岩溶裂隙，形成特定的扩散范围。

图2 裂缝封堵示意图

岩溶裂缝出水口阻滞剂由发泡剂、马力粉、其他膨胀性快速固化剂、防止水流分散体和防冲刷材质对岩溶裂缝出水口的阻塞，如果现场不具备有关条件，可以利用其他材料将出水口堵住，如棉被等。除此之外，还可以利用某些材料固定于岩溶裂缝壁，如水泥等。但密封体必须保证水压可以挤出。密封孔洞时，灌浆管要从密封件内部穿透而过且其插入岩溶裂缝的深度比较深。嵌入式灌浆管的作用主要有以下4个方面。

3.1.1.1 排水作用

在灌浆中布设孔板阀管道，将贮存在岩溶裂缝中的地表水更改为可以有效控制点排水。与此同时，避免岩石溶裂缝内部贮存大量积水，提高水压，推出塞体。

3.1.1.2 勘测效果

在注浆管内装配水压表及孔板阀，来勘测水压及水量变化情况。

3.1.1.3 注浆效果

按照现场水压值确认能注入1根或多根注浆管道。当水压和水量较低时，嵌入1根灌浆管，塞体达到设计强度后，直接压浆以封堵岩溶裂隙。如果水压比较高或者水量比较高，则嵌入多个灌浆管。塞体达到设计强度后，灌浆一部分灌浆管封闭岩溶裂缝，部分灌浆管排出。

3.1.1.4 泄压功能

灌浆管在施工和运行时可作为限排泄压孔使用[2]。

3.1.2 注浆材料

注浆材料应符合以下要求：1）通过实际状况确认使用泥浆或水泥及硅酸钠浆料。隧道开裂大、飞溅大的路段采用水泥-水玻璃浆，其余部分推荐单一水泥浆。首选水泥单组份注浆法的原因，首先是泥浆的分散面积能增大，加强了注浆作用；其次，可回避水泥及硅酸钠浆料注体不持久特性。2）水泥浆选择的是普通425号硅酸盐水泥，这种水泥非常普通，也很常见。水灰比为1∶0.6~1∶1。硅酸钠的浓度是35Be（波美度），硅酸钠的模量为2.4。水泥与硅酸钠混合比范围在1∶0.5~1∶1。

3.2 周壁注浆

在隧道拱顶处进行围墙注浆，封堵溶出裂缝支管及层间接缝裂缝。

3.2.1 孔位设置

通过设计了长度为5m的76mm硅花管灌浆，周向间隔1.2m×1.2m，单孔灌浆分散范围0.6m，并利用钻孔验证方法进行测试。

3.2.2 灌浆液

根据当地地貌状况及泄水的具体情况，选择合适的水泥，材料参数与裂隙封堵材料参数是一样的，水泥单液注浆方式是最佳形式，为第一选择[3]。

3.2.3 注浆压力

注浆压力不低于0.5MPa，不高于1.0MPa。

3.2.4 注浆加固范围

以隧道开挖轮廓线为基准，5m以上均在注浆加固范围之内。

3.2.5 成效检验

参考规章制度采取打孔检验和压水检验的方法进行检查灌浆成效，没有达到标准时，再次进行打孔。灌浆。

3.3 排水泄压

排水泄压施工应注意以下事项：1）钻孔穿过岩溶裂隙的主要通道，布置阀门的可操控泄水管，检测作业时及运营时水压和水量的转变情况。2）利用将衬砌构造中布置圆形及垂直透水管道、横向泄水管道，同时在衬砌构造中布置纵横交错碎石盲沟，出现网状泄水体系，满足限量排泄压力的目标。3）两旁边角处（路沿泄水沟内）设置水平和横向排水孔，同时和隧道侧沟相连，孔长5m，竖向间隔5m~10m，涌水量聚集点距离取最小数值。

3.4 结构置换

结构置换施工要求如下：1）凿除底板受损调平层，增设仰拱。2）铲除破损的二衬和局部一衬，根据抗水压为0.5MPa衬砌组织种类进行操作，也就是选择0.6m厚且强度等级是C30钢筋砼作为二衬且二衬反面渗水盲管由隔10m布置一道转变成隔5m布设一道。

该文通过隧道衬砌压裂突水工程实例分析，研究隧址区岩溶发育特征，得出以下结论：1）高陡倾角充填岩溶裂隙蓄水构造以大角度裂隙形式产生。降雨后，裂缝空间容易积水，形成高水压；此外，由于其渗透性差，沉积物移动缓慢，容易在底部堆积。在自重应力及高压水的影响下，填充沉积物凝固成硬质或半硬质，渗水性差，挖掘裸露早期，没有水或少数喷水，轻易被忽略；但后期裸露时期内，裂缝的填充沉积物将会流失，最后导致沉积物出现在管道、活动土中，被全部挤出。地下水、岩溶空孔水以及地表水全部会进入隧道内部，并形成衬砌损毁等各种问题。2）如果在隧道施工的过程中，出现了高陡充填型岩溶裂隙蓄水构造，有必要研究隧道场址区域内部的岩溶发育特点及岩溶蓄水规律，估算隧道内水压变化范围。该文通过水源对蓄水体系进行全面分析，对蓄水体系的安全性与风险性进行充分评估，改强充填介质性质，加强抗渗透能力和抗变形能力。防止充填介质发生管涌与流土形式的渗透变形，避免充填介质沿管道或裂隙壁整体挤出。

4 结语

综上所述，衬砌开裂会导致渗漏问题，严重时甚至会对水工隧洞的耐久性和结构安全性产生巨大的影响。部分隧道注水后，会出现严重的开裂和渗水现象，影响隧道的正常运行。运行，给隧道的维护带来了困难，该文希望为相关人员了解钢筋混凝土衬砌水力开裂的原因及对策提供参考。