强降雨作用下岩溶区公路隧道衬砌破损机制分析

李 清， 祝志恒, *， 李林毅

(1. 广东华路交通科技有限公司， 广东 广州 510420； 2. 广东交科检测有限公司， 广东 广州 510550；3. 中南大学土木工程学院， 湖南 长沙 410075)

0 引言

随着国家路网建设的发展，大量公路隧道逐步投入运营，截至2019年底已建公路隧道超19 000座，运营总里程达18 966 km[1]。然而，由于我国岩溶地层广泛分布(如西南地区)，有相当比例的公路隧道建设于富水岩溶地区[2-3]。据岩溶公路隧道运营情况调查，因地层富水性较好、排水系统逐步失效等原因，以结构渗漏水、混凝土裂损、路面隆起、局部掉块为典型特征的隧道运营水害频发[4-6]，且隧址区出现强降雨时水害特征尤为严重[7-8]。以上问题的存在不仅影响隧道内部电力、消防等设施的正常使用，还会导致隧道运营存在安全隐患，严重时甚至危及行车人员的生命安全[9-11]。因此，如何探明运营水害演化机制成为公路隧道领域关注的重点问题。

截至目前，研究人员已从数值仿真、地质勘探、现场调查、模型试验等方面开展了研究工作。其中，张彦龙等[12]依托广梧高速某岩溶隧道水害案例，联合现场勘探与数值仿真手段，探究了水害发生原因及机制；高春君等[13]采用“以板代孔”仿真方法对排水管堵塞进行了分析，探讨了在不同水位及堵塞条件下二次衬砌结构的应力响应规律；李林毅等[14]针对隧道排水系统堵塞问题，通过融合3D打印技术的模型试验，探究了堵管后仰拱结构及其上覆轨道的上拱规律。以上研究成果经实践验证，在一定程度上探明了岩溶隧道水害成因，指导了类似工程的整治与设计。

但是，由于现场条件常受限制，既有研究多为基于地勘的定性讨论与简化仿真分析，而忽略了地形因素的影响，且对岩溶区水力连通特性、不良地质体分布缺乏必要认识，故而难以全面揭示运营水害的演化过程与形成机制。随着无人机航拍技术与图像点云处理技术的不断进步，在三维仿真分析中考虑实景地形地貌逐步成为了可能[15]。因此，本文依托京港澳高速大宝山隧道雨后二次衬砌掉块病害，通过地质勘察、地表调查与雨后水连通试验，探明水害段地质信息与水力连通特性；基于“无人机航飞+三维地质建模”联合技术，构建考虑地形地貌、隧道结构与地质信息的精细化三维仿真模型，探究强降雨引起地层水位骤升时隧道结构应力-应变响应与水害演化过程，分析案例隧道运营水害成因，以期为岩溶隧道水害整治与设计提供参考。

1 工程概况

1.1 工程地质条件

京港澳高速大宝山隧道位于广东省韶关市南部山区，是分离式双线单向3车道隧道。隧道左线(北行线)里程为ZK139+920～ZK141+505，全长1 585 m；右线(南行线)里程为YK139+940～YK141+505，全长1 565 m。隧道纵向为单向坡，南高北低，最大埋深约230 m。隧址区地形以山岭、重丘为主，陡峭山坡与冲沟发育，具有较大起伏。隧道左右线结构净距约30 m，其地质条件基本类似，左线纵断面地质情况如图1所示。隧道所处地质条件相对复杂，洞身穿越1处破碎带、1处断层带、2处背斜裂隙带，地层岩体相对完整，岩质主要为灰岩、碳质灰岩。同时，地勘资料显示，隧道沿线岩溶特征发育，施工期曾揭露多处溶洞。隧址区属亚热带季风气候区，年均降雨量为1 640 mm，分布不均且集中在6—11月，夏季强降雨事件频发，加之地表大范围透水地层的存在，雨季时地层地下水补给充分。

图1 大宝山隧道左线纵断面地质图

1.2 现场衬砌裂损情况

2013年5月14日至15日，韶关地区遭遇特大强降雨袭击，隧址区48 h累计降雨量达417.5 mm。强降雨作用下，隧道左线ZK140+365断面处高山侧拱腰至边墙过渡区衬砌突然剥落，混凝土掉块面积约6.88 m2，其中，2.81 m2范围防水板出露，现场情况如图2所示。从混凝土失效特征来看，现场破坏面平整性一般，混凝土掉落零散，具有较明显的压溃破坏特征，推测现场衬砌应属于压应力超限破坏。经现场紧急巡查，掉块附近多处区段还存在结构渗水严重、射水、涌泥等现象(见图2)。此外，发现涌出泥砂中裹挟有树枝、树叶等地表植被特征物，侧面证明了涌水来源应与地表降水直接相关。

(a) 混凝土破坏情况(b) 衬砌掉块

(c) 拱顶严重渗水 (d) 突水涌泥严重

1.3 裂损段结构设计与施工期概况

裂损断面及临近段落洞身主要处于Ⅱ、Ⅲ级灰岩地层，隧道采用复合式衬砌支护。具体支护参数如下：Ⅱ级围岩，初期支护采用5 cm厚C20喷射混凝土，拱墙二次衬砌采用40 cm厚C25模注混凝土，底部采用C15混凝土铺底且不设置仰拱；Ⅲ级围岩，初期支护采用10 cm厚C20喷射混凝土、φ22径向锚杆(长3 m，间距1.5 m×1.5 m)，拱墙二次衬砌采用45 cm厚C25模注混凝土，底部采用C15混凝土铺底且不设置仰拱。需要说明的是，衬砌混凝土均未布设钢筋。Ⅱ级围岩隧道支护断面如图3所示。

由于未设仰拱，隧道水害段采取路面下设置中心水沟的暗沟排水设计；同时，隧道两侧边墙外布设有φ110纵向排水盲管，每隔30～50 m设有φ150横向排水管，将纵向排水管水流引入中心水沟内。查阅施工期相关资料，发现： 1)隧道施工过程中揭露多处溶洞，多数溶洞位于水害段所在的背斜1区段附近，少数位于F1断层带附近； 2)背斜1区段施工中,在拱顶、路基面下均有狭长带式溶洞揭露，部分溶洞存在涌水现象，而处理方式以回填为主。

图3 Ⅱ级围岩隧道支护断面图(单位： cm)

2 裂损段现场勘察与水连通试验

大宝山隧道运营期的严重水害特征表明，水害段落地质条件相对复杂、地层应存在岩溶特征。因此，开展一系列勘察与试验(结构检测、现场勘探、地表调查以及水连通试验)，力求最大程度地探明水害段地质条件、岩溶分布以及水连通特性，为后续的病害仿真模拟提供可靠依据。

2.1 隧道结构检测分析

水害后检测单位采用400 MHz天线地质雷达对ZK140+327～+407段衬砌结构厚度进行了探测。探测采取连续测量法，于拱顶、掉块侧拱腰、掉块侧边墙布设3条测线，测试断面间距为5 m，共计31个断面、93个测点，检测结果如图4所示。

图4 衬砌厚度检测结果

由图4可知： 测试段落包括Ⅱ、Ⅲ级围岩段，Ⅱ级围岩段衬砌厚度均高于设计厚度40 cm，而Ⅲ级围岩段仅有1处稍低于设计厚度45 cm。此外，从掉块混凝土中取出3个完整芯样并测取其抗压强度，结果显示，3个试块强度分别为28.3、26.1、30.2 MPa，均大于设计强度25 MPa。此外，经现场检查，除排水系统存在一定堵塞外，未见空洞、混凝土不密实等缺陷问题。因此，从检测结果可推断此次水害更大程度上与雨后地下水环境有关。

2.2 地表情况调查分析

为了解地表降雨入渗条件，水害后运营人员对掉块断面上覆地表进行了实地踏勘，具体形式包括实地调查与无人机航飞，现场情况如图5所示。由图可知，掉块断面地表处于两山之间的沟谷位置，沟侧坡体相对较陡，植被旺盛，强降雨条件下两侧坡面雨水极易汇聚于此，可为岩溶水提供充分的补给来源。同时，距掉块断面约30 m处的地表出现了明显的塌陷，塌陷区长约6 m、宽约2.5 m，塌陷深度为0.5～0.8 m，可推测其下覆地层存在明显岩溶特征，应是雨水入渗或向下径流的主要通道。从地表调查情况来看，掉块断面上覆地表处于两山之间沟谷地带，两侧坡角较陡，且地表出现了明显的岩溶塌陷，侧面印证了地层发育的岩溶特征。

图5 地表现场踏勘情况

2.3 衬砌背后岩溶特征探测

为探明掉块段落地层岩溶特征分布，检测单位在ZK140+327～+407段采用浅层地震仪进行了物探检测，采用美国GEODE24地震采集系统记录、SQJ17-100 Hz检波器接收。测试中共布置7条测线(截面测点分布见图6(a))，具体检测结果见图6(b)。

结合具体检测结果可得： 1)各测线下物探异常区域共计27处，纵向分布长度为35～45 m，且在隧道底部、边墙、拱部均有密集分布； 2)物探异常区主要位于衬砌外2.0～6.0 m的深度范围，异常区高度在1.1～ 3.0 m，最大纵向长度约17 m，异常区与隧道结构相距较近，一旦饱水时易对结构产生明显影响； 3)岩溶发育区的平面分布存在明显的斜向特征，岩溶区方位大致与地表沟谷轴线一致，即地表沟谷下方地层具有较突出的岩溶特征。综上可知，掉块断面及临近区段岩溶特征发育明显，应是隧道地层雨后富水的主要原因。

(a) 测点分布图

(b) 测试结果

2.4 地下水连通试验分析

作为研究地下水流动特性的常规方法之一，水连通试验广泛应用于隧道、岩土、地质等领域。为进一步探明雨水与隧道涌水之间的连通特性，现场以掉块区段为研究对象开展地下水连通试验。根据地表踏勘情况，试验选取荧光增白剂作为示踪试剂，将岩溶塌陷口作为投放点，左线隧道出口的两侧排水沟作为接收点。试验时间为2018年6月21日(中雨)，测试结果如图7所示。

由图7可知： 1)试剂投放后约2 h便被检测到，考虑检测时间间隔、隧道排水流至洞口耗时等因素，实际影响时间应少于2 h，这表明地表塌陷处与隧道之间存在较强的水连通性； 2)从试剂质量浓度来看，试剂投放前期高山侧的水沟元素质量浓度明显高于低山侧，而后逐步降至相近水平； 3)试验结果显示，地表降雨形成的地层涌水对隧道高山侧的影响大于低山侧，这应是结构掉块出现于高山侧的原因之一。

3 考虑真实地貌的隧道水害三维仿真分析

由于大宝山隧道地形条件复杂、左右线地貌差异明显，为真实模拟雨后高水压下隧道结构裂损病害，本文采用“无人机航飞+地层与隧道三维建模+FLAC3D渗流计算[16]”联合方法进行仿真分析。

3.1 基于无人机航飞的三维仿真模型构建

基于无人机航飞的三维仿真建模流程如图8所示。1)对大宝山全隧及两侧5～10倍洞径范围进行无人机航飞拍摄，航飞海拔为650 m，航飞区域平面尺寸约为700 m×2 200 m。同时，航飞过程还需确保以下2点： ①航线拍摄的相邻照片具有50%以上的重叠度，以满足点云处理准确性；②提前布置不少于3个明显的地表标记点，并测量标记点高程及位置信息，以便于点云模型坐标校准。2)航飞采集照片后，利用SFM、SGM算法依次形成航拍区域的三维稀疏点云、三维密集点云，再借助PhotoScan软件进行地表曲面三维重建与坐标标定，最终形成地表曲面模型,如图9(a)所示。3)使用Rhino软件截取所需建模区域地表模型，并经拉升、裁剪、布尔运算等处理形成三维实体模型；根据结构设计资料、地质勘察成果，构建隧道结构模型，划分地层主要地质区域，最终生成三维网格模型，如图9(b)、(c)所示。4)经数据格式转化，将三维网格导入FLAC3D数值计算平台实现仿真模拟。

同时，渗流计算中遵循如下假定： 1)地下水排泄满足Darcy定律； 2)围岩为均质、各向同性材料； 3)隧道通过衬砌与隧底排水管排水，环向盲管的排水特性通过增大二次衬砌渗透性的方式模拟。模型力学边界条件为四周水平约束、底面固定约束。渗流边界条件为： 根据不同工况，设置对应地下水面高度，再固定底部、四周孔压，使得边界能与外界发生液体交换； 固定隧底排水管内壁、隧底结构内壁的孔压为0。模型全部单元均采用实体单元进行模拟，其中，地层围岩、集水沟碎石满足摩尔-库仑屈服准则，隧道结构单元均服从线弹性模型。

图8 基于无人机航飞的三维仿真建模流程

(a) 三维重建实景地表平面图

(b) 三维仿真模型网格

(c) 隧道结构网格

3.2 材料参数与工况设置

3.2.1 材料参数

依据地勘资料，计算模型范围内主要以灰岩为主，但是现场物探与水连通试验均显示沟谷地带下覆地层存在明显异于其他区段的岩溶特征。因此，参考类似研究[17]，在数值计算中通过提高地层渗透性的方式对沟谷地带地层强透水性进行等效处理，而对溶洞规模、位置不做细化体现。常规区段围岩参数依据地勘资料与工程经验取值，沟谷地带强透水地层围岩参数参考文献[8]取值；支护结构的力学参数依据“等效刚度法”[18]获得，支护结构内排水管的排导作用采用“以管代孔”方法[19-20]等效提升渗透性来模拟。其中，排水管具体参数为： 环向、纵向、横向盲管均为φ60圆管，环向、横向盲管布设间距分别为10、20 m。模型计算参数见表1。

表1 模型计算参数

3.2.2 工况设置

考虑强降雨下岩溶地层存在地下水位骤增的现象(强降雨后实测地层水位上升达50 m以上[21])，结合后续计算结果，设定本计算中因强降雨引发的地层水位最大上升量(相对隧道而言)为60 m。

具体工况设置如下(见图10)： 工况1，常态水位工况；工况2，雨后岩溶区最大地下水位上升30 m；工况3，雨后岩溶区最大地下水位上升45 m；工况4，雨后岩溶区最大地下水位上升60 m。

需要说明的是： 1)考虑隧道排水状态，常态水位设置于拱顶平面； 2)雨后地下水位上升以地表面形态为基准，左右线水位将存有差异。

图10 地下水位设置示意图

3.3 隧道外水压力特征分析

提取各工况下典型断面的衬砌外水压力分布，如图11所示。根据地下水位面设置，左线典型断面取最大外水压断面(ZK140+366)，右线典型断面为ZK140+420。由图可知：

1)随地下水位的上升，各部位结构外水压力均有一定程度的增加，但隧道左右线、单线左右侧的增长规律存在差异性。以拱腰部位为例，从工况1至工况4，左线左拱部峰值水压从26 kPa增至448 kPa，增量为422 kPa，而左线右拱部、右线左拱部、右线右拱部的增量分别为336、260、106 kPa。分析上述现象，应与受地形主导(地表地形左高右低，见图10)的地下水位面有关。

2)在排水系统降压效应与地下水位分布形态共同影响下，水位上升时结构外水压力峰值一直位于左线左拱腰与边墙过渡区，即该部位是受地下水变动影响最为显著的结构位置。结合现场破坏特征与水连通试验来看，地表降雨时左线高山侧的水连通性更强、结构响应更为突出，因此，可认为本仿真模型分析结果与现场情况吻合较好，亦验证了其正确性。

(a) 左线隧道

(b) 右线隧道

3.4 衬砌结构安全性评价及破损机制分析

3.4.1 衬砌受力特征与结构安全性评价

提取典型工况下衬砌结构应力，如图12和图13所示。由于数值结果表现为压应力超限，故在图13中仅展示结构应力分布。由图可知： 1)受地形影响(左高右低)，工况1中左线隧道衬砌结构应力均高于右线，而高山侧结构应力高于低山侧； 2)工况1中衬砌结构最大拉应力为0.69 MPa，位于左线拱顶位置，最大压应力为9.87 MPa，位于左线高山侧拱脚位置，但上述应力均低于规范限值； 3)工况4中岩溶区范围内，左线隧道拱部以下结构压应力出现了明显增长，最大压应力增至21.52 MPa(已超过规范[22]中C25混凝土极限强度19.0 MPa)，且该峰值主要分布于ZK140+360～+375段的拱腰与边墙过渡部位，这与现场开裂位置吻合较好； 4)工况4中右线拱墙部位亦出现了一定的应力增长，最大压应力从工况1的7.23 MPa增至15.86 MPa，但因初始应力水平较低、水位抬升量相对较小，结构应力并未超过限值。

为进一步展示结构受力状态，提取ZK140+365断面的内力与安全系数信息，如图14所示。由图可知： 1)常态水位工况下，即工况1，衬砌结构最小安全系数为6.9，位于高山侧拱脚，不仅满足规范[22]中“抗压安全系数不小于2.0”的限值要求，而且具有一定富余量； 2)随着地下水位上升，衬砌结构弯矩、轴力均有所增长，其中，弯矩增长集中于拱顶、拱腰位置但总体增量不大，至工况4时最大增量为56.2 kN·m，而衬砌轴力的增长更为显著(尤其是拱脚与边墙部位)，最大轴力增长量达2 320 kN，位于高山侧边墙处； 3)随地下水位上升，衬砌安全系数明显降低，至工况4时高山侧拱脚、边墙处的安全系数已低于规范限值，其最小值为1.67，而低山侧边墙处的安全系数(最小值为2.12)亦已接近限值。因此，考虑现场其他不利因素，在最大地下水位上升60 m时，左线隧道高山侧拱墙位置存在较高的压溃风险，同时上述结果与现场破坏特征具有较高的一致性。

(a) 衬砌拉应力

(b) 衬砌压应力

(a) 剖面示意图 (b) 衬砌结构压应力剖面图

3.4.2 衬砌结构破损机制分析

根据3.4.1节数值计算结果，可基本归纳案例隧道水害机制： 1)由于岩溶发育段的水连通特性，地表强降雨后地层水位出现了一定抬升，而具体作用于隧道时还会受地形地貌影响存在差异性； 2)在“左高右低”地形特征下，左线隧道初始应力水平高于右线，且在地下水位抬升后承受着更大的水压力作用，导致结构受力恶化，尤其在拱墙部位出现了衬砌轴力的显著增长； 3)至最大地下水位上升60 m时，左线隧道高山侧拱墙部位出现了结构压应力超限、安全系数低于规范值的情况，最终引发了现场的衬砌混凝土压溃破坏。

基于上述病害原因分析，针对隧道整治设计可形成如下建议： 1)地表强降雨是地下水的主要来源，应尽可能地减少雨水的汇集、下渗并提升地表疏水能力； 2)针对富水段落围岩进行注浆，降低地层水与隧道间的水力联系； 3)完善隧道防排水系统并定期清淤，确保强降雨时隧道排导能力与排水通畅。

为此，依托该工程制定了如下处治措施： 1)封堵地表岩溶塌陷处，修建地表排水沟渠用于降雨时引排地表水； 2)针对岩溶塌陷点临近区域进行浅层溶洞注浆，针对衬砌破损临近区段开展围岩注浆，以此降低地层水流动速度、减小地层水对隧道结构的影响； 3)新设边墙降压孔和仰拱处的井点降水管，提升隧道排水能力，且定期清理隧道内排水通道，谨防淤堵。

(a) 弯矩分布图(单位： kN·m)

(b) 轴力分布图(单位： MN)

(c) 衬砌安全系数分布图

4 结论与讨论

1)依托京港澳高速大宝山隧道水害案例，通过结构检测、地质勘探与水连通试验等多重手段，探明了病害段地层岩溶发育特征，揭示了“地表降雨与隧道涌水”之间的水连通特性。探测结果显示，地层岩溶发育可为雨水向下径流提供良好的水利通道，而由此引发的强降雨作用下地层水位抬升与结构水压骤增是导致结构压溃的直接原因。

2)基于“无人机航飞+三维地质建模”联合技术，构建了考虑地形地貌、隧道结构与地质信息的精细化三维仿真模型，探究了强降雨下地层水位骤升时隧道结构应力-应变响应，真实模拟了现场水害的演化过程，有力验证了模拟方法的可行性。同时，该模拟方法的提出对于创新水害分析手段、完善病害研究体系具有现实意义。

3)通过FLAC3D软件分析了强降雨下地层水位骤升时隧道结构的外水压力特征与结构受力状态，结果表明： 受地形地貌影响，左右线隧道初始应力状态已具有差异性，高山侧结构应力均高于低山侧；随地下水位抬升，外水压力呈现不对称式增长，结构受力持续恶化，尤其在左线隧道高山侧拱墙处，衬砌轴力的显著增长还引发了结构压应力超限、安全系数低于限值的风险；考虑仿真结果与现场病害特征、病害位置吻合良好，推测该隧道水害时地层水位抬升应达60 m。

4)由于本文三维仿真重点关注地表地形状态，而未考虑地层溶洞的细化特征，故如何结合现场多种探测手段进一步明确溶洞位置、规模，进而探究岩溶特征对隧道水害演化机制的影响，形成更具有针对性、实用性的水害防治措施是后续研究的主要方向。