某悬索桥隧道锚室水害处治方案比选及优化

周旭, 肖凯东, 付雷



某悬索桥隧道锚室水害处治方案比选及优化

周旭, 肖凯东, 付雷

(贵州高速公路集团有限公司营运管理中心,贵州贵阳, 550000)

某岩溶地区悬索桥混凝土后锚室被渗入山体汇水的土体包围, 排水不畅造成锚室大量积水, 使得锚室构件的耐久性受到不利影响, 危害到大桥的整体安全。经过对大桥水文、地质及锚室水害状况进行分析, 设计了几种该大桥后锚室水害处治的合理有效方案。经比选确认“T形排水小隧道+排水帷幕”是技术、经济均可行的最佳方案, 并对该方案进行了合理优化。

地锚式悬索桥; 隧道锚室; 水害; 处治; 方案设计优化

某大跨悬索桥其锚碇隧洞总长度70余m, 地面至后锚室最大垂直深度近100 m, 锚碇正上方为路基和隧道。隧道锚所处地带为微风化岩层, 穿过浅层岩溶发育的富水区, 锚塞体底面高程低于地下高水位线数十米。由于隧道锚碇本身和地质条件等原因, 其后锚室常年积水, 对锚碇及其内部的钢结构材料侵蚀极大, 严重危害大桥的安全。

1 桥址气象水文及地貌、地质概况

桥址区属四季分明且雨热同期的中亚热带季风气候区, 年均降水量达到1500 mm, 夏季为集中降水期, 月降水量通常在200 mm以上, 其中, 5—10月占年降水量的80%以上, 为锚室水害提供了充足的水源条件。

锚区地下水分布主要受岩性、构造控制, 地貌上, 形成以碎屑岩构成的河谷底和东岸为弱基岩裂隙水含水层的缓坡。以碳酸盐岩构成的河谷坡为含岩溶水的富水层, 分布于西岸陡坡的碳酸盐岩中, 因地形起伏大导致以水力坡度大的岩溶裂隙水为主。该区浅表岩体完整性差, 但透水性好, 大气降水可通过张性岩层面和岩溶裂隙渗透至地下, 造成对锚碇混凝土的腐蚀。

锚碇所在区域属构造剥蚀、溶蚀中低山峡谷地貌, 受构造及岩性控制, 河谷走向与地质构造基本一致。其特征为盐岩与陆源碎屑岩互层, 碳酸盐岩构成峡谷的谷坡, 而碎屑岩互层构成谷底及缓坡。桥下水流由北向南迳流, 河床紧临西岸谷坡, 以线状水流侵蚀作用为主, 溶蚀作用次之。

东岸河谷地形坡度小于30º, 而西岸地形较陡, 地形坡度近70°, 近河谷地带多陡崖。隧道锚碇位于西岸斜坡中上部, 地貌上属于岩溶峰丛地貌, 地势相对较陡, 该区西侧为一相对较缓的岩溶平台, 平台上发育岩溶漏斗。

西锚碇区岩溶发育, 总体完整性浅部(40 m以内)差而深部较好, 浅部主要为溶蚀裂隙并呈带状顺层, 展布平面规模较小, 实现注浆条件差[1]。该区东段为竹杆坡组第一段的泥晶灰岩, 岩层单层厚度多在30 cm之内, 浅部强风化基岩溶蚀、风化较强烈, 层间普遍夹近3 cm厚黏土层。该区域地势和岩层倾角均较陡, 不利于地下水的汇集和侧向迳流。

岩溶以层间溶隙、竖向发育为主, 钻探过程中多个钻孔揭露小规模岩溶形态。由于岩溶间多以单个洞隙或洞穴形式存在而相互连通小, 其对锚碇及地基的稳定性影响较小。锚区最大的地表岩溶现象——岩溶竖井, 出现在距锚碇区西边缘约20 m。该区西段为杨柳井组的白云岩及白云质灰岩, 浅部溶沟槽较为发育, 沟槽内多充填有第四系红黏土。此外, 勘察斜洞已发现锚塞体段存在垂直溶洞, 隧道开挖需合理确定支护压力[2–3]。

2 锚室水害状况及成因分析

2.1 水害状况

该锚左侧锚碇前锚室存在较多部位渗水, 程度介于渗水和滴水之间[4], 且多处出现泛白; 前后锚室间通道渗水未有效排放, 表面仍存在严重泛白现象, 部分台阶影响正常通行(图1)。

图1 前锚室内部及前后锚室间通道渗水泛白典型图

渗水主要集中在该锚的右锚碇前锚室及前后锚室间的通道, 以及前锚室地面及侧墙下部区域, 并伴有明显钙化泛白现象, 且在后锚室形成积水。左右锚室检修通道已经被积水封堵, 前、后锚室间通道及后锚室部分封堵, 导流处周围存在多处严重渗水现象。尚未采取措施对前后锚室间通道和后锚室的水害进行处治。

锚室渗流属于静储量形式[2, 5], 由于渗水现象严重且未得到及时排放, 尽管锚室内除湿系统工作正常, 但锚室内湿度均超过45%, 处于高湿状态。

2.2 病害成因

该隧道锚碇围岩为弱风化至微新的灰岩和白云岩, 属于易溶蚀化岩体, 其为锚碇边坡地段地下节理裂隙水(常见)[6]、岩溶裂隙水和岩溶孔(洞)穴水提供通道。岩溶规模均较小, 平面延伸较差。以竖向发育为主的岩石裂隙, 为水的渗透提供了便利, 导致锚室内的渗水泛白现象严重。

该锚碇前锚室顶部基本无渗水现象, 因此水从前锚室正上方直接渗入的量较小。同时结合山体走势, 锚室渗水的主要原因为: 雨季后山体裂隙渗水在不断增加的水压作用下顺着山势从锚碇后方及两侧向不断渗入锚体, 加之山体地下水位升高后, 在巨大水头差压力的作用下使锚碇周边的水通过裂隙渗入锚室。

锚室渗水量大且难以排放, 抽水泵和除湿机长期超负荷工作而严重受损失效, 使得后锚室积水较深且室内空气湿度超过45%, 对金属设备耐久性的危害较大。

3 水害处治措施

针对锚室水害情况, 设计较为全面的处治措施, 即防排堵结合法。使已有的积水及时排出锚室外, 且尽量切断水渗入锚室的途径, 使锚室处于相对干燥的环境中, 保证锚固系统的耐久性和结构安全。针对大桥西岸隧道锚水害现状, 提出以下处治措施。

(1) 设置锚室外部截水系统, 截断水源。检查锚碇上方地表排水和截水设施是否畅通, 如有必要则补充设置截水沟, 减少地表水渗入锚碇上方土体。检查和清理锚碇正上方引桥、路基的排水系统, 由于引桥为下坡, 指向锚碇上方, 地势较低, 需检查排水是否有漏排入锚碇上方的情况。

(2) 设置排水帷幕, 防止渗水。堵水办法采用排水帷幕法切断地下水源补给。锚室上方道路及隧道周围地势复杂, 在锚室正上方设置帷幕难度较大, 而且经上述分析知水从锚室正上方渗入锚体的水量和水压均较小, 因此仅在锚室三侧设置排水帷幕挡住横向来水, 而其他方向的来水需结合锚室外排水系统, 合理开挖[7]进行降排水。西锚碇区基岩内发育有节理裂隙, 在水压力作用下锚碇区周边的水通过锚碇围岩裂隙渗入锚室。因此, 防止锚碇区渗水的有效办法为降低岩体的渗透系数, 增强锚碇附近岩体的抗渗透能力。

4 处治方案比选及优化

为降低锚室外壁的地下水位, 在锚室外侧设置排水系统, 使水在进入锚室前从排水通道先期排出山体。拟采用2种处治方案进行比选: 方案1, 定向钻孔排水法+阻水排水帷幕; 方案2, T形排水小隧道+排水帷幕。

4.1 方案比选

方案1。以锚室内不出现积水为条件, 确定排水管的排水能力。从主塔处向西锚碇方向分别钻进4道Φ200 mm孔道, 内设类似花洒的泌水孔钢管, 纵坡5.7%。两条外侧孔道位于左右锚碇的外侧, 在西岸主塔附近定向钻孔口, 从点经点钻至锚室后方25 m处的点(图2(a))。两外管道位于注浆帷幕的内侧下方, 在主塔附近定向钻孔口, 从点标高钻至锚室后方25 m处的点(图2(b)), 侧方来水绕过帷幕时正好进入排水管道排出。沿两内侧管道分别向后锚室最低点钻进1条Φ200 mm的管道, 水头高度约16.0 m, 锚室内积水可顺利排出, 同时该管道做为锚室正下方的排水通道, 与锚室外2条定向排水通道形成锚室底部的排水面, 共同降低锚底的地下水位。

(a) 平面图1

(b) 平面图2

图2 方案1钻孔管道平面图

方案2。排水小隧道长约383 m, 隧道断面内壁宽2.0 m, 高2.3 m。在西岸2主塔中心线处设置隧道入口, 孔口低点标高959.000 m, 主要采用人工开挖(在距桥梁结构物区域10.0 m外可微型钻爆)[8], 向西锚碇方向凿进隧道(纵坡3%)至高点(图3)。隧道位于左右锚碇的中心底部, 距离锚碇底板的竖向净距为6 m。锚室后方隧道沿横桥向分别向两侧水平开挖约35 m, 使隧道成“T”形。隧道侧壁设排水管, 底部设排水沟; 顺桥向排水隧道在锚碇对应范围内, 向两侧斜上方设间距3 m的Φ76 mm 排水孔, 坡度为5%和10%交错布置, 长约35 m, 覆盖锚室正下方, 通过该排水幕将锚碇底部地下水汇集到隧道再排至地表; 锚室后方横桥向沿隧道向上设置间距3 m的Φ76 mm排水孔形成排水幕, 排水孔高60 m, 使锚室后方层流运动水[3]通过排水孔流入排水隧道排出。在后锚室的最低点集水井处, 可通过向隧道打一排水孔, 排出锚室内积水。

以上2种降排水方案的多目标分析对比如表1所示。方案1采用定向钻技术在工程规模和工期方面略有优势, 相比隧道施工的成熟可行性, 该技术在遭遇大规模的岩石地带和钢筋混凝土时, 掘进困难, 存在较大的施工难度和施工风险; 后期排水管道使用, 由于钙质水的特殊性, 容易封堵, 且其检查和维护方面存在较大的困难; 方案1工程费用超过方案2约20%, 从造价考虑, 方案2优于方案1, 但是相比整个大桥的建设和运营期维护管理费用, 方案1和方案2均为经济合理方案。方案2的排水隧道施工技术成熟, 虽开挖面积大, 但不影响锚碇的安全可靠性; 通过从隧道顶部与三面排水帷幕相接, 使得锚体周围水压迅速降低, 从而极大地减少了山体渗水进入锚碇。综合考虑, 确定方案2为最终的水害处治方案, 同时采用抽水设备和应急供电设备作为应急措施, 提高排水效率。

表1 2种水害处治方案对比

4.2 方案优化

方案2的排水孔形成“L”状, 竖向和斜向钻孔对接施工困难; 熔岩地区富含钙质的水源, 排水帷幕转角处易被封堵, 使得管道的使用检查维护相对困难, 存在一定缺陷。因此需对该方案进行优化，方案2优化后如下。

隧道长约450 m, 断面内壁宽2 m, 高2.3 m, 顶部呈拱形。该排水隧道出口设置在主塔侧面(图4), 距离桥梁中心线35 m处, 入口点高程959.459 m。隧道从入口平行于桥梁中心线开挖至锚碇后方点, 然后横桥向开挖绕过锚室, 并延伸至散索鞍支墩处点, 形成“η”形, 纵坡为2%, 隧道的排水基本面位于锚室最低点。隧道在锚碇对应范围内, 从侧壁向锚碇中心线钻设间距为3 m的Φ76 mm排水孔, 排水孔按坡度5%和10%交错呈梅花型布置[9], 锚底地下水通过该排水幕汇集入隧道排至地表。锚碇后方, 从隧道顶板竖直向上钻设长度约60 m间距3 m的排水孔, 形成对锚碇三面包围的排水幕, 将锚锭三侧围岩裂隙水汇集至隧道排出, 降低三侧地下水位至锚底以下。在后锚室的最低点集水井处向隧道钻排水孔, 排出锚室积水。

优化后的方案以“η”小隧道形式, 对锚锭呈包围降水态势, 降水排水效果更好; 此外, 使得排水帷幕为平面形态, 避免管孔拐角受钙质水侵蚀而逐渐缩小至封堵状态; 锚室形成立体降排水, 效果较好。该优化方案在施工技术上较为成熟, 后期检查维护也更具便利优势。

图4 方案2优化后布置

4.3 辅助处治措施

检查并清理锚室上方排水沟和截水沟等通畅情况, 增设锚室内部防水、结构防腐以及锚室内除湿等措施。对锚室内的集水井、排水系统等进行密封改造, 使整个锚室排水过程处于密闭环境, 使得该过程中锚室湿度可控。

锚室内采用符合规范要求的水泥基渗透结晶型防水材料涂刷锚塞体端面及锚室壁面等部位[10]。室内轻微渗水处, 采用凿“V”型槽用环氧砂浆封堵, 并对整个渗漏水区域采用水泥基渗透结晶型防水材料双层涂刷。对无渗水干裂缝, 在裂纹上凿“V”型槽后冲洗干净, 并及时采用环氧砂浆嵌补抹平。对前后锚室通道做防水层; 对后锚室最底面, 采用排水板等方式进行内部排水, 避免明水。

5 结论

在排截防水的总体思想指导下, 综合考虑施工、管理和维护排水结构及经济等因素, 比选了多种由定向钻孔技术、隧道和排水帷幕技术组配的排水方案。选取了“T”形排水隧道+排水帷幕(方案2)方式来处治水害, 并对方案优化设计成“η”型小隧道, 结合直线型排水帷幕, 使排水系统的使用和养护更便利。在该方案的基础上, 再配备锚室内部应急排水设施, 从根本上保证了大桥的安全性和耐久性。

参考文献：

[1] 杨哲峰, 高诗明, 王双超, 等. 低渗透性地层隧道超前加固改进研究[J]. 铁道工程学报, 2015(1): 99–103.

[2] 吕玺琳, 王浩然, 黄茂松. 盾构隧道开挖面稳定极限理论研究[J]. 岩土工程学报, 2011, 33(1): 57–62.

[3] 王梦恕. 中国隧道及地下工程修建技术[M]. 北京: 人民交通出版社, 2010: 88–89.

[4] 潘海泽. 隧道工程地下水水害防治与评价体系研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2009.

[5] 朱大力, 李秋枫. 预测隧道涌水量的方法[J]. 工程勘察, 2000(4): 18–23.

[6] 张伟杰. 隧道工程富水断层破碎带注浆加固机理及应用研究[D]. 济南: 山东大学, 2014.

[7] 周玉宏, 赵燕明, 程崇国. 连拱隧道施工方案的应力分析[J]. 公路交通技术, 2003(3): 83–85.

[8] 黄红元, 刘伟. 爆炸荷载作用下岩溶区隧道围岩变形分析[J]. 公路交通技术, 2003(6): 72–75.

[9] 地下工程防水技术规范: GB 50108-2008[S].

[10] 肖仁成, 余晓. 土力学[M]. 北京: 北京大学出版社, 2006: 19.

(责任编校: 江河)

A suspension bridge tunnel anchor chamber treatment scheme comparison and optimization of water disasters

Zhou Xu, Xiao Kaidong, Fu Lei

(Guizhou Expressway Group Ltd, Guiyang 550000, China)

After a suspension bridge in karst region, concrete anchor chamber surrounded by soil infiltration of catchment, poor drainage caused anchor room a lot of water, and adversely affected the durability of anchor chamber components. By analyzing the hydrological geology and the status of the anchor chamber water disasters, several schemes are designed, and the “T + small drainage tunnel drainage curtain” is the best solution. At last, the scheme is optimized.

suspension bridge by anchor; tunnel anchor chamber; water disasters; the treatment; the design optimization

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.016

U 453.6+1

1672–6146(2015)03–0068–05

周旭, zhouxu2007@aliyun.com。

2015–04–18