黄土隧道仰拱裂缝渗水原因分析及处治措施

索建波

(中铁二十局集团市政工程有限公司， 甘肃 兰州 730046)

0 引言

黄土在我国分布很广，面积约63万km2，其中湿陷性黄土约占3/4，遍及甘肃、陕西、山西的大部分地区以及河南、宁夏、河北等部分地区。近些年随着国家“一带一路”政策的推行，中西部地区的交通基础设施建设取得了长足发展，隧道选线时难以避免将穿越各种类型的黄土地层。由于地表降水渗透等原因导致隧道周围土体含水率较高，隧道衬砌结构周边水压力较大，隧道结构裂缝处将出现渗水。通过对已运营隧道病害的统计分析，隧道衬砌结构渗漏水为最常见的病害，有着“十隧九漏”的说法。仰拱裂缝渗水作为衬砌结构渗漏水的一种，对后期运营造成的危害巨大，一方面渗水导致位于寒区的隧道路面结冰，影响行车安全，另一方面衬砌结构内水的冻胀造成体积膨胀，从而对混凝土造成冻害。而冻害是寒冷地带导致衬砌混凝土劣化的主要原因。因此有必要对黄土隧道仰拱渗水原因进行分析，并在施工阶段采取必要的措施以避免仰拱衬砌结构出现渗水现象。

文章通过对蒙华铁路某黄土隧道仰拱裂缝渗水的原因分析并针对裂缝渗水的不同情况提出了两种处治措施，可为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况

蒙西到华中煤运铁路是国内一次建成最大规模的运煤专线，线路北起内蒙古浩勒报吉，终点到达江西省吉安，线路全长1837km，规划设计输送能力为2亿t/年。跨越蒙、陕、晋、豫、鄂、湘、赣七省区，投资概算1700亿元，是继大秦线（山西大同至河北秦皇岛）之后国内又一条超长距离的运煤大通道。

蒙华铁路某隧道位于陕西省延安市境内，隧道全长1369m，最大埋深138m，为单洞双线隧道。洞身穿越地层范围内为砂质新黄土、黏质老黄土、粉质黏土。隧道区地下水主要为第四系孔隙水，主要受大气降水补给，向两侧山谷排泄。隧道洞身处主要为第四系孔隙潜水，水量受季节影响较大。设计正常涌水量125m3/d，最大涌水量326m3/d。

2 黄土隧道仰拱裂缝渗水机理分析

2.1 裂缝产生原因分析

（1）由于蒙华铁路为煤运重载铁路，为确保二衬仰拱的整体性，业主要求仰拱施工采用40m长栈桥，一次施作长度24m。在隧道基底地质发生变化处，地基承载力不同，二衬仰拱若在该处未设置施工缝，二衬仰拱浇筑完成后，在车辆荷载的作用下，极易导致该处产生横向贯通裂缝[1]。

（2）对于黄土隧道，施作二衬仰拱前基底清理较困难，尤其当基底渗水时，黄土遇水成泥，人工清理难度大大增大。若局部未清理干净，二衬仰拱浇筑后在车辆荷载的作用下将会产生沿隧道走向呈斜向的裂缝。该类裂缝出现一般具有不确定性和延时性。

2.2 渗水原因分析

黄土是第四纪干旱和半干旱气候条件下形成的一种特殊沉积物。颜色多呈黄色、淡灰黄色或褐色；颗粒组成以粉土粒为主，约占60%～70%，粒度大小较均匀，粘粒含量较少，一般仅占10%～20%；含碳酸盐、硫酸盐及少量易溶盐；孔隙比大，一般在1.0左右，且具有肉眼可见的大孔隙；具有垂直节理，常呈现直立的天然边坡。在土体细小的孔隙和裂隙中，受毛细作用控制的水叫毛细水，其是岩土中三相界面上毛细力作用的结果。对于土体来说，毛细水上升的快慢和高度决定于土颗粒的大小，土颗粒愈细，毛细水上升高度愈大，上升速度愈慢。砂土及粘性土类毛细水上升最大高度见表1。

表1 毛细水上升高度（单位：cm）

根据杨新安等人的研究结果表明，隧道内产生渗水的主要原因是建造隧道会破坏山体原始的水系平衡，导致原有的地下水渗流通道发生了改变，隧道成为了所穿越地区山体附近地下水汇聚的通道，导致隧道处于地下水包围之中。对于黄土隧道而言，土体中的含水量与降雨量及隧道埋深均有一定的关系。当隧道穿越沟谷时，隧道周围土体含水量较大，隧道周围土体与含水地层连通，若隧道防排水施工存在缺陷或衬砌结构存在裂缝，势必会导致裂缝处出现渗水。该隧道仰拱裂缝渗水集中区域纵断面见图1。

图1 仰拱裂缝渗水集中区域纵断面图

此外，对于隧道穿越区地下水水位较深的地层，在毛细力作用下，一部分水也会沿着细小孔隙上升，能在地下水面以上形成毛细带。毛细水能做垂直运动，可以传递静水压力。导致开挖时基底干燥的隧道在施工完仰拱后裂缝也会出现渗水现象[2]。

3 处治措施

3.1 裂缝处治方案概述

经现场调查统计，该隧道仰拱裂缝均为横向裂缝，宽度＜3mm，共计15条，其中渗水裂缝有8条，无水裂缝7条。裂缝集中分布于隧道400m长度范围内。全部裂缝累计长87.5m。

对于隧道内仰拱裂缝按照渗水情况进行分类，划分为无水、有水两种，分别采取不同的处治措施。对于无水地段及渗水轻微的仰拱裂缝采取以堵为主的治理原则，处治措施采取表层开槽填筑10cm厚柔性聚氨酯封闭，下部裂缝灌注环氧树脂浆液。对于渗水严重的仰拱裂缝采取以排为主的处治原则，采取裂缝处开槽埋管将渗水引排至两侧水沟内，槽内回填掺膨胀剂的高强度细石混凝土。

3.2 裂缝封堵处治措施

对于无水地段的仰拱裂缝及渗水轻微的仰拱裂缝按照以堵为主的原则进行治理，裂缝内灌注环氧树脂浆液进行封堵。

对于有水地段仰拱裂缝渗水不严重的区域。裂缝表面仅有少许水迹。

在仰拱裂缝在处治之前，先将裂缝走向沿填充顶面标记清楚，开槽按照标线进行，开槽后将槽内杂物、虚渣用高压水清理干净，验收合格后方可进行环氧树脂灌浆。

仰拱裂缝处治使用的环氧树脂灌浆材料是采用低粘度环氧树脂和新型固化剂，浆液粘度低、表面张力及接触角小，在干、湿及有水条件下均能很好的固化，具有良好的浸润和抗渗性能，同时具有一定的力学性能。

压浆采用专用的注浆管，先用冲击电钻打孔，孔径15mm，孔深10cm。然后在注浆管口涂抹环氧树脂浆液并用铁锤打入孔内。注浆口间距根据裂缝宽度而定，一般为50～60cm。钻孔清理干净后安装注浆针管，注浆针管长10cm，安装时外露2cm，以便于注浆设备连接。

压浆时将注浆针管与注浆嘴联结，每次联结 2个注浆嘴，注浆顺序为间隔注浆。如图2所示。

图2 注浆嘴联结示意图

注浆时如果相邻的管口有浆液流出，即表明注浆饱满，结束该管口注浆作业。若裂缝内浆液未能充填饱满，可在该孔口周围补钻孔重新压浆，每条裂缝注浆结束后即可进行槽内柔性聚氨酯封闭作业。注浆结束后要及时用丙酮清洗注浆设备及管道，防止管路系统固结堵塞[3]。

3.3 裂缝渗水引排处治措施

对于有水地段仰拱裂缝渗水较严重的区域，一般来说，此类裂缝黄土地层中土体含水率较大，普遍达到 20%以上，土颗粒中的水通过裂缝直接涌出仰拱填充面，造成填充面出现积水。此类裂缝采取以排为主的处治原则，采取裂缝处开槽埋管将渗水引排至两侧水沟内。

3.3.1 处理流程及处理方案

处理流程主要如下：开槽→槽面清理→U型PVC管材安装→防裂网片安装→微膨胀混凝土回填。

（1）开槽：在渗水、冒水范围内进行开槽处理，将仰拱填充顶面凿开 16cm（宽）×15cm（深）倒梯形沟槽接通至隧道水沟电缆槽内，槽内坡度≥2%，与水沟电缆槽连接处槽口高出水沟电缆槽底部5cm。

（2）槽面清理：槽内浮渣、虚渣等清理干净，槽底平整，确保U型PVC管材安装平整，槽面清理完成后在槽内两侧施工缝表面涂刷 2层水泥基渗透结晶型防水涂料防水。

（3）U型PVC管材安装：从渗水位置安装U型PVC管材，U型PVC管材出水口采用PVC管形成圆口联通至水沟电缆槽内，U型PVC管材两侧采用M15砂浆将U型PVC管材与槽底进行封堵，防止混凝土回填时水泥浆进入管材内，造成管材内堵塞。

（4）安装钢筋网片及混凝土回填：距填充顶面以下5cm安装防裂钢筋网片，开槽部位采用微膨胀混凝土回填密实。具体断面图详见图3。

图3 仰拱裂缝渗水处处理断面图

3.3.2 其他注意事项

混凝土回填后，混凝土表面垫钢板，待回填混凝土强大达到100%后方可移除，开槽完成后必须将虚渣清除，不密实处凿除处理，回填混凝土前新旧混凝土面保持湿润。

4 结束语

综上所述，隧道仰拱裂缝渗水作为隧道病害的一种，产生的原因较复杂，在隧道勘查设计阶段就要预防可能出现的病害，进行合理设计。施工阶段发现此类病害必须进行彻底治理，否则将会对后期的交验和运营产生的很大影响。

该黄土隧道按照以上处治方案对隧道内所有的仰拱裂缝进行处理后，渗水裂缝处不再渗水，裂缝处理达到预期效果。一方面为后期工程交验奠定了良好基础，同时也为类似隧道缺陷的治理提供了一种思路。

[1]邵生俊，杨春鸣，焦阳阳，等.湿陷性黄土隧道的工程性质分析[J].岩土工程学报，2013，35（09）：1580～1590.

[2]卢颖明，陈礼伟.既有隧道病害现象分类及原因分析[J].铁道建筑，2010（11）：46～49.

[3]张雷顺，马俊斌，张照方.隧道工程渗漏治理分析[J].人民黄河，2009（02）：96～97.