乔原黄土隧道渗水病害处治技术

魏网民

（山西交控集团临汾南高速公路分公司，山西 临汾 041000）

富水黄土隧道的渗水病害一直是工程界的难题，处治不当会造成围岩土体软化或泥化，导致隧道地基土承载力降低，衬砌结构受力剧增并可能出现开裂病害[1-2]。吉县至河津高速公路乔原隧道为典型富水黄土隧道，在工程施工期间，出现了初支渗水、二衬和仰拱纵向开裂以及隧道仰拱水位较高等病害。本文通过对病害成因进行综合分析，结合工程水文地质情况，因地制宜，提出了“疏排结合+结构加固”的病害处治方案，取得了良好的病害处治效果。

1 工程背景

1.1 隧道基本情况

乔原隧道位于山西省临汾市乡宁县乔原村境内，设计为左右分离式，左右洞分别为1 572 m、1 626 m，均属于长隧道，左右洞体最大埋深114.98 m（116.254）。隧道位于黄土塬区，塬面平整，由于黄土土质疏松，在地表水的侵蚀、冲蚀作用下，四周冲沟发育，沟深坡陡，沟间多有残塬分布。隧址区水系属黄土流域的黄土水系，隧道布设范围内无地表水分布，两端洞口所处冲沟内只有雨季时有暂时性水流汇集，一般时节干涸无水[3]。

1.2 病害表现

1.2.1 隧道渗水

隧道施工期内，开挖掌子面时无渗水，在超前支护和立拱架过程中，掌子面开始出现较为严重的渗水；初支表面随之出现斑点状渗水现象，其后渗水连接成片并覆盖整个初支表面，局部出现连续线状滴水，并伴有白色结晶体出现。根据水质监测报告化验分析，成分主要为二氧化硅，含量为17.1 mg/L，是由喷射混凝土中水泥、速凝剂与水反应产生。

图1 初支渗水

施工单位在仰拱处开挖探坑进行水位监测，观察7 d后发现中央排水管内水位始终保持在60 cm左右，经测算排水量达到1.50 m3/h，仰拱基底水位较高。

1.2.2 隧道仰拱、二次衬砌裂缝

在日常质量巡查中发现，吉县端左洞ZK9+282（距洞口108 m）处二衬出现一条细微裂缝，缝宽小于1 mm，长约2.6 m。随后技术人员对隧道进行逐段排查，共发现细微裂缝12条。其中吉县端左洞右侧4条，吉县端右洞左侧6条，该10条裂缝全部为二衬裂缝；在河津端左洞左侧发现二衬开裂1处共48 m，贯通4板；在河津端右洞发现仰拱开裂1处共72 m，贯通6板。

图2 仰拱开裂

图3 二衬裂缝

2 原因分析

根据隧道水文地质情况和病害特征进行分析，隧道穿越地层在毛细力作用下，水分沿细小孔隙上升形成毛细带，隧道开挖后破坏了原有地层的水系平衡状态，水分向隧道围岩逐渐聚集，导致围岩土体含水率增大，并呈软塑状态，其强度和自稳能力急剧变弱，隧道初支承受的土压力和水压力随之大幅增加。同时由于隧道洞身段地形平坦，地表水无法沿沟道排泄，在雨季期间大气降水集中沿土体孔隙下渗，从而形成暂时性孔隙水或包气带水，造成洞体内产生渗水形成线状滴水现象。

在隧道施工过程中，由于二衬施工时围岩变形未全部释放，使得二衬过早参与受力，当其超过衬砌结构强度时便出现开裂现象。隧道仰拱施工会对地基土体产生一定扰动，加之渗水导致的土体强度降低，使得拱脚和仰拱地基承载力急剧下降，最终导致仰拱沉降过大并发生结构开裂。

3 处治方案

3.1 隧道渗水处治

经病害成因分析，隧道围岩水文地质条件变化是导致二衬及底板开裂的主要原因，建议在隧道施工过程中加强监控量测，并采用动态设计方法对隧道初支和二衬的支护参数进行调整。隧道仰拱出现开裂部位采取“型钢框架+钢筋网片”的方案进行加固，同时采用渗井降水措施降低仰拱水位，确保隧道工程结构安全。

3.2 隧道仰拱加固处理

3.2.1 施工方法

隧道仰拱出现开裂部位采取“型钢框架+钢筋网片”的方案进行加固，施工工序和操作方法如下：

图4 隧道仰拱加固施工工序

a）沿拱脚两侧纵向刻槽并安放I28a槽钢，槽钢顶部与路面平齐，横向每隔5 m刻槽并安放I20a工字钢与I28a槽钢焊接。

b）在拱脚两侧打设4根Φ42无缝注浆钢管，在十字交叉位置处Φ25中空注浆锚杆与工字钢焊接，锚杆长度为3.0 m。注浆采用双液注浆泵；浆液采用水泥水玻璃双液浆，水泥浆与水玻璃浆体积比1∶0.5，注浆压力 0.1～0.3 MPa。

c）沿隧道纵向在设双层网片段落内设3道I16工字钢与I20a工字钢牢固连接。

d）横、纵向型钢架安装以及注浆完成之后，利用空压机对施工作业面进行清理。最后沿隧道纵方向再设双层φ12的15 cm×15 cm钢筋网片。

e）在施工段落内，每隔10 m设横、竖向排水管，并用三通接头连接，将渗水引入中央排水管内，横、竖向排水管均采用Φ116单壁波纹管，管内填充2～3 cm碎石。

f）钢管、型钢框架、钢筋网片及排水管施工完毕后，进行调平层混凝土施工，混凝土施工前先进行挂线，确保混凝土标高；浇筑过程中振捣均匀，确保混凝土密实；加强混凝土整平施工控制，确保调平层表面平整度，详细情况如图5所示。

图5 处治方法断面图

3.3 隧道地下水位处治方法

3.3.1 处治原理

为彻底解决隧道仰拱地基下沉问题，在隧道底板设置渗水井，渗水井钻至基岩破碎带，使隧道围岩内水分可沿渗水井排出，从而降低隧道仰拱地基水位，达到彻底处治病害的效果。

3.3.2 地下水降排处治技术

3.3.2.1 布孔方案

根据水文地质勘测结果，在隧道中央排水管两侧约50 cm处布置渗水井，间距20 m，两侧按梅花型布置，井深80 m，可根据地层情况适当调整井深，以漏水为终孔标志。施工完毕观察水位变化，根据孔内水位观测结果，在水量较大处将孔位加密，具体情况如图6所示。

图6 隧道渗水井孔处治

3.3.2.2 施工工艺

a）根据测量放线固定孔位，采用孔径为250 mm钻头开孔，钻孔伸入基岩下1 m处停止钻孔，拔出钻杆。

b）制作Φ180厚6 mm的钢花管，管壁上采用孔径为5 mm的渗水孔，梅花型交错布置，纵向间距7.5 cm。

c）在钢花管外侧包裹渗水土工布，用铁丝绑扎牢固。

d）安装钢花管，安装时要确保钢花管落到基岩上，再在钢花管与孔壁之间填充3～5 mm大小的碎石。

e）填充碎石后，将250 mm钻头更换为150 mm钻头，在该孔内继续钻孔，钻至破碎层后继续钻孔深度5 m终孔。然后安装Φ116 PVC管。

4 结语

隧道衬砌裂缝病害处治范围覆盖整个隧道，在施工过程中严格控制施工质量，满足处治方案的技术要求。处治施工完成后为检验处治效果，工程技术人员开展了如下监测工作：

a）对隧道二衬环向收敛变形量测，发现未出现明显变化。

b）通过对仰拱及二衬裂缝进行观测，发现裂缝未出现扩张现象，也未发现新增裂缝。

c）对隧道洞内钻井内水位进行观测，发现水位明显下降，并趋于稳定。

以上监测结果表明，针对富水黄土隧道出现渗水并对衬砌结构造成损伤的现象，采用隧道仰拱加固和洞内集水井降水的处治方案是可行有效的。