京珠高速公路洋碰隧道水害原因分析及安全性评价

2020-06-05祝志恒李林毅

隧道建设(中英文) 2020年5期

刘浩，祝志恒，李林毅

(1. 广东交科检测有限公司，广东广州 510550； 2. 中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075)

0 引言

随着国家经济的飞速发展，为满足人们日益增长的出行需求，以公路隧道为代表的基础建设项目迅速增加[1]。已建公路隧道运营情况调查表明，在富水地层(尤其是岩溶地层)中，因复杂地质条件、防排水系统缺陷、地表强降雨等造成的运营隧道结构渗漏水、局部裂损破坏等问题时有发生[2-4]。这些问题不仅影响隧道内部机电、消防等设备的使用，还会导致路面大面积变形、结构开裂破坏，严重时将危及来往车辆的行驶安全[5-6]。

目前，不少学者及工程人员从仿真分析、现场调研、地质勘探等方面对运营公路隧道水害问题的成因及演变机理进行了研究。例如：刘敏捷等[7]针对隧道路面渗漏水问题，建立隧底结构流固耦合模拟计算模型，分析了隧底结构形式、孔隙率在交通荷载作用下的动水压力响应特征；张彦龙等[8]依托广梧高速公路茶林顶隧道工程，通过现场勘探与仿真分析手段，明确了此隧道水害发生的原因及机理；李凯等[9]通过隧道地表调查，明确了集中降雨、渗透性强、岩溶发育是韶赣高速白山隧道水害发生的主要原因；林嗣雄[10]依托典型水害案例，对现场水害特征进行了详细统计，定性分析了水害原因，并提出了相关防治建议；邵明利等[11]从气候条件、地形地质、区域构造等方面分析了黄衢南高速石崖坞隧道水害机理，并提出了隧道内井点降水法的水害治理方案。

上述研究经工程实践验证，一定程度上揭示了隧道水害问题的病害机理，较好地指导了同类工程施工及设计。但是，受限于现场实施条件，既有研究多为基于地质资料的定性分析与模拟探讨，而对水害隧道隧址区水流动特性与不良地质体的探查缺乏足够认识，难以从本质上揭示水害问题的演变过程。因此，本文依托京珠高速洋碰隧道水害案例，联合地质勘探与水连通试验手段，探明隧址区不良地质情况与水连通特性，并采用FLAC 3D软件对雨后高水压下的隧道结构安全性进行模拟评价，系统分析案例隧道病害成因，以期为同类案例提供借鉴与参考。

1 洋碰隧道基本概况

1.1 隧道概况及工程地质条件

洋碰隧道是京珠高速公路的一座分离式双线隧道，位于广东省北部山区，左线里程号为LK76+287～LK78+340，全长2 053 m，右线里程号为RK76+300～RK78+410，全长2 110 m。隧道为单向坡设计，西高东低，线路坡度为2%，隧道起讫高程分别为228.37、187.07 m，最大埋深250 m。隧址区地质构造复杂，洞身穿越多处断层，地层岩体破碎，岩质主要为砂岩、灰岩。隧道地表大范围为强透水地层，雨水下渗条件较好，加之隧址区降雨较为丰富、夏季暴雨频发，地下水补给较为充分。隧道西端进口附近为南水水库，工作期间的水位高程约为210 m；隧道东端出口处为双口河，为当地最低排泄基准，高程约为128 m。隧道与周边工程、地质构造的位置关系如图1所示。由图可知隧道总体处于“南水水库—双口河”排泄路径高程之上，该排泄路径会影响隧道渗流，但并非起主导作用。

图1 洋碰隧道区域构造及周边情况

Fig. 1 Regional geological structure and surrounding conditions of Yangpeng Tunnel

1.2 运营期水害情况

洋碰隧道2003年通车后，水害频发段1、2(见图1)常年存在隧道渗漏水病害，部分断面衬砌边墙部位出现环向、斜向裂缝。2012年雨季期间，隧道内发生涌流及喷射状渗漏水，危及结构安全与行车安全，现场病害情况如图2所示。此外，由于地层岩溶发育、溶洞塌陷频发，水害段地表还存在较为严重的地面塌陷问题。其中，病害最严重的水害频发段2的地质纵断面情况如图3所示。考虑洋碰隧道受“南水水库—双口河”排泄路径的渗流影响总体不大，其运营期水害应主要与地表降雨有关。

(a) 拱顶喷射状渗漏水 (b) 边墙泄水孔涌水

图2现场病害情况

Fig. 2 On-site disease situation

1.3 水害段支护设计

水害频发段2(RK77+500 ～ RK78+000)穿越4处断层，洞身主要穿越灰岩、砂岩，围岩等级包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级。在Ⅴ级围岩段内，隧道采用S2型复合式衬砌，其开挖跨度×高度=13.00 m×9.80 m，仰拱内径R3=15.80 m，开挖面积为105.52 m2，如图4所示。具体支护参数为：φ22 mm药卷锚杆，长3 m，间距1.0 m×1.0 m(环×纵)；初期支护25 cm厚C20喷射混凝土、间距80 cm的I22 a工字钢；二次衬砌50 cm厚C20钢筋混凝土，环向钢筋配筋φ22 mm@200 mm。

图3 水害严重段落地质纵断面(右线)(单位： m)

Fig. 3 Geological profile of water disease section(right line)(unit: m)

图4 S2型复合式衬砌结构断面(单位： cm)

2 基于高密度电法的地质勘探分析

洋碰隧道出现的渗漏水病害及地表塌陷情况表明水害段地质条件复杂、地层岩溶发育，因此，开展地表物探工作，进而探明水害段溶槽、溶洞、断层破碎带等不良地质体的分布状况是十分必要的，也可以为后续整治工程的方案制定提供依据。

2.1 测试方法及具体方案

高密度电法勘探是一种工作效率高、环境干扰小、地电结构信息丰富的地球物理勘探方法。以岩溶地层为例，其工作原理为：通常情况下岩溶发育岩体与岩溶不发育岩体存在明显的电性差异(见表1)，对于水位以下或土类充填的溶洞、溶槽、溶沟，因水、土介质电阻率低，视电阻率将呈现低阻异常；而空洞或半充填溶洞，因空气介质电阻率高，视电阻率将呈现高阻异常。由此，通过上述地电性质的差异，可用于探查岩溶、断层等不良地质体。

高密度电法采用施伦贝尔装置，其电极排列规律是： A、M、N和B为4根电极，其中，A和B是供电电极，M和N是测量电极，且AM=NB。在整个测量过程中MN点距固定，随着间隔系数由nmin增至nmax，AM与NB之间的点距均匀增加。数据按间隔系数由小到大的顺序分层存储，结果为倒梯形区域，如图5所示。

表1 测区主要地下介质电阻率范围

图5 施伦贝尔装置电极排列方式

结合水害段病害情况，在F13、F14断层带及影响区域地表布设3条横向测试线(见图3)，单条测线长130 m，有效测点共152个。测线横跨隧道上方，分别与隧道交于RK77+765、RK77+800、RK77+840。

2.2 水害段勘探结果分析

经数据处理，测线1—3的勘探结果如图6所示。由图6可知： 1)3条测线均探测到溶洞或溶蚀，已探得的最大岩溶发育区出现在测线3下方，达30余m，同时在测线2还探测到断层，上述情况表明水害段地层岩溶发育，存在多处溶洞或溶蚀； 2)结合现场病害情况，可以认为水害段隧道上覆地层断层交错复杂，溶洞、溶蚀发育，雨后地下水径流引发的溶洞变形、坍塌应是地表塌陷的直接原因，而断层破碎带及岩溶发育区同时也成为了隧道突涌水的主要通道，是雨后隧道渗漏水病害的主要原因。

3 地下水连通试验及分析

地质勘探揭示了洋碰隧道水害段不良地质体分布情况，但对“雨水-岩溶水-隧道涌水”之间的水力联系仍不甚明确，因此，通过开展地下水连通试验，以期进一步探明水害段地下水连通性。

3.1 现场试验方案

水连通试验是一种研究地下水流动特性的常用方法。其基本流程为：在上游点投放特定示踪物质，并在下游点监测其质量浓度，最终得到上、下游点的水力联系程度。依据现场病害情况，本次试验选取病害严重的水害频发段2作为研究区段。通过详细的地表调查，在水害段地表选择6个典型地质点(岩溶管道口、坍陷区)作为投放点，并依据位置关系，在隧道出口及与隧道临近且基本等高的4#平导内依次布置9个接收点。同时，设置有2组投放工况，以区别探究平导与隧道的水连通性，具体分组及测试点位如表2和图7所示。此外，为区分不同投放点的测试结果，分别采用了荧光素钠(Na)、罗丹明(L)、增白剂(Z)3种示踪物质。

(a) 测线1测试结果

(b) 测线2测试结果

表2 测试工况与测点信息

(a) 测试组1

(b) 测试组2

(d) 6号接收点

3.2 测试结果及分析

2013年8月21日，隧址区历经大雨，于上午8:00进行了测试组1的示踪剂投放，并即时开始接收点的示踪物质测试，测试频率为半小时1次。2013年8月23日，隧址区历经中雨，于上午11：30进行了测试组2的示踪剂投放，接收点测试频率同测试组1。经现场测试，各测点示踪剂质量浓度变化时程曲线如图8所示。

由图8可知：

1)试验组1的示踪剂于8:00投放后，平导内的接收点JS05—JS09在9:00前均出现示踪剂，并在10:00时质量浓度到达峰值，表明地表降雨1 h内雨水便可通过溶洞、岩溶管道等地下水通道影响平导附近渗流场，而在降雨2 h后雨水引发的地下径流影响将达到最大。同时，测试结果还反映出水害段地下径流存在2个特点： ①地下径流以由西往东排泄为主；②地下水通道径流的影响区域范围不大。以TF02投放点为例，罗丹明(L)仅在其东侧的JS06、JS07被检测到，在西侧的JS05与距离稍远的JS08、JS09基本未被检测到； TF03投放的增白剂(Z)测试结果与TF02基本相同，进一步验证了上述特点。

2)试验组2的示踪剂于11：30投放后，位于隧道出口的接收点JS01—JS04在14:00检测到示踪剂，并在18:00左右质量浓度值到达峰值。表明地表降雨2 h后雨水便可通过地下水通道影响隧道渗流场，而在降雨6 h后影响达到峰值。此外，考虑投放点与接收点水平距离超过500 m，隧道排水流至出口还需一定时间，降雨实际影响时间应更早。

3)从测试结果来看，地表降雨与平导渗流场、隧道渗流场之间的水力联系规律大致相似，但降雨对平导的水力影响更为迅速。分析此现象，这应是由于隧道注浆措施优于平导的注浆措施，围岩注浆发挥了堵水效果，削弱了水力联系。但是总的来说，地表降雨与隧道渗流场之间仍具备较强的水力联系，同时,在强降雨条件下,雨水可通过岩溶水通道灌入式汇入地层，导致地层水头的明显升高，最终引发了隧道的相关水害问题。

(a) 测试组1

(b) 测试组1

(d) 测试组1(TF08)

(e) 测试组1(TF09)

(f) 测试组2(TF01)

(g) 测试组2(TF02)

(h) 测试组2(TF03)

(i) 测试组2(TF04)

图8水连通试验测试结果

Fig. 8 Results of water connectivity test

4 雨后高水压下隧道结构安全性评价

4.1 数值模型及边界条件

为进一步明确雨后高水压对隧道结构安全的影响规律，本文采用FLAC 3D有限差分软件[12]进行仿真模拟研究。依据现场病害情况，选取病害严重的RK77+800(测线2所在断面)作为典型断面进行分析。该断面埋深约90 m，计算中顶部取实际埋深，两侧及底部距离左右线3倍洞径以上，最终范围取为120 m×130 m(宽×高)，如图9所示。

(a) 边界条件设定(单位： m)

(b) 计算模型网格

该断面采用S2型复合式衬砌方案，根据地质特性和边沟排水方式，建立隧道结构排水模型，且渗流计算遵循如下假定： 1)地下水排泄满足Darcy定律； 2)围岩为均质、各向同性材料； 3)衬砌仅通过边墙排水管排水，环向盲管的排水特性通过增大初期支护渗透性的方式进行模拟。

模型力学边界：底部固定约束，两侧水平约束。渗流边界：底部、两侧孔压固定，均能与外界发生液体交换；根据不同工况，对应调整地下水面高度。围岩采用实体单元模拟，服从摩尔库仑屈服准则。参考有关文献[2,5,7-8]，隧道结构(初期支护、二次衬砌、排水管等)均采用实体单元模拟，服从线弹性本构模型。

4.2 模拟工况及参数选定

根据地勘资料，该断面围岩主要为地表碎石土、深部灰岩2种，模型中对上述2种围岩均予以考虑，具体材料参数依据地勘资料取值；支护结构的力学参数按照“等效刚度法”计算；支护结构渗透系数采用“以管代孔”的方法进行等效[13]。各材料的计算参数见表3。

表3 材料计算参数取值

地质勘探与水连通试验结果显示，在集中降雨后该断面存在地层水头迅速上升的可能，同时有关案例表明类似地质条件下因降雨引发的地层水位动态变化超过50 m[14]。因此，参考文献[5,15]研究成果以及结合本隧道埋深情况，采用逐级提升地下水液面高度的方式，等效降雨引发的地层水头增长，并设置如下4种模拟工况： 1)无水工况，作为有水工况的对比组； 2)地下水位高出隧道顶面20 m； 3)地下水位高40 m； 4)地下水位高60 m。

4.3 模拟结果分析

根据工况1—4的计算结果，提取左线隧道结构外水压力分布，如图10所示。提取二次衬砌结构内力，并依据《公路隧道设计规范》[16]计算其结构最小安全系数，最终获得典型部位相关数值，结果如表4所示。

由图10可知： 1)随着地层水头的升高，隧道外水压力迅速增长，其中拱顶、隧底部位增幅较为明显，而边墙脚处因受排水影响增幅较小； 2)在各工况下，水压力量值均存在“隧底、拱顶最大，边墙、拱部次之，边墙脚排水处最小”的分布规律，同时当地层水头为20、40、60 m时，隧身最大水压力分别为118、246、356 kPa(均位于隧底)； 3)水压力分布出现了一定的左右不对称，即左侧水压力总体大于右侧，分析此现象，应是由于隧道右侧的右线隧道排水降压所导致。

由表4计算结果可知： 1)当地层无水条件下，即工况1，衬砌结构最危险点位于边墙处，其安全系数为3.6，能够满足规范[16]限值要求，表明无水条件下衬砌安全性良好； 2)随着地层水头的升高，衬砌结构各部位内力变化显著，结构安全系数降幅明显，其中拱顶、边墙部位内力增长明显，仍以小偏心受压模式承载，而隧底部位承载模式由小偏心受压逐步发展为大偏心受压； 3)至地层水头60 m时，边墙、隧底部位安全系数均较小，已接近规范[16]中规定的“结构安全系数不得小于2.0”的限值要求，若考虑其他不利因素影响，衬砌结构存在开裂、破损的可能。同时，上述计算结果与现场病害特征、病害位置吻合较好，也验证了数值模型的准确性。

图10 外水压力分布图(单位： kPa)

表4 模拟计算结果

注：N为轴力，正值代表受压；M为弯矩，正值代表内侧受拉。

综合上述结果可知，在降雨引发的地层高水头条件下，排水系统虽发挥了一定泄压作用，但是隧道结构仍承受着较高水压力，导致结构受力恶化，大幅削弱了衬砌安全性，尤其是在边墙、隧底部位还存在结构安全性无法满足的可能。因此，集中降雨时，应注重富水段落隧道结构的泄水降压，并关注边墙、隧底部位衬砌结构安全性。

4.4 水害防治措施与现场效果

结合地质勘探、连通试验、仿真分析结果可知，地表强降雨频发、地层岩溶发育、灌入式雨水下渗通道是此隧道水害的主要原因，而上述原因综合导致的隧身外水压力过高是病害发生的直接原因。基于上述分析，现场制定了“疏排为主、局部封堵为辅”的整治原则，并开展了水害段治理(见图11)。具体措施包括： 1)4#平导内新增鱼骨式泄水廊道，提高地层水疏导能力； 2)根据水连通试验结果，将与水害段具有强水力联系的数个塌陷区、落水洞进行封堵及引流处理，封堵处理采取“粗颗粒料+注浆加固”的方式，而引流处理采取“坍陷区外围截水沟+区内排水沟”的方式； 3)隧道水害区段新增一定数量的边墙泄水孔，加强隧道排水能力。

经现场整治后，隧道运营状况良好，雨季期间未发现明显的水害，验证了上述整治方法的有效性。