隧道二衬渗水病害机理及加固处治技术研究

袁和芬

(云南功东高速公路建设指挥部,云南 昆明 650299)

1 工程概况

1.1 隧道概况

功东高速公路徐家地隧道位于寻甸县阿旺镇东南侧，设计为分离式隧道，右幅隧道起止桩号为K13+746～K17+660，全长3 914 m，左幅隧道起止桩号为K13+776～K17+641,全长3 865 m。道路等级为双向四车道高速公路。隧道按照高速公路双洞单向分离式设计，设计车速为80 km/h。根据《公路工程技术标准》及《公路隧道设计规范》，隧道建筑限界采用双车道净宽10.25 m(行车道宽2×3.75 m，左侧侧向宽度0.5 m，右侧侧向宽度0.75 m，左侧检修道0.75 m，右侧检修道0.75 m)，行车道净高5 m，检修道净高2.5 m的标准。

1.2 水文地质

隧道左右幅进口段轴线方向约326°,隧道轴线与地形等高线近垂直相交，洞口自然坡度约45°，下部呈现近乎直立的陡坎。洞口处覆盖层主要为第四系残坡积层，土质较均匀，下伏基岩为二叠系上统玄武岩，自然状态下整体无滑动趋势，调绘访问斜坡无整体变形现象，斜坡自然状态下整体稳定性较好，但边坡施工开挖会破坏其稳定性，形成临空面后，边坡易失稳，存在垮塌、滑坡的可能。滑坡前缘已经抵达响水河床，侧缘发育次级滑坡，目前滑坡上已有植被生长，整体处于基本稳定状态。在强降雨、较强地震的激发下，存在滑动可能。拟建线路采用隧道从滑坡后方稳定山体通过，隧道埋深较大，滑坡对线路稳定性影响较小。

1.3 渗水特点

隧道右幅出口段在施工到K16+320时出现局部渗水，经临时处理排放后隧道继续向前掘进，近一年跟踪观察：渗水点出水单点集中，流量大小、压力基本持恒稳定，不受季节变化。

2 渗水病害处治方案

本次隧道缺陷处治方案编制时主要考虑了隧道正在运营通车中，沥青路面渗水对行车存在较大安全隐患，参考类似隧道处治施工的成功经验，针对不同部位不同程度的渗漏水情况，特制定处治方案如下。

表1 场地各岩土层主要物理力学性质指标

2.1 隧道裂缝渗水

采用导流法灌注丙烯酸盐浆液或针孔法灌注聚氨酯浆液进行封堵处治。

2.2 隧道局部浸润、点面状渗水

首先采用钻孔灌注丙烯酸盐浆液进行封堵处治；对于渗漏水比较严重的部位，再钻孔凿槽安装三通引流管处治。

2.3 线槽、消防栓、电话亭等预设构件边角渗水

开裂渗水：采用导流法灌注丙烯酸盐浆液或针孔法灌注聚氨酯浆液进行封闭处治(处治措施同裂缝渗水处治一致)。混凝土松散、麻面：采用钻孔灌注丙烯酸盐浆液进行封堵处治(处治措施同点面渗水处治一致)。

2.4 施工环缝或沉降缝渗漏水

对渗漏水施工缝进行凿槽安装U型橡胶排水带引流处治。

2.5 沥青路面渗漏水

采用槽钢盲沟引排处治。

3 隧道渗水现场情况分析

3.1 渗水隐患

由于隧道的修建破坏了山体原始的水系统平衡，隧道成为所穿越山体附近地下水聚集的通道，在隧道防排水施工中，工艺质量不达标，极易照成隧道渗漏水现象发生。通过对管段内隧道渗漏水观察发现，渗漏点主要集中在5个部位：(1)隧道裂缝处渗水；(2)隧道局部浸润、点面状渗水；(3)线槽、消防栓、电话亭等预设构件边角渗水；(4)施工环缝或沉降缝渗漏水；(5)隧道沥青路面渗漏水。

根据现场勘测和施工单位提供的资料可得：(1)水沟已做变更设计(右幅K16+315～K17+660段和左幅K16+030～K641段取消清水沟盖板，适当加厚路面水沟盖板，增大水沟净空断面，达到增大水沟流量，增大S=宽0.3×高(0.08+0.02)=0.03 m2)；(2)右幅K16+315右边墙渗水点出水单点集中，流量大小、压力基本持恒稳定，不受季节变化；(3)右幅K15+615～K17+660出口段(长2 045 m)右侧水沟流量局部已近极限，隧道贯通在即，K13+746～K15+615进口段(长1 869 m)右侧水沟流量最终汇入出口段，导致出口段水沟满负荷或超限运行；(4)右幅K16+315～K17+660(长1 345 m)出口段因K16+315处右侧边墙出现渗水，左右侧水沟水流量及水位差异较大；(5)从隧道局部预留排水口孔得：该隧道排水中钙化物含量较高，排水系统在运行中易堵，隧道长期运营存在水隐患。

3.2 渗水原因分析

(1)山区地下水资源丰富，年降雨量大。为了达到新的平衡，隧道必须承受地层水压力和围岩压力。大多数隧道都低于地下水位，而且后面的水压很高。在长期积累后，很容易沿着隧道的弱防水部分(板的防水焊缝和防水板的受损部分)渗透，通常通过沉降缝或结构缝[9]。

(2)隧道周围的裂缝水含有钙和混凝土中的化学物质，容易堵塞隧道的下水道系统，导致漏水。

(3)防水隧道系统故障。在施工过程中，防水板的透水性受到损坏，防水板的焊接不足，防水板和混凝土的间隙太大，没有止水带，或存在反装等施工问题。由于施工质量、材料质量等因素，隧道的防水层在施工过程中可能被破坏。因此，水有可能渗透到结构缝隙中，特别是拐角处。

(4)隧道的建设不理想。由于施工问题，隧道内环向盲沟，纵向和横向排水管连接不牢固，不形成闭环，水从缺水口流出。部分隧道排水量大，水平排水管不能满足排水需求，水量聚集过大造成车行横洞和人行横洞渗水。

(5)二次衬砌缺陷。在施工过程中，二次衬砌的质量、厚度、密封性不符合标准时会发生泄漏，二次衬砌混凝土具有一定的耐久性，但施工过程中也可能是由于缺乏研磨而引起的。混凝土和橡胶等防水材料由于外力容易分离，施工缝漏水。

(6)隧道路面的损坏主要表现在板裂、掉角，造成地下水渗漏。用刚性密封结构材料进行防水时汽车碾压导致材料出现破碎。隧道结构也存在热膨胀和冷却问题，发生了漏水。

3.3 缺陷处治实施步骤及施工工艺

(1)隧道裂缝渗水处治

采用针孔法灌注油溶性(或水溶性)聚氨酯浆液进行处理。

①准备：凿除裂缝30 cm范围防火涂料，详细检查、分析裂缝的情况，确定钻孔的位置和间距。

②裂缝表面处理：人工配合小型机械沿裂纹走向宽约5 cm、深约5～6 cm范围进行“V”型凿槽，然后清除缝口表面水泥浮尘、砂粒及疏松的混凝土块。

③钻孔：使用大功率冲击电锤等钻孔工具沿裂缝两侧交叉进行钻孔，孔距在40～50 cm，钻头为直径14 mm，孔与裂缝断面应成45°～60°交叉，钻孔深度必须穿过裂缝，但不得将墙打穿。

④洗缝：用空压机以0.6 MPa的压力向孔内吹风，将缝内粉尘吹洗干净，并观察裂缝的贯通情况。

⑤埋针头：在钻好的孔内安装灌胶针头，并用专用内六角扳手拧紧，使针头后的膨胀螺栓胀开。

⑥封缝：用瞬凝早强水泥砂浆封闭注浆孔。最后在表面喷涂20 cm宽2 mm厚水泥基渗透结晶型防水材料。

⑦灌浆：采用具有弹性止水的油溶性(或水溶性)聚氨酯浆液进行针孔法灌注处理，灌注顺序为由下向上，单孔逐一连续进行，当相邻孔开始出浆后，保持压力3～5 min，即可停止本孔灌注，改注相邻孔。

⑧拆嘴：灌浆完毕，确认聚氨酯完全固化即可去掉灌胶针头，清理干净已固化的溢漏出的浆液，恢复防火涂层。

(2)隧道局部浸润、点面状渗水处治

遵照“拱部封堵，边墙疏排”的原则，采用注浆引排工法，首先采用钻孔灌注丙烯酸盐浆液进行封堵处治。在渗漏水区域边缘线外12.5 cm范围内钻孔，孔径为14 mm，孔深为衬砌厚度-10 cm，孔间距70 cm，梅花形布置，然后安装止回注浆针头；注浆施工过程中逐步增加注浆压力，根据现场情况最终确定注浆压力参数。再进行钻孔凿槽三通引流管处治，三通引流管应根据现场情况，尽量设置在渗水较集中的位置，若相邻两条施工缝均渗水，则排水管设在两条渗水缝中间位置；排水管凿槽深度为15～20 cm，宽度为14～18 cm。设置一根直径为110 mm的竖向PVC管，在管壁周围钻设三排深度≥1.5 m泄水孔(与水平面夹角15°～45°)，使管壁外渗水能顺利进入管内，通过PVC管排出。施工时排水凿槽位置可根据现场情况进行调整，进入排水管的水排入边沟中。

(3)隧道施工环缝或沉降缝渗漏水处治

采用凿槽安装U型橡胶排水带引流处治：沿施工缝或沉降缝位置整环采用人工开凿第一层槽口，槽宽22 cm、深12 cm,注意槽面必须修整平顺无较大坑洼，槽口整齐；第一层槽口凿除完成后，再沿施工缝或沉降缝位置整环人工开凿第二层槽口，槽宽8 cm、深7 cm，呈V型状；施工缝或沉降缝位置拱脚采用钻机钻孔设置泄水孔，(与水平面夹角15°～45°)，孔深不低于150 cm；开槽完成后在第一层槽口两侧钻孔安装不锈钢内抱螺栓，然后将第一层槽面涂抹一层密封胶；清除U型橡胶排水带灰尘油污，将U型橡胶排水带锚固密贴于槽口上，然后采用不锈钢压条压实排水带；装结束后在U型橡胶排水带两侧再涂刮一层密封胶，最后进行封口填充，为便于以后养护维修，保证隧道沉降变形不再拉裂，封口应露出排水带的U型部分，呈内“八”封闭；U型橡胶排水带安装封闭后，拱脚采用PVC管连接将水排入到边沟中。

(4)隧道沥青路面渗漏水处治

采用槽钢盲沟引排处治：新增斜向槽钢排水沟底，必须保证坡度不小于1.5%～2%；每道槽钢长度为8.5 m；每处渗水区域布设一道；渗水严重处可适当加密；100 mmHDPE双壁打孔波纹管外裹400 g/m无纺布,接头处搭接宽度大于30 cm，尽量布置在渗水区域处；施工时开槽注意对原横向、纵向盲沟的保护与路基边沟的连接；由于调查时间为雨季过后，该路段多处渗水点路面位置不明确，加之隧道光线差，路面渗水的具体桩号位置在路面渗水数量表中未能一一列出。施工前应做详细，找准渗水位置根据渗水位置观察横坡度，沿设置槽钢的地势测设高程，推算出出水口在槽钢的高程是否能使水顺畅排出后在进行施工，槽钢排水可根据现场情况设置横向或是斜向。

4 渗水量预测

结合隧道资料、地质资料和水文地质资料等，由于地下水形成条件简单，基本上是靠大气降水补给，故采用水均衡法较适宜。水均衡法预测渗水量时，常分为降雨入渗法和地下径流模数法。故本隧道渗水量预测采用降雨入渗法、地下径流模数法对隧道进行估算，综合评定隧道整体渗水量。

4.1 降雨入渗法

此法适用于埋藏深度较浅的越岭隧道，亦适用于岩溶区。根据隧道通过地段的年均降水量、集水面积并考虑地形地貌、植被、地质和水文地质条件选取合适的降水入渗系数经验值，可宏观、概略预测隧道正常渗水量。

根据隧道地形及水文地质条件，采用《铁路工程地质手册》中降雨入渗法进行估算，具体计算及公式如下。

Q=2.74α|W|A

式中：Q为隧道渗水量,m3/d；α为降水入渗系数;W为区域多年年降雨量,mm；A为隧道通过含水体的地下集水面积,km2。

4.2 地下径流模数法

此法适用于越岭隧道通过一个或多个地表水流域地区，亦适用于岩溶区。本法采用假设地下径流模数等于地表径流模数的相似原理，根据大气降水入渗补给的下降泉流量或由地下水补给的河流流量,求出隧道通过地段的地表径流模数,作为隧道流域的地下径流模数,再确定隧道的集水面积,便可宏观、概略地预测隧道的正常渗水量。

Q径=86.4|M|A

式中:Q径为隧道渗水量，m3/d;86.4为换算系数;M为地下水径流模数;A为计算汇水面积。

4.3 渗水量预测评估

结合地区及工程经验,建议以地下径流模数法预测的最大渗水量作为设计依据，即隧道预计双洞总体渗水量：正常渗水量约80.4 m3/d,最大渗水量约102.3 m3/d,在开挖过程中揭穿砂岩富集段的泥岩时，可能产生短时集中渗水。

4.4 处治结果分析

(1)流量监测

对水量监测采用容积法监测。通过图1监测结果可以看出，处治前，洞内渗水为小股渗水，渗水量可达1 L/s，在第15 d时进行处治，处治后洞内渗水出现波动，但从第20 d处治完成后其渗水量迅速降低，随后渗水量略有增加，但当其增加达到峰值后，渗水量逐渐减小，最终逐渐减小趋于稳定。由于检测时间的限制，当停止检测时，渗水量还处于下降阶段，无法确定最终稳定后的渗水量。但从已有数据可以看出，其渗水量已经减小到了0.15 L/s，相较于处治前的1 L/s已减小了约85%左右。说明处治措施效果明显，尤其时刚处治完之后，其渗水量迅速降低，两天时间内下降了90%左右，起到了很好的止水效果。

图1 渗水量-时间曲线

(2)孔隙水压力监测

对孔隙水压力的监测采用孔隙水压力计测定。通过图2监测结果可以看出，处治前，孔隙水压力较大，在8 kPa左右。在第15 d进行处治后，孔隙水压力开始减小。一段时间后随着渗水量的剧烈减小，孔隙中得到补充的水减小，起孔隙水压力进一步下降。并且随着时间的推移，其孔隙水压力逐渐减小，并不会出现类似渗水量曲线在剧烈减小后有一个明显增长的过程。最终其孔隙水压力减小到2.7 kPa左右，但这是因为监测时间的限制。从图3中可以看出，检测在第55 d结束，但孔隙水压力仍处于下降阶段，且未出现放缓的趋势。说明孔隙水压力后续还将持续降低。从现有的数据中已经可以明显的看出处治措施起到了很好的止水效果。

(3)受力特征分析

选取隧道拱顶处裂缝渗水时不同阶段拱顶及混凝土平均应力情况如表2所示。

由表2可以看出，未发生渗水时，拱顶处于受力状态，隧道的竖向与水平方向应力较大，沿隧道方向应力较小。发生渗水后，由于隧道的结构可能受到破坏，无论是拱顶竖向应力还是混凝土平均应力均会出现一定程度的减小，其中拱顶竖向应力的减小幅度最大，而混凝土的水平方向应力出现了一个由负到正的变化，混凝土沿隧道方向应力变化幅度最小，几乎不受渗水的影响。处治后，隧道拱顶竖向应力恢复到原来的受力水平，混凝土的平均应力也恢复到与原来受力水平接近。说明所采用的处治措施能有效改善结构的受力情况，处治效果较好。

表2 不同阶段拱顶及混凝土平均应力

5 结 论

渗漏水是隧道工程中常见的地质灾害之一，防止和及时处理渗漏水问题是隧道工程中经常面对的问题，需要高度重视。以功东高速徐家地隧道为背景，对隧道裂缝渗水提出针孔法灌注油溶性(或水溶性)聚氨酯浆液的处治方法；对隧道局部浸润、点面状渗水采用注浆引排工法；对隧道施工环缝或沉降缝渗漏水采用凿槽安装U型橡胶排水带引流处治；对隧道沥青路面渗漏水采用槽钢盲沟引排处治。处治完成后通过对隧道的渗流量、孔隙水压力以及受力特征分析，发现处治效果较好，最终消除了隧道缺陷，确保行车安全；满足公路荷载要求，保证隧道正常投入运营，并预防后续运营过程中渗水现象的发生。为类似问题的处理提供了一定的工程经验。