在运营高速公路隧道涌水灾害应急抢险处治研究
刘卓华 朱贵
隧道涌水突泥问题在当前运营隧道中屡见不鲜，究其原因主要有：不规范施工、不良地质条件、设计问题、极端天气等等影响因素。文章以云贵高原西南麓某山区高速公路在运营石灰岩隧道为例，采用地质雷达检测、裂缝综合测试仪查明隧道衬砌缺陷和背后溶洞的发育情况，分析了隧道病害成因，并运用工程类比方法，结合运营风险、施工安全、质量控制、投资控制、施工工期等因素综合考虑确定应急处治方案，对类似地质条件在运营隧道涌水灾害抢险处治提供参考。
在运营;灰岩区;应急抢险;隧道;涌水灾害;处治措施
U456.3+2A361264
0 引言
“十三五”期间，我国建成了大量山区高速公路，然而，山区高速公路均存在桥隧比高、建设难度大、投资大、地质复杂等特点，常设计大量桥梁、隧道、高填深挖路基。近年来在运营山区高速公路隧道问题越来越多，极端天气下，石灰岩地区隧道涌水灾害问题尤为突出。
针对各种类型隧道水害处治，众多学者作了大量研究。左清军等[1]总结隧道宏观变形演化历史，分析跨越断层富水软岩隧道塌方的影响因素及围岩失稳破坏模式，据此提出针对性的处治措施;焦艳彬等[2]通过喀斯特岩溶地区凤凰隧道塌方冒顶实例，对该隧道塌方冒顶的经过与原因进行了分析，提出了处置岩溶地区塌方冒顶的实施方案;马环宇[3]通过对隧道病害发生原因的分析，针对该隧道的具体情况并结合以前相似病害的处治实例，采取对病害段进行超前支护，提高围岩支护等级，并对涌水段实施排与堵相结合的处治措施。尽管众多研究人员及设计工作者做了大量工作，但因各個隧道地形、地质条件等特点不同，石灰岩地区隧道涌水问题依旧突出。
本文以云贵高原西南麓某山区高速公路在运营石灰岩隧道涌水灾害为例，采用地质雷达检测、裂缝综合测试仪查明隧道衬砌缺陷和背后溶洞的发育情况，对病害情况进行深入勘察，推断出岩溶分布规律、规模、大小以及地下水补-经-排之间关系，提出应急处治方案，对后期类似地质条件在运营隧道涌水灾害处治提供借鉴和参考。
1 隧道工程概况
金兰2号隧道位于广西河池市东兰县境内，为分离式长隧道。左线起止桩号为Z4K32+035～Z4K34+320，设计长度为2 285 m，进、出口路基设计高程分别为573.5 m、583.6 m，最大埋深约337 m。设计为双洞单行，左右洞各2条车道，设计车速为80 km/h。
1.1 工程地质概况
隧道位于灰岩地区，地表为溶蚀洼地。围岩主要为中风化灰岩，灰色，微晶结构，中厚层状构造;岩质坚硬，岩体较完整，局部较破碎;节理裂隙较发育。隧道溶洞发育，隧底及隧顶存在小型暗河或排水通道。隧道于2018年9月竣工，其中局部渗漏水情况严重，且二衬局部发育少量裂缝。
1.2 溶洞病害经过
2018-11-28，河百高速公路建成通车。运营期间，金兰2号隧道左洞由于Z4K32+793处溶洞（施工期揭露）的影响，该段渗漏水严重，雨季期间尤其是强降雨后，水压大幅度波动，涨落明显。2019-03-21最高水压为0.4 MPa;2019-06-06最高水压为0.71 MPa;2020年4月最高水压为0.69 MPa;2020年6月，最高水压达到1.1 MPa，隧道二衬渗漏水严重，路面潮湿积水，无法正常通行。运营单位随即封闭左洞，改用右洞进行双向通行。由于高速公路隧道行车速度快，单洞改双向通行安全风险较大，亟须对左洞岩溶病害进行处治，恢复原有通行方式。
2 病害原因分析
本文通过地质雷达检测和对灾害隧道区域补充地质勘查、水文专项勘查，分析岩溶发育规律，通过各项成果综合分析灾害产生原因。
2.1 病害情况调查及分析
隧道衬砌及围岩地质雷达检测[4-5]采用抽查方式进行，其中渗漏水严重的Z4K32+740～Z4K32+870段，沿隧道轴向布设7条测线，分别采用800 MHz和100 MHz的屏蔽天线进行测量;其余里程段布置5条测线，采用800 MHz天线进行测量。如图1所示。
2.1.1 隧道衬砌
分别对隧道治理前后的雷达检测结果进行分析后可知，所测位置衬砌厚度大部分在45～60 cm之间，隧道衬砌主要缺陷为层间欠密实和脱空，共发现各类缺陷10处。从缺陷分布上看，Z4K32+740～Z4K32+870渗漏水段主要以左拱腰、拱顶和右侧边墙较严重，其中又以Z4K32+778～Z4K32+845段相对较为严重。
2.1.2 岩溶发育情况
检测共发现背后溶洞、溶腔和破碎带7处，推测溶洞影响深度范围为6～14 m，主要位于Z4K32+775～Z4K32+795段左边墙、左拱腰和拱顶背后，深度在3～26 m。如表1所示。
2.1.3 衬砌裂缝发育情况
经现场测试，完整的二衬表面声速范围在1 782～4 012 m/s，裂缝均为沿着隧道轴向的纵向裂缝，部分裂缝伴随有泛碱现象，裂缝充填氢氧化物，且大部分位于左边墙（以大里程作为正反向）。裂缝一般距离路面高度约1.94～5.5 m，长2～25 m，裂缝深度在26～148 mm，宽度在0.10～0.57 mm。详见表2。
2.2 地质勘查情况
从地质调查结果看，场地岩溶发育。据地表岩溶发育情况、物探异常情况、正洞开挖遇洞情况等综合分析表明，场区存在的主要岩溶形态为溶沟、溶槽、石芽、漏斗、溶洞、落水洞、溶蚀洼地等。根据金兰2号隧道施工过程资料，隧道左洞进口端为Z4K32+359～383段（泄水洞为K0+359～383段）掌子面拱顶、右侧拱腰发育溶洞，溶洞内填充黏土，局部渗水;隧道右洞进口端为Z4K32+793段（泄水洞为K0+793段）掌子面左侧、拱顶发育溶洞、断续小溶洞腔体，多充填饱和粉细砂夹黏土。施工时未能对饱和粉细砂进行处治，未对溶腔揭开的粉细砂进行清除或置换。泄水洞钻孔（Z4K3号位于隧道终点附近里程K0+795左8 m，地表高程为755.61 m）揭示一高度为21 m的充填型溶洞，埋深36.8～57.8 m，距离泄水隧道顶部（高程583.37 m）115 m。
地表水：隧址区未发现大的地表水体，地表水主要为地面季节性流水汇合后形成的短暂性溪流，受大气降雨影响较大;隧道进洞口处设计高程大于地下水水位高程，地表水对其无不利影响。地下水：勘察期间，测得洞口洼地地下水位高程为554.98 m;地下水类型为松散岩类孔隙水，富水性较差;基岩类含水岩组地下水类型为岩溶水，其富水性随岩溶发育程度及地下岩溶管道的连通性而变化，通常岩溶密集发育带和地下岩溶管道连通性好的富水性较好。
2.3 岩溶发育规律分析
主要病害段落（泄水洞为K0+793段）溶蚀洼地内地表水通过裂隙汇入溶洞。Z4K32+793溶洞发育范围为隧道左洞外侧0～20 m宽度范围，终点隧道轴向岩溶发育区长68 m，高程在550～630 m。主要部位位于泄水洞与金兰2号隧道之间，高约80 m，推测该溶洞与ZK3号钻孔揭示溶洞通过溶蚀裂隙互相连通，岩溶充填物主要为粉细砂夹黏土。
场地内岩溶形态繁多、密集，但从地质构造、地形地貌、水文等方面分析，岩溶分布与发育规模呈现出一定的规律性。总体来看，岩溶形态以垂向发育的居多，水平岩溶管道依侵蚀基准面变迁呈现出明显分层特征，且多为单管状或脉管状，密度相对较小。
2.4 综合分析
结合地质勘查、病害情况分析以及岩溶规律分析可知，场区地质条件复杂，隧道穿越不良地质段落，左洞Z4K32+793处发育溶洞，施工期间遇到病害，未对病害彻底根治，未对溶腔粉细沙进行清除，地表与二衬之间岩溶管道处于贯通状态。当雨量不大时隧道水头高差小，二衬承受压力较小;当遇极端天气时，地下水未能及时排出，导致水头上升，二衬承受压力增大，致使二衬开裂渗水。而岩溶发育地区，地下水加剧了风化作用，容易造成衬砌背后和隧道脱空，加剧隧道渗漏水。
3 塌方综合处治措施
3.1 总体方案（图2）
第一步：先期进行洞内加固止水，并通过泄水孔降压，满足通车要求，作为应急抢险主要内容。
（1）泄水孔排水降压，设置里程：Z4K32+785、Z4K32+788、Z4K32+791、Z4K32+794。
（2）二衬背后回填注浆，施工里程：Z4K32+740～Z4K32+840，长度为100 m。
（3）加固止水注浆，施工里程：Z4K32+740～Z4K32+840，长度为100 m。
第二步：施作线外泄水洞，进行永久处治（抢险处治后期，在此不进行介绍）。
3.2 泄水孔排水降压
分别在Z4K32+785、Z4K32+788、Z4K32+791、Z4K32+794里程处钻设1环泄水孔，每环2～3根，环向间距为3 m。泄水孔延伸至溶洞边界，且最小长度≥10 m。泄水孔孔径为130 mm，向洞内排水坡度≥2%，孔内埋设108 mm×3.5 mm的打孔排水钢花管，钢花管外裹小孔径（≤10 mm）钢丝网，孔口用三通连接110 mmHDPE导水管，将水引排至下方沉砂池，并安排专人定期清淤、抽排处理。
3.3 二衬背后回填注浆
待泄水孔排水减压之后，对该段二衬背后欠密实、脱空位置进行回填注浆。
注浆采用埋管注浆，注浆管采用42 mm×3.5 mm的钢花管，搭设移动作业台架、人工手持风钻钻孔。孔径为50 mm，沿隧道纵向每5 m布置1环，每环3根，共计20环，合计60根。注浆管的长度为0.98 m，钻孔后须清孔，然后埋设注浆管，一次性填充水泥浆。
浆液为纯水泥浆，水灰比为1∶1，水泥采用42.5普通硅酸盐水泥，注浆压力按照0.2～0.5 MPa进行控制。
注浆结束标准：当注浆压力达到设计压力后，稳定10 min，不进浆或进浆量很少时，即可停止注浆。
3.4 加固止水注浆
孔位布置：加固注浆孔位于溶洞一侧，环、纵向间距为1.5 m，梅花形布置，采用单根长5 m42 mm×3.5 mm的钢花管，前端加工成锥形，管壁四周钻6 mm注浆孔。
注浆材料：水泥采用标号42.5号超细水泥、400目;水玻璃模数为2.8、浓度为38°Be′。单液浆水灰比为0.8∶1～1∶1，双液浆中C∶S=1∶0.4～1∶0.6（体积比）。
注浆顺序：分段注浆，每个注浆段四周以双液浆为主，起止水作用，浆液扩散半径为1.5 m，凝结时间为30～60 s，现场动态调整。每个注浆段中间以单液浆为主，起加固作用。
注浆压力：1.0～2.0 MPa，采用纯压式灌浆，为防止浆液压力损坏二衬结构，采用后退式注浆。
注浆结束标准：当注浆压力达到设计压力后，稳定10 min，不进浆或进浆量很少时，即可停止注浆。
注浆效果检查：采用检查孔法，孔数不少于注浆孔总数的2%且出水量<0.2 L/min·m，可认为合格，否则应加密钻孔注浆。
4 处治效果评价
4.1 雷达检测结果对比分析
由表3分析可知，处治前、后各进行1次地质雷达检测，依据前后报告对比，治理前雷达检测共发现脱空、欠密实等各类缺陷10处，治理全部消除，消除率为100%。
4.2 二衬背后水压监测及泄水孔排水流量变化对比分析
由表4分析可知，处治前最高水压达到1.1 MPa。2020-09-11至2020-09-12连降暴雨，水压从0.26 MPa快速升到峰值0.8 MPa，随着洞内排水，又快速回落至0.23 MPa，之后稳定在0.4～0.5 MPa之间。得出结论：（1）处治后水压较处治前的1.1 MPa降低了54%～64%;（2）连续降雨期间，洞内泄水孔排水，泄压作用明显，达到了设计要求;（3）泄水孔排水含泥砂量较高，会逐渐堵塞，水压随之上升，仅靠泄水孔排水泄压，不能根治岩溶隐患，也说明了线外泄水洞施作的必要性。
4.3 处治方案直观效果对比分析
处治开始前：隧道岩溶段路面整体明显积水，二衬表面整体渗漏水，并形成大面积的水珠从拱顶部位不断滴落，隧道内无法正常通行。
处治后：岩溶段路面积水及二衬表面渗漏水现象已全部消除，能够正常通行，洞内处治已达到设计及运营要求。
5 结语
从直观效果、雷达检测结果、水压监测数据、总体排水量变化等四个方面分析，各处二衬脱空、欠密实等问题均已消除，水压明显减小;路面及二衬表面渗水现象基本消除，较处治前均有明显改观;岩溶治理效果明显，已达到设计要求，满足通行条件。由此可知，本项目岩溶勘查方法基本合理，岩溶分布规律、水文地质条件分析判断基本準确，设计依据充分合理，制定的处治方案较为合理，解决了时间紧急、通车任务重等问题，可为后期类似地质条件在运营隧道涌水灾害抢险处治提供借鉴和参考。
[1]左清军，吴 立，林存友，等.富水软岩隧道跨越断层段塌方机制分析及处治措施[J].岩石力学与工程学报，2016，35（2）：369-377.
[2]焦艳彬，郜占红，凡 伟，等.喀斯特岩溶地区隧道施工塌方冒顶处理方案[J].山西建筑，2020，46（23）：143-145.
[3]马环宇.丽攀高速公路新庄特长隧道涌水及塌方病害工程地质分析与防治对策研究[D].成都：西南交通大学，2012.
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