山西省長平高速公路杜公嶺隧道特殊水文地質病害變形機理與處治技術

張王雷

（山西省第三地質工程勘察院，山西 晉中 030600）

1 工程與病害概況

1.1 工程概況

杜公嶺隧道為上下行分離四車道長隧道，左洞全長2 474 m，右洞全長2 515 m。左、右洞中線距離40 m，隧道最大埋深231 m。線路走向近東西向，進口端設計底板標高1 269.11 m，出口端設計底板標高1 206.5 m，設計縱坡2.65%～2.90%，路面整體東高西低。隧道洞身穿過的地層圍巖主要為碳酸鹽巖類地層。

1.2 病害概況

至2014年4月隧道病害加劇，隧道停止通行，病害總長度達1 km，出現的病害有襯砌裂縫、路面隆起、脫空、開裂、電纜溝變形及二襯滴滲水。

a）隧道襯砌裂縫病害段左右洞各達1 km，分布位置邊墻居多，拱腰、拱頂較少；裂縫形式主要表現為環向、縱向和斜向裂縫，可見裂縫寬度均是外寬內窄，局部伴有襯砌崩裂和拱頂掉塊現象。

b）病害段部分地段路面隆起、脫空、開裂現象嚴重。路面脫空段左洞507 m，右洞543 m，最大脫空達15 cm；路面隆起段左洞217 m，右洞215 m，最大隆起達65 cm；路面裂縫最大寬度20 mm，伴生于路面隆起及脫空段。

c）電纜溝變形段總長524 m，變形特征以電纜溝內傾、開裂為主，左洞病害段長483 m，右洞長162 m。

d）隧道二次襯砌局部滲水、滴水現象明顯。

2 病害段隧道結構檢測

以《公路工程質量檢測評定標準》對隧道斷面、二襯強度、二襯厚度、二襯鋼筋設置、仰拱設置等進行檢測（表1），可見隧道結構均滿足標準的要求。

表1 隧道結構檢測統計表

3 隧道地質條件與成因分析

3.1 隧道工程地質、水文地質條件

隧址區褶皺發育，但褶皺規模不大，巖層局部變形，為開闊褶皺，巖層傾角較小；洞體中部發育逆斷層1條，斷層與隧道近正交，傾角85°，斷距約20～30 m，可見2～3 m厚破碎帶，該斷層在隧址區地表可見延伸長度約300 m。隧道洞身山體頂部分布有寬4～10 m，可見深度1.5～9 m鐵礦采坑數十個（圖1）。

圖1 杜公嶺隧道工程地質剖面圖（單位：m）

病害段隧道圍巖為碳酸鹽巖地層夾石膏巖，石膏分布呈蜂窩狀，為非連續分布。在勘查過程中揭露石膏并化驗（表2）。

表2 鉆孔石膏巖化驗統計表

區內地下水為上層滯水，降雨入滲是區內地下水的唯一補給來源。

3.2 變形機理分析

a）隧道開挖、建設改變隧址區地下水滲透條件隧道的開挖阻斷了原有地下水滲透通道，隧道隔水系統使入滲水在隧道洞身聚集，隧道基底成為地下水的排泄面與匯水廊道。

b）區內構造作用 病害段主要發育于斷層以西，斷裂構造使病害段圍巖為泥灰巖及石膏夾層；洞頂采礦坑的集中分布，為地表水的入滲提供了良好儲水條件，斷裂構造也為地下水下滲提供了良好通道。

c）石膏與地下水共同作用 石膏具有吸水膨脹、失水收縮的變形特征，雨季基底圍巖吸水飽和后體積膨脹，造成仰拱混凝土結構隆起上鼓變形，旱季基底圍巖失水收縮，部分仰拱與路面因發生塑性變形過大而無法復位，形成路面脫空。

d）泥灰巖遇水軟化 經試驗，隧道圍巖中泥灰巖軟化系數一般為0.414～0.794，地下水與泥灰巖作用，使泥灰巖軟化，圍巖強度及圍巖級別降低，導致隧道病害發育。

e）地下水對隧道襯砌混凝土的影響 地下水接觸到可溶于水的石膏，隨著硫酸根離子濃度的增大，而對混凝土具有一定的腐蝕性。水的腐蝕作用隨著時間推移，水量和水溫隨季節變化，其腐蝕性也呈強弱交替，反復作用，導致初期支護混凝土強度逐漸降低，并最終失去承載力；在隧道滲漏水及防水板破壞處，地下水的腐蝕范圍擴散到二襯混凝土，影響程度將越發嚴重，直接導致隧道二襯結構的破壞。

f）氣候變化 當地氣候旱季與雨季交替明顯，隨著季節交替，隧道圍巖干濕交替，也加劇了石膏及其他可溶性硫酸鹽巖的破壞作用。

4 降排水應急處治

4.1 應急處治實施方案

針對隧道病害情況，2015年12月對隧道進行了降排水應急處治。按照“封、疏、排相結合，因地制宜，綜合治理”的原則進行處治。

a）封 對上部采礦礦坑回填、密封，最大限度減少降雨經礦坑入滲補給隧道滲水。2014年11月，采取回填碎石土、黏土和漿砌片石等形式對第一批28個洞頂礦坑進行了回填處治，2016年1月開始采取回填碎石土、黏土和漿砌片石形式對第二批49個礦坑進行處治，并于2016年3月2日全部完成。

b）疏 在隧道主要病害段設置降水井，布孔間距10～15 m，孔深40 m，并根據病害發育程度適當調整；并結合地質鉆探取芯、孔內影像等技術。共計完成降水井201個（左洞 113個，右洞88個），7 987 m，孔內影像72個。2015年12月27日開工，2016年1月31日完工，歷時36 d。

c）排 在邊墻明顯滲水點設置邊墻斜孔，孔深20～30 m，共完成邊墻斜孔82個（左洞41個，右洞41個）1 963 m。2015年12月27日開工，2016年1月31日完工，歷時36 d。

4.2 應急處治效果

截至2014年4月監測效果顯示應急工程取得以下成果：

a）總體上看，拱頂沉降、襯砌裂縫發展變化、周邊位移呈減緩趨勢。

b）降排水工程有一定效果，能將路面以上水排到隧底40 m以下，使拱頂沉降、裂縫發展及周邊收斂呈減緩趨勢。

c）典型病害處大部分豎孔內有水，進一步印證了水是影響病害發展的主要因素。由于巖層的不均性及地下水分布的不規律性，路面隆起總體態勢未見減緩。

5 后期處治建議

根據目前隧道病害發展情況，僅靠單一的防排水措施難以在短時間內達到全面控制病害發展的效果，建議盡早實施綜合處治方案。并應考慮以下兩個方面的特殊性。

a）應根據病害的發育程度，對初級支護及二襯采取對應的補強措施，并適當優化結構設計，增大仰拱的矢跨比。

b）考慮區內地質條件的特殊性和地下水的腐蝕性，應考慮材料的防水及抗腐蝕性。