巖溶區富水運營隧道襯砌病害發展成因分析

楊 正 璇

(中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074)

1 概述

國外曾對公路隧道病害進行統計，80%的嚴重病害隧道是在營運30年后發生的，國內很多研究機構進行調查，漏水隧道數量竟占50.4%，有的區段高達94%，嚴重漏水的約占其中的1/3。我國隧道建設由于地質條件復雜性，運營期間的安全性與風險管理成為最為關注的問題[1]。不少專家與研究人員在以下方面展開頗有成就的研究工作。周宗青[2]利用風險動態評估模型及風險規避方法進行實時控制確保隧道的施工安全。馮冀蒙對運營隧道病害分布規律，依據地下水的發育情況、圍巖巖性等基本指標對圍巖環境進行了等級劃分[3]。張素磊[4]提出隧道襯砌病害的主成因有襯砌背后空洞、襯砌厚度不足、圍巖處理不當和塑性地壓4個因素?，F有的研究是圍繞施工與運營期間巖溶隧道所暴露出來的問題而展開的，但鮮有人從巖溶區地表塌陷與隧道病害關聯因素上進行研究，本文以某隧道為例采用地下水示蹤試驗、地質勘察、統計分析等手段，得到地表塌陷對巖溶隧道襯砌病害發展成因機制。

2 地下水示蹤試驗

2.1 示蹤試驗方案

隧道水文地質條件較復雜，斷裂構造或破碎帶地段可能出現突水、涌水。SZK6,SZK7,SSZK5鉆孔均出現涌水現象，該段斷裂構造發育，具承壓性，且水量較大，其中SZK6孔孔口涌水量為112 m3/d，SZK7孔孔口涌水量為15 m3/d，SSZK5孔孔口涌水量為52.8 m3/d(如圖1所示)。巖溶不良地質發育、在隧道所在位置存在多個斷裂帶與破碎帶、在富含地下水且在降雨條件下由于地下水的運動加重地面塌陷范圍的擴大，并將導致新的地面塌陷。

2.2 示蹤試驗過程

連通試驗是一種較為直接的研究地下水流動的技術，利用某種示蹤物質在上游點的投放，并在下游利用儀器一起進行監測，來證實是否有水力聯系。試驗采用的示蹤劑為熒光素鈉和羅丹明，監測儀器為示蹤儀，分別在隧道左右兩端開展。試驗共設置了10個投放點和9個接收點。隧道頂部為分水嶺，雨季地表徑流流量大、流速快，可以排除遠程地下水補給的可能。雨季地表徑流發育，降雨多形成坡向流，最終在隧道頂部選擇了10個投放點與9個接收點。

隧道南段為灰巖，灰巖為含水層，隧道區主要的塌陷和漏洞都在此處，所以在隧道南段設置10個投放點，并布設5個接收點，以了解地下水的流動途徑。隧道北段為砂巖，相對于灰巖，砂巖為隔水層，理論上沒有較大流量的地下水，且區域內沒有明顯塌陷或漏洞，所以沒有在此設投放點，但仍設了4個接收點進行取樣，論證南段投放點的水沒有流到此處。第一次主要是在隧道進口段右塌陷區投放示蹤劑，共分兩批次投放4個點。

各監測點接收情況是：第一批次實驗JS-01，JS-02無反應，未檢出藥劑，JS-03點檢測到熒光素鈉，JS-04，JS-09均未檢出藥劑；第二批次實驗JS-01，JS-02無反應，JS-03點檢測到熒光素鈉和羅丹明，JS-04點檢測到熒光素鈉，JS-09未檢出藥劑。從以上分析可知，隧道右側的6號～10號溝的水主要在隧道右側流出。隧道另一端的JS-05～JS-08點均無明顯反應，未檢測出熒光素鈉或羅丹明，可以判斷右塌陷區的水沒有流到隧道北段。第二次共分三批次投放6個點，主要是在隧道進口段左塌陷區和中塌陷區，同時在隧道右塌陷區有一投放點TF-05。各監測點接收情況是：第三批次實驗JS-02點檢測到羅丹明，JS-03同時檢測到熒光素鈉和羅丹明，其余各接收點均未檢測出藥劑；第四批次實驗JS-01,JS-02點檢測到熒光素鈉，JS-04點檢測到羅丹明，其余各接收點均未檢測出藥劑；第五批次實驗JS-01，JS-02點同時檢測到了熒光素鈉、羅丹明，其余各接收點均未檢測出藥劑。

2.3 試驗分析

如圖2所示，按照隧道左右兩側兩條截水溝及3條山脊將隧道進口病害段頂部劃分為A～F共六塊匯水區及隧道進口段左、中、右三塊塌陷區。隧道頂部的不同塌陷區，面積大小不同、匯水區域不同，地表水、地下水的去向也不一樣?？梢耘袛啾舅輩^內水均未流入隧道北段，左塌陷區主要流入隧道左線，中塌陷區流入隧道兩線，右塌陷區主要流入隧道右線。JS-09點位于右側隧道內，五次試驗均未檢測出藥劑，推測為其與本次地質調查區域內塌陷點關系不大，主要受灰巖裂隙水影響。

3 結語

灰巖巖溶區巖溶發育、不利地層巖性、富水地質、斷裂構造條件很大程度決定隧道進口段襯砌滲水區域最嚴重，其不利地質條件提供襯砌病害發生發展的天然內部條件。地面塌陷導致地表水大面積滲入地下，與巖溶空洞、斷裂構造形成滲流通道改變隧道襯砌周邊水土壓力狀態加重襯砌病害。

綜上所述，此隧道病害主要受斷裂構造、不良圍巖、豐富地下水、巖溶空洞的影響，降雨與地下水作用加速地表塌陷，大量地表水入滲，水土壓力及不良圍巖與溶洞改變隧道受力狀態，其病害逐年增加并呈發展趨勢，建設之前應對地面塌陷與斷裂帶進行工程災害評估及預處理，竣工之后對重點區域應跟蹤監控，從隧道內部到外部分層次采取對應的處治措施，為類似病害加速發展的巖溶區富水運營隧道的防治提供工程參考。

[1] 馮冀蒙.既有隧道病害分布規律及圍巖環境等級劃分研究[J].現代隧道技術,2013(4):35-41.

[2] 周宗青,李術才,李利平,等.淺埋隧道塌方地質災害成因及風險控制[J].巖土力學,2013(5):1375-1382.

[3] 錢七虎.地下工程建設安全面臨的挑戰與對策[J].巖石力學與工程學報,2012,31(10):1945-1956.

[4] 張素磊.基于對應分析模型的隧道襯砌病害主成因挖掘[J].中國鐵道科學,2012(2):54-58.