公路隧道排水系統結晶堵塞機理及處治措施

馬文鎮，張 豹， 張彥龍

(1.廣東大潮高速公路有限公司，廣東 大埔 514200；2.廣東華路交通科技有限公司，廣州 510420)

0 引言

隨著我國公路隧道不斷向崇山峻嶺和離岸深水區延伸，在施工、運營過程中出現了一系列復雜的病害，尤其是近年來出現的排水系統結晶堵塞問題，導致隧道排水系統失效、襯砌水壓力增大、滲漏水加劇以及襯砌結構劣化等，給隧道管養部門帶來了較大壓力。

隧道排水系統結晶堵塞病害已引起了眾多學者的關注，大多數采用理論分析、數值模擬、室內模型試驗以及現場試驗等方法，對排水管結晶堵塞物來源、影響結晶因素、結晶機理以及結晶預防處治措施等方面進行了研究，然而由于排水系統工程的隱蔽性，許多處治方法工程效果不理想，沒有形成經濟高效的解決方法，且堵塞結晶現象在隧道建設期就已出現，因而在建設期對隧道排水系統進行可維護設計對隧道安全及后期管養十分重要。

本文結合廣東大潮高速公路東溪山隧道工程，對施工期隧道排水系統結晶堵塞進行現場調研和取樣分析，并提出針對性的處治措施，供同類工程參考和借鑒。

1 工程概況

大潮高速公路東溪山隧道位于廣東省潮州市饒平縣新塘鎮烏洋村，設計為分離式隧道，左線起止里程ZK61+680～ZK63+480，長度1 800m，右線起止里程YK61+655～YK63+465，長度1 810m，為雙向四車道高速公路。隧道最大埋深約162m，隧道縱坡設計采用“人”字坡，進口縱坡1.0%，出口縱坡1.6%。

1.1 工程地質

1.1.1 地形地貌

隧道位于溝谷斜坡-丘陵地貌區，區內最高標高在ZK62+480左側390m，高365.5m，最低標高在隧道左線進口，高120.8m，相對高差244.7m。隧道進口段山坡坡度10°～30°，中部一般30°～50°。植被發育，水土保持較好。

1.1.2 地質構造

區域地質構造比較復雜，以斷裂構造為主，褶皺構造與斷裂相伴而生，由于受到多次斷裂作用及巖漿侵入破壞多數不完整。斷裂構造常成組成帶產出，可分為北東向、東西向和北西向三組。隧道區有1條斷裂構造(F2斷層)通過。ZK62+808，YK62+823附近斷裂構造通過，斷層產狀326°-345°∠76°-83°。該斷層為硅化帶，長度大于5.0km，寬度約2.0m，斷面陡直，構造巖組成物為塊狀石英脈、強硅化花崗巖、花崗碎裂巖、碎裂巖等，構造巖帶內節理裂隙不發育，且多閉合，斷層兩側為燕山期花崗巖。大地音頻電磁法也表現為斜向低阻異常，裂隙發育，巖石破碎，隧道圍巖穩定性差。

1.1.3 地層巖性

隧道區出露地層為侏羅系上統兜嶺群中段(J3dlb)熔結凝灰巖和燕山期(γ5)花崗巖，殘積(Qel)砂質黏性土、粉質黏土，坡積(Qdl)粉質黏土。

1.2 水文地質

1.2.1 地表水

隧道進口位于雨源型山溝交匯處，水文地質條件復雜。地表水主要為大氣降水形成的地表面流，地表徑流條件較好，隧道進、出口位于斜坡上，分布標高較高，均有溝谷通過，匯水面積較大，水量多。

1.2.2 地下水

隧道進口段地下水發育，于YK61+880發現一處泉水，為下降泉，雨季流量為0.05L/s，旱季流量為0.01～0.02L/s。隧道地下水為表層坡殘積黏性土、碎石土中的孔隙水及基巖風化帶內的裂隙水，水量大小受裂隙發育程度及季節變化影響，補給來源主要為大氣降水下滲補給。

1.2.3 地下水水質

1.3 排水系統設計

隧道全長在行車道前進方向左右側邊緣設排水邊溝與路面排水溝，襯砌背后墻腳外側設φ110mmPE縱向單邊打孔雙壁波紋排水管，并用PEφ110mm橫向排水管(最小坡度2%)與排水邊溝橫向連通，設置間距不大于10m，實現洞內消防清洗用水與地下水分開排放的目的。

為了便于對縱向排水管定期采用管道疏通機及時疏通，在二襯墻腳每隔50m設置檢查維修孔；為了便于維修行車道邊緣排水溝，沿縱向每隔50m設一處沉淀檢查井；為防止淤積堵塞，路面下排圍巖水邊溝設置檢查井。

2 排水系統結晶體堵塞病害

2019年7月5日施工期間，在隧道右洞洞口段二次襯砌發現多處滲水，主要位置為預留洞室、施工縫、變形縫等，最高約4m，滲水狀態為細股狀水，滲水問題較嚴重，如圖1和圖2所示。

圖1 YK61+800二襯預留洞室滲水

圖2 YK61+812二襯滲水

隨后，項目部對隧道排水系統進行了全面排查，發現縱向排水暗溝內沉積大量的結晶體(圖3)，最厚處約25cm，多處橫向排水管被白色結晶體堵塞(圖4)。

圖3 縱向排水暗溝結晶堵塞

圖4 橫向排水管結晶堵塞

2019年9月8日，發現隧道右洞YK62+720～YK62+840段內側縱向排水暗溝內有水溢出，打開水溝蓋板后發現YK62+810～YK62+840段水溝內大量白色結晶體淤積，結晶體厚度為10～30cm，結晶體大量淤積是導致水溝堵塞、水溢出的主要原因。同時該段落一處檢查井內及溝壁有大量結晶體析出，厚約10cm(圖5～圖7)。通過局部蓋板翻開及電纜溝橫向排水孔排查，隧道右洞結晶體堵塞嚴重的段落為：洞口段YK61+655～YK62+100，洞身YK62+400～YK63+080，合計1 125m，其余段落堵塞一般。

圖5 右洞水溝內水溢出

圖6 右洞檢查井白色結晶體

圖7 右洞水溝內白色結晶體

2019年11月10日～12月18日，左洞清理水溝結晶體，水溝蓋板打開后，發現水溝大部分發生結晶體堵塞現象。結晶體主要為白色、少部分為黃色，橫向排水孔堵塞量約半孔或全部堵塞，個別孔水流速較快的未發生堵塞,如圖8和圖9所示。堵塞嚴重的段落為：洞口段ZK61+680～ZK62+000，洞身段ZK62+600～ZK63+040嚴重，合計760m，其余段落堵塞一般。

圖8 左洞橫向排水管結晶體堵塞

圖9 左洞排水暗溝結晶體

3 結晶堵塞機理分析

3.1 結晶堵塞規律及現象

3.1.1 結晶堵塞規律

(1)地下水涌水量大的段落結晶體堵塞現象嚴重，涌水量小的段落堵塞現象較輕，結晶堵塞具有區段性。

(2)雨季結晶體發展速度快，旱季結晶體發展速度相對較慢。

3.1.2 結晶體形成現象

(1)結晶體顏色主要為白色，其次為黃色，黑色及粉紅色較少分布。

(2)結晶體形成初期為大量白色絮狀物，后期為粉末狀結晶。

(3)結晶體初期顏色為雪白色，后逐漸變黃。

(4)結晶體初期為糊狀，后逐漸變硬。

3.2 結晶體來源

根據二襯混凝土開窗及橫向排水孔初步得出結晶體主要來源于水與初期支護接觸面(圖10)，分析如下：

圖10 隧道洞內開窗

(1)裂隙水經過圍巖時，無任何結晶體出現。

(2)裂隙水與初支混凝土接觸后，很快出現白色結晶體。

(3)通過橫向排水孔觀察，結晶體初期支護與二襯接觸面、圍巖內部并未出現白色結晶體。

3.3 結晶體成分

對隧道洞內結晶沉淀物取樣，采用XRF法對其成分進行了分析，分析結果見表1。

表1 隧道洞內沉淀物XRF分析 (單位:%)

由表1中結晶體物相分析結果可知，白色和黃色樣品中的主要成分為CaO且含量均高于混凝土試樣，表明隧道內的結晶物主要是由于地下水在流經混凝土過程中與其發生反應，生成了CaCO3沉淀。

3.4 結晶堵塞機理

4 排水系統改造方案

根據本工程所涉及隧道具體的滲漏及排水系統淤堵特征和情況，考慮營運期排水系統淤堵后的可維護性，將隧道暗溝排水改造為明溝排水；考慮到已有的排水系統已堵塞，在隧道邊墻墻角增設泄水孔，在明溝溝底增設豎向的井點降水井。

(1)原暗溝斷面尺寸為50cm(寬)×30cm(深)，改造后的明溝斷面尺寸為30cm(寬)×60cm(深)，水溝蓋板采用厚5cm的UHPC預制塊，改造方案增大了邊溝的過水斷面。明溝斷面如圖11所示。

圖11 隧道明溝排水溝改造

(2)隧道邊墻橫向泄水孔在電纜溝壁向圍巖方向打設，位置在蓋板以上高度約50～100cm，溝坡度5%，鉆孔深度3.5m，鉆孔φ150mm，鉆孔內安裝3.5m長的曲紋網狀PE韌性組合排水管(部分不透型φ110mm外管，全透型φ60mm內管)。混凝土段排水管外包遇水膨脹止水條，嚴重堵塞段落縱向間距5m/個，一般堵塞段落縱向間距10m/個。排水孔排出的水經φ110mm可拆卸兩通PE排水管排至縱向排水明溝。隧道橫向排水管如圖12所示。

圖12 隧道橫向排水管

(3)邊溝底部采用井點降水，豎向排水孔打設長度5m，鉆孔φ150mm，鉆孔內安裝5m長的曲紋網狀PE韌性組合排水管(φ110mm外管，φ60mm內管)，嚴重堵塞段落縱向間距5m/個，一般堵塞段落縱向間距10m/個。邊溝底部井點降水如圖13所示。

圖13 邊溝底部井點降水

5 結語

(1)東溪山隧道區域地下水較為發育，洞內多處滲水嚴重，多處橫向排水管結晶堵塞，縱向排水暗溝沉積大量白色結晶體，結晶體厚度10～30cm。隧道洞內結晶堵塞具有區段性，主要與該區域的圍巖地下水環境及噴射混凝土有關。

(3)隧道內增加井點降水和邊墻泄水孔后，減少了隧道滲漏水的發生。

(4)采用明溝排水方案，便于實現定期養護，可有效預防水溝堵塞。