水工隧洞建設中的鋼筋混凝土襯砌水壓致裂原因及對策

趙忠宇

（廣州市泰和混凝土有限公司，廣東 廣州 510450）

1 工程概況

某一水工隧洞左里程樁數：ZKl3+728~ZKl7+255，右里程樁數：YKl3+726~YKl7+310，隧道底部標高248m~304m，最大埋深約44m，寬10.25m，為深埋超長巖溶隧道，高5.0m，垂直坡度1.6%。隧洞地址處于長江南岸巖溶-溶丘-洼地區，重點布局在400m~700m的喀斯特地貌上。在長江流域基準面與區域內部裂縫的雙重作用下，水系發育程度非常高，河谷遭受了嚴重的切割。水源侵蝕，洼地近半封閉。可溶性和不溶性巖石呈間隙性分布，巖溶水系統的分布和排泄水受基礎設施控制和分層控制的影響。隔水頂底板對巖溶發育和巖溶水生成條件有顯著影響。

從陶家溪到艾家河，隧道由入口始至出口止，先后經過的巖石主要有8種：①下震旦統蓮沱組砂巖；②粉砂巖；③砂質頁巖和含礫石砂巖；④南沱組冰磧礫巖；⑤冰磧礫石砂巖；⑥震旦系陡山沱組碳質頁巖與泥質頁巖混合；⑦含硅結核或硅條白云巖或硅質白云巖；⑧燈影組為灰白色中厚層狀含硅塊狀或白云質灰巖。

另外，燈影組下面是白灰色碎屑物質巖、一般呈薄層狀、透鏡狀、條帶狀及結核狀的硅質白云巖，這種白云巖與黑色碳質頁巖交相輝映，掩映其中的是黑色的薄層硅質、瀝青微透明灰巖；上端是灰白色白云質灰巖、其內部包括一些破碎的白云巖，燧石內部包括燧石塊，與黑色頁巖交相輝映。

燈影組是一個中等巖溶含水帶，受隔水頂板和底板、區域張性和張性斷裂的干涉，巖溶主要沿不溶巖與溶巖接觸帶和區域張性斷裂生長。隧洞經過中間有硅質、瀝青灰巖時，顯露出高傾角充填巖溶裂縫蓄水結構，出現了隧洞涌水和襯砌壓垮斷裂病害。

2 高陡傾充填型巖溶裂隙蓄水構造形式與致災機制

隧道開挖揭露的是隧道施工中常見、卻極易被忽視的一種致災性極強的巖溶蓄水構造形式。對其形態、充填特性、災害形成的原因等進行全方位研究，能夠為詳細評估施工風險提供參考，也可為類似工程提供參考。

2.1 高陡傾充填型巖溶裂隙蓄水構造

2.1.1 形態

經隧道開挖可見，高陡充填型巖溶裂隙儲層構造達300°，與隧道相交成20°左右的小角度。擴展性好，走線長度超過20m，產狀30。由于構造和溶蝕差異，局部產狀和傾角變化不大，但整體產量高、陡。這組裂紋是沿局部拉伸裂紋熔化形成的。隧道的可見寬度為20cm~40cm，并向上延伸。隧道內進水動態、充填物性質、洞穴狀表面和洞底沉積物根據高角裂縫腐蝕后的裂縫寬度為0.3m~3.0m向上延伸，據推測它會到達并形成一個角度比較高的縫隙溶洞。大面積空腔會被全面填充，順著界面不斷發育的巖溶管道則使儲層結構達到了中等滲透率。

2.1.2 充填物性質

許多巖溶裂縫布滿碎屑廢棄沉淀物。沉淀物在水壓與自重應力的影響下，產生伸展及凝結狀態。暴露的初始階段是半堅硬狀的，允許使用鎬或鋼筋等工具進行移動。

2.1.3 致災機制

高傾角增加巖溶裂縫水儲集結構，以大角度裂隙的形式出現，下雨后輕易匯聚在縫隙中，產生高水壓。并且，因為增加介質浸透率低，沉淀物活動緩慢，底端容易沉淀，增加介質中一般具有多量黏土顆粒，在自重應力與高水壓密實的影響下，增加介質沉淀、凝固成堅硬和半堅硬狀態，浸透性極差。

在開挖和暴露初期，水往往出現很少，往往不被重視，然而經過長時間暴露后，其內部介質的流失會不斷加劇，不僅會導致水量持續增加，而且會使水壓增加。水的流入和水壓的增加加劇了巖溶裂隙中充填介質的損失。因此，涌水和充填介質滲透變形的形成以及兩個正反饋回路的變形加劇變形了充填介質的水壓和滲透隧道的水文地質條件。涌水和滲透變形的正反饋機制降低了充填介質的性質，最后，它以填充管的形式和流動土壤的滲透變形的方式被擠出，或作為一個整體被擠出。然后將地下河水、溶洞水或地表水引入隧道。這可能導致例如壓碎等災難不斷發生。

所以，在挖掘隧道時，如果發現陡傾角充填涵洞蓄水構造，就需要全面調查隧道所處區域的巖溶特點，同時對涵洞產水狀況也要進行全面分析。在對水源進行分析后，評論蓄水構筑物的水壓變化幅度、安全性、水泥侵入風險等。對強充填介質應盡快進行治理，盡可能降低擾動，提升抗滲、抗變形能力，防止充填介質發生管涌與流土形式的滲透變形，避免充填介質沿管道或裂隙壁整體擠出。

2.2 水源與災害成因分析

2.2.1 隧址區地形

隧道區域的地貌受到兩個條件的影響：①隧洞經過艾家河和高家溪合流陶家溪的界線，界線南北長大概3km；②南部為三峽-清江流域，古剝蝕面發育，海拔1000m~1600m；長江以北的三峽段，高程為10m~20m，造成地形起伏。

然后從南到北整體下降。并且受黃陵背斜的限制，隧道地址橫縱方向呈張性裂縫生長，地面溝谷及地面和地下巖溶受其影響比較顯著。總的來說，地貌被溝谷橫豎分割，以上地形在限制條件下，內部巖溶水域范圍相對小。

2.2.2 巖溶水流域系統

隧道處于黃陵背斜的東南側，燈影組白云巖順東西向呈帚狀漫衍，帚底面向東北方位。西穿陶家、中部多數地下水穿過龍洞窩巖溶水體系、局部通向猴豹溝、向東經猴豹溝、簡溝到達艾嘉河，后流入長江。

中部龍洞窩巖溶水盆地體系補充區，主要位于艾家河-陶家溪流域海拔400m~700m上，漫衍多數是密封及半密封的低地，補充范圍大概是2km2。泄水點龍洞窩位于隧道出口端愛家河左岸，東北方向大概800m，流量最低為20L/s，最高為60L/s，與具體艾家河河面相比，其高出2m，海拔達到了265m。龍窩巖溶水系地質剖面和隧道中心線兩相交融。

除此之外,隧道場區在50°、300°方向分布斷層破碎帶,腐蝕較強,隧道裂縫走向統一,裂縫為龍洞窩巖溶水體系的西北走向支流,因為走勢和隧洞呈小角度交匯,在結構和腐蝕的影響下,非常容易在隧洞作業時被經常暴露,從而引起巖溶涌水或坍塌等病害。

2.2.3 水源與災害成因分析

在強對流天氣狀況下，順著楊家沖河谷燈影組巖溶水并沒有出現泉水，對隧道涌突水進行了詳細觀測，并對觀測數據進行了全面分析，同時還探究了高程，從中可以知道，涌突水段最大水壓不會超過0.5MPa。

此外，早期突水病害引起的大規模襯砌破裂、底板凸起的主要因素：在作業時忽略了高傾角填充型巖溶裂縫蓄水結構的破壞性，沒有正確處理巖溶裂縫，其內部填充物質長時間被浸透，侵蝕空化，增強裂縫滲透率，強對流天氣狀況下，水壓迅速增強，二襯泄水不通，結果不僅在襯砌內部積累了不少地下水，而且在防水板內部也存貯了大量地下水。水壓不斷提高，不但破壞了與巖溶裂隙相交的YK16+042~YKl6+020的襯砌組織，而且還讓地下水利用空隙進入了附近的襯砌組織與圍巖內部，最后形成的結果是YKl6+086~YKl5+938大面積底板鼓起和二襯開裂[1]。

3 災害治理

水力壓裂突水病害引發的隧洞襯砌問題，重點聚集在YKl6+086~YKl5+938，具體如圖1所示。YK16+040巖溶裂縫最開始是以“無水充填裂縫”的形式顯現出來的，然而由于長時間受到水壓的影響，水流與壓力不斷增大，充填體也會在滲透的作用下不斷變弱。裂縫不斷增大。這已經成為隧道注水的重要原因。水流量增加，襯砌內水壓也增加，水侵入規模增大，隧道底板找平層的破壞程度也與日俱增。

圖1 襯砌受損位置圖

隧道底板調平層與二襯破壞范圍也越來越廣：從YKl6+076~YK16+050段（26m），到YKl6+086~YKl6+022（64m），其次到YKl6+086~YKl5+985（101m），最后到YKl6+086~YKl5+938（148m）。

對高陡充填巖溶裂隙蓄水結構，其在涌突過程中出現了比較嚴重的空心化，在降水比較豐沛的季節，涌水量會增加，水壓也會提高。在多次討論的基礎上，最后確定出“主堵、補排水、合排、限排”的方案，采用了裂隙封堵、周壁注漿、排水泄壓、結構置換、信息化注漿效果評估的措施處治災害（YKl6+096~YKl5+925段）。

3.1 裂隙封堵

3.1.1 注漿工藝

在圖2中，首先在巖溶裂縫開口處應用封堵體，并預埋灌漿管，將線或地表水改成點狀。可控排水；然后沿灌漿管注入灌漿，密封巖溶裂隙，形成特定的擴散范圍。

圖2 裂縫封堵示意圖

巖溶裂縫出水口阻滯劑由發泡劑、馬力粉、其他膨脹性快速固化劑、防止水流分散體和防沖刷材質對巖溶裂縫出水口的阻塞，如果現場不具備有關條件，可以利用其他材料將出水口堵住，如棉被等。除此之外，還可以利用某些材料固定于巖溶裂縫壁，如水泥等。但密封體必須保證水壓可以擠出。密封孔洞時，灌漿管要從密封件內部穿透而過且其插入巖溶裂縫的深度比較深。嵌入式灌漿管的作用主要有以下4個方面。

3.1.1.1 排水作用

在灌漿中布設孔板閥管道，將貯存在巖溶裂縫中的地表水更改為可以有效控制點排水。與此同時，避免巖石溶裂縫內部貯存大量積水，提高水壓，推出塞體。

3.1.1.2 勘測效果

在注漿管內裝配水壓表及孔板閥，來勘測水壓及水量變化情況。

3.1.1.3 注漿效果

按照現場水壓值確認能注入1根或多根注漿管道。當水壓和水量較低時，嵌入1根灌漿管，塞體達到設計強度后，直接壓漿以封堵巖溶裂隙。如果水壓比較高或者水量比較高，則嵌入多個灌漿管。塞體達到設計強度后，灌漿一部分灌漿管封閉巖溶裂縫，部分灌漿管排出。

3.1.1.4 泄壓功能

灌漿管在施工和運行時可作為限排泄壓孔使用[2]。

3.1.2 注漿材料

注漿材料應符合以下要求：1）通過實際狀況確認使用泥漿或水泥及硅酸鈉漿料。隧道開裂大、飛濺大的路段采用水泥-水玻璃漿，其余部分推薦單一水泥漿。首選水泥單組份注漿法的原因，首先是泥漿的分散面積能增大，加強了注漿作用；其次，可回避水泥及硅酸鈉漿料注體不持久特性。2）水泥漿選擇的是普通425號硅酸鹽水泥，這種水泥非常普通，也很常見。水灰比為1∶0.6~1∶1。硅酸鈉的濃度是35Be（波美度），硅酸鈉的模量為2.4。水泥與硅酸鈉混合比范圍在1∶0.5~1∶1。

3.2 周壁注漿

在隧道拱頂處進行圍墻注漿，封堵溶出裂縫支管及層間接縫裂縫。

3.2.1 孔位設置

通過設計了長度為5m的76mm硅花管灌漿，周向間隔1.2m×1.2m，單孔灌漿分散范圍0.6m，并利用鉆孔驗證方法進行測試。

3.2.2 灌漿液

根據當地地貌狀況及泄水的具體情況，選擇合適的水泥，材料參數與裂隙封堵材料參數是一樣的，水泥單液注漿方式是最佳形式，為第一選擇[3]。

3.2.3 注漿壓力

注漿壓力不低于0.5MPa，不高于1.0MPa。

3.2.4 注漿加固范圍

以隧道開挖輪廓線為基準，5m以上均在注漿加固范圍之內。

3.2.5 成效檢驗

參考規章制度采取打孔檢驗和壓水檢驗的方法進行檢查灌漿成效，沒有達到標準時，再次進行打孔。灌漿。

3.3 排水泄壓

排水泄壓施工應注意以下事項：1）鉆孔穿過巖溶裂隙的主要通道，布置閥門的可操控泄水管，檢測作業時及運營時水壓和水量的轉變情況。2）利用將襯砌構造中布置圓形及垂直透水管道、橫向泄水管道，同時在襯砌構造中布置縱橫交錯碎石盲溝，出現網狀泄水體系，滿足限量排泄壓力的目標。3）兩旁邊角處（路沿泄水溝內）設置水平和橫向排水孔，同時和隧道側溝相連，孔長5m，豎向間隔5m~10m，涌水量聚集點距離取最小數值。

3.4 結構置換

結構置換施工要求如下：1）鑿除底板受損調平層，增設仰拱。2）鏟除破損的二襯和局部一襯，根據抗水壓為0.5MPa襯砌組織種類進行操作，也就是選擇0.6m厚且強度等級是C30鋼筋砼作為二襯且二襯反面滲水盲管由隔10m布置一道轉變成隔5m布設一道。

該文通過隧道襯砌壓裂突水工程實例分析，研究隧址區巖溶發育特征，得出以下結論：1）高陡傾角充填巖溶裂隙蓄水構造以大角度裂隙形式產生。降雨后，裂縫空間容易積水，形成高水壓；此外，由于其滲透性差，沉積物移動緩慢，容易在底部堆積。在自重應力及高壓水的影響下，填充沉積物凝固成硬質或半硬質，滲水性差，挖掘裸露早期，沒有水或少數噴水，輕易被忽略；但后期裸露時期內，裂縫的填充沉積物將會流失，最后導致沉積物出現在管道、活動土中，被全部擠出。地下水、巖溶空孔水以及地表水全部會進入隧道內部，并形成襯砌損毀等各種問題。2）如果在隧道施工的過程中，出現了高陡充填型巖溶裂隙蓄水構造，有必要研究隧道場址區域內部的巖溶發育特點及巖溶蓄水規律，估算隧道內水壓變化范圍。該文通過水源對蓄水體系進行全面分析，對蓄水體系的安全性與風險性進行充分評估，改強充填介質性質，加強抗滲透能力和抗變形能力。防止充填介質發生管涌與流土形式的滲透變形，避免充填介質沿管道或裂隙壁整體擠出。

4 結語

綜上所述，襯砌開裂會導致滲漏問題，嚴重時甚至會對水工隧洞的耐久性和結構安全性產生巨大的影響。部分隧道注水后，會出現嚴重的開裂和滲水現象，影響隧道的正常運行。運行，給隧道的維護帶來了困難，該文希望為相關人員了解鋼筋混凝土襯砌水力開裂的原因及對策提供參考。