岩溶地区高速公路运营隧道病害及预防研究

靳红涛张彦龙

摘要：以粤北某岩溶地区高速公路隧道运营期存在的渗漏水、衬砌开裂变形、隧道及导水洞涌水涌泥、地表环境恶化、衬砌背后存在空洞等病害为例，分析了病害机理和危害性，提出了在岩溶地区隧道建设中“限量可控排水系统”和合理的衬砌结构的措施和理念，以确保隧道运营期的安全和减少或杜绝病害的发生。

关键字：岩溶；高速公路；隧道；病害

Abstract: taking a north karst area highway tunnel operation period of the leakage of existence, lining crack the tailrace tunnel, and guide the gushing water and mud, surface environment degradation and lining are behind disease empty for an example, the paper analyses the mechanism and harmfulness of the disease, and puts forward in the karst area in the construction of the tunnel "set limit to controllable drainage system" and the reasonable lining structure of the measures and philosophy, to ensure the safety and operation period tunnel reduce or eliminate the happening of the disease.

Key word: karst; Highways; and Tunnel; disease

中图分类号:U412.36+6文献标识码：A文章编号：

随着我国高速公路建设的不断发展，在岩溶地区修建的隧道越来越多，诸多长大复杂岩溶隧道正在修建或即将修建。由于岩溶水影响，建成通车后的隧道则可能出现隧道渗漏水严重、洞内水淹没道路、隧道衬砌被岩溶水挤压破坏、衬砌开裂变形，危及行车安全，甚至中断行车等。为确保岩溶隧道长期的运营安全，减少或杜绝此类病害的发生，提高岩溶隧道工程建设期施工质量和技术，是岩溶地区隧道建设的重点和出发点。

1 工程概况

某隧道是京港澳高速主干线粤境高速公路重要的工程之一, 于2003年4月建成通车，至今已运行9年，为分离式单向行车双线隧道。隧道左、右线全长分别为2 063m、2 120m。在隧道左线左侧出口段建有深度500m的平行导水洞。

根据区域地质资料和所取得的勘察资料，其岩性主要为深灰色中厚层～中薄层状隐晶质灰岩，隧道区域断裂构造十分发育，发现大小断层20条。断裂构造破碎带大部分为构造角砾岩，隧道深度范围内多数为微风化岩，．因多期构造运动的叠加改造，大多断层不再具有单一的力学属性和水理性质，而具不同程度的导水能力。尤其值得注意的是，主干断裂旁侧的次级断裂、裂隙成为局部地下水运移通道，它们和主干断裂一起共同组成了形态甚为复杂的岩溶带。由于隧道洞身处于灰岩地段，灰岩面上部土层中有一定量的上层滞水和孔隙潜水，隧道沿灰岩顶面走，可能会出现小股滴水或涌水。同时断层破碎带可能被溶槽或溶隙，上部浅层溶洞水将以管道流的形式灌入隧道中，将会有渗水或涌水。

隧道施工期间部分地段发生较严重的突水突泥，并引发众多地面岩溶塌陷群及地面变形等地质灾害。

2 隧道运营期病害情况

此隧道在运营期发生了渗漏水、衬砌开裂、衬砌偏压变形、隧道及导水平洞涌水涌泥流石，衬砌背后存在溶洞和地表岩溶塌陷等病害。以上病害基本涵盖了岩溶区运营隧道常见病害。

2.1 渗漏水

隧道渗漏水是岩溶区运营隧道最常见的病害。在此隧道往年的定期检查中发现隧道渗漏水严重，几乎整个隧道都渗漏，以浸渗为主，局部滴漏有明水，施工缝部位在降雨时存在喷射状渗漏水，已影响到了行车安全。表1为隧道在2010年定期检查中渗漏水情况。

表1 某隧道2010年定期检查渗漏水数量统计表

部位 浸渗 滴漏 喷射 合计

左线 353处 11处 2处 366处

右线 123处 10处 1处 134处

2.2 衬砌开裂

衬砌开裂是指衬砌表面出现裂缝, 是衬砌变形的结果。某隧道在2010年检测到左线有273 条裂缝（纹），其中有220 条环向裂缝，26 条纵向裂缝，27 条斜向裂缝，长度范围为40cm～743.3cm，宽度范围为0.01mm～1.0mm，左右边墙及拱部均有开裂；右线有169 条裂缝，其中134 条环向裂缝，12 条纵向裂缝，23 条斜裂缝，长度主要为40cm～1400cm，宽度主要为0.05mm～0.55mm，左右边墙及拱部均有开裂。个别伴有浸渗的裂缝，裂缝深度已已贯穿衬砌；对衬砌结构稳定性较大的纵向和斜向裂缝外宽内窄，属于张拉型裂缝或拉剪型裂缝。

2.3衬砌偏压变形，拱顶变形波动逐年增大

在运营期对隧道进行了监测。从断面边墙测点监测结果发现，在隧道靠平行导洞一侧左边墙脚偏压现象较明显，某监测断面右侧墙脚应变逐渐转变为拉应变，其数值接近-50με；多数监测断面应变变化较大，这种现象与此处瓷片大面积脱落、衬砌边墙渗漏水的病害吻合。各监测断面均存在衬砌应变偏压现象。

对隧道岩溶及断层发育区域段进行了长期的衬砌变形监测，通过监测发现08年后拱顶沉降随降雨量的变化量较08年前明显增大（如图1所示），水压力对衬砌变形的影响在增加，衬砌对水压力感知度增大。运营期隧道衬砌当变形量超过一定范围，易造成衬砌开裂，进而影响衬砌的承载能力，对隧道结构安全性是一个潜在的隐患。

1#断面拱顶下沉-时间曲线

图1 某隧道拱顶下沉-时间曲线

2.4 隧道及导水平洞涌水涌泥流石

2003年以来，据了解每年暴雨时节涌水涌泥流石现象不断发生，大量的断层泥、断层角砾及地表浮土在地下流水的作用下，经导水平洞排出，特别是某出水点，不但涌水涌泥，而且直径达数十厘米、重量以吨计的断层角砾也被水流冲出，瘀积在导水平洞中，可见当时地下水流的冲击能量及搬运能力的。2007年调查期间，在相同部位，洞内泥砂已瘀积0.5m厚以上，在导洞500m深以上，瘀积厚度变深，局部达0.8m厚。

2.5 衬砌背后存在空洞

隧道在2010年采用地震映像法对断层和岩溶发育地段进行了岩溶探测，通过所布测线推断空洞或溶洞64处，部分空洞异常可能存在连通或为同一空洞异常，空洞或溶洞内存在充填物。

2.6地表岩溶塌陷、环形拉裂缝

根据水文地质勘察报告，隧道在施工期间及竣工运行初期均产生了塌陷和环形拉裂缝，在运营期隧道地表塌陷不断的发展，仅在2009年7月的调查中发现自2007年以来地表新塌陷及滑塌15处，地裂缝3条：这些塌陷一部分为旧岩溶塌陷不断下陷形成的，一部分是新塌陷。

3 岩溶区病害机理及危害性

3.1 渗漏水

渗漏水是岩溶区高速公路运营隧道最常见的病害，由于岩溶区地下水系发育，而且隧道周边若有溶洞沿导水通道与地表连通，导致隧道衬砌背后水量大，若排水系统失效，地下水易从衬砌薄弱部位渗出，造成隧道渗漏水，同时由于地下水受地表水补给，降雨对岩溶区隧道渗漏水有较大影响。

渗漏水较大时滴落在车道，使路面干湿不均，易使车辆滑移，漏水也会影响司机驾车；同时渗漏水会掏空支护结构背后的泥土，使支护结构背后形成空洞，同时使围岩松散降低围岩等级，增加结构荷载；渗漏水腐蚀钢筋和混凝土，减少钢筋和混凝土的承载力和寿命。

3.2 衬砌开裂变形

岩溶区隧道衬砌开裂变形除混凝土自身的原因（混凝土自收缩、温度、选材、配比等因素的影响）外，衬砌偏压或衬砌承受荷载超过自身承载力，衬砌易开裂。岩溶区水压力对衬砌开裂变形的影响大，运营期隧道衬砌当应变量超过一定范围，易造成衬砌开裂

衬砌裂缝减小了衬砌承载面积，影响衬砌结构的整体承载力。

3.3 隧道涌水涌泥

岩溶区运营隧道当地下水量较大，衬砌局部失效时，地下水携带泥沙大量涌入隧道，由于涌水涌泥的突发性，对隧道运营安全又很大的影响，同时会导致路面堵塞，影响交通。

3.4 衬砌背后存在空洞

主要是由于隧道排水或渗漏水会掏空支护结构背后的泥土，使支护结构背后形成空洞或溶洞，理论和实践证明隧道衬砌背后和围岩之间存在空洞时，都会促进围岩的松弛，使衬砌产生弯曲应力，而损伤衬砌的功能，降低其承载力。这种空洞在特殊情况下可能产生两种不良后果：其一是一旦涌水出口被堵塞，水位呈脉冲式回升至一定高度时，地下水就极有可能反复以较高水头对较薄弱的隐患部位施加冲压并击穿衬砌而溃入隧道，淤埋路面，危及过往车辆安全。此外水位快速回升可使上部的空洞形成压缩气囊，一旦气炸形成冲压损坏隧洞结构，突入隧洞内危及车辆行人安全。其二是长期排水条件下，固结较差的围岩或未经加固处理的断层带松散土石被冲刷侵蚀使孔洞形成巨大空洞，产生洞室偏压，或者空洞垮塌造成的冲击力均可能使隧洞结构受到损坏，造成安全事故。

3.5地表环境恶化

当有断裂破碎岩溶强烈发育的内因情况下，在外因作用下，尤其在雨季暴雨时地表水沿着地表裂隙灌入地下，地下水位迅猛升高，水力坡降增大，由塌陷堆积于岩溶通道中的松散泥砂极有可能被水流冲蚀、运移进而涌入隧道，并使原有塌陷不断下沉扩大，在泥砂不断被带走，地表浮土层不断被掏空，又形成新的地表岩溶塌陷。隧道地质病害所引起的地表危害，塌陷、地裂造成了山体植被的破坏，水土流失，局部可能会出现山体滑塌，对周边居民和财产造成危害。

4 岩溶隧道建设期的几点建议

根据以上岩溶区运营隧道存在的病害，结合病害机理和危害性，如何预防或减少此类病害的发生，是一个急待解决的问题。建设期施工质量和施工技术措施是影响隧道寿命和运营安全的重点，若建设期施工质量差，技术措施不到位，会造成运营期很大的安全隐患，在病害处治上浪费大量的人力和财力。针对以上病害，提出以下几点运营期需要考虑的建议：

4.1 限量可控排水系统

岩溶区隧道排水系统即要保证能够及时的排出衬砌背后地下水，降低衬砌所受的水压力，又要保证不能无限制的排水，造成衬砌背后空洞，周边山体水土流失造成地表环境的恶化。隧道内岩溶水处理一般“宜疏不宜堵”，由于岩溶水发育的不规律性针对以上问题，笔者提出一种新型的“限量可控排水系统”，具体要点如下：

（1）由于岩溶水不规律性，建议查明地质条件，分段设置排水系统。

（2）水压力和水位监测： 准确的掌握隧道的水压力和水位是“限量可控排水系统”可行性的前提条件。

（3）最大水压力和排水系统最大排水量计算：根据监测结果按照一定的安全系数计算最大水压力，结合衬砌所能承受的最大荷载，得出各段排水系统最大排水量。

（4）在设置排水系统时，对排水孔采用可控制排出量的排水孔，目前市面上有机械型和智能型的排水阀，建议采用智能型排水阀。

（5）根据水压力和水位监测结果，若为机械型排水阀，建议根据季节性调节排水量；若为智能型，随时可以根据水压力调节排水量。

4.2 衬砌的选择

对于岩溶地区隧道，尤其是岩溶发育地段，衬砌是隧道安全的最后一道防线，所以对衬砌的选用应慎重。

（1） 衬砌的防水性和抗腐蚀性：隧道衬砌结构适用于揭示围岩的状况及岩溶水环境条件是设计必须的。隧道衬砌结构须能够承受一定的水压力，考虑到部分岩溶地区地下水具有腐蚀性，衬砌的抗腐蚀性也是很重要的。

（2） 复合型衬砌：岩溶地区由于地下水压力的变化，衬砌应变随水压力变化不断变化，为防止衬砌产生疲劳破坏，衬砌在满足刚度的条件下必须要能适应一定的弹性变形。对于岩溶地区，对于排水地段，宜采用复合衬砌中的排水型衬砌，同时为防止串水，宜设置分区防水系统。从地形条件、岩溶发育程度、排水系统的有效性、运营后环境条件可能的变化等方面分析隧道工作环境可能存在的不利条件，评估衬砌结构的可靠性和安全性， 并选择适宜的复合衬砌结构。

5 结语

岩溶地区大部分运营隧道都存在着各类病害问题，而这些病害的主要原因是“水”，如何处理好水的问题，是目前岩溶地区隧道建设期和运营期的一个重点和难点。岩溶区隧道施工质量和预防措施，对隧道运营的安全性和经济性有很大的影响。继续研究岩溶对隧道建设和运营的影响性，岩溶的特点，结合隧道特点，采用高效经济的衬砌和排水系统以提高岩溶地区隧道的质量，保证线路运营安全。

参考文献：

[1]重庆交通科研设计院，JTG H12－2003公路隧道养护技术规范[s]．北京：人民交通出版社．2003．

[2]关宝树，隧道工程设汁要点集[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[3]王明生，隧道渗漏水防治[J]．科技情报开发与经济， 2005，15(10).

[4]黄新社，隧道衬砌裂缝及渗漏水治理技术[J]．隧道建设，2006．26(3).

[5]杨昌宇，岩溶地区隧道设计的几点思考及建议[J].现代隧道技术，2011.4（2）.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。