基于检测及数值计算的运营岩溶隧道涌水综合处治研究.pdf

第4 1 卷第1 1 期2023年1 1 月文章编号：1 0 0 9-7 7 6 7（2 0 2 3)1 1-0 0 8 1-0 6Vol.41,No.11Journal of Municipal TechnologyNov.2023D0I:10.19922/j.1009-7767.2023.11.081基于检测及数值计算的运营岩溶隧道涌水综合处治研究陈棚1 2,吴森阳1,2*,季洪伟1 2,江星宏,李青霖1,2(1.招商局重庆公路工程检测中心有限公司，重庆4 0 0 0 6 7；2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆4 0 0 0 6 7)摘要：涌水是运营岩溶隧道的常见病害。重庆某运营隧道岩溶段涌水病害反复出现，虽然采用了多种常规病害处治手段，但效果均不佳，严重威胁了隧道的运行稳定和行车安全。为了根治岩溶隧道运营期突涌水问题，利用多种隧道病害检测方法（包括地质雷达、外观、二次衬砌净空断面、数值模拟等)进行综合检测，结合实际隧道病害部位和破损程度，演算出了不同水压作用下的衬砌结构安全系数，得到了隧道衬砌结构的安全性和稳定性情况，并通过采用主洞内粘贴钢带加固+增设泄水洞相结合的方法进行了涌水隧道综合治理。关键词：运营岩溶隧道；隧道涌水；检测；数值计算；水害处治设计中图分类号：U453.61Study on Comprehensive Treatment of Water Inrush in Operating KarstTunnel Based on Detection and Numerical CalculationChen Peng-2,Wu Senyangl.2*,Ji Hongweil-2,Jiang Xinghong,Li Qinglin.?(1.China Merchants Chongqing Highway Engineering Testing Center Co.,Lid.,Chongqing 400067,China;2.China Merchants Chongqing Communications Technology Research Design&Institute Co.,Ltd.,Chongqing 400067,China)Abstract:Water inrush is a common disease in operating karst tunnel.The water inrush disease of a karst tunnel oc-curs repeatedly in Chongqing.The conventional treatment methods of various operating tunnels are ineffective,which seriously threatens the stability and traffic safety of the tunnel.In order to solve the problem of water inrush inkarst tunnel during operation period,a variety of tunnel disease detection methods(including geological radar,ap-pearance,secondary lining clearance section,numerical simulation,etc.)were applied to comprehensive detection.Combined with the actual tunnel disease position and damage degree,the safety factor of lining structure under dif-ferent water pressure was calculated,and the safety and stability of tunnel lining structure were obtained.The com-prehensive treatment of water inrush tunnel is carried out by the method of pasting stel strip reinforcement in themain tunnel and adding drainage tunnels.Key words:a operating karst tunnel;tunnel water inrush;detection;numerical calculation;flood treatment design文献标志码：A西南地区岩溶隧道在施工期或运营期发生涌水突泥灾害可谓屡见不鲜。针对各种类型的隧道水害处治,众多学者做了大量研究。例如,陈俊武等 2 通过对九顶山隧道施工中的涌水突泥事故进行分收稿日期：2 0 2 3-0 5-2 4基金项目：国家重点基础研发计划（2 0 2 1 YFC3002004)作者简介：陈棚，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为隧道设计和检测。通讯作者：吴森阳，男，高级工程师，硕士，主要研究方向为隧道检测。引文格式：陈棚，吴森阳，季洪伟，等.基于检测及数值计算的运营岩溶隧道涌水综合处治研究 .市政技术，2 0 2 3,4 1（1 1)：8 1-8 6.（CHENP，WUS Y,JI H W,et al.Study on comprehensive treatment of water inrush in operating karst tunnel based on detection and numerical calculationJJ.Journal of municipal technology,2023,41(11):81-86.)市放技术82Journal of Municipal Technology析,认为该段涌水是突发性和间歇性的岩溶涌水；马环宇 3 通过研究隧道的现场情况和类似水害的处治案例，采取了超前支护十提高围岩支护等级十排堵结合的综合处治措施处理涌水病害；郑波等对运营高压富水铁路隧道的致灾机制进行了研究，提出了“畅排”处治理念；王刚等 4 对运营高压富水铁路隧道在季节性岩溶水作用下的衬砌破坏进行了研究，验证了大量排水通道对涌水隧道的重要性。大部分岩溶隧道在运营期间都会出现不同程度的衬砌开裂、渗漏水等病害。衬砌涌水病害会降低隧道结构的安全性和耐久性,缩短隧道的使用寿命，同时还可能导致隧道结构破坏、突涌水、塌方等重大灾害,危及隧道内的行车安全 5-6 。准确分析、评估水害对隧道结构安全性的影响，可为隧道的养护、状态评定和维修加固提供理论依据 7 ，对确保隧道运营安全至关重要。笔者采用隧道病害综合检测方法，演算了不同水压作用下的衬砌结构安全系数，得到了隧道衬砌结构的安全性和稳定性情况，并通过主洞内粘贴钢带加固十增设泄水洞相结合的方法进行了运营隧道涌水的综合治理，以期能为类似隧道的水害处治提供新思路。1隧道概况1.1地质和总体情况某隧道位于重庆市境内，其右洞为双洞4 车道高速公路隧道，净宽1 0.5 m，限界高度5.0 m，设计行洞别终点桩号YK39+300.0YK39+319.0YK39+319.0YK39+336.0YK39+336.0YK39+360.8隧道右洞YK39+360.8YK39+405.0YK39+425.0第4 1 卷车速度8 0 km/h，于2 0 1 0 年建成通车，按上下行分离式形式布置。该隧道左、右洞轴线最大间距1 5.5 43.5m，隧道进出口段受地形限制为小间距隧道。右洞进口土建原设计桩号为YK37+326.676,出口土建原设计桩号为YK40+712.517，全长3 3 8 5.8 4 1 m，最大埋深4 3 0 m，且右洞左、右线均为人字坡。其中，,右线隧道在YK39+000处设1 个变坡点，纵坡坡度由1.723%变为-0.5%；在YK40+300处设1 个变坡点，纵坡坡度由-0.5%变为-2.5%。该段隧道的病害主要集中在右洞YK39+300一YK39+500段，其围岩级别主要为IV、V 级，病害段出露的灰岩组是强一中等富水透水岩组，且地处平阳盖向斜核部，地表岩溶洼地、落水洞发育，加之隧道段存在“大水井一岩门口”地下暗河，故容易在隧道段深部形成强径流区。该隧道施工期预测涌水量将达到2 2 3 4 8.0 5 5 8 5 0 0 7.8 0 m/d。1.2原设计方案该隧道YK39+300YK39+500段原复合式衬砌结构的竣工参数见表1。1.3病害现状、历史处治情况和原因分析1.3.1病害现状2021年6 月2 9 日晚上9 点，该隧道进城方向YK39+390.0附近发生拱墙渗漏水、拱顶预留孔洞涌水、边沟和两侧沉砂池溢水现象。其地下水浑浊,在局部范围内积聚，导致车辆无法通行。该隧道在此前几年曾反复出现类似病害，现场典型病害见图1。表1 竣工参数表Tab.1Completionparameters table起点桩号二次衬砌厚度/cm40（钢混)50（钢混）115(钢混）YK39+405.0115（钢混）YK39+425.0115(钢混）YK39+500.040（钢混）仰拱厚度/m1.823.774.433.953.951.82衬砌类型IVa型衬砌加宽段抗水压衬砌加宽段抗水压衬砌抗水压衬砌抗水压衬砌IVa型衬砌a）拱顶预留孔洞涌水b)边沟涌水图1 隧道现场典型病害Fig.1 Typical disease of tunnel sitec）路面淤积泥水第1 1 期1.3.2历史病害处治情况2012年，该隧道发生了拱墙渗漏水、路面积水、路面鼓包等病害,采取的主要处治措施包括：增大重庆方向(下坡)的路侧边沟;疏通中心水沟，重点解决中心水沟与路侧边沟的横向连接沟、拱墙衬砌渗漏水问题；改造中心水沟出水口，提高出水顺畅性；打设边墙脚泄水孔进行排水。1.3.3病害原因分析1)工程地质条件：该渗漏水区域主要集中在平阳盖向斜核部和岩性变化接触带附近，其基岩岩性主要为铝土岩、岩质页岩夹煤线和灰岩。该区域受构造影响较大，横张、纵张裂隙发育，层间结合较差，且由于处于向斜核部，地下水较丰富。2）水文地质条件：竣工资料显示，洞身YK38+430YK39+050区域的预测涌水量高达2 6 9 1 0.6 2 389732.90m/d;洞身YK39+050YK39+425区域的预测涌水量达到2 2 3 4 8.0 5 5 8 5 0 0 7.8 0 m/d。此外，该隧道段存在“大水井一岩门口”地下暗河，暗河管道高于隧道，由于向斜核部受地质构造影响较大，裂隙较发育，部分裂隙与暗河相通，在高水头和强降雨时期，导致隧道内出现大量涌水。2隧道病害检测2.1地地质雷达检测结果该隧道YK39+300YK39+500段厚度合格率为97.5%,最小厚度2 5 cm(设计厚度4 0 cm），位于右拱腰YK39+490处；连续性欠厚2 处，累计长度11m,最长欠厚长度9 m,最大欠厚值2 5 cm,均位于右拱腰YK39+483YK39+492处；共有4 处缺陷，4秀山路面右边墙右拱部拱顶左拱部左边墙路面YK394300YK39+YK.39+9+3109+320图例：剥落潮湿门渗水点水样点变形段露筋段断面侵线国钢筋缺失或理埋设过深钢筋保护层过薄钢筋保护层过厚四钢筋缺失图2 病害检测结果展布图Fig.2 Result distribution diagram of disease detection in the section陈棚等：基于检测及数值计算的运营岩溶隧道涌水综合处治研究2.3路面强度检测结果该工程共采集了8 个路面完整芯样，其混凝土层均无明显分界面，为整体浇筑，抗压强度为1 3.7 35.8MPa,其中除2 个芯样不满足强度要求外，其余6个均满足设计强度要求。2.4外观检测结果该隧道右洞检测段共发现2 3 处病害，包括渗水16处(1 5 处位于边墙,处于渗水状态;1 处位于拱顶，为喷射水流）；剥落3 处；潮湿2 处；露筋1 处；变形1处,位于右墙角,长1 0 m。其中,最严重的病害位于隧道YK39+393拱顶处，为喷射水流，其技术状况评定值为4。2.5二次衬砌净空断面检测结果该隧道右洞检测段共检测了2 0 个净空断面，其中1 6 个断面满足设计内轮廓要求,4 个断面存在侵人设计内轮廓的情况，分别位于YK39+410、YK 3 9+440、YK 3 9+4 9 0 和YK39+500处，其中最大侵线断面位于YK39+410左边墙，侵限值为1 3.6 cm。该检测段病害检测结果展布图见图2。重庆人四YK39+YK39494340+3083分别为3 处不密实和1 处脱空,均位于左拱腰处,其中不密实处累计长5.2 m，脱空处长2.5 m。右洞涌水段检测出钢筋保护层缺陷2 3 处，累计长3 0 8 m。其中，钢筋缺失5 处，累计长7 0 m；钢筋保护层过薄8 处，累计长4 6 m；钢筋保护层过厚1 0 处，累计长 1 92 m。2.2衬砌强度和水质检测结果该隧道右洞检测段二次衬砌混凝土强度共测量了6 个构件，均满足设计强度要求。地下水对混凝土结构的腐蚀性评定为弱腐蚀。YK39YK3994350360YK39+9+370YK39+380YK39+390YK39+400YK39+410YK.39YK39+430YK39+40国二次衬砌厚度不足不密实YK39+9+4.50YK39+460YK39+470YK39YK39+490K3+5084Journal of Municipal Technology第4 1 卷3数值模拟计算分析2.17-538.02该工程YK39+360YK39+425段存在剥落、潮853.86-1169.71湿、渗水等外观病害问题。其中,YK39+390段渗水病-1485.56害突出，技术状况等级为4,其他病害程度较轻，技-1801.412117.26术状况等级小于2,因此计算分析时主要考虑渗水病-2433.102748.95害特性。该段无明显二次衬砌欠厚问题，但YK39+-3064.80390段净空受拉侧钢筋保护层厚度过大，近5 0 cm，3380.65不仅不能发挥钢筋作用，而且会使结构承载能力降图3 一次衬砌轴力分布图低。该区段YK39+379.0YK39+381.5范围内虽然存Fig.3 Axial force distribution diagram of primary lining在小范围脱空，但由于脱空长度与环向宽度均较小，对承载安全性影响较小，因此不进行针对性评估。该工程YK39+360YK39+425段衬砌结构承载以水压力为主，围岩压力相对较小。由于工程建设时间久远，无法获得准确的地勘资料，因此岩土体参数参照JTG3370.12018公路隧道设计规范第一册土建工程 8 取定,2 个车道的防水衬砌与IVa型衬砌的二次衬砌结构均为C35防水钢筋混凝土。检测资料显示，该区段混凝土强度满足设计要求，不存在明显病损情况，因此结构计算参数参照JTCG3370.1一2 0 1 8 公路隧道设计规范第一册土建结构取定。该段围岩等级均为IV级，根据规范中深埋隧道围岩压力计算公式，其竖向荷载与水平荷载计算值为：q=150.48 kN/m,ei=45.14 kN/m,e2=104.54 kN/m。结合抗水压衬砌结构设计资料，该工程在计算荷载结构时,其抗水压能力可达1.8 MPa。实际工程中，由于结构缺陷和仰拱深度不足导致结构抗水压能力有所降低，计算时按0.0 5 MPa静水压力梯度逐级加载,直至结构承载能力不足时结束。由于围岩压力、结构自重、水压力等均为永久荷载，抗压极限强度控制的安全系数控制标准为2.0,抗拉极限强度控制的安全系数控制标准为2.4，裂缝最大宽度计算控制值取0.2 mm。静水压力为0.5 MPa时，计算得到一次、二次衬砌结构的轴力和弯矩分布情况,分别见图3 6。不同水压作用下，衬砌结构的安全系数计算结果见图7。根据计算可知：1)无水压作用下,衬砌结构承载安全系数满足规范要求；2)衬砌结构保护层厚度增大会引起整体承载安全系数大幅降低；3)衬砌结构保护层厚度超过结构厚度1/2 时，受拉侧验算时采取素混凝土结构验算，计算得出的衬砌结构抗水压能+83.22+82.49+41.77+21.05+0.3320.4041.12-61.84-82.57-103.29-124.01图4 一次衬砌弯矩分布图Fig.4 Bending moment distribution diagram of primary lining0.0L:29881,10L:-2988.30.0L:3303.5,1.0L:3308.8图5 二次衬砌轴力分布图Fig.5 Axial force distribution diagram of secondary lining0.0L:668.8,1.0L:660.80.0L:766.0,1.0L:719.3图6 二次衬砌弯矩分布图Fig.6 Bending moment distribution diagram of secondary lining-2988.11-3026.543084.973103.403141.843180.273218.70-3257.133295.56-3334.003372.43+670.74+526.80+382.87+238.94+95.0048.93-192.86-336.80-480.73-624.66-768.59第1 1 期14121086420.0图7 安全系数随水压力变化情况图Fig.7 Variation of safety factor with water pressure力较低；4)水压作用下,衬砌结构安全系数随水压增大而减小，衬砌结构保护层厚度为1 0 0 mm时，当水压达到0.5 MPa时,结构承载安全系数难以满足规范要求。4病害处治设计及现场施工情况该隧道YK39+390拱顶1 处渗水孔为施工期间遗留，现为雨季拱墙较大出水点。该次拟对其进行处理，主要采用凿除并新建局部二次衬砌，并对其前、后3 m范围内采用粘贴钢板带加固的方案。该隧道洞内主要处治YK39+480YK39+500段共2 0 m。该段存在衬砌欠厚和钢筋缺失等病害,因此主要采用粘贴钢板带的方式进行处治：以热轧镀锌钢板带加固，钢板带标准厚度8 mm，宽3 0 cm，中心间距8 0 cm，拱部整环敷设。钢板带采用M20高强化学锚栓和复合粘钢胶与衬砌连成一体，加固范围包括隧道环向全环和纵向在欠厚区域最外侧加布1 环。结合隧道施工阶段发现的出水点和目前涌水段落，该工程拟增设泄水洞。泄水洞起点为主洞YK39+320处，一直持续到隧道出口，平面位置位于隧道右洞的右侧。泄水洞测设线距离右洞测设线2 2 5 6 m，泄水洞长1 8 0 6 m。病害处治设计见图8。该隧道泄水洞已正式实施，工程进展顺利，截至目前已掘进2 7 1 m，施工现场见图9。5结论针对某隧道YK39+300YK39+500段结构渗水和病损现状，结合原隧道衬砌设计与历史处治情况、隧道检测、计算分析和病害处治设计，初步得出了陈棚等：基于检测及数值计算的运营岩溶隧道涌水综合处治研究AM20高强化学螺栓一拱顶边墙一仰拱110.20.4水压力/MPa85凿除并新建部分二次衬砌环向热轧镀锌钢带加固8mm300mm80cm隧道轴线行车道中线0.60.81.0a)拱顶预留孔段M20高强环向热轧镀化学螺栓锌钢带加固隧道轴线行车道中线b)拱顶预留孔周边22砂浆锚杆L=250cm100cmx100cm（环向纵向）梅花形布置P930Fig.8 Design drawing of disease treatment隧道病害特性与原因、安全系数和病害处治方案等。1)提高结构承载能力是处治隧道结构病害的一个思路，然而仅采用主洞粘贴钢带加固的方式无法满足加固需求，对于严重且反复涌水的运营隧道应考虑增设泄水洞进行处治。通过采用主洞内粘贴06.5钢防网，网格间厘2 0 mx20m初期114工字钢拱架，纵向间距1 0 0 cm20cm厚C25喷射混凝土30cm厚C35模筑素混凝土AR175R175175十175450c)增设泄水洞衬砌断面(cm)图8 病害处治设计图支护二次衬彻08市放技术86Journal of Municipal Technology图9 泄水洞施工现场图Fig.9 Construction site of drainage tunnel钢带加固十增设泄水洞相结合的方法进行综合治理,可一劳永逸地解决隧道结构涌水病害问题2)根据计算分析可知：无水压作用下,衬砌结构承载安全系数满足规范要求；衬砌结构保护层厚度增大会引起整体承载安全系数大幅降低，当其厚度超过结构厚度1/2 时,受拉侧采取素混凝土结构验算，计算得出此时衬砌结构抗水压能力较低。水压作用下，衬砌结构安全系数随水压增大而减小。当衬砌结构保护层厚度为1 0 0 mm且水压为0.5 MPa时,结构承载安全系数难以满足规范要求。3)鉴于目前较多运营隧道出现涌水情况，且常规的病害处治手段时常失效,因此可通过隧道检测、病害情况分析、数值计算比对以及粘贴钢板带十增设泄水洞等手段综合处治隧道涌水，以期为今后的类似工程提供参考和借鉴。4)在地下水侵蚀、不良地质、防排水系统失效等因素共同作用下，强降雨引起季节性岩溶水聚集并形成短时较高压力岩溶水是该类隧道突涌水灾害产生的主要原因。参考文献【1 刘卓华，朱贵.在运营高速公路隧道涌水灾害应急抢险处治研究 J.西部交通科技,2 0 2 1(7)：1 2 6-1 2 9,1 8 5.（LIUZH,ZHUG.Study on emergency rescue and treatment of water gushingdisaster in operating expressway tunnelJ.Western China com-munications science&technology,2021(7):126-129,185.)(上接第2 9页）on the global stability performance and design method of hot-rolledH-shapes high-strength bolt-spliced composite beamsD.Xian:Changan University,2022.)其他作者：徐升桥，男，教授级高级工程师、全国工程勘察设计大师，硕士，主要研究方向为桥梁结构设计。邹永伟，男，教授级高级工程师，硕士，主要研究方向为第4 1 卷2 陈俊武，陈树汪，汪红武，等.九顶山特长隧道涌水突泥原因分析及处置方案 J.交通世界,2 0 2 0(1 8)：7 6-7 9.（CHENJW，CHEN S W,WANGH W,et al.Cause 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