劉 浩， 祝志恒， 李林毅

(1. 廣東交科檢測有限公司， 廣東 廣州 510550； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

0 引言

隨著國家經濟的飛速發(fā)展，為滿足人們日益增長的出行需求，以公路隧道為代表的基礎建設項目迅速增加[1]。已建公路隧道運營情況調查表明，在富水地層(尤其是巖溶地層)中，因復雜地質條件、防排水系統(tǒng)缺陷、地表強降雨等造成的運營隧道結構滲漏水、局部裂損破壞等問題時有發(fā)生[2-4]。這些問題不僅影響隧道內部機電、消防等設備的使用，還會導致路面大面積變形、結構開裂破壞，嚴重時將危及來往車輛的行駛安全[5-6]。

目前，不少學者及工程人員從仿真分析、現場調研、地質勘探等方面對運營公路隧道水害問題的成因及演變機理進行了研究。例如： 劉敏捷等[7]針對隧道路面滲漏水問題，建立隧底結構流固耦合模擬計算模型，分析了隧底結構形式、孔隙率在交通荷載作用下的動水壓力響應特征；張彥龍等[8]依托廣梧高速公路茶林頂隧道工程，通過現場勘探與仿真分析手段，明確了此隧道水害發(fā)生的原因及機理；李凱等[9]通過隧道地表調查，明確了集中降雨、滲透性強、巖溶發(fā)育是韶贛高速白山隧道水害發(fā)生的主要原因；林嗣雄[10]依托典型水害案例，對現場水害特征進行了詳細統(tǒng)計，定性分析了水害原因，并提出了相關防治建議；邵明利等[11]從氣候條件、地形地質、區(qū)域構造等方面分析了黃衢南高速石崖塢隧道水害機理，并提出了隧道內井點降水法的水害治理方案。

上述研究經工程實踐驗證，一定程度上揭示了隧道水害問題的病害機理，較好地指導了同類工程施工及設計。但是，受限于現場實施條件，既有研究多為基于地質資料的定性分析與模擬探討，而對水害隧道隧址區(qū)水流動特性與不良地質體的探查缺乏足夠認識，難以從本質上揭示水害問題的演變過程。因此，本文依托京珠高速洋碰隧道水害案例，聯合地質勘探與水連通試驗手段，探明隧址區(qū)不良地質情況與水連通特性，并采用FLAC 3D軟件對雨后高水壓下的隧道結構安全性進行模擬評價，系統(tǒng)分析案例隧道病害成因，以期為同類案例提供借鑒與參考。

1 洋碰隧道基本概況

1.1 隧道概況及工程地質條件

洋碰隧道是京珠高速公路的一座分離式雙線隧道，位于廣東省北部山區(qū)，左線里程號為LK76+287～LK78+340，全長2 053 m，右線里程號為RK76+300～RK78+410，全長2 110 m。隧道為單向坡設計，西高東低，線路坡度為2%，隧道起訖高程分別為228.37、187.07 m，最大埋深250 m。隧址區(qū)地質構造復雜，洞身穿越多處斷層，地層巖體破碎，巖質主要為砂巖、灰?guī)r。隧道地表大范圍為強透水地層，雨水下滲條件較好，加之隧址區(qū)降雨較為豐富、夏季暴雨頻發(fā)，地下水補給較為充分。隧道西端進口附近為南水水庫，工作期間的水位高程約為210 m；隧道東端出口處為雙口河，為當地最低排泄基準，高程約為128 m。隧道與周邊工程、地質構造的位置關系如圖1所示。由圖可知隧道總體處于“南水水庫—雙口河”排泄路徑高程之上，該排泄路徑會影響隧道滲流，但并非起主導作用。

圖1 洋碰隧道區(qū)域構造及周邊情況

Fig. 1 Regional geological structure and surrounding conditions of Yangpeng Tunnel

1.2 運營期水害情況

洋碰隧道2003年通車后，水害頻發(fā)段1、2(見圖1)常年存在隧道滲漏水病害，部分斷面襯砌邊墻部位出現環(huán)向、斜向裂縫。2012年雨季期間，隧道內發(fā)生涌流及噴射狀滲漏水，危及結構安全與行車安全，現場病害情況如圖2所示。此外，由于地層巖溶發(fā)育、溶洞塌陷頻發(fā)，水害段地表還存在較為嚴重的地面塌陷問題。其中，病害最嚴重的水害頻發(fā)段2的地質縱斷面情況如圖3所示?？紤]洋碰隧道受“南水水庫—雙口河”排泄路徑的滲流影響總體不大，其運營期水害應主要與地表降雨有關。

(a) 拱頂噴射狀滲漏水 (b) 邊墻泄水孔涌水

(c) 地表塌陷 (d) 塌陷處地表落水洞

圖2現場病害情況

Fig. 2 On-site disease situation

1.3 水害段支護設計

水害頻發(fā)段2(RK77+500 ～ RK78+000)穿越4處斷層，洞身主要穿越灰?guī)r、砂巖，圍巖等級包括Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級。在Ⅴ級圍巖段內，隧道采用S2型復合式襯砌，其開挖跨度×高度=13.00 m×9.80 m，仰拱內徑R3=15.80 m，開挖面積為105.52 m2，如圖4所示。具體支護參數為：φ22 mm藥卷錨桿，長3 m，間距1.0 m×1.0 m(環(huán)×縱)；初期支護25 cm厚C20噴射混凝土、間距80 cm的I22 a工字鋼；二次襯砌50 cm厚C20鋼筋混凝土，環(huán)向鋼筋配筋φ22 mm@200 mm。

圖3 水害嚴重段落地質縱斷面(右線)(單位： m)

Fig. 3 Geological profile of water disease section(right line)(unit: m)

圖4 S2型復合式襯砌結構斷面(單位： cm)

2 基于高密度電法的地質勘探分析

洋碰隧道出現的滲漏水病害及地表塌陷情況表明水害段地質條件復雜、地層巖溶發(fā)育，因此，開展地表物探工作，進而探明水害段溶槽、溶洞、斷層破碎帶等不良地質體的分布狀況是十分必要的，也可以為后續(xù)整治工程的方案制定提供依據。

2.1 測試方法及具體方案

高密度電法勘探是一種工作效率高、環(huán)境干擾小、地電結構信息豐富的地球物理勘探方法。以巖溶地層為例，其工作原理為： 通常情況下巖溶發(fā)育巖體與巖溶不發(fā)育巖體存在明顯的電性差異(見表1)，對于水位以下或土類充填的溶洞、溶槽、溶溝，因水、土介質電阻率低，視電阻率將呈現低阻異常；而空洞或半充填溶洞，因空氣介質電阻率高，視電阻率將呈現高阻異常。由此，通過上述地電性質的差異，可用于探查巖溶、斷層等不良地質體。

高密度電法采用施倫貝爾裝置，其電極排列規(guī)律是： A、M、N和B為4根電極，其中，A和B是供電電極，M和N是測量電極，且AM=NB。在整個測量過程中MN點距固定，隨著間隔系數由nmin增至nmax，AM與NB之間的點距均勻增加。數據按間隔系數由小到大的順序分層存儲，結果為倒梯形區(qū)域，如圖5所示。

表1 測區(qū)主要地下介質電阻率范圍

圖5 施倫貝爾裝置電極排列方式

結合水害段病害情況，在F13、F14斷層帶及影響區(qū)域地表布設3條橫向測試線(見圖3)，單條測線長130 m，有效測點共152個。測線橫跨隧道上方，分別與隧道交于RK77+765、RK77+800、RK77+840。

2.2 水害段勘探結果分析

經數據處理，測線1—3的勘探結果如圖6所示。由圖6可知： 1)3條測線均探測到溶洞或溶蝕，已探得的最大巖溶發(fā)育區(qū)出現在測線3下方，達30余m，同時在測線2還探測到斷層，上述情況表明水害段地層巖溶發(fā)育，存在多處溶洞或溶蝕； 2)結合現場病害情況，可以認為水害段隧道上覆地層斷層交錯復雜，溶洞、溶蝕發(fā)育，雨后地下水徑流引發(fā)的溶洞變形、坍塌應是地表塌陷的直接原因，而斷層破碎帶及巖溶發(fā)育區(qū)同時也成為了隧道突涌水的主要通道，是雨后隧道滲漏水病害的主要原因。

3 地下水連通試驗及分析

地質勘探揭示了洋碰隧道水害段不良地質體分布情況，但對“雨水-巖溶水-隧道涌水”之間的水力聯系仍不甚明確，因此，通過開展地下水連通試驗，以期進一步探明水害段地下水連通性。

3.1 現場試驗方案

水連通試驗是一種研究地下水流動特性的常用方法。其基本流程為： 在上游點投放特定示蹤物質，并在下游點監(jiān)測其質量濃度，最終得到上、下游點的水力聯系程度。依據現場病害情況，本次試驗選取病害嚴重的水害頻發(fā)段2作為研究區(qū)段。通過詳細的地表調查，在水害段地表選擇6個典型地質點(巖溶管道口、坍陷區(qū))作為投放點，并依據位置關系，在隧道出口及與隧道臨近且基本等高的4#平導內依次布置9個接收點。同時，設置有2組投放工況，以區(qū)別探究平導與隧道的水連通性，具體分組及測試點位如表2和圖7所示。此外，為區(qū)分不同投放點的測試結果，分別采用了熒光素鈉(Na)、羅丹明(L)、增白劑(Z)3種示蹤物質。

(a) 測線1測試結果

(b) 測線2測試結果

(c) 測線3測試結果

表2 測試工況與測點信息

(a) 測試組1

(b) 測試組2

(c) 1號投放點

(d) 6號接收點

3.2 測試結果及分析

2013年8月21日，隧址區(qū)歷經大雨，于上午8:00進行了測試組1的示蹤劑投放，并即時開始接收點的示蹤物質測試，測試頻率為半小時1次。2013年8月23日，隧址區(qū)歷經中雨，于上午11：30進行了測試組2的示蹤劑投放，接收點測試頻率同測試組1。經現場測試，各測點示蹤劑質量濃度變化時程曲線如圖8所示。

由圖8可知：

1)試驗組1的示蹤劑于8:00投放后，平導內的接收點JS05—JS09在9:00前均出現示蹤劑，并在10:00時質量濃度到達峰值，表明地表降雨1 h內雨水便可通過溶洞、巖溶管道等地下水通道影響平導附近滲流場，而在降雨2 h后雨水引發(fā)的地下徑流影響將達到最大。同時，測試結果還反映出水害段地下徑流存在2個特點： ①地下徑流以由西往東排泄為主；②地下水通道徑流的影響區(qū)域范圍不大。以TF02投放點為例，羅丹明(L)僅在其東側的JS06、JS07被檢測到，在西側的JS05與距離稍遠的JS08、JS09基本未被檢測到； TF03投放的增白劑(Z)測試結果與TF02基本相同，進一步驗證了上述特點。

2)試驗組2的示蹤劑于11：30投放后，位于隧道出口的接收點JS01—JS04在14:00檢測到示蹤劑，并在18:00左右質量濃度值到達峰值。表明地表降雨2 h后雨水便可通過地下水通道影響隧道滲流場，而在降雨6 h后影響達到峰值。此外，考慮投放點與接收點水平距離超過500 m，隧道排水流至出口還需一定時間，降雨實際影響時間應更早。

3)從測試結果來看，地表降雨與平導滲流場、隧道滲流場之間的水力聯系規(guī)律大致相似，但降雨對平導的水力影響更為迅速。分析此現象，這應是由于隧道注漿措施優(yōu)于平導的注漿措施，圍巖注漿發(fā)揮了堵水效果，削弱了水力聯系。但是總的來說，地表降雨與隧道滲流場之間仍具備較強的水力聯系，同時,在強降雨條件下,雨水可通過巖溶水通道灌入式匯入地層，導致地層水頭的明顯升高，最終引發(fā)了隧道的相關水害問題。

(a) 測試組1

(b) 測試組1

(c) 測試組1(TF07)

(d) 測試組1(TF08)

(e) 測試組1(TF09)

(f) 測試組2(TF01)

(g) 測試組2(TF02)

(h) 測試組2(TF03)

(i) 測試組2(TF04)

圖8水連通試驗測試結果

Fig. 8 Results of water connectivity test

4 雨后高水壓下隧道結構安全性評價

4.1 數值模型及邊界條件

為進一步明確雨后高水壓對隧道結構安全的影響規(guī)律，本文采用FLAC 3D有限差分軟件[12]進行仿真模擬研究。依據現場病害情況，選取病害嚴重的RK77+800(測線2所在斷面)作為典型斷面進行分析。該斷面埋深約90 m，計算中頂部取實際埋深，兩側及底部距離左右線3倍洞徑以上，最終范圍取為120 m×130 m(寬×高)，如圖9所示。

(a) 邊界條件設定(單位： m)

(b) 計算模型網格

(c) 隧道結構網格劃分

該斷面采用S2型復合式襯砌方案，根據地質特性和邊溝排水方式，建立隧道結構排水模型，且滲流計算遵循如下假定： 1)地下水排泄?jié)M足Darcy定律； 2)圍巖為均質、各向同性材料； 3)襯砌僅通過邊墻排水管排水，環(huán)向盲管的排水特性通過增大初期支護滲透性的方式進行模擬。

模型力學邊界： 底部固定約束，兩側水平約束。滲流邊界： 底部、兩側孔壓固定，均能與外界發(fā)生液體交換； 根據不同工況，對應調整地下水面高度。圍巖采用實體單元模擬，服從摩爾庫侖屈服準則。參考有關文獻[2,5,7-8]，隧道結構(初期支護、二次襯砌、排水管等)均采用實體單元模擬，服從線彈性本構模型。

4.2 模擬工況及參數選定

根據地勘資料，該斷面圍巖主要為地表碎石土、深部灰?guī)r2種，模型中對上述2種圍巖均予以考慮，具體材料參數依據地勘資料取值；支護結構的力學參數按照“等效剛度法”計算；支護結構滲透系數采用“以管代孔”的方法進行等效[13]。各材料的計算參數見表3。

表3 材料計算參數取值

地質勘探與水連通試驗結果顯示，在集中降雨后該斷面存在地層水頭迅速上升的可能，同時有關案例表明類似地質條件下因降雨引發(fā)的地層水位動態(tài)變化超過50 m[14]。因此，參考文獻[5,15]研究成果以及結合本隧道埋深情況，采用逐級提升地下水液面高度的方式，等效降雨引發(fā)的地層水頭增長，并設置如下4種模擬工況： 1)無水工況，作為有水工況的對比組； 2)地下水位高出隧道頂面20 m； 3)地下水位高40 m； 4)地下水位高60 m。

4.3 模擬結果分析

根據工況1—4的計算結果，提取左線隧道結構外水壓力分布，如圖10所示。提取二次襯砌結構內力，并依據《公路隧道設計規(guī)范》[16]計算其結構最小安全系數，最終獲得典型部位相關數值，結果如表4所示。

由圖10可知： 1)隨著地層水頭的升高，隧道外水壓力迅速增長，其中拱頂、隧底部位增幅較為明顯，而邊墻腳處因受排水影響增幅較小； 2)在各工況下，水壓力量值均存在“隧底、拱頂最大，邊墻、拱部次之，邊墻腳排水處最小”的分布規(guī)律，同時當地層水頭為20、40、60 m時，隧身最大水壓力分別為118、246、356 kPa(均位于隧底)； 3)水壓力分布出現了一定的左右不對稱，即左側水壓力總體大于右側，分析此現象，應是由于隧道右側的右線隧道排水降壓所導致。

由表4計算結果可知： 1)當地層無水條件下，即工況1，襯砌結構最危險點位于邊墻處，其安全系數為3.6，能夠滿足規(guī)范[16]限值要求，表明無水條件下襯砌安全性良好； 2)隨著地層水頭的升高，襯砌結構各部位內力變化顯著，結構安全系數降幅明顯，其中拱頂、邊墻部位內力增長明顯，仍以小偏心受壓模式承載，而隧底部位承載模式由小偏心受壓逐步發(fā)展為大偏心受壓； 3)至地層水頭60 m時，邊墻、隧底部位安全系數均較小，已接近規(guī)范[16]中規(guī)定的“結構安全系數不得小于2.0”的限值要求，若考慮其他不利因素影響，襯砌結構存在開裂、破損的可能。同時，上述計算結果與現場病害特征、病害位置吻合較好，也驗證了數值模型的準確性。

圖10 外水壓力分布圖(單位： kPa)

表4 模擬計算結果

注：N為軸力，正值代表受壓；M為彎矩，正值代表內側受拉。

綜合上述結果可知，在降雨引發(fā)的地層高水頭條件下，排水系統(tǒng)雖發(fā)揮了一定泄壓作用，但是隧道結構仍承受著較高水壓力，導致結構受力惡化，大幅削弱了襯砌安全性，尤其是在邊墻、隧底部位還存在結構安全性無法滿足的可能。因此，集中降雨時，應注重富水段落隧道結構的泄水降壓，并關注邊墻、隧底部位襯砌結構安全性。

4.4 水害防治措施與現場效果

結合地質勘探、連通試驗、仿真分析結果可知，地表強降雨頻發(fā)、地層巖溶發(fā)育、灌入式雨水下滲通道是此隧道水害的主要原因，而上述原因綜合導致的隧身外水壓力過高是病害發(fā)生的直接原因?；谏鲜龇治?，現場制定了“疏排為主、局部封堵為輔”的整治原則，并開展了水害段治理(見圖11)。具體措施包括： 1)4#平導內新增魚骨式泄水廊道，提高地層水疏導能力； 2)根據水連通試驗結果，將與水害段具有強水力聯系的數個塌陷區(qū)、落水洞進行封堵及引流處理，封堵處理采取“粗顆粒料+注漿加固”的方式，而引流處理采取“坍陷區(qū)外圍截水溝+區(qū)內排水溝”的方式； 3)隧道水害區(qū)段新增一定數量的邊墻泄水孔，加強隧道排水能力。

經現場整治后，隧道運營狀況良好，雨季期間未發(fā)現明顯的水害，驗證了上述整治方法的有效性。

(a) 泄水廊道泄水疏導 (b) 落水洞封堵回填

圖11病害隧道現場治理情況

Fig. 11 On-site treatment of disease tunnel

5 結論與討論

1)依托京珠高速洋碰隧道水害案例，通過地質勘探與水連通試驗手段，探明了隧址區(qū)不良地質體分布情況，明確了水害段“雨水與隧道涌水”之間的水力聯系。測試結果表明，地表強降雨頻發(fā)、地層巖溶發(fā)育、灌入式雨水下滲通道是水害的主要原因，而上述原因綜合導致的隧道外水壓力過高是病害發(fā)生的直接原因。

2)基于FLAC 3D軟件分析了雨后高水壓下隧道結構應力場與滲流場的規(guī)律特征，計算結果表明由于排水能力相對不足，在地層高水頭下隧道結構(尤其是拱頂與隧底)仍承受著較高水壓力，且隨著水頭升高,結構受力逐步惡化，襯砌結構安全性大幅削弱，特別是在邊墻、隧底部位還可能引發(fā)結構開裂等裂損問題。

3)針對現場病害情況，案例隧道采取了“增設泄水廊道+地表封堵及引流+增設邊墻泄水孔”的治理措施，經整治后隧道運營狀況良好，雨季期間未發(fā)現明顯的水害，整治方案可供同類案例參考。

此外，由于巖溶水、管道水等宏觀地下徑流的流動明顯異于常規(guī)滲流地下水，而現有模擬手段難以全方位反映巖溶管道水的流動特征，因此,如何在現場實勘的基礎上采用考慮巖溶管道的隧道模型試驗及數值仿真，探究巖溶水流動特性及其對隧道結構的影響，將作為后續(xù)研究的主要方向。