摘要：针对运营期岩溶隧道渗漏水治理后易反复渗漏的问题，以京港澳高速洋碰隧道左线为研究对象，采用自动化监测和数值模拟方法分析了多断层岩溶区段隧道水害的处治效果。研究表明：裂隙发育、地下水丰富及季节性降雨是多断层岩溶区隧道密集渗漏水的主要原因;针对此，提出了针对多断层网状填充性岩溶区段的隧道渗漏水病害处治措施;自动化监测显示，长期运营中二次衬砌荷载随地下水环境及溶洞填充物季节性流动而变化，拱顶、拱腰、墙脚等位置可能承受较大内力，实测最大拉压应力均出现在7—9月，衬砌受力与背后水压力正相关，雨季荷载明显增加;考虑实际水压力时，衬砌结构安全系数满足规范要求，结合自动化监测和现场观测，表明采用的处治措施长期效果良好。
关键词：多断层;岩溶隧道;水灾害处治;衬砌结构安全
论文《多断层网状填充性岩溶隧道衬砌结构水灾害处治效果研究》发表在《广东交通职业技术学院学报》，版权归《广东交通职业技术学院学报》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
0 引言
我国岩溶分布广泛，岩溶对隧道建设和运营造成了严重影响。受季节性降雨影响，处于岩溶区和断层带的隧道时常会发生隧道渗漏水、衬砌开裂等病害问题。岩溶发育程度、地下水长期作用会对运营隧道衬砌结构的安全性产生影响，各类隧道衬砌结构病害日益显现。
已有部分学者对岩溶区隧道水害特征、治理方案和结构安全性开展了研究，既有研究成果揭示了岩溶区隧道水害形成机理，对岩溶区隧道水害治理和隧道结构安全评估作出了指导，但尚未开展隧道水害处治后的效果评估。
京港澳高速粤境北段洋碰隧道左线(北京方向)LK1920+255~LK1920+300穿越复杂岩溶区和多条地质断层，岩溶区存在多种填充物，为地下水强渗透性区域，该区段自运营以来水害频发。本研究采用自动化监测、数值模拟对该多断层网状填充性岩溶隧道处治后结构变形与受力特征开展研究，以期为类似隧道的水害处治提供参考。
1 研究实例概况
1.1 洋碰隧道岩溶区段施工期及运营期水害概况
洋碰隧道位于广东省韶关市乳源瑶族自治县，隧址区为大瑶山山脉南端西麓构造剥蚀-风化-堆积中低山沟谷区，为分离式隧道，最大埋深约230m，单洞总长为4183m，于2003年通车。其左线LK1920+255~LK1920+300区段在施工期和运营期多次发生水害，涉及衬砌开裂、严重渗漏水等问题：
2000年，LK1920+268段施工时严重涌水涌泥，LK1920+253处涌水造成周边衬砌严重破坏、边墙开裂;
2003年，LK1920+263段衬砌表面剥落，探测发现衬砌背后有空洞，破碎层厚达20m;
2004年，LK1920+263~LK1920+269段拱顶防火层剥落、龟裂，边墙混凝土张裂且有错动;
2012年，破除LK1920+265~LK1920+275段衬砌后，发现拱部、边墙开裂破损，边墙脱空、钢筋锈蚀，有股状水喷射;
2018年，LK1920+245~LK1920+300段大范围严重渗漏水，部分漏水点呈股状喷射，主要分布于边墙及拱顶。
1.2 多断层岩溶区段隧道水害成因
洋碰隧道左线该区段位于F13断裂层，由强—弱—微风化构造角砾岩组成，大部分风化成亚黏土夹碎石。经地震映像法结合钻孔法探测，该区段普遍存在岩溶和围岩破碎带，岩溶部位有不同厚度填充物，以亚黏土为主，部分为黄褐色淤泥质泥浆。
分析认为水害频发主要原因：
1. 隧址区年平均降水量1702.4mm，地表降水丰富，区段为典型多断层岩溶区，溶洞、裂隙发育，岩溶水成片连通，受大气降水及地表径流补给，地下水源丰富;F13断层上盘砂岩层阻隔，岩溶水滞留于隧道左侧，形成高水头，衬砌承受高水压力;
2. F13断层内填充物稀软杂乱、处于流动状态，隧道拱墙背后有较大溶洞，衬砌长期处于偏压状态，导致开裂严重。
1.3 多断层岩溶区段水害处治措施
针对洋碰隧道水害问题，采用钻孔注浆、平行导洞、粘贴钢带加固、渗漏水接缝处治等综合处治措施，具体如下：
1. 断层带内溶腔：采用钻孔注浆，注浆压力0.2~0.5MPa，填充至孔内轻质混凝土流出，钻孔注浆管为φ42mm钢管，参数可依现场试验调整;
2. 平行导洞：在主洞渗漏水密集段二衬边墙泄水减压孔、集中出水点和裂缝渗水处向平行导洞钻孔排水减压，平行导洞长748m，与左线中线相距30m;
3. 衬砌薄弱断面：采用环向镀锌钢带加固，钢带厚5mm、宽750mm，长度按衬砌内空周长确定，通过YG3-M20型胀锚螺栓连接，并用复合粘钢胶将钢带与二衬全面黏接;
4. 渗漏水病害接缝：凿槽埋管处治，凿槽至电缆沟底部并清理，环向每隔3m向围岩钻3m深φ57mm水孔，内设TS-50软式透水管;槽内环向安装半剖100mm聚氯乙烯管，管外侧涂刷E380封边胶，充填遇水膨胀腻子条，再用杜拉纤维防水砂浆充填割缝。
1.4 处治效果长期监测方案
2018—2020年对该区段实施上述综合处治措施后，开展隧道结构自动化监测，监测系统涵盖二次衬砌表面应力、周边位移和排水导洞衬砌背后孔隙水压力，监测频率不少于1次/月;二次衬砌表面应力和周边位移监测于2020年实施，孔隙水压力监测于2021年实施。
1. 二次衬砌表面应力：监测点布设于LK1920+255~LK1920+305区段，每隔10m布设一个监测断面，共6个断面，各断面在拱顶、拱腰、墙脚等关键位置布设测点;
2. 周边位移：监测点每隔10m沿隧道拱脚布设，共6个监测断面，采用激光测距仪监测;
3. 孔隙水压力：监测点布设于靠近主洞右车道侧边墙的排水导洞，选取边墙有明水流出的泄水孔为测点，共2个测点，埋深约136m。
2 监测结果
2.1 二衬表面应力
将2020年12月首期监测数据作为初始值，后续为相对值，监测发现：
1. 6个断面多数监测点在7~9月后由受压转为受拉，或呈往复拉压变化，溶洞填充物季节性流动是主要原因，拱顶、拱腰、墙脚等位置易承受较大内力;
2. 各断面最大应力均出现在7—9月，与雨季降雨量增大、衬砌背后水压力增加相关：LK1920+285断面拱顶最大压应力达11.7MPa，最大拉应力3.4MPa;LK1920+265断面左车道拱腰压应力7.21MPa;所有应力值均小于混凝土标准抗压强度，隧道结构整体安全。
2.2 周边位移
将安装后初次读数设为初始值，负值为向隧道内侧收敛，正值为向外侧扩展，监测结果显示：
1. LK1920+250断面4—8月向内侧明显收敛，9月达最大值约6mm，推测泄水减压孔排水不通畅，水压力增加导致收敛;
2. LK1920+260、LK1920+270、LK1920+290断面向外侧扩张，变形趋势平缓，8月达最大值，推测季节性降雨使水压力上升，但排水相对通畅，局部孔隙水压力减小导致扩张;
3. 各断面位移变形量均在合理范围，无明显异常变形。
2.3 排水导洞衬砌背后孔隙水压力
结合隧址区降雨量监测，结果显示：
1. KYJ01测点(对应主洞LK1920+370)监测值较小，最大值0.01MPa;
2. KYJ02测点(对应主洞LK1920+298，位于监测区段)8月份监测值维持在1.4MPa左右，与季节性降雨高度相关;
3. 排水量较大的泄水孔主要集中于导洞+402~导洞+502(对应主洞LK1920+398~LK1920+298)段。
3 隧道衬砌结构安全性评估
3.1 计算参数与计算工况
采用有限元法建立隧道三维荷载-结构模型，选取LK1920+260为典型断面分析，隧道埋深160m，地下水头高度约80m，围岩等级V级，二次衬砌为C30混凝土，厚度50cm;采用径向弹簧单元模拟二衬与初期支护相互作用，仅考虑弹簧受压。
设置两种计算工况：
1. 工况1(最不利工况)：排水系统完全堵塞，按全封堵型衬砌计算，水压力0.8MPa;
2. 工况2(实测水压工况)：按监测实测最大水压力0.168MPa设置。
根据规范计算围岩压力，竖向压力0.223MPa，水平压力0.067MPa，将围岩压力和水压力作为面力作用于二衬表面。
3.2 计算结果
1. 轴力：隧道结构轴力以受压为主，两个工况下轴力最小值均位于拱脚;实测水压工况下，二衬各典型截面轴力较最不利工况平均下降63.3%，拱顶降幅最大约69.4%;
2. 弯矩：二衬拱顶和拱腰内侧受拉，拱脚和拱肩外侧受拉;实测水压工况下，各典型截面弯矩较最不利工况平均下降50.2%，拱脚降幅最大约60.1%;
3. 安全系数：实测水压工况下，隧道衬砌各典型截面安全系数均大于3.0，满足《公路隧道设计规范》(JTG3370.1—2018)要求;较最不利工况，实测水压工况下安全系数平均增加约169.8%，拱顶增幅最显著约191.7%;最不利工况下衬砌受力处于不安全状态，需及时疏通排水系统。
4 结论
1. 洋碰隧道左线LK1920+255~LK1920+300区段为多断层岩溶区，溶洞、裂隙发育，季节性强降雨使地下水位上升，衬砌承受较大水压力，是渗漏水病害密集的主要原因;针对性提出的钻孔注浆、平行导洞排水、钢带加固衬砌、凿槽埋管处治接缝等综合处治措施，对多断层网状填充性岩溶区段水害具有针对性。
2. 长期运营中，二衬荷载随地下水环境及溶洞填充物季节性流动变化，拱顶、拱腰、墙脚等位置易承受较大内力;填充物季节性流动导致结构受力偏压、部分截面拉压反复变化，最大拉压应力均出现在7—9月雨季，衬砌受力与背后水压力呈正相关，雨季荷载显著增加。
3. 自动化监测和现场观测表明，采用的综合处治措施长期效果良好;数值模拟显示，实际水压力作用下衬砌结构安全系数满足规范要求，为保障隧道结构长期安全，需及时养护疏通排水系统，减小衬砌背后水压力。
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