昆侖山隧道滲漏水原因探討及治理

1、PAGE 111PAGE 448111昆侖山隧道滲漏水原因探討及治理中路通（北京）隧道工程有限公司 江亦元摘 要 在高原凍土地區(qū)修建隧道，是一項開拓性的工作，無經(jīng)驗可循。通過設立試驗段，鐵道部科技教司在昆侖山隧道共組織開展了7項科學研究，隧道防排水技術研究是其中之一。該隧2003年2月竣工，同年5月22日，在2號沖溝淺埋段線路右側隧道拱腰施工縫突然出現(xiàn)涌水，并陸續(xù)在三段淺埋段墻腳施工縫出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。本文首先通過現(xiàn)場連通試驗，對滲漏水的水源、流徑進行了試驗研究；從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)，深入分析了問題產(chǎn)生的機理，提出了自己的一些見解。通過試驗研究和分析為治理方案的制定提供了依據(jù)。最后介紹了治理方案的制定、

2、實施，通過借助地質雷達等手段進行效果檢測，治理達到了預期效果。關鍵詞 高原 多年凍土 隧道 滲漏水 治理1 引言青藏鐵路格拉段昆侖山隧道全長1686m，位于青藏高原海拔46004700m的連續(xù)多年凍土區(qū)，多年凍土上限1.52.5m，下限60120m，起訖里程DK976+250DK977+936，是青藏高原550Km連續(xù)多年凍土區(qū)修建的僅有的兩座隧道之一。昆侖山隧道防排水系統(tǒng)設置為：在兩層混凝土襯砌間按“防水板+隔熱層+防水板”結構形式設置隔熱防水層，并在初次襯砌與第一層防水板間設置以排水盲溝組成的排水系統(tǒng)。該區(qū)具有獨特的冰緣干寒氣候特征。在這種特殊的氣候和圍巖條件下修建隧道在世界隧道建設史上尚

3、屬首次，無論對設計或施工遇到的是全新的技術課題，均無經(jīng)驗可循。該隧道設計為試驗工程，鐵道部在該隧道開展了七項科學研究（基金項目：鐵道部科技開發(fā)計劃項目，項目合同號為2001G001-E）。圖1 南沖溝淺埋段水壓力測試情況（DK977+630右邊墻） 2003年5月22日在昆侖山隧道DK977+618線路右側拱腰處施工縫突然出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。據(jù)中鐵西南研究院測試結果，昆侖山隧道襯砌背后水壓力最大測試值為43.1kPa，出現(xiàn)在2#沖溝淺埋段DK977+630線路右側邊墻防水板的外側（圖1），時間為2003年6月4日，同時該斷面右拱腰防水板外側水壓力也達到40.7kPa。上述兩個部位的水壓力是在2003

4、年5月22日開始出現(xiàn)急劇增長至6月初達到最大值1圖1 南沖溝淺埋段水壓力測試情況（DK977+630右邊墻） 保溫板同時發(fā)現(xiàn)隧道進口端往里130m左右保溫水溝在寒季全部被冰凍結，六月中旬才開始融化，七月初水溝排水才暢通。2003年10月中旬，隧道兩側水溝開始從進口（總出水口）往里凍結,到11月底，全隧水溝被冰凍結。經(jīng)過盲溝進入隧道的水無法通過兩側水溝排出，翻上道床、結冰，影響行車，見圖2。保溫板冰鋼軌為此,開展昆侖山隧道的出水原因分析，詳細調查研究隧道出水的真正來源，以便“對癥下藥”開展隧道的水害治理。冰鋼軌圖2 隧道水溝內(nèi)水上翻結冰2 圖2 隧道水溝內(nèi)水上翻結冰為詳細調查隧道出水來源，于20

5、03年9月23日至2003年10月6日開展了昆侖山隧道涌水災害治理連通試驗研究。2.1試驗點的選擇主要根據(jù)洞內(nèi)出水點和地表水的實際調查情況選擇試驗點。根據(jù)調查分析，隧道內(nèi)最主要的出水點里程及位置分別為： DK976+283右側避車洞；DK976+793左側避車洞，當日監(jiān)測流量5m3/d；DK977+573左側避車洞，股狀涌水，當日監(jiān)測流量40m3/d。因其余出水點多為滲水，流量及流速均比較小，在出水點部位均以結冰的形式出現(xiàn)，無法采取水樣進行水質分析。為此，選定前述3個以水流形式出現(xiàn)的點為本次連通試驗的監(jiān)測點。2.2現(xiàn)場試驗采用無碘食鹽作為本次連通試驗的示蹤劑，對地表2#溝與DK977+573左

6、側避車洞涌水點、地表1#溝與DK976+793左側避車洞涌水點及地表2#溝與1#溝對應的DK976+793左側避車洞涌水點的連通試驗。2.3結論圖31給出水溝流量沿隧道縱向分布的情況。該分布表明，隧道內(nèi)水溝流量主要在南沖溝以及北沖溝下游、進口段出現(xiàn)明顯的增量變化，其中以南沖溝淺埋段水溝流量增長最為顯著，其次為北沖溝下游段。右側水溝則在進口段流量增長比較明顯。圖3 水溝流量沿隧道縱向分布情況綜上，結合連通試驗分析，可獲得如下結論：昆侖山隧道內(nèi)DK977+573左側避車洞涌水是與地表2#溝的流水直接連通的，且DK977+573左側避車洞涌水點是2#溝內(nèi)的地表水在轉化為地下水后的主要排泄點。昆侖山隧

7、道1#溝的地表水是與DK976+793左側避車洞涌水點連通的；并且，DK976+793左側避車洞與進口淺埋段DK976+283右側避車洞涌水點是通過隧道襯砌外側與圍巖間的空隙連通的。昆侖山隧道進口淺埋段DK976+283右側避車洞涌水主要來自于1#溝，但由于該段隧道拱頂上方的圍巖非常破碎，地表降雪在融化后垂直下滲，其中的一部分是可以補給DK976+283右側避車洞涌水的。昆侖山隧道2#溝與1#溝之間是通過隧道襯砌背后與圍巖之間的空隙局部連通的。3 滲漏水原因分析3.1凍土地質因素由于設計是以全隧穿越多年凍土區(qū)為模型的，考慮隧道的水補給為凍融圈的水，凍融圈內(nèi)有限的水以堵、防為主進行處理，僅采用雙

8、側保溫水溝排除經(jīng)堵、防措施后滲出的少量的水3。從連通試驗結果可以看出，施工后的昆侖山隧道結構穿越的地層并非全部為多年凍土層，在其結構周圍（或部分）存在融化圈。特別是的兩沖溝段隧道結構所處的是季節(jié)性融化層或凍土上限層。融化圈、季節(jié)性融化層或凍土上限下移主要可能是施工擾動造成的，這種結果風火山隧道同樣存在。當沒有大的外來水源補給時，融化圈的存在不會帶來水對結構的危害，如風火山隧道。但當有大的外來水源補給時，水會積聚在隧道結構的周圍，對結構造成危害，如昆侖山隧道。圖4給出昆侖山隧道水溝流量與大氣累積降水的時態(tài)曲線，降水曲線取自昆侖山隧道氣象站觀測資料1?？梢钥闯?，隧道水溝流量與大氣降水量有關聯(lián)。這期

9、間大氣累積降水258mm。圖4 水溝流量與累積降水的時態(tài)曲線3.2襯砌背后存在承壓水寒末暖初，隧道穿越的兩個沖溝的季節(jié)融化層，隨著溫度的升高開始解凍，并且融化范圍逐漸擴大，地表水流不斷下滲，而此時隧道內(nèi)的大部分排水系統(tǒng)仍然處于凍結狀態(tài)。這樣，隨著水流的大量積聚，就在隧道結構特別是線路右側襯砌結構外側積聚大量承壓水。同樣在暖末寒初，由于進口處于陰面，出水口將首先被凍結并逐漸往里發(fā)展，這樣洞身的水將無法排出而堵在襯砌背后，同樣形成承壓水。這部分承壓水隨著凍結過程的完成，將會在結構外側及結構中產(chǎn)生巨大的凍脹力。周而復始，會對混凝土結構和防水板接縫產(chǎn)生周期性的凍脹破壞。3.3凍脹力破壞由于隧道兩層防水

10、板之間鋪設了一層保溫板，而保溫板采用的是平面板拼接而成，這樣就在板狀保溫板與弧形一襯之間形成一弧形空隙。暖末寒初，由于三段季節(jié)融化層中的水無法排走，形成的承壓水進入到這一弧形空隙中。寒季中隨著這一部分水的凍結，產(chǎn)生的凍脹力將對防水板接縫產(chǎn)生破壞，并形成了出水通道。3.4排水系統(tǒng)只能季節(jié)性排水目前測得水溝溫度在6月10月之間為正溫。其中，進入10月，進口段溝溫已進入負溫，洞身及出口段水溝尚處于正溫。圖5給出昆侖山隧道不同區(qū)間水溝月平均溫度的逐月變化情況1（圖中氣溫為全隧平均值），可以看出，由暖季進入寒季時，該隧道進口段水溝溫度先于隧道其他地段進入負溫狀態(tài)。圖5給出不同區(qū)間溝溫與該處氣溫較差的逐月

11、變化情況，可以看出，暖季月平均溝溫低于氣溫最大為1.2（進口段）、2.6（中間段）和1.8（出口段）。圖5 昆侖山隧道水溝溫度時態(tài)曲線圖5 昆侖山隧道水溝溫度時態(tài)曲線 溝溫與氣溫較差 溝溫圖6給出了水溝流量與溝溫的時態(tài)曲線1。圖6 水溝流量與溝溫的時態(tài)曲線進一步分析由圖7、給出，可清楚看出靠近洞口地段的溝溫分布由暖季進入寒季時的變化情況1。該圖表明，10月份在進口30m處的溝溫已為負溫，其月平均值為-1.8（極端值-2.7）。從50m一直到隧道出口段，溝溫則均為正溫，最大值出現(xiàn)于最后一個測試斷面（距出口約50m），其月平均值為1.1（極端值2.1）。 出口段 進口段 出口段 進口段圖7 水溝溫

12、度沿隧道縱向分布情況由于隧道屬單面坡排水，出水口在進口，從以上觀測數(shù)據(jù)分析可以看出，隧道既有排水系統(tǒng)在寒末暖初和暖末寒初無法發(fā)揮排水作用。特別是出水口（隧道進口）處于陰面，在暖末寒初將首先凍結，進入暖季后才最后解凍，這將導致寒末暖初及暖末寒初，隧道內(nèi)的水無法順利排出。4 滲漏水治理4.1治理方案隧道滲漏水治理的原則為“徹底根治、保護凍土、不留后患，地表截、排、降結合，洞內(nèi)堵、排結合，綜合治理”。方案如下：二號沖溝截、排、降綜合措施。在二號沖溝采取地表處理，確保地表水排水順暢；在線路上游設降水井，以截斷凍結層上水的下滲途徑，降低地下水位。延長二號沖溝地表帷幕注漿的范圍。二號沖溝在原地表帷幕注漿的

13、基礎上，按沿線路方向兩側適當延伸、垂直線路方向適當加寬注漿的范圍，對隧道圍巖實施注漿堵水。洞內(nèi)水溝采暖措施。在洞內(nèi)水溝及洞外出水口設加熱電纜進行沿程加熱，確保寒季水溝不凍結，洞內(nèi)排水順暢，洞外出水口不凍結。洞內(nèi)回填注漿措施。一、二次襯砌間全斷面回填注漿，以填充空隙，防止兩層襯砌間積水，堵塞地下水沿兩層襯砌間遷移的可能通道。4.2 實施情況一、二次襯砌間回填注漿一、二次襯砌間回填注漿各部位壓漿孔數(shù)及進漿情況見表1： 一、二次襯砌間回填注漿工程數(shù)量表 表1注漿部位注漿材料孔數(shù)總孔數(shù)總進漿量（m3）第一次拱頂回填注漿（包括、序孔）抗裂微膨脹水泥漿11318664.48GRM水泥漿7317.58一、二

14、次襯砌間回填注漿序孔邊墻抗裂微膨脹水泥漿820孔19061705.89拱腳抗裂微膨脹水泥漿820孔拱頂抗裂微膨脹水泥漿266孔一、二次襯砌間回填注漿序孔邊墻抗裂微膨脹水泥漿695孔1569446.08拱腳抗裂微膨脹水泥漿665孔拱頂抗裂微膨脹水泥漿209孔邊墻GRM水泥漿123孔33266.18拱腳GRM水泥漿153孔拱頂GRM水泥漿56孔二次襯砌間回填注漿仰拱水溝抗裂微膨脹水泥漿268孔93657.48墻腳抗裂微膨脹水泥漿668孔水溝GRM水泥漿66孔2309.67墻腳GRM水泥漿164孔化學注漿環(huán)向縫、縱向縫化學注漿孔數(shù)及進漿情況見表2：環(huán)向縫、縱向縫化學注漿工程數(shù)量表 表2注漿部位注漿材

15、料環(huán)數(shù)孔數(shù)總進漿量（L）縱向縫路得水溶性聚氨酯35652376.18環(huán)向施工縫路得水溶性聚氨酯97（環(huán)）48174950.32環(huán)向變形縫122油溶性聚氨酯4（環(huán)）181217.10封孔、封縫處理及集中出水點注漿一、二次襯砌間回填注漿及環(huán)向縫、縱向縫注漿完成后，在一號沖溝段的DK976+730+850尚有幾個集中出水點，對這些集中出水點實施了圍巖注漿堵水處理。集中出水點處理比較困難，原出水點注漿堵住未滲漏后，間隔一定時間又會出現(xiàn)新的漏水點。經(jīng)過多次反復，目前集中出水點已全部處理完畢，再無滲漏。避車洞注漿正洞注漿完成后，尚有一號沖溝段的DK976+733、+763、+793、+823、+853，二

16、號沖溝段的DK977+393、+423、+453、+483、+513、+543、+573、+603、+633，共計14個避車洞出現(xiàn)滲漏。其中，尤以一號沖溝段較為嚴重，DK976+733車洞內(nèi)有3個注漿鉆孔的出水量達20m3/d。其余車洞有的預埋盲管出水，有的壁面滲水、淌水，有的底板冒水。采用了可注性好且遇水反應、滲透性強的化學漿料（路得水溶性聚氨酯）。針對滲漏部位鉆孔至一襯與圍巖間的空隙，實施化學注漿。4.4治理效果直觀效果截止2004年10月19日，洞內(nèi)注漿全部結束后，隧道正洞及避車洞內(nèi)再無滲漏點，側溝內(nèi)的所有泄水孔也不再出水，隧道側溝和進口端左、右兩側集水井內(nèi)均無積水。采用地質雷達檢測結果

17、洞內(nèi)注漿前，采用地質雷達對隧道襯砌進行了檢測，注漿后重新進行了雷達檢測。據(jù)比較分析有93.7%的不密實段落在本次注漿中被填充密實，表明一、二次襯砌間回填注漿效果非常顯著。通過直觀效果及地質雷達檢測結果，本次隧道洞內(nèi)注漿達到了設計要求，實現(xiàn)了隧道滲漏水治理的預期目標。5 結語本文首先通過現(xiàn)場連通試驗，對滲漏水的水源、流徑進行了試驗研究；從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)，深入分析了問題產(chǎn)生的機理，提出了自己的一些見解。通過試驗研究和分析為治理方案的制定提供了依據(jù)。由于合理地制定了治理方案，并組織實施，最后通過借助地質雷達等手段進行效果檢測，證明治理達到了預期效果。參考文獻：1 伍曉軍，江亦元，黃雙林等.青藏鐵路試驗工程科研項目階段成果報告隧道防排水技術試驗研究.蘭州，鐵道第一勘察設計院，20032 李蒼松. 昆侖山隧道滲漏水連通試驗報告.中鐵西南科學