蒋雅君,杜 坤,廖甲影,陈 兴,肖华荣

(1.西南交通大学土木工程学院,成都 610031； 2.广西交通投资集团河池高速公路运营有限公司,广西河池 547000； 3.成都扬华源动新材料科技有限公司,成都 610213)

引言

我国岩溶地区分布较为广泛,约占陆地国土面积的三分之一[1],随着近年来我国公路、铁路交通建设大发展时期的到来,在我国云南、贵州、广西、四川等岩溶地质地区修建的隧道也越来越多。对于施工阶段的隧道岩溶处治问题,我国目前已经总结了较多的经验,比如采取注浆加压、溶腔防护加固、分水降压、释能降压、迂回绕避、注浆填充加固等手段对岩溶进行综合处治,同时也从隧道结构设计的角度对支护参数进行了较为全面的分析和考虑,在实际工程中也取得了较好的效果[2-5]。

虽然目前对岩溶隧道排水系统中出现结晶堵塞及其带来的问题已经有所认识[6-7],但是与岩溶隧道施工处治技术相比,运营期间岩溶隧道衬砌的养护技术还不够成熟,尤其是排水系统的可维护性理念尚未引起重视,相应的技术和措施也不够完善。岩溶地区隧道最常见的病害就是渗漏水问题[6],其中由于隧道排水设施内发生结晶堵塞的情况较为普遍[8-9],也会造成隧道衬砌背后水压增大、渗漏水加剧、仰拱底鼓、衬砌掉块等事故,并威胁隧道衬砌结构的安全[10]。目前在岩溶隧道运营期间，针对隧道衬砌施工缝渗漏水的处理仍然还是采用常规引排措施[11-12],处治效果往往有限,且处治完成后的可维护手段极其有限,运营期间屡屡出现反复处治的情况。随着我国岩溶地区修建隧道数量的增长,将面临越来越多的运营岩溶隧道排水系统结晶堵塞的问题,同时隧道排水系统的可维护性理念虽然已经提出多年[13],但是仍然未真正较好地在工程实践中尤其是运营隧道中得到全面改善,也有必要进行积极的探索和尝试。

因此,依托广西河池某运营高速公路隧道的衬砌施工缝渗漏水处治实践和探讨,希望能为隧道排水系统的可维护性技术提供一定思路和借鉴。

1 依托工程概况及前期处治情况

1.1 隧道工程概况

该隧道位于兰海高速六寨—河池段,隧址区位于云贵高原边缘,是云贵高原向广西丘陵地带的过渡区段,地形地貌受地区岩性及构造控制明显,是典型的喀斯特地质区。该隧道长约1670 m,在修建过程中揭露了多处溶洞、溶腔,在施工期间采取初支加强、超前注浆、溶腔加固、基底加固等措施通过了岩溶不良地质区段。

该隧道暗洞段采用常规的复合式衬砌结构形式,衬砌背后的排水系统构造如图1所示,包括环向、纵向、横向、中央排水管等设施。

图1 依托工程隧道排水系统构造示意

该高速公路于2012年7月正式通车,根据2014年4月的检查结果,全线各隧道均出现了不同程度的渗漏水病害,当遇到暴雨极端天气时,个别病害点还会出现集中涌水现象,其中施工缝渗漏最为严重,发生部位多为边墙[11]。由此可以判断,隧道排水系统已经部分失效。

1.2 隧道衬砌施工缝渗漏处治及效果

针对该高速公路隧道下行线中渗漏较为严重4条相邻的衬砌施工缝进行了处治,主要采用凿槽埋设排水半管的方式对衬砌施工缝处的渗水进行引排,处治方案构造示意见图2[11]。

图2 隧道衬砌施工缝渗漏处治示意

隧道处治完成以后,渗漏水病害的问题得到了缓解,衬砌施工缝处的渗水被引排进电缆沟内排走。在随后的3年中,该隧道中做过引排处治后的衬砌施工缝未暴露出渗水的问题,但是在2018年7月雨季期间,仍出现了复漏,处治措施已经失效。4条施工缝中的3条从处治部位的顶端出现了集中的股状流水,造成路面积水湿滑,影响行车安全(图3)。

图3 隧道衬砌施工缝出现复漏(2018年7月)

于2018年7月对该隧道的4条施工缝进行现场调查,采用工业内窥镜对施工缝的底部出水管口进行了初步检查,发现施工缝排水半管底部已经被白色的碳酸钙结晶物堵塞,造成半管内的渗水从隧道边墙排水半管顶部溢出(图4)。由检查结果可以很直观地判断出,由于岩溶水在排水设施内的结晶堵塞,前期的处治措施已经失效,必须要重新进行处治。

图4 隧道衬砌施工缝渗漏水引排设施检查结果

2 隧道衬砌施工缝渗漏水处治方案改进

鉴于常规处治措施不能保证长期效果,需要根据岩溶隧道排水系统中易出现岩溶水结晶堵塞的问题考虑有效的防治措施,并提高排水系统的可维护性,以减轻运营养护工作的压力。

2.1 排水设施基面防结晶措施

由该隧道施工缝的实际调查结果可知,造成排水设施失效的主要原因是碳酸钙结晶附着在混凝土和管道基面上,结晶体长期堆积、增长后堵塞管道,造成了排水不畅。因此,如何尽量减少碳酸钙结晶在基面上的形成和附着,也成了本问题的关键所在。

根据文献[14]的研究结果可知,碳酸钙在排水管壁上结晶析出必须经历如下过程：首先要产生微小的粒子作为晶核,然后晶核再生长成微晶粒,微晶粒在溶液中相互碰撞,和管壁也不断地进行碰撞,使小晶体不断变成大晶体。在此过程中,碳酸钙结晶的形成历经晶核生成(结晶诱导期)、结晶层形成(结垢诱导期)这两个关键阶段,当到达结垢诱导期的终点时,结垢的生长速率将有一个突跃[15]。在此过程中,基面接触角是结垢诱导期的主要影响因素,提高基面接触角可以使得碳酸钙晶体成核困难,结垢诱导期延长,文献[16-17]的研究结果也分别验证了以上结论。因此,可以从提高如图2所示排水构造中与渗水直接接触的基面(混凝土、排水半管)的接触角入手,尽量延长岩溶水中碳酸钙结晶的诱导期,减轻或缓解排水设施中出现结晶堵塞的程度。

选用了一款渗透性的疏水涂料(YHYD-SS-NM),在实验室内制备砂浆试块并涂刷该涂料以后,对试块的表面6处不同点位进行接触角的量测(图5),其平均值为114.6°。通常情况下未经处理的混凝土基面的接触角仅为30°～40°,属于亲水基面,而处理后接触角达到90°以上,成为疏水表面[17]。另外，由于该涂料也可以直接喷涂在玻璃、金属、塑料等材料表面,均能较好地改善基面疏水性能,因此决定在图2所示排水构造内部的混凝土和PVC排水半管基面上涂刷一层该涂料,以提高基面的防结晶性能。

图5 砂浆试块基面接触角量测

2.2 排水设施可维护性提高措施

在图2所示的隧道衬砌施工缝渗漏水引排构造中,施作完毕后排水半管将用环氧防水砂浆全部封闭,后期无法打开检查内部的情况,也没有预留进行清理或疏通的通道,仅能从排水半管的底部出水口勉强进行观察,检查和维护不便,因此可维护性很差。

为改善其可维护性能,设计了带有检查孔的衬砌施工缝渗漏水引排设施(图6),其基本构造与图2一致,但是在排水半管的顶部、中部采用PVC管的三通接头和堵头预留了检查孔,检查孔的顶盖伸出衬砌混凝土的表面,可以拧开检查孔的顶盖对排水半管的内部进行检查。检查孔的预留部位和数量可以根据施工缝的长度和后期维护的需要,在排水半管不同高度位置设置。

图6 增加检查孔的隧道衬砌施工缝渗水排水设施

在预留了检查孔之后,即可以在后期采用工业内窥镜方便地对排水半管的内部进行检查,观察排水半管内的结晶和堵塞的情况,并能及时进行管内的清洗和疏通。经过调研和比选,选用具有如表1所示性能参数要求的工业内窥镜,可以满足在该隧道现场检查排水管内部情况的需要。

表1 某型号转向工业内窥镜性能参数

3 隧道衬砌施工缝渗漏水处治实施效果

2018年8月对该隧道的4条施工缝进行再次处治,并分别于2018年10月、12月和2019年1月进行了检查,以检验处治的效果。

3.1 隧道衬砌施工缝渗漏水处治实施过程

按表2所示的要点对4条施工缝进行了处治,以便进行对比。处治方法为在该隧道衬砌施工缝部位开U形槽,将带有检查孔的PVC半管铺设嵌入U形槽内,之后用环氧砂浆封闭。与第1、2条施工缝的做法有所区别的是：在第3、4条施工缝处的U形槽内混凝土表面需要用钢丝刷清洁,随后喷涂YHYD-SS-NM渗透性涂料,等待基面干燥0.5 h；在PVC半管表面也涂刷一层YHYD-SS-NM渗透性涂料,静置0.5 h,之后再将PVC半管用环氧砂浆封闭在U形槽内。施工缝处治主要过程和检查孔安装结果见图7。

图7 隧道衬砌施工缝渗漏水处治实施情况

表2 该隧道衬砌施工缝渗漏水处治要点

3.2 隧道衬砌施工缝渗漏水处治效果回访(图8)

截至到2019年1月,共在该隧道现场开展了3次回访检查,检查方法为将工业内窥镜的镜头从衬砌边墙部位的检查孔内伸入排水半管内,重点查看从边墙到墙脚范围内排水半管内部的情况,以确定排水管内结晶和堵塞的程度。由于施工缝改造以后,2018年的雨季已经接近尾声,所以各条施工缝中出现渗水的情况均小于2018年7月份的情况,但在排水半管中也出现了一定的结晶覆盖情况,此处主要选取第2、3条施工缝的检查结果进行说明。

观察到第2条施工缝处的排水半管内的混凝土基面在接近墙脚的部位出现了一处渗水点,2018年10月已经出现了初步的结晶情况,2018年12月结晶的覆盖面积扩大,2019年1月的时候结晶覆盖面情况变化不大(该月为枯水期)。拍摄的典型照片见图9。

图9 第2条施工缝处排水设施混凝土基面情况

在第3条施工缝处的排水半管中,在中下部仅出现了几缕成条状的白色结晶,最早在2018年10月时已经形成,但是后续变化不明显,也未出现结晶大面积覆盖、附着在混凝土和PVC半管壁面上的情况。拍摄的典型照片见图10。

图10 第3条施工缝处排水设施混凝土基面情况

施工缝1、4排水设施内部的检查对比与以上结果类似。将这两条施工缝中部的检查孔顶盖打开后分别进行了拍照记录,所观察到的情况也是在没有经过疏水处理的混凝土基面上已经开始出现了较大面积的结晶覆盖情况,而做过疏水处理的混凝土基面上基本能保持洁净的状态,对比效果比较明显。见图11。

图11 施工缝1、4检查孔处混凝土基面(2019年1月)

3.3 隧道衬砌施工缝渗漏水处治效果讨论

根据以上检查结果可知。

(1)采用YHYD-SS-NM渗透性涂料对该隧道衬砌施工缝渗漏水引排设施基面进行的处理是有效的,喷涂过疏水材料的施工缝内部的结晶情况要远少于未进行疏水处理的施工缝。但是在施工缝3、4排水设施内的混凝土基面上仍然还有少量的白色结晶条带,初步分析应该是由于槽内混凝土基面不平整,还有一定的挂水作用,形成水带附着,水分蒸发以后仍然会形成结晶条带残留。

(2)对该隧道衬砌施工缝处排水设施进行预留检查孔的可维护性改造以后,为排水设施的检查工作提供了很大的便利条件。但也需要注意到,仍然需要选用适用的检查设备,比如带有4向转向功能的工业内窥镜,才能较好地适应排水半管检查孔的90°转弯部位。

基于目前的试验结果,可以在下一阶段中针对以上所采取的措施进行改进,以提高防结晶的效果及可维护性,比如：对开槽后的混凝土基面进行整平,尽量防止渗水在基面的流挂以减少结晶物的附着； PVC半管上所开的检查孔可以开设在边墙、底部,以便后续检查和清洗。

4 结语

依托广西河池地区的一个岩溶隧道衬砌施工缝排水设施的防结晶和可维护性改造工程实例,探讨了岩溶隧道衬砌施工缝渗漏水处治措施和检查手段,得出如下结论。

(1)基于提高基面接触角(表面能)的思路去预防或延缓岩溶水在排水系统内出现结晶的措施应该是有效的,但也需要注意到基面本身的不平整性对结晶仍然有一定的作用。

(2)隧道排水系统的可维护性能提高可以从增加管道可检查设施的思路去实施,为运营期间的检查、清理等工作预留便利的通道,但也应注意适用的检查、清洗设备的研发,才能较好地整体提高隧道排水系统的可维护性能。

以上措施不仅适用于公路隧道,也一样适用于高速铁路隧道。基于课题研究工作的延续,下一步将在岩溶隧道中开展隧道排水系统中结晶堵塞的规律和影响因素、隧道排水系统的改造、隧道排水系统的检查和评价方法、隧道排水系统结晶的清洗技术等方面的全面研究工作,后续研究工作成果将随研究工作进展另文讨论。

致谢：

本文所开展的相关研究工作得到了广西交通投资集团河池高速公路运营有限公司陈华梁、陆山风、苏卫迪、余康文、黄秀珠、郭佳,中交公路规划设计院有限公司沈朝峰以及西南交通大学李福海、张小林、郑靖、郑良、陶磊、刘基泰、魏晨茜、蓝天威等人的支持和协助,在此一并表示感谢。