郭艺辉 胡英帅 沈益国 陈奕林 吴茂明

（1.中建一局集团第五建筑有限公司，北京 100024；2.福建省建筑科学研究院有限责任公司福建省绿色建筑重点实验室，福建 福州 350002）

0 引言

隧道内渗透结晶堵塞问题是近年来隧道的主要病害[1-4]。现在的研究主要集中在岩溶隧道方面[5-6]，针对该类结晶体如何影响隧道安全，以及在既有隧道内如何防治该类病害，现有的文献研究较少。针对该类病害，主要通过物理或者化学清洗疏通方法减少结晶体，保持排水系统的畅通，或者通过改进设计方法或材料来避免该类病害的产生[7-9]。

本文根据现场隧道结晶的状态及堵塞后渗漏的结果，利用数值手段反演分析该过程，分析隧道结晶堵塞排水系统，以及系统受力和变形对岩土体的影响，为今后该类病害的治理工程提供重要的案例参考。

1 隧道地质概况

该隧道工程位于福建省南平市，全线设置一处双洞分离式隧道，长约1400m，为长隧道。隧道右洞长1380m，左洞长1411m，隧道右洞进出口高程分别为118.363m和153.685m，隧道左洞进出口标高分别：118.346m 和154.036m。采用矿山法施工。

场地属闽西北地层小单元，根据沿线地质调查及钻探揭露，沿线岩土体分布、厚度及岩性变化较大。隧道范围内上部覆盖层为杂填土（Q4ml）；粉质黏土（Qdl），表层常覆有厚约0.30m的耕植土（Qcml）；残积土（Qel），表层常覆有厚约0.30m的耕植土（Qcml）；下伏为二叠系翠屏山组粉砂岩（P2cp）。地质剖面图见图1所示。地下水的分布主要受岩性、构造、地貌和植被等因素的控制和影响，分为基岩构造裂隙水、基岩及风化层孔隙-裂隙水、第四系冲洪积层孔隙水三大类型。

图1 地质剖面图

2 隧道渗水及结晶现象

在隧道施工过程中，有渗水部位出现大量白色结晶体（以碳酸钙为主）。结晶体随着时间的延长不断增加，造成排水管道堵塞，从而造成隧道初期支护的局部开裂、喷射混凝土强度迟迟不能达到设计要求、二次衬砌与仰拱、仰拱与仰拱之间的施工缝出现渗水现象（见图2所示），严重威胁到隧道施工阶段的安全性以及使用阶段的使用寿命。

图2 隧道渗水及结晶现象

3 数值建模及现场对比

模拟采用同济曙光公路隧道设计分析软件7.0，根据隧道设置二次衬砌，衬砌采用C40,弹性模型E为32.5GPa，重度为23kN/m3；考虑围岩等级为V级时，内摩擦角为45°，模拟上下台阶法进行开挖。考虑结晶堵塞后隧道水压力增大，地下水位从隧道底部上升到顶部，同时渗透导致隧道衬砌材料劣化，劣化后衬砌强度降低，本次采用其劣化后材料强度达到其70%进行考虑，计算模型及结果如图3所示。从图3可以看出，隧道结晶堵塞并劣化后，隧道整体位移由原来的4.1mm增加到7.3mm，增加约78%，说明隧道结晶堵塞对隧道安全产生不利影响。

图3 模拟结晶堵塞后水压力增加的变形

现场调查可以发现，在结晶隧道二次衬砌施工完成后，仍旧会产生局部的渗透漏水现象，同时漏水处出现结晶物及变形迹象，变形量与数值模拟结果相符，说明隧道局部结晶堵塞对隧道变形产生较大的影响，应引起各方的重视。

4 隧道结晶堵塞病害的应对策略

通过以上现场调查及数值模拟分析可以看出，岩溶/非岩溶隧道游离的碳酸氢根离子与空气接触而发生化学反应，从而产生碳酸钙或碳酸镁等结晶体。而该类结晶体通常会堵塞泄排水通道，特别是堵塞隧道内部的盲管，造成疏通困难，局部产生堵塞现象，导致水压力过高而对隧道拱顶产生较大的压力，从而诱发隧道的透水、岩土变形过大等灾害。针对结晶堵塞病害，应改进隧道设计、设置隧道排水系统、及时地补充勘察、加强隧道的监测工作、及时疏通并做好二次排水设计。

4.1 改进隧道设计

隧道设计的主要参数包括：（1）道路等级：城市主干道；（2）设计速度：60km/h；（3）隧道内共设4 个平曲线交点，最小圆曲线半径R=700m；（4）道路净空：车行道净空高度＞5.0m；检修道净空高度＞2.5m；（5）设计使用年限：100年。

隧道V级深埋段采用超前长管棚+超前小导管预注浆加固，初期支护采用20a工字钢架加强，纵向间距0.5m，施工采用双侧壁导坑法。隧道Ⅳ级围岩地段采用超前锚杆预加固，加强段初期支护采用I8工字钢架，纵向间距0.75m，施工采用CD法。一般段初期支护采用格钢架，纵向间距0.75m，施工采用短台阶法。内轮廓线设计见图4所示。

图4 内轮廓线设计

4.2 隧道排水设置

在隧道衬砌背后环向铺设A5 cm HDPE单壁波纹管盲沟，将水引入边墙两侧中A11 cm HDPE双壁打孔波纹管，然后通过A11 cm HDPE波纹管横向排水管将水引入两侧A25cm双壁打孔波纹管侧式排水管排出洞外。路面水通过路缘排水沟排出洞外，与洞外的天沟、排水沟、截水沟形成完整的排水系统，见图5所示。

图5 隧道排水设计

4.3 其它措施

（1）及时地补充勘察：补充水文地质的调查，特别是水体和岩土体中离子含量的分析工作，为后续制定应对措施提供依据；

（2）加强隧道的监测工作：在遇到隧道结晶堵塞灾害时，加强监测，特别是针对拱顶变形、水位等进行重点监测。

（3）及时疏通并做好二次排水：针对堵塞区域应及时进行探测，条件允许时实施疏通施工，并及时进行二次排水设计，防止再次堵塞。

5 结束语

综上所述，隧道内渗透结晶堵塞问题是近年来隧道的主要病害，会造成隧道内排水不畅，局部水压力集中从而导致渗水现象，会对隧道安全造成重要影响。本文以某隧道结晶堵塞排水系统导致渗水的案例为基础，通过数值模拟反演分析该类灾害的致灾过程，提出改进隧道设计、设置隧道排水系统、及时地补充勘察、加强隧道的监测工作、及时疏通并做好二次排水设计等应对措施。本文分析研究成果可以为结晶堵塞隧道的设计、防治提供一定的参考。