某运营高铁隧道水害整治方案研究.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）增２０１８４０５・隧道／地下工程・张国权（中铁十一局集团有限公司勘察设计院湖北武汉４３００７４）摘要：某运营高铁隧道穿过第四系黏土、砂土层，地下水发育，最大覆土厚度仅１０．５ｍ；原设计为Ｖ形纵坡，采用全包防水，机械抽水。运营不到５年，不间断地发生了道床板底座翻水、施工缝渗水等病害。正确分析原设计方案的合理性及施工措施的可行性，准确找出渗水原因，采用洞外止水帷幕、洞内缝隙引排或封堵的综合整治措施，成功止水。洞外止水帷幕方案，科学合理、适用有效，为浅埋隧道水害整治提供了新的思路。关键词：浅埋隧道Ｖ形纵坡水害原因分析止水帷幕中图分类号：Ｕ４５７．２文献标识码：Ａ—ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９４５３９．２０１８．ｓ２．０４８ＳｔｕｄｙｏｎＷａｔｅｒＤａｍａｇｅＲｅｇｕｌａｔｉｏｎｉｎａｎＯｐｅｒａｔｉｎｇＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＲａｉｌｗａｙＴｕｎｎｅｌＺｈａｎｇＧｕｏｑｕａｎ（ＳｕｒｖｅｙａｎｄＤｅｓｉｇｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１１幽ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＷｕｈａｎＨｕｂｅｉ４３００７４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｍｎｉｎｇ—ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｔｕｎｎｅｌｇｏｅｓｔｈｒｏｕｇｈＱ眦ｌｔｅｍａｒｙｃｌａｙ，ｓ跚ｄｙｓｏｉｌｌａｙｅｒ，ｔｈｅｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｄｉｔｓｍａｘｉｍｕｍｏｖｅｒｌｙｉｎｇｓｏｉｌｔｈｉｃｋｎｅｓｓｉｓｍｅｒｅｌｙ１０．５ｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｄｅｓｉｇｎｗａｓａ—Ｖｓｈａｐｅｄｓｌｏｐｅｗｈｉｃｈａｄｏｐｔｅｄｆｕｌｌｐａｃｋａｇｅｗａｔｅｒｐｒｏｏｆａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｕｍｐｉｎｇ．Ａｆｔｅｒｏｐｅｒａｔｉｎｇｉｎｌｅｓｓｔｈａｎ５ｙｅａｒｓ，ｗａｔｅｒｆｌｏｗｅｄｏｕｔｏｖｅｒｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｔｒａｃｋｓｌａｂａｎｄｐｅｎｅｔｒａｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｊｏｉｎｔｓｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ．Ａｆｔｅｒａｐｒｏｐｅｒａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ，ｗｅｆｏｕｎｄｏｕｔｔｈｅｃａｕｓｅｏｆｓｅｅｐａｇｅ．Ｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｈａｓｂｅｅｎｓｏｌｖｅｄｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｂｙａｄｏｐｔｉｎｇｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｍｅａｓｕｒｅｓｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｃｕｒｔａｉｎｏｕｔｓｉｄｅｔｈｅｔｕｎｎｅｌａｎｄｄｒａｉｎｉｎｇｏｒｓｅａｌｉｎｇｔｈｅｊｏｉｎｔｓｉｎｓｉｄｅｔｈｅｔｕｎｎｅｌ．Ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｃｕｒｔａｉｎｉｓｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ，ａｐｐｌｉｃａｂｌｅａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ，ａｎｄｉｔｉｓａｎｅｗｗａｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｗａｔｅｒｄａｍａｇｅｉｎｓｈａｌｌｏｗｂｕｒｉｅｄｔｕｎｎｅｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｌｌｏｗｂｕｒｉｅｄ—ｔｕｎｎｅｌ；Ｖｓｈａｐｅｄｓｌｏｐｅ；ｗａｔｅｒｄａｍａｇｅ；ｃａｕｓｅａｎａｌｙｓｉｓ；ｗａｔｅｒｐｒｏｏｆｃｕｒｔａｉｎ１引言高铁运营安全。目前，我国已成为世界上隧道工程最多、发展最快的国家¨。Ｊ。由于我国地域辽阔，各地自然条件差异较大，隧道地质条件复杂多变，受修建时期的设计、施工技术条件、建筑材料等限制ＨＪ，运营隧道经常出现病害怕ｊ５。水害是隧道的主要病害，也是隧道病害∞整治的难点，是影响运营安全的重要因素Ｊ。本文介绍了某运营高铁隧道的原设计和既有水害情况，分析了原设计方案的合理性、施工措施的可行性，进而分析出水害形成的原因，系统研究了水害整治的方案，从根本上整治了水害，保障了——收稿日期：２０１８０３０３作者简介：张国权（１９７９一），男，工程师，主要从事隧道与地下工程的勘察设计工作。暖盈铁道建筑技术２工程简介２．１隧道概况该隧道为我国东北地区某客运专线的一座单洞双线隧道，全长２４４０ｍ；埋深浅，最大覆土厚度仅１０．５ｍ；全隧位于Ｒ＝８０００ｍ的左偏曲线上，线路纵坡为Ｖ形坡，分别为１５％ｏ（１５００ｍ）的下坡和‰２０（９４０ｍ）的上坡；隧道内铺设Ｉ型板式无碴轨道，轨道结构高度为０．７５６ｍ。２．２隧址自然特征２．２．１气象、地理隧址属寒冷地区，最大冻结深度为１．１８ｍ，冬—季长寒冷，夏季短促温暖，雨量集中在７８月，春秋多风。ＦＬＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８【增２｝万方数据・隧道／地下工程・２．２．２地形、地貌隧道位于冲积平原区，地形平坦、开阔。进口段基本为耕地，有零散的房屋及温棚；洞身及出口段分布较多的房屋。２．２．３地层概况隧道穿越的主要地层为黏土、粉质黏土、粉土和细砂、中砂、粗砂。２．２．４地下水概况地下水为第四系孔隙潜水，赋存于粉土、细砂、中砂、粗砂等砂类土中，相对稳定，具有微承压性。微承压水以黏土、粉质黏土为隔水底板，水位受季节影响不大，变化幅度小，原设计勘察期间，稳定水位埋深约１．７ｍ。２．３原设计概况２．３．１结构设计概况本隧道仅５０ｍ采用复合式衬砌、暗挖法施工；其余２３９０ｍ均采用明洞衬砌、明挖法施工。２．３．２防水设计概况“”按照以防为主，多道防线，综合治理的原则，全隧均采用全包式防水，以结构自防水为根本，加强施工缝、变形缝的防水措施：施工缝采用中埋橡胶止水条＋背贴橡胶止水带防水；变形缝采用中埋钢边橡胶止水带＋背贴式橡胶止水带防水；缝内预埋可维护注浆管。２．３．３排水设计概况隧道内设双侧水沟与中心沟排水，在变坡处设集水坑，采用机械方式将水排至地表。侧沟及中心沟仅排道床清洗水，不能将洞外地下水及地表水引入洞内。防排水系统设计情况如图１所示。∥；釜ｌ譬；塞飞ｉ中！中ｉ中：线！线：线流Ｅ－－－水槽：内础面烨、！，兰盘查萤７＼堕、鱼鲎坐篁图１原防排水系统设计３水害情况该隧道于２０１２年１２月开通运营，开通前即发铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ现道床板底座与仰拱填充层交接处渗水，对其进行了注胶封堵处理。开通后不久，渗水再次出现，同时伴随拱墙施工缝、变形缝渗水和结冰现象；在对大的缝隙凿槽引排、小的缝隙注浆后，渗水和结冰现象有所减少。但在随后近５年时间内，水害未能根治，且有加重的趋势，甚至原配置的水泵都满足不了抽水需求，严重影响了隧道的正常运营。洞内水害主要表现为如下２种形式：（１）道床板底座与仰拱填充交接处出水，见图２。（２）施工缝和变形缝出水，局部呈喷射状，见图３。◆图２道床板底座与仰拱图３施工缝喷水填充交接处出水４水害原因分析经综合分析，隧道内的渗水来自洞外微承压的地下水，产生水害的主要原因为：４．１地下水位高。地下水发育，且具有微承压性隧址区地下水埋深浅，约为１．７ｍ；具有微承压性；隧道结构长期处于多层富水的细砂、中粗砂的环境中；为水害产生的外部环境因素。施工期间即采用了管井降水，方才保证施工安全和质量。４．２原设计的全包防水措施未达到效果隧道施工缝、变形缝、防水板搭接处的防水为施工难点，施工繁琐，不易掌控，易留下缝隙，防水效果难易达到设计要求＂１。微承压的地下水通过失效的防水板、施工缝、变形缝进入隧道，为水害产生的内在因素。尤其是隧道底部，地下水在上下分层浇筑和前后分幅浇筑的混凝土缝隙中串流，最终从仰拱填充顶面和道床板底座下方的缝隙中流出，形成目前隧道底部的水害。微承压的地下水沿着缝隙四处串流，致使发现的出水点未必是与外界水源直接联系的进水点，单纯对发现的出水点封堵不能从根本上止水。总之，隧道位于细、中、粗砂等微承压含水层中，水位高；在上述原因的综合作用下，地下水遇隧２０１８ｌ增２ｌ匝叠翌一一塑圭芏板面盟句釜蔫盟肭翌蒜整㈨万方数据・隧道／地下工程・道施工缝、变形缝及防水板破损处，即以渗水、喷水等病害表现出来。水害原理分析如图４所示。隔水层（黏质土层）缓二簪蓦芋埝，、原固护桩ｉ适ｌ笈墨：多层（细、中、粗ｊ钐隔水层（黏质土层）ｉ＝鲈簟＝、－．舍水层（细、中、粗一缓＼地下水隔水层（黏质土层）含水层（细、中、粗一笏一隔水层（黏质土层）图４水害原理分析５方案比选根据《高速铁路桥隧建筑物修理规则（试行）》（铁运［２０１１］１３１号），该隧道渗漏水和排水设施劣化等级均为ＡＡ级，需大修或更新改造，尽快安排彻底整治，整治方案应维持铁路正常运营。根据隧道病害情况及原因分析，拟定了３个整治方案进行比选。５．１洞内堵水方案对洞内所有出水缝隙进行封堵，根据缝隙所处位置及大小，分别采取不同的封堵措施。５．１．１拱墙变形缝封堵先在渗漏部位左右各不大于３Ｉｎ的缝中布置浆液阻断点；清理浆液阻断点之间缝内填充物，形成深度不小于５０ｍｍ的凹槽；埋设注浆管并封闭凹槽，注浆管位于缝中部并垂直于止水带中心孔；采用速凝型无机防水堵漏材莲凝型无规５．１．３道床板底座缝隙封堵对道床板底座与仰拱填充层交接处的出水缝隙灌注聚氨酯材料进行封堵¨一。５．１．４效果分析该方案止水效果差，前期即按此方案实施，未能根本上整治水害，故不采用此方案。５．２洞内排水方案通过中心沟、两侧边沟向隧道外打设排水孔，再配合拱墙凿槽引排及道床板底座封堵进行整治。具体如下：５．２．１中心沟、侧沟打孔引水通过中心沟、两侧边沟向下钻孔，穿过模筑混凝土，至防水板背水面，孔内插入蜘ｍｍ的ＰＶＣ管，ＰＶＣ管下部０．５ｍ范围内打孔，外包土工布，管顶高于水沟∞设计过水面］１４２－１４３。地下水在水压的作用下顺管流入隧道水沟。见图７。５．２．２拱墙凿槽引排对拱墙变形缝、施图７打子Ｌ引水示意工缝采取凿槽埋管引排的措施。先沿缝隙凿出深６０ｍｍ、内宽６０ｍｍ、外宽５０Ⅱｎｎ的倒梯形槽，沿槽清除灰尘、浮渣后，在槽底埋设筇０ｒｌＭｌｑＰＶＣ半管至边墙底部，采用环氧树脂砂浆分层封堵至衬砌表面；表面涂刷两遍环氧树脂涂料后进行养护一Ｊ。见图８。ａ．剖面图ｂ．纵断面图图５拱墙变形缝封堵示意５．１．２拱墙施工缝封堵—沿裂缝走向在基层表面切割出深度４０５０ｍｍ、宽度为４０ｍｒｎ的ｕ形凹槽，然后在凹槽中嵌填速凝型无机防水堵漏材料止水，并预留深度不小于２０ｍｍ的凹槽，再用含水泥基渗透结晶型防水材料的聚合物水‘泥防水砂浆找平５］１２１－１２２。见图６。１８６图６拱墙施工缝封堵示意铁道建筑技术ａ．布置图ｂ．大样图图８凿槽引排示意５．２．３道床板底座缝隙封堵对道床板底座缝隙灌注聚氨酯材料进行封堵。具体措施与本文５．１．３节相同。５．２．４效果分析此方案给地下水以更畅通的排泄通道，从源头截流地下水并控制排放，能基本根治道床板缝隙渗水问题，可维持隧道正常运营；但不能从根本上整治水害，无法解决冻害问题，故不采用此方案。ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０７８（ｉｔ２）万方数据・隧道／地下工程・５．３洞外堵水方案根据本隧道的地质情况：隧道穿越的地层为砂土和黏土互层，隧道下方存在隔水的黏土层。故在隧道两侧地表设置落底式止水帷幕，深入隧底黏土层，阻断隧道渗水来源，使隧道基本处于无水状态，再配合洞内拱墙凿槽引排及道床板底座封堵进行整治。其设计原理如图９所示。荔——止一隔水层（黏质土』水－悉！＼原围护桩）帷止匦层（细、中、幕，ｋ形—ｋｉ牡０帷隔水层ｆ黏质土』）——’■■■ｏ－，熏①层（细、中、缪隔水层（黏质土』含水层ｆ细、中、钐。隔水层ｒ黏质土』图９洞外堵水原理）粗砂１）粗砂１）粗砂１）５．３．１止水帷幕根据当地经验和市场调研，本隧道止水帷幕采用单排高压旋喷桩¨…。高压旋喷桩具有设备较小、对场地适应性强、桩身深、桩径选择灵活的特点¨１｜。（１）技术参数高压旋喷桩桩径采用０．６ｍ，搭接０．１５ｍ，帷幕有效厚度０．４ｍ，桩心间距０．４５—ｍ，桩长１２３０ｍ，如图１０所示。其主要施工技术参数如表１所示。表１旋喷桩主要施工技术参数序号项目参数气压／ＭＰａ０．５～Ｏ．７１压缩空气气量／（ｍ３・ｍｉＩＩ一１）—０．５２．Ｏ压力／ＭＰａ≥２０２水泥浆流量／（Ｌ－ｒａｉｎ。１）６０～７０３喷嘴直径／ｍｍ２．０～３．２４水灰比１．１＾．１．３５提升速度／（ｃｍ・ｍｉｎ。１）７～２０６旋转速度／（ｒ・ｍｉｎ。）５～１６凹Ｕ地图１０高压旋喷桩大样图（单位：ｍｍ）（２）质量检测标准（见表２）（３）效果检验方法高压旋喷桩施工完毕后，其止水效果通过如下两种方法进行检验：铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ表２高压旋喷桩施工质量检测标准序标准值检查方法号项目检查数量或范围及说明固结体位置抽检３％。但用经纬仪检查ｌ５０ｒａｍ（纵横方向）不少于３根（或钢尺丈量）２固结体垂直度１．５％用经纬仪检查喷浆管３固结体有效直径±５０ｎｍ开挖ｏ．５～１１３１深后尺量抽检３％，桩体无侧限但不少成桩２８ｄ后，在上、中、４≥ｏ．８ＭＰａ于３根下各１／３桩长范围的中抗压强度部分别钻芯取样，做无侧限抗压强度试验／＞１×１０－６按设计加固体内钻孔压力送水５渗透试验ｃｍ／ｓ要求数量试验和取芯渗透试验①水位观测：在止水帷幕内外两侧，分别布置水位观测孔，进行地下水位观测。若内外侧水位存在高差，且内侧水位降至仰拱以下，证明有效。②洞内渗水点观测：高压旋喷桩成桩前７ｄ和２８ｄ后，每３ｄ对洞内渗水点进行观测、记录，并绘制渗水量时间图，进行分析。若渗水点和渗水量明显减小，证明有效。５．３．２洞内缝隙处理对拱墙变形缝、施工缝凿槽埋管引排；对道床板底座缝隙灌注聚氨酯材料封堵。具体措施与本文５．２．２、５．２．３节相同。５．３．３效果分析该方案通过设置落底式的止水帷幕，阻断了隧道渗水来源，使隧道基本处于无水状态，能达到根本止水的目的，故采用此方案。６结束语通过该隧道的水害原因分析及整治方案研究，得到如下体会：（１）富水隧道的纵坡设计优先采用人字坡或单面坡，不宜采用Ｖ形坡。（２）Ｖ形坡隧道的防排水设计应充分考虑现场施工工艺和施工水平，并提前做好设计预案，如止水帷幕、隧道周边注浆等。（３）Ｖ形坡隧道的防排水施工是建设过程中质量管控的重点，需提高认识，专题培训，详细交底，专人盯控，层层把关，并及时变更，将重大隐患消灭在建设期。（４）对浅埋、富水隧道的水害整治，通过洞外地表施作止水帷幕是较有效的止水措施。参考文献［１］洪开荣．我国隧道及地下工程近两年的发展与展望—［Ｊ］．隧道建设，２０１７，３７（２）：１２３１３４．２０１８Ｉ增２）１８７万方数据・隧道／地下工程・［２］［３］［４］［５］［６］王梦恕．中国铁路、隧道与地下空间发展概况［Ｊ］．隧—道建设，２０１０，３０（４）：３５１３６４．王效良，赵勇．从数字看中国铁路隧道的建设［Ｊ］．现代隧道技术，２００６（５）：７一１７．张鹏，鄢本存．运营老旧铁路隧道病害检测与分析研—究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（１２）：７４７７．申志军，李树忱，吴治家，等．运营隧道缺陷与病害整治技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１６．庄乾涛．复杂地质环境营业线隧道渗漏水原因分析与—治理技术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（９）：８１８３．—————————・卜－・卜一＋＿一－卜一＋＿一卜一－－卜－－卜－－４－－一＋－＋一＋＋－＋一＋（上接第１４７页）表３同步注浆浆液配合比ｋｅ，／ｍ３水砂ｌ膨润土Ｉ粉煤灰Ｊ水泥ｌ添加剂３５０８５０１００４００１８０３（４）建立实土压力盾构机即将掘进完成一环时，需根据需求建立部分实土压力，方法可采取后３０ｃｍ减少出渣量、减少泡沫使用量，最后５ｃｍ可进行闷顶土压，此方法可增加土仓内实土量，减少地下水汇聚土仓，便于盾构机再次复推砂浆中和土仓内渣土ｎ卜１２］。２．３．３注意事项向土仓内填充砂浆容易导致土仓泥饼的形成，因此填充过程中需间歇性旋转刀盘，防止砂浆沉淀［７］董海成．铁路隧道防水施工技术及应用［Ｊ］．工程建设—与设计，２０１７（３）：１４９１５０．［８］杨文宣．祁连山隧道群渗漏水及结冰病害整治技术—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（９）：３８４１．［９］任艳红．震后特长公路隧道渗漏水病害分析与治理—［Ｊ］．西南公路，２０１５（２）：５６５９．［１０］冯仲康，沈浩．高压旋喷桩止水帷幕及止水机理及质—量问题探讨［Ｊ］．低碳世界，２０１６（１３）：１６３１６４．［１１］陈嘉福．高压旋喷桩技术及其质量控制指标探讨［Ｊ］．—中国水运（下半月），２００８（５）：２６７２６８．４结束语经过实际应用证明，通过向土仓内注入一定比例砂浆能够较好的中和土仓内水体，较大程度改善渣土，有效减小或杜绝螺旋机喷涌，提高掘进效率，为单位创造效益。随着盾构行业不断快速发展，地质情况越来越复杂，含水地层随之增多，砂浆注入中和技术将会在含水地层掘进过程中创造越来越大的效益。参考文献［１］纵欢．浅析盾构喷涌形成的原因及对应处理措施［Ｊ］．中国房地产业，２０１６（２２）：１６４．［２］朱伟，秦建设，魏康林．土压平衡盾构喷涌发生机理研—究［Ｊ］．铁道建筑技术，２００４（５）：５８９５９３．［３］朱海军，周明洋．富水砂层地铁施工中的土压平衡式盾—构机喷涌控制技术［Ｊ］．建筑施工，２０１８（１）：１００１０２．［４］温亚东．谈盾构穿越富水砂层地表沉降和喷涌原因及—对策［Ｊ］．山西建筑，２０１６（９）：１７６１７８．［５］张旭东．土压平衡盾构穿越富水砂层施工技术探讨—［Ｊ］．岩土工程学报，２００９（９）：１４４５１４４９．［６］中华人民共和国住房和城乡建设部．盾构法隧道施工与验收规范：ＧＢ—５０４４６２００８［ｓ］．北京：中国建筑工—业出版社，２００８：２３２９．［７］周扬．富水砂层土压平衡盾构施工关键技术［Ｊ］．建—材与装饰，２０１４（１８）：６７６８．［８］李永刚．富水圆砾地层盾构下穿建筑物预注浆加固技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（７）：２ｌ一２４．［９］张志国．浅析盾构同步注浆施工［Ｊ］．中小企业管理—与科技，２００８（６）：１４２１４４．［１０］刘奇．浅析土压平衡盾构法施工同步注浆施工技术—［Ｊ］．房地产导刊，２０１５（２３）：４９５０．［１１］毛盛昌，周兆勇．富水砂层泥水盾构同步注浆施工技—术［Ｊ］．西部探矿工程，２０１４（５）：１８２１８４．［１２］李钟，黄常波，刘强，等．地铁隧道盾构施工同步注浆风险—因素分析与控制［Ｊ］．建筑技术，２００９（１１）：１０２３１０２５．ＲＡＩＩ＿ＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８Ｉ增２ｌ万方数据