周旭, 肖凱東, 付雷

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某懸索橋隧道錨室水害處治方案比選及優(yōu)化

周旭, 肖凱東, 付雷

(貴州高速公路集團(tuán)有限公司營運(yùn)管理中心,貴州貴陽, 550000)

某巖溶地區(qū)懸索橋混凝土后錨室被滲入山體匯水的土體包圍, 排水不暢造成錨室大量積水, 使得錨室構(gòu)件的耐久性受到不利影響, 危害到大橋的整體安全。經(jīng)過對大橋水文、地質(zhì)及錨室水害狀況進(jìn)行分析, 設(shè)計了幾種該大橋后錨室水害處治的合理有效方案。經(jīng)比選確認(rèn)“T形排水小隧道+排水帷幕”是技術(shù)、經(jīng)濟(jì)均可行的最佳方案, 并對該方案進(jìn)行了合理優(yōu)化。

地錨式懸索橋; 隧道錨室; 水害; 處治; 方案設(shè)計優(yōu)化

某大跨懸索橋其錨碇隧洞總長度70余m, 地面至后錨室最大垂直深度近100 m, 錨碇正上方為路基和隧道。隧道錨所處地帶為微風(fēng)化巖層, 穿過淺層巖溶發(fā)育的富水區(qū), 錨塞體底面高程低于地下高水位線數(shù)十米。由于隧道錨碇本身和地質(zhì)條件等原因, 其后錨室常年積水, 對錨碇及其內(nèi)部的鋼結(jié)構(gòu)材料侵蝕極大, 嚴(yán)重危害大橋的安全。

1 橋址氣象水文及地貌、地質(zhì)概況

橋址區(qū)屬四季分明且雨熱同期的中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū), 年均降水量達(dá)到1500 mm, 夏季為集中降水期, 月降水量通常在200 mm以上, 其中, 5—10月占年降水量的80%以上, 為錨室水害提供了充足的水源條件。

錨區(qū)地下水分布主要受巖性、構(gòu)造控制, 地貌上, 形成以碎屑巖構(gòu)成的河谷底和東岸為弱基巖裂隙水含水層的緩坡。以碳酸鹽巖構(gòu)成的河谷坡為含巖溶水的富水層, 分布于西岸陡坡的碳酸鹽巖中, 因地形起伏大導(dǎo)致以水力坡度大的巖溶裂隙水為主。該區(qū)淺表巖體完整性差, 但透水性好, 大氣降水可通過張性巖層面和巖溶裂隙滲透至地下, 造成對錨碇混凝土的腐蝕。

錨碇所在區(qū)域?qū)贅?gòu)造剝蝕、溶蝕中低山峽谷地貌, 受構(gòu)造及巖性控制, 河谷走向與地質(zhì)構(gòu)造基本一致。其特征為鹽巖與陸源碎屑巖互層, 碳酸鹽巖構(gòu)成峽谷的谷坡, 而碎屑巖互層構(gòu)成谷底及緩坡。橋下水流由北向南逕流, 河床緊臨西岸谷坡, 以線狀水流侵蝕作用為主, 溶蝕作用次之。

東岸河谷地形坡度小于30o, 而西岸地形較陡, 地形坡度近70°, 近河谷地帶多陡崖。隧道錨碇位于西岸斜坡中上部, 地貌上屬于巖溶峰叢地貌, 地勢相對較陡, 該區(qū)西側(cè)為一相對較緩的巖溶平臺, 平臺上發(fā)育巖溶漏斗。

西錨碇區(qū)巖溶發(fā)育, 總體完整性淺部(40 m以內(nèi))差而深部較好, 淺部主要為溶蝕裂隙并呈帶狀順層, 展布平面規(guī)模較小, 實(shí)現(xiàn)注漿條件差[1]。該區(qū)東段為竹桿坡組第一段的泥晶灰?guī)r, 巖層單層厚度多在30 cm之內(nèi), 淺部強(qiáng)風(fēng)化基巖溶蝕、風(fēng)化較強(qiáng)烈, 層間普遍夾近3 cm厚黏土層。該區(qū)域地勢和巖層傾角均較陡, 不利于地下水的匯集和側(cè)向逕流。

巖溶以層間溶隙、豎向發(fā)育為主, 鉆探過程中多個鉆孔揭露小規(guī)模巖溶形態(tài)。由于巖溶間多以單個洞隙或洞穴形式存在而相互連通小, 其對錨碇及地基的穩(wěn)定性影響較小。錨區(qū)最大的地表巖溶現(xiàn)象——巖溶豎井, 出現(xiàn)在距錨碇區(qū)西邊緣約20 m。該區(qū)西段為楊柳井組的白云巖及白云質(zhì)灰?guī)r, 淺部溶溝槽較為發(fā)育, 溝槽內(nèi)多充填有第四系紅黏土。此外, 勘察斜洞已發(fā)現(xiàn)錨塞體段存在垂直溶洞, 隧道開挖需合理確定支護(hù)壓力[2–3]。

2 錨室水害狀況及成因分析

2.1 水害狀況

該錨左側(cè)錨碇前錨室存在較多部位滲水, 程度介于滲水和滴水之間[4], 且多處出現(xiàn)泛白; 前后錨室間通道滲水未有效排放, 表面仍存在嚴(yán)重泛白現(xiàn)象, 部分臺階影響正常通行(圖1)。

圖1 前錨室內(nèi)部及前后錨室間通道滲水泛白典型圖

滲水主要集中在該錨的右錨碇前錨室及前后錨室間的通道, 以及前錨室地面及側(cè)墻下部區(qū)域, 并伴有明顯鈣化泛白現(xiàn)象, 且在后錨室形成積水。左右錨室檢修通道已經(jīng)被積水封堵, 前、后錨室間通道及后錨室部分封堵, 導(dǎo)流處周圍存在多處嚴(yán)重滲水現(xiàn)象。尚未采取措施對前后錨室間通道和后錨室的水害進(jìn)行處治。

錨室滲流屬于靜儲量形式[2, 5], 由于滲水現(xiàn)象嚴(yán)重且未得到及時排放, 盡管錨室內(nèi)除濕系統(tǒng)工作正常, 但錨室內(nèi)濕度均超過45%, 處于高濕狀態(tài)。

2.2 病害成因

該隧道錨碇圍巖為弱風(fēng)化至微新的灰?guī)r和白云巖, 屬于易溶蝕化巖體, 其為錨碇邊坡地段地下節(jié)理裂隙水(常見)[6]、巖溶裂隙水和巖溶孔(洞)穴水提供通道。巖溶規(guī)模均較小, 平面延伸較差。以豎向發(fā)育為主的巖石裂隙, 為水的滲透提供了便利, 導(dǎo)致錨室內(nèi)的滲水泛白現(xiàn)象嚴(yán)重。

該錨碇前錨室頂部基本無滲水現(xiàn)象, 因此水從前錨室正上方直接滲入的量較小。同時結(jié)合山體走勢, 錨室滲水的主要原因?yàn)? 雨季后山體裂隙滲水在不斷增加的水壓作用下順著山勢從錨碇后方及兩側(cè)向不斷滲入錨體, 加之山體地下水位升高后, 在巨大水頭差壓力的作用下使錨碇周邊的水通過裂隙滲入錨室。

錨室滲水量大且難以排放, 抽水泵和除濕機(jī)長期超負(fù)荷工作而嚴(yán)重受損失效, 使得后錨室積水較深且室內(nèi)空氣濕度超過45%, 對金屬設(shè)備耐久性的危害較大。

3 水害處治措施

針對錨室水害情況, 設(shè)計較為全面的處治措施, 即防排堵結(jié)合法。使已有的積水及時排出錨室外, 且盡量切斷水滲入錨室的途徑, 使錨室處于相對干燥的環(huán)境中, 保證錨固系統(tǒng)的耐久性和結(jié)構(gòu)安全。針對大橋西岸隧道錨水害現(xiàn)狀, 提出以下處治措施。

(1) 設(shè)置錨室外部截水系統(tǒng), 截斷水源。檢查錨碇上方地表排水和截水設(shè)施是否暢通, 如有必要則補(bǔ)充設(shè)置截水溝, 減少地表水滲入錨碇上方土體。檢查和清理錨碇正上方引橋、路基的排水系統(tǒng), 由于引橋?yàn)橄缕? 指向錨碇上方, 地勢較低, 需檢查排水是否有漏排入錨碇上方的情況。

(2) 設(shè)置排水帷幕, 防止?jié)B水。堵水辦法采用排水帷幕法切斷地下水源補(bǔ)給。錨室上方道路及隧道周圍地勢復(fù)雜, 在錨室正上方設(shè)置帷幕難度較大, 而且經(jīng)上述分析知水從錨室正上方滲入錨體的水量和水壓均較小, 因此僅在錨室三側(cè)設(shè)置排水帷幕擋住橫向來水, 而其他方向的來水需結(jié)合錨室外排水系統(tǒng), 合理開挖[7]進(jìn)行降排水。西錨碇區(qū)基巖內(nèi)發(fā)育有節(jié)理裂隙, 在水壓力作用下錨碇區(qū)周邊的水通過錨碇圍巖裂隙滲入錨室。因此, 防止錨碇區(qū)滲水的有效辦法為降低巖體的滲透系數(shù), 增強(qiáng)錨碇附近巖體的抗?jié)B透能力。

4 處治方案比選及優(yōu)化

為降低錨室外壁的地下水位, 在錨室外側(cè)設(shè)置排水系統(tǒng), 使水在進(jìn)入錨室前從排水通道先期排出山體。擬采用2種處治方案進(jìn)行比選: 方案1, 定向鉆孔排水法+阻水排水帷幕; 方案2, T形排水小隧道+排水帷幕。

4.1 方案比選

方案1。以錨室內(nèi)不出現(xiàn)積水為條件, 確定排水管的排水能力。從主塔處向西錨碇方向分別鉆進(jìn)4道Φ200 mm孔道, 內(nèi)設(shè)類似花灑的泌水孔鋼管, 縱坡5.7%。兩條外側(cè)孔道位于左右錨碇的外側(cè), 在西岸主塔附近定向鉆孔口, 從點(diǎn)經(jīng)點(diǎn)鉆至錨室后方25 m處的點(diǎn)(圖2(a))。兩外管道位于注漿帷幕的內(nèi)側(cè)下方, 在主塔附近定向鉆孔口, 從點(diǎn)標(biāo)高鉆至錨室后方25 m處的點(diǎn)(圖2(b)), 側(cè)方來水繞過帷幕時正好進(jìn)入排水管道排出。沿兩內(nèi)側(cè)管道分別向后錨室最低點(diǎn)鉆進(jìn)1條Φ200 mm的管道, 水頭高度約16.0 m, 錨室內(nèi)積水可順利排出, 同時該管道做為錨室正下方的排水通道, 與錨室外2條定向排水通道形成錨室底部的排水面, 共同降低錨底的地下水位。

(a) 平面圖1

(b) 平面圖2

圖2 方案1鉆孔管道平面圖

方案2。排水小隧道長約383 m, 隧道斷面內(nèi)壁寬2.0 m, 高2.3 m。在西岸2主塔中心線處設(shè)置隧道入口, 孔口低點(diǎn)標(biāo)高959.000 m, 主要采用人工開挖(在距橋梁結(jié)構(gòu)物區(qū)域10.0 m外可微型鉆爆)[8], 向西錨碇方向鑿進(jìn)隧道(縱坡3%)至高點(diǎn)(圖3)。隧道位于左右錨碇的中心底部, 距離錨碇底板的豎向凈距為6 m。錨室后方隧道沿橫橋向分別向兩側(cè)水平開挖約35 m, 使隧道成“T”形。隧道側(cè)壁設(shè)排水管, 底部設(shè)排水溝; 順橋向排水隧道在錨碇對應(yīng)范圍內(nèi), 向兩側(cè)斜上方設(shè)間距3 m的Φ76 mm 排水孔, 坡度為5%和10%交錯布置, 長約35 m, 覆蓋錨室正下方, 通過該排水幕將錨碇底部地下水匯集到隧道再排至地表; 錨室后方橫橋向沿隧道向上設(shè)置間距3 m的Φ76 mm排水孔形成排水幕, 排水孔高60 m, 使錨室后方層流運(yùn)動水[3]通過排水孔流入排水隧道排出。在后錨室的最低點(diǎn)集水井處, 可通過向隧道打一排水孔, 排出錨室內(nèi)積水。

以上2種降排水方案的多目標(biāo)分析對比如表1所示。方案1采用定向鉆技術(shù)在工程規(guī)模和工期方面略有優(yōu)勢, 相比隧道施工的成熟可行性, 該技術(shù)在遭遇大規(guī)模的巖石地帶和鋼筋混凝土?xí)r, 掘進(jìn)困難, 存在較大的施工難度和施工風(fēng)險; 后期排水管道使用, 由于鈣質(zhì)水的特殊性, 容易封堵, 且其檢查和維護(hù)方面存在較大的困難; 方案1工程費(fèi)用超過方案2約20%, 從造價考慮, 方案2優(yōu)于方案1, 但是相比整個大橋的建設(shè)和運(yùn)營期維護(hù)管理費(fèi)用, 方案1和方案2均為經(jīng)濟(jì)合理方案。方案2的排水隧道施工技術(shù)成熟, 雖開挖面積大, 但不影響錨碇的安全可靠性; 通過從隧道頂部與三面排水帷幕相接, 使得錨體周圍水壓迅速降低, 從而極大地減少了山體滲水進(jìn)入錨碇。綜合考慮, 確定方案2為最終的水害處治方案, 同時采用抽水設(shè)備和應(yīng)急供電設(shè)備作為應(yīng)急措施, 提高排水效率。

表1 2種水害處治方案對比

4.2 方案優(yōu)化

方案2的排水孔形成“L”狀, 豎向和斜向鉆孔對接施工困難; 熔巖地區(qū)富含鈣質(zhì)的水源, 排水帷幕轉(zhuǎn)角處易被封堵, 使得管道的使用檢查維護(hù)相對困難, 存在一定缺陷。因此需對該方案進(jìn)行優(yōu)化，方案2優(yōu)化后如下。

隧道長約450 m, 斷面內(nèi)壁寬2 m, 高2.3 m, 頂部呈拱形。該排水隧道出口設(shè)置在主塔側(cè)面(圖4), 距離橋梁中心線35 m處, 入口點(diǎn)高程959.459 m。隧道從入口平行于橋梁中心線開挖至錨碇后方點(diǎn), 然后橫橋向開挖繞過錨室, 并延伸至散索鞍支墩處點(diǎn), 形成“η”形, 縱坡為2%, 隧道的排水基本面位于錨室最低點(diǎn)。隧道在錨碇對應(yīng)范圍內(nèi), 從側(cè)壁向錨碇中心線鉆設(shè)間距為3 m的Φ76 mm排水孔, 排水孔按坡度5%和10%交錯呈梅花型布置[9], 錨底地下水通過該排水幕匯集入隧道排至地表。錨碇后方, 從隧道頂板豎直向上鉆設(shè)長度約60 m間距3 m的排水孔, 形成對錨碇三面包圍的排水幕, 將錨錠三側(cè)圍巖裂隙水匯集至隧道排出, 降低三側(cè)地下水位至錨底以下。在后錨室的最低點(diǎn)集水井處向隧道鉆排水孔, 排出錨室積水。

優(yōu)化后的方案以“η”小隧道形式, 對錨錠呈包圍降水態(tài)勢, 降水排水效果更好; 此外, 使得排水帷幕為平面形態(tài), 避免管孔拐角受鈣質(zhì)水侵蝕而逐漸縮小至封堵狀態(tài); 錨室形成立體降排水, 效果較好。該優(yōu)化方案在施工技術(shù)上較為成熟, 后期檢查維護(hù)也更具便利優(yōu)勢。

圖4 方案2優(yōu)化后布置

4.3 輔助處治措施

檢查并清理錨室上方排水溝和截水溝等通暢情況, 增設(shè)錨室內(nèi)部防水、結(jié)構(gòu)防腐以及錨室內(nèi)除濕等措施。對錨室內(nèi)的集水井、排水系統(tǒng)等進(jìn)行密封改造, 使整個錨室排水過程處于密閉環(huán)境, 使得該過程中錨室濕度可控。

錨室內(nèi)采用符合規(guī)范要求的水泥基滲透結(jié)晶型防水材料涂刷錨塞體端面及錨室壁面等部位[10]。室內(nèi)輕微滲水處, 采用鑿“V”型槽用環(huán)氧砂漿封堵, 并對整個滲漏水區(qū)域采用水泥基滲透結(jié)晶型防水材料雙層涂刷。對無滲水干裂縫, 在裂紋上鑿“V”型槽后沖洗干凈, 并及時采用環(huán)氧砂漿嵌補(bǔ)抹平。對前后錨室通道做防水層; 對后錨室最底面, 采用排水板等方式進(jìn)行內(nèi)部排水, 避免明水。

5 結(jié)論

在排截防水的總體思想指導(dǎo)下, 綜合考慮施工、管理和維護(hù)排水結(jié)構(gòu)及經(jīng)濟(jì)等因素, 比選了多種由定向鉆孔技術(shù)、隧道和排水帷幕技術(shù)組配的排水方案。選取了“T”形排水隧道+排水帷幕(方案2)方式來處治水害, 并對方案優(yōu)化設(shè)計成“η”型小隧道, 結(jié)合直線型排水帷幕, 使排水系統(tǒng)的使用和養(yǎng)護(hù)更便利。在該方案的基礎(chǔ)上, 再配備錨室內(nèi)部應(yīng)急排水設(shè)施, 從根本上保證了大橋的安全性和耐久性。

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(責(zé)任編校: 江河)

A suspension bridge tunnel anchor chamber treatment scheme comparison and optimization of water disasters

Zhou Xu, Xiao Kaidong, Fu Lei

(Guizhou Expressway Group Ltd, Guiyang 550000, China)

After a suspension bridge in karst region, concrete anchor chamber surrounded by soil infiltration of catchment, poor drainage caused anchor room a lot of water, and adversely affected the durability of anchor chamber components. By analyzing the hydrological geology and the status of the anchor chamber water disasters, several schemes are designed, and the “T + small drainage tunnel drainage curtain” is the best solution. At last, the scheme is optimized.

suspension bridge by anchor; tunnel anchor chamber; water disasters; the treatment; the design optimization

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.016

U 453.6+1

1672–6146(2015)03–0068–05

周旭, zhouxu2007@aliyun.com。

2015–04–18