蔣雅君,杜 坤,廖甲影,陳 興,肖華榮

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,成都 610031； 2.廣西交通投資集團(tuán)河池高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司,廣西河池 547000； 3.成都揚(yáng)華源動(dòng)新材料科技有限公司,成都 610213)

引言

我國巖溶地區(qū)分布較為廣泛,約占陸地國土面積的三分之一[1],隨著近年來我國公路、鐵路交通建設(shè)大發(fā)展時(shí)期的到來,在我國云南、貴州、廣西、四川等巖溶地質(zhì)地區(qū)修建的隧道也越來越多。對(duì)于施工階段的隧道巖溶處治問題,我國目前已經(jīng)總結(jié)了較多的經(jīng)驗(yàn),比如采取注漿加壓、溶腔防護(hù)加固、分水降壓、釋能降壓、迂回繞避、注漿填充加固等手段對(duì)巖溶進(jìn)行綜合處治,同時(shí)也從隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)支護(hù)參數(shù)進(jìn)行了較為全面的分析和考慮,在實(shí)際工程中也取得了較好的效果[2-5]。

雖然目前對(duì)巖溶隧道排水系統(tǒng)中出現(xiàn)結(jié)晶堵塞及其帶來的問題已經(jīng)有所認(rèn)識(shí)[6-7],但是與巖溶隧道施工處治技術(shù)相比,運(yùn)營(yíng)期間巖溶隧道襯砌的養(yǎng)護(hù)技術(shù)還不夠成熟,尤其是排水系統(tǒng)的可維護(hù)性理念尚未引起重視,相應(yīng)的技術(shù)和措施也不夠完善。巖溶地區(qū)隧道最常見的病害就是滲漏水問題[6],其中由于隧道排水設(shè)施內(nèi)發(fā)生結(jié)晶堵塞的情況較為普遍[8-9],也會(huì)造成隧道襯砌背后水壓增大、滲漏水加劇、仰拱底鼓、襯砌掉塊等事故,并威脅隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全[10]。目前在巖溶隧道運(yùn)營(yíng)期間，針對(duì)隧道襯砌施工縫滲漏水的處理仍然還是采用常規(guī)引排措施[11-12],處治效果往往有限,且處治完成后的可維護(hù)手段極其有限,運(yùn)營(yíng)期間屢屢出現(xiàn)反復(fù)處治的情況。隨著我國巖溶地區(qū)修建隧道數(shù)量的增長(zhǎng),將面臨越來越多的運(yùn)營(yíng)巖溶隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞的問題,同時(shí)隧道排水系統(tǒng)的可維護(hù)性理念雖然已經(jīng)提出多年[13],但是仍然未真正較好地在工程實(shí)踐中尤其是運(yùn)營(yíng)隧道中得到全面改善,也有必要進(jìn)行積極的探索和嘗試。

因此,依托廣西河池某運(yùn)營(yíng)高速公路隧道的襯砌施工縫滲漏水處治實(shí)踐和探討,希望能為隧道排水系統(tǒng)的可維護(hù)性技術(shù)提供一定思路和借鑒。

1 依托工程概況及前期處治情況

1.1 隧道工程概況

該隧道位于蘭海高速六寨—河池段,隧址區(qū)位于云貴高原邊緣,是云貴高原向廣西丘陵地帶的過渡區(qū)段,地形地貌受地區(qū)巖性及構(gòu)造控制明顯,是典型的喀斯特地質(zhì)區(qū)。該隧道長(zhǎng)約1670 m,在修建過程中揭露了多處溶洞、溶腔,在施工期間采取初支加強(qiáng)、超前注漿、溶腔加固、基底加固等措施通過了巖溶不良地質(zhì)區(qū)段。

該隧道暗洞段采用常規(guī)的復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)形式,襯砌背后的排水系統(tǒng)構(gòu)造如圖1所示,包括環(huán)向、縱向、橫向、中央排水管等設(shè)施。

圖1 依托工程隧道排水系統(tǒng)構(gòu)造示意

該高速公路于2012年7月正式通車,根據(jù)2014年4月的檢查結(jié)果,全線各隧道均出現(xiàn)了不同程度的滲漏水病害,當(dāng)遇到暴雨極端天氣時(shí),個(gè)別病害點(diǎn)還會(huì)出現(xiàn)集中涌水現(xiàn)象,其中施工縫滲漏最為嚴(yán)重,發(fā)生部位多為邊墻[11]。由此可以判斷,隧道排水系統(tǒng)已經(jīng)部分失效。

1.2 隧道襯砌施工縫滲漏處治及效果

針對(duì)該高速公路隧道下行線中滲漏較為嚴(yán)重4條相鄰的襯砌施工縫進(jìn)行了處治,主要采用鑿槽埋設(shè)排水半管的方式對(duì)襯砌施工縫處的滲水進(jìn)行引排,處治方案構(gòu)造示意見圖2[11]。

圖2 隧道襯砌施工縫滲漏處治示意

隧道處治完成以后,滲漏水病害的問題得到了緩解,襯砌施工縫處的滲水被引排進(jìn)電纜溝內(nèi)排走。在隨后的3年中,該隧道中做過引排處治后的襯砌施工縫未暴露出滲水的問題,但是在2018年7月雨季期間,仍出現(xiàn)了復(fù)漏,處治措施已經(jīng)失效。4條施工縫中的3條從處治部位的頂端出現(xiàn)了集中的股狀流水,造成路面積水濕滑,影響行車安全(圖3)。

圖3 隧道襯砌施工縫出現(xiàn)復(fù)漏(2018年7月)

于2018年7月對(duì)該隧道的4條施工縫進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,采用工業(yè)內(nèi)窺鏡對(duì)施工縫的底部出水管口進(jìn)行了初步檢查,發(fā)現(xiàn)施工縫排水半管底部已經(jīng)被白色的碳酸鈣結(jié)晶物堵塞,造成半管內(nèi)的滲水從隧道邊墻排水半管頂部溢出(圖4)。由檢查結(jié)果可以很直觀地判斷出,由于巖溶水在排水設(shè)施內(nèi)的結(jié)晶堵塞,前期的處治措施已經(jīng)失效,必須要重新進(jìn)行處治。

圖4 隧道襯砌施工縫滲漏水引排設(shè)施檢查結(jié)果

2 隧道襯砌施工縫滲漏水處治方案改進(jìn)

鑒于常規(guī)處治措施不能保證長(zhǎng)期效果,需要根據(jù)巖溶隧道排水系統(tǒng)中易出現(xiàn)巖溶水結(jié)晶堵塞的問題考慮有效的防治措施,并提高排水系統(tǒng)的可維護(hù)性,以減輕運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)工作的壓力。

2.1 排水設(shè)施基面防結(jié)晶措施

由該隧道施工縫的實(shí)際調(diào)查結(jié)果可知,造成排水設(shè)施失效的主要原因是碳酸鈣結(jié)晶附著在混凝土和管道基面上,結(jié)晶體長(zhǎng)期堆積、增長(zhǎng)后堵塞管道,造成了排水不暢。因此,如何盡量減少碳酸鈣結(jié)晶在基面上的形成和附著,也成了本問題的關(guān)鍵所在。

根據(jù)文獻(xiàn)[14]的研究結(jié)果可知,碳酸鈣在排水管壁上結(jié)晶析出必須經(jīng)歷如下過程：首先要產(chǎn)生微小的粒子作為晶核,然后晶核再生長(zhǎng)成微晶粒,微晶粒在溶液中相互碰撞,和管壁也不斷地進(jìn)行碰撞,使小晶體不斷變成大晶體。在此過程中,碳酸鈣結(jié)晶的形成歷經(jīng)晶核生成(結(jié)晶誘導(dǎo)期)、結(jié)晶層形成(結(jié)垢誘導(dǎo)期)這兩個(gè)關(guān)鍵階段,當(dāng)?shù)竭_(dá)結(jié)垢誘導(dǎo)期的終點(diǎn)時(shí),結(jié)垢的生長(zhǎng)速率將有一個(gè)突躍[15]。在此過程中,基面接觸角是結(jié)垢誘導(dǎo)期的主要影響因素,提高基面接觸角可以使得碳酸鈣晶體成核困難,結(jié)垢誘導(dǎo)期延長(zhǎng),文獻(xiàn)[16-17]的研究結(jié)果也分別驗(yàn)證了以上結(jié)論。因此,可以從提高如圖2所示排水構(gòu)造中與滲水直接接觸的基面(混凝土、排水半管)的接觸角入手,盡量延長(zhǎng)巖溶水中碳酸鈣結(jié)晶的誘導(dǎo)期,減輕或緩解排水設(shè)施中出現(xiàn)結(jié)晶堵塞的程度。

選用了一款滲透性的疏水涂料(YHYD-SS-NM),在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制備砂漿試塊并涂刷該涂料以后,對(duì)試塊的表面6處不同點(diǎn)位進(jìn)行接觸角的量測(cè)(圖5),其平均值為114.6°。通常情況下未經(jīng)處理的混凝土基面的接觸角僅為30°～40°,屬于親水基面,而處理后接觸角達(dá)到90°以上,成為疏水表面[17]。另外，由于該涂料也可以直接噴涂在玻璃、金屬、塑料等材料表面,均能較好地改善基面疏水性能,因此決定在圖2所示排水構(gòu)造內(nèi)部的混凝土和PVC排水半管基面上涂刷一層該涂料,以提高基面的防結(jié)晶性能。

圖5 砂漿試塊基面接觸角量測(cè)

2.2 排水設(shè)施可維護(hù)性提高措施

在圖2所示的隧道襯砌施工縫滲漏水引排構(gòu)造中,施作完畢后排水半管將用環(huán)氧防水砂漿全部封閉,后期無法打開檢查內(nèi)部的情況,也沒有預(yù)留進(jìn)行清理或疏通的通道,僅能從排水半管的底部出水口勉強(qiáng)進(jìn)行觀察,檢查和維護(hù)不便,因此可維護(hù)性很差。

為改善其可維護(hù)性能,設(shè)計(jì)了帶有檢查孔的襯砌施工縫滲漏水引排設(shè)施(圖6),其基本構(gòu)造與圖2一致,但是在排水半管的頂部、中部采用PVC管的三通接頭和堵頭預(yù)留了檢查孔,檢查孔的頂蓋伸出襯砌混凝土的表面,可以擰開檢查孔的頂蓋對(duì)排水半管的內(nèi)部進(jìn)行檢查。檢查孔的預(yù)留部位和數(shù)量可以根據(jù)施工縫的長(zhǎng)度和后期維護(hù)的需要,在排水半管不同高度位置設(shè)置。

圖6 增加檢查孔的隧道襯砌施工縫滲水排水設(shè)施

在預(yù)留了檢查孔之后,即可以在后期采用工業(yè)內(nèi)窺鏡方便地對(duì)排水半管的內(nèi)部進(jìn)行檢查,觀察排水半管內(nèi)的結(jié)晶和堵塞的情況,并能及時(shí)進(jìn)行管內(nèi)的清洗和疏通。經(jīng)過調(diào)研和比選,選用具有如表1所示性能參數(shù)要求的工業(yè)內(nèi)窺鏡,可以滿足在該隧道現(xiàn)場(chǎng)檢查排水管內(nèi)部情況的需要。

表1 某型號(hào)轉(zhuǎn)向工業(yè)內(nèi)窺鏡性能參數(shù)

3 隧道襯砌施工縫滲漏水處治實(shí)施效果

2018年8月對(duì)該隧道的4條施工縫進(jìn)行再次處治,并分別于2018年10月、12月和2019年1月進(jìn)行了檢查,以檢驗(yàn)處治的效果。

3.1 隧道襯砌施工縫滲漏水處治實(shí)施過程

按表2所示的要點(diǎn)對(duì)4條施工縫進(jìn)行了處治,以便進(jìn)行對(duì)比。處治方法為在該隧道襯砌施工縫部位開U形槽,將帶有檢查孔的PVC半管鋪設(shè)嵌入U(xiǎn)形槽內(nèi),之后用環(huán)氧砂漿封閉。與第1、2條施工縫的做法有所區(qū)別的是：在第3、4條施工縫處的U形槽內(nèi)混凝土表面需要用鋼絲刷清潔,隨后噴涂YHYD-SS-NM滲透性涂料,等待基面干燥0.5 h；在PVC半管表面也涂刷一層YHYD-SS-NM滲透性涂料,靜置0.5 h,之后再將PVC半管用環(huán)氧砂漿封閉在U形槽內(nèi)。施工縫處治主要過程和檢查孔安裝結(jié)果見圖7。

圖7 隧道襯砌施工縫滲漏水處治實(shí)施情況

表2 該隧道襯砌施工縫滲漏水處治要點(diǎn)

3.2 隧道襯砌施工縫滲漏水處治效果回訪(圖8)

截至到2019年1月,共在該隧道現(xiàn)場(chǎng)開展了3次回訪檢查,檢查方法為將工業(yè)內(nèi)窺鏡的鏡頭從襯砌邊墻部位的檢查孔內(nèi)伸入排水半管內(nèi),重點(diǎn)查看從邊墻到墻腳范圍內(nèi)排水半管內(nèi)部的情況,以確定排水管內(nèi)結(jié)晶和堵塞的程度。由于施工縫改造以后,2018年的雨季已經(jīng)接近尾聲,所以各條施工縫中出現(xiàn)滲水的情況均小于2018年7月份的情況,但在排水半管中也出現(xiàn)了一定的結(jié)晶覆蓋情況,此處主要選取第2、3條施工縫的檢查結(jié)果進(jìn)行說明。

觀察到第2條施工縫處的排水半管內(nèi)的混凝土基面在接近墻腳的部位出現(xiàn)了一處滲水點(diǎn),2018年10月已經(jīng)出現(xiàn)了初步的結(jié)晶情況,2018年12月結(jié)晶的覆蓋面積擴(kuò)大,2019年1月的時(shí)候結(jié)晶覆蓋面情況變化不大(該月為枯水期)。拍攝的典型照片見圖9。

圖9 第2條施工縫處排水設(shè)施混凝土基面情況

在第3條施工縫處的排水半管中,在中下部?jī)H出現(xiàn)了幾縷成條狀的白色結(jié)晶,最早在2018年10月時(shí)已經(jīng)形成,但是后續(xù)變化不明顯,也未出現(xiàn)結(jié)晶大面積覆蓋、附著在混凝土和PVC半管壁面上的情況。拍攝的典型照片見圖10。

圖10 第3條施工縫處排水設(shè)施混凝土基面情況

施工縫1、4排水設(shè)施內(nèi)部的檢查對(duì)比與以上結(jié)果類似。將這兩條施工縫中部的檢查孔頂蓋打開后分別進(jìn)行了拍照記錄,所觀察到的情況也是在沒有經(jīng)過疏水處理的混凝土基面上已經(jīng)開始出現(xiàn)了較大面積的結(jié)晶覆蓋情況,而做過疏水處理的混凝土基面上基本能保持潔凈的狀態(tài),對(duì)比效果比較明顯。見圖11。

圖11 施工縫1、4檢查孔處混凝土基面(2019年1月)

3.3 隧道襯砌施工縫滲漏水處治效果討論

根據(jù)以上檢查結(jié)果可知。

(1)采用YHYD-SS-NM滲透性涂料對(duì)該隧道襯砌施工縫滲漏水引排設(shè)施基面進(jìn)行的處理是有效的,噴涂過疏水材料的施工縫內(nèi)部的結(jié)晶情況要遠(yuǎn)少于未進(jìn)行疏水處理的施工縫。但是在施工縫3、4排水設(shè)施內(nèi)的混凝土基面上仍然還有少量的白色結(jié)晶條帶,初步分析應(yīng)該是由于槽內(nèi)混凝土基面不平整,還有一定的掛水作用,形成水帶附著,水分蒸發(fā)以后仍然會(huì)形成結(jié)晶條帶殘留。

(2)對(duì)該隧道襯砌施工縫處排水設(shè)施進(jìn)行預(yù)留檢查孔的可維護(hù)性改造以后,為排水設(shè)施的檢查工作提供了很大的便利條件。但也需要注意到,仍然需要選用適用的檢查設(shè)備,比如帶有4向轉(zhuǎn)向功能的工業(yè)內(nèi)窺鏡,才能較好地適應(yīng)排水半管檢查孔的90°轉(zhuǎn)彎部位。

基于目前的試驗(yàn)結(jié)果,可以在下一階段中針對(duì)以上所采取的措施進(jìn)行改進(jìn),以提高防結(jié)晶的效果及可維護(hù)性,比如：對(duì)開槽后的混凝土基面進(jìn)行整平,盡量防止?jié)B水在基面的流掛以減少結(jié)晶物的附著； PVC半管上所開的檢查孔可以開設(shè)在邊墻、底部,以便后續(xù)檢查和清洗。

4 結(jié)語

依托廣西河池地區(qū)的一個(gè)巖溶隧道襯砌施工縫排水設(shè)施的防結(jié)晶和可維護(hù)性改造工程實(shí)例,探討了巖溶隧道襯砌施工縫滲漏水處治措施和檢查手段,得出如下結(jié)論。

(1)基于提高基面接觸角(表面能)的思路去預(yù)防或延緩巖溶水在排水系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)結(jié)晶的措施應(yīng)該是有效的,但也需要注意到基面本身的不平整性對(duì)結(jié)晶仍然有一定的作用。

(2)隧道排水系統(tǒng)的可維護(hù)性能提高可以從增加管道可檢查設(shè)施的思路去實(shí)施,為運(yùn)營(yíng)期間的檢查、清理等工作預(yù)留便利的通道,但也應(yīng)注意適用的檢查、清洗設(shè)備的研發(fā),才能較好地整體提高隧道排水系統(tǒng)的可維護(hù)性能。

以上措施不僅適用于公路隧道,也一樣適用于高速鐵路隧道?；谡n題研究工作的延續(xù),下一步將在巖溶隧道中開展隧道排水系統(tǒng)中結(jié)晶堵塞的規(guī)律和影響因素、隧道排水系統(tǒng)的改造、隧道排水系統(tǒng)的檢查和評(píng)價(jià)方法、隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶的清洗技術(shù)等方面的全面研究工作,后續(xù)研究工作成果將隨研究工作進(jìn)展另文討論。

致謝：

本文所開展的相關(guān)研究工作得到了廣西交通投資集團(tuán)河池高速公路運(yùn)營(yíng)有限公司陳華梁、陸山風(fēng)、蘇衛(wèi)迪、余康文、黃秀珠、郭佳,中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司沈朝峰以及西南交通大學(xué)李福海、張小林、鄭靖、鄭良、陶磊、劉基泰、魏晨茜、藍(lán)天威等人的支持和協(xié)助,在此一并表示感謝。