昆仑山隧道渗漏水原因探讨及治理.docx

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昆仑山隧道渗漏水原因探讨及治理

昆仑山隧道渗漏水原因探讨及治理

[摘要]在高原冻土地区修建隧道，是一项开拓性的工作，无经验可循。

通过设立试验段，

铁道部科技教司在昆仑山隧道共组织开展了7项科学研究，《隧道防排水技术研究》

是其中之一。

该隧2003年2月竣工，同年5月22日，在2号冲沟浅埋段线路右侧

隧道拱腰施工缝突然出现涌水，并陆续在三段浅埋段墙脚施工缝出现渗水现象。

本文首先通过现场连通试验，对渗漏水的水源、流径进行了试验研究；从试验数

据出发，深入分析了问题产生的机理，提出了自己的一些见解。

通过试验研究和

分析为治理方案的制定提供了依据。

最后介绍了治理方案的制定、实施，通过借

助地质雷达等手段进行效果检测，治理达到了预期效果。

[关键词]高原多年冻土隧道渗漏水治理

1引言

青藏铁路格拉段昆仑山隧道全长1686m，位于青藏高原海拔4600~4700m的连续多年冻土区，多年冻土上限1.5~2.5m，下限60~120m，起讫里程DK976+250~DK977+936，是青藏高原550Km连续多年冻土区修建的仅有的两座隧道之一。

昆仑山隧道防排水系统设置为：

在两层混凝土衬砌间按“防水板+隔热层+防水板”结构形式设置隔热防水层，并在初次衬砌与第一层防水板间设置以排水盲沟组成的排水系统。

该区具有独特的冰缘干寒气候特征。

在这种特殊的气候和围岩条件下修建隧道在世界隧道建设史上尚属首次，无论对设计或施工遇到的是全新的技术课题，均无经验可循。

该隧道设计为试验工程，铁道部在该隧道开展了七项科学研究（基金项目：

铁道部科技开发计划项目，项目合同号为2001G001-E）。

图1南冲沟浅埋段水压力测试情况（DK977+630右边墙）

2003年5月22日在昆仑山隧道DK977+618线路右侧拱腰处施工缝突然出现涌水现象。

据中铁西南研究院测试结果，昆仑山隧道衬砌背后水压力最大测试值为43.1kPa，出现在2#冲沟浅埋段DK977+630线路右侧边墙防水板的外侧（图1），时间为2003年6月4日，同时该断面右拱腰防水板外侧水压力也达到40.7kPa。

上述两个部位的水压力是在2003年5月22日开始出现急剧增长至6月初达到最大值[1]。

同时发现隧道进口端往里130m左右保温水沟在寒季全部被冰冻结，六月中旬才开始融化，七月初水沟排水才畅通。

2003年10月中旬，隧道两侧水沟开始从进口（总出水口）往里冻结,到11月底，全隧水沟被冰冻结。

经过盲沟进入隧道的水无法通过两侧水沟排出，翻上道床、结冰，影响行车，见图2。

为此,开展昆仑山隧道的出水原因分析，详细调查研究隧道出水的真正来源，以便“对症下药”开展隧道的水害治理。

图2隧道水沟内水上翻结冰

2连通试验[2]

为详细调查隧道出水来源，于2003年9月23日至2003年10月6日开展了昆仑山隧道涌水灾害治理连通试验研究。

2.1试验点的选择

主要根据洞内出水点和地表水的实际调查情况选择试验点。

根据调查分析，隧道内最主要的出水点里程及位置分别为：

①DK976+283右侧避车洞；②DK976+793左侧避车洞，当日监测流量5m3/d；③DK977+573左侧避车洞，股状涌水，当日监测流量40m3/d。

因其余出水点多为渗水，流量及流速均比较小，在出水点部位均以结冰的形式出现，无法采取水样进行水质分析。

为此，选定前述3个以水流形式出现的点为本次连通试验的监测点。

2.2现场试验

采用无碘食盐作为本次连通试验的示踪剂，对地表2#沟与DK977+573左侧避车洞涌水点、地表1#沟与DK976+793左侧避车洞涌水点及地表2#沟与1#沟对应的DK976+793左侧避车洞涌水点的连通试验。

2.3结论

图3[1]给出水沟流量沿隧道纵向分布的情况。

该分布表明，隧道内水沟流量主要在南冲沟以及北冲沟下游、进口段出现明显的增量变化，其中以南冲沟浅埋段水沟流量增长最为显著，其次为北冲沟下游段。

右侧水沟则在进口段流量增长比较明显。

图3　水沟流量沿隧道纵向分布情况

综上，结合连通试验分析，可获得如下结论：

①昆仑山隧道内DK977+573左侧避车洞涌水是与地表2#沟的流水直接连通的，且DK977+573左侧避车洞涌水点是2#沟内的地表水在转化为地下水后的主要排泄点。

②昆仑山隧道1#沟的地表水是与DK976+793左侧避车洞涌水点连通的；并且，DK976+793左侧避车洞与进口浅埋段DK976+283右侧避车洞涌水点是通过隧道衬砌外侧与围岩间的空隙连通的。

③昆仑山隧道进口浅埋段DK976+283右侧避车洞涌水主要来自于1#沟，但由于该段隧道拱顶上方的围岩非常破碎，地表降雪在融化后垂直下渗，其中的一部分是可以补给DK976+283右侧避车洞涌水的。

④昆仑山隧道2#沟与1#沟之间是通过隧道衬砌背后与围岩之间的空隙局部连通的。

3渗漏水原因分析

3.1冻土地质因素

由于设计是以全隧穿越多年冻土区为模型的，考虑隧道的水补给为冻融圈的水，冻融圈内有限的水以堵、防为主进行处理，仅采用双侧保温水沟排除经堵、防措施后渗出的少量的水[3]。

从连通试验结果可以看出，施工后的昆仑山隧道结构穿越的地层并非全部为多年冻土层，在其结构周围（或部分）存在融化圈。

特别是的两冲沟段隧道结构所处的是季节性融化层或冻土上限层。

融化圈、季节性融化层或冻土上限下移主要可能是施工扰动造成的，这种结果风火山隧道同样存在。

当没有大的外来水源补给时，融化圈的存在不会带来水对结构的危害，如风火山隧道。

但当有大的外来水源补给时，水会积聚在隧道结构的周围，对结构造成危害，如昆仑山隧道。

图4给出昆仑山隧道水沟流量与大气累积降水的时态曲线，降水曲线取自昆仑山隧道气象站观测资料[1]。

可以看出，隧道水沟流量与大气降水量有关联。

这期间大气累积降水258mm。

图4水沟流量与累积降水的时态曲线

3.2衬砌背后存在承压水

寒末暖初，隧道穿越的两个冲沟的季节融化层，随着温度的升高开始解冻，并且融化范围逐渐扩大，地表水流不断下渗，而此时隧道内的大部分排水系统仍然处于冻结状态。

这样，随着水流的大量积聚，就在隧道结构特别是线路右侧衬砌结构外侧积聚大量承压水。

同样在暖末寒初，由于进口处于阴面，出水口将首先被冻结并逐渐往里发展，这样洞身的水将无法排出而堵在衬砌背后，同样形成承压水。

这部分承压水随着冻结过程的完成，将会在结构外侧及结构中产生巨大的冻胀力。

周而复始，会对混凝土结构和防水板接缝产生周期性的冻胀破坏。

3.3冻胀力破坏

由于隧道两层防水板之间铺设了一层保温板，而保温板采用的是平面板拼接而成，这样就在板状保温板与弧形一衬之间形成一弧形空隙。

暖末寒初，由于三段季节融化层中的水无法排走，形成的承压水进入到这一弧形空隙中。

寒季中随着这一部分水的冻结，产生的冻胀力将对防水板接缝产生破坏，并形成了出水通道。

3.4排水系统只能季节性排水

①目前测得水沟温度在6月～10月之间为正温。

其中，进入10月，进口段沟温已进入负温，洞身及出口段水沟尚处于正温。

图5⑴给出昆仑山隧道不同区间水沟月平均温度的逐月变化情况[1]（图中气温为全隧平均值），可以看出，由暖季进入寒季时，该隧道进口段水沟温度先于隧道其他地段进入负温状态。

图5⑵给出不同区间沟温与该处气温较差的逐月变化情况，可以看出，暖季月平均沟温低于气温最大为1.2℃（进口段）、2.6℃（中间段）和1.8℃（出口段）。

图5昆仑山隧道水沟温度时态曲线

⑵沟温与气温较差

⑴沟温

②图6给出了水沟流量与沟温的时态曲线[1]。

图6水沟流量与沟温的时态曲线

③进一步分析由图7⑴、⑵给出，可清楚看出靠近洞口地段的沟温分布由暖季进入寒季时的变化情况[1]。

该图表明，10月份在进口30m处的沟温已为负温，其月平均值为-1.8℃（极端值-2.7℃）。

从50m一直到隧道出口段，沟温则均为正温，最大值出现于最后一个测试断面（距出口约50m），其月平均值为1.1℃（极端值2.1℃）。

⑵出口段

⑴进口段

图7水沟温度沿隧道纵向分布情况

由于隧道属单面坡排水，出水口在进口，从以上观测数据分析可以看出，隧道既有排水系统在寒末暖初和暖末寒初无法发挥排水作用。

特别是出水口（隧道进口）处于阴面，在暖末寒初将首先冻结，进入暖季后才最后解冻，这将导致寒末暖初及暖末寒初，隧道内的水无法顺利排出。

4渗漏水治理

4.1治理方案

隧道渗漏水治理的原则为“彻底根治、保护冻土、不留后患，地表截、排、降结合，洞内堵、排结合，综合治理”。

方案如下：

①二号冲沟截、排、降综合措施。

在二号冲沟采取地表处理，确保地表水排水顺畅；在线路上游设降水井，以截断冻结层上水的下渗途径，降低地下水位。

②延长二号冲沟地表帷幕注浆的范围。

二号冲沟在原地表帷幕注浆的基础上，按沿线路方向两侧适当延伸、垂直线路方向适当加宽注浆的范围，对隧道围岩实施注浆堵水。

③洞内水沟采暖措施。

在洞内水沟及洞外出水口设加热电缆进行沿程加热，确保寒季水沟不冻结，洞内排水顺畅，洞外出水口不冻结。

④洞内回填注浆措施。

一、二次衬砌间全断面回填注浆，以填充空隙，防止两层衬砌间积水，堵塞地下水沿两层衬砌间迁移的可能通道。

4.2实施情况

①一、二次衬砌间回填注浆

一、二次衬砌间回填注浆各部位压浆孔数及进浆情况见表1：

一、二次衬砌间回填注浆工程数量表表1

注浆部位

注浆材料

孔数

总孔数

总进浆量（m3）

第一次拱顶回填注浆

（包括Ⅰ、Ⅱ序孔）

抗裂微膨胀水泥浆

113

186

64.48

GRM水泥浆

73

17.58

一、二次衬砌

间回填注浆

Ⅰ序孔

边墙

抗裂微膨胀水泥浆

820孔

1906

1705.89

拱脚

抗裂微膨胀水泥浆

820孔

拱顶

抗裂微膨胀水泥浆

266孔

一、二次衬砌

间回填注浆

Ⅱ序孔

边墙

抗裂微膨胀水泥浆

695孔

1569

446.08

拱脚

抗裂微膨胀水泥浆

665孔

拱顶

抗裂微膨胀水泥浆

209孔

边墙

GRM水泥浆

123孔

332

66.18

拱脚

GRM水泥浆

153孔

拱顶

GRM水泥浆

56孔

一、二次

衬砌间回填注浆仰拱

水沟

抗裂微膨胀水泥浆

268孔

936

57.48

墙脚

抗裂微膨胀水泥浆

668孔

水沟

GRM水泥浆

66孔

230

9.67

墙脚

GRM水泥浆

164孔

②化学注浆

环向缝、纵向缝化学注浆孔数及进浆情况见表2：

环向缝、纵向缝化学注浆工程数量表表2

注浆部位

注浆材料

环数

孔数

总进浆量（L）

纵向缝

路得水溶性聚氨酯

3565

2376.18

环向施工缝

路得水溶性聚氨酯

97（环）

4817

4950.32

环向变形缝

122油溶性聚氨酯

4（环）

181

217.10

③封孔、封缝处理及集中出水点注浆

一、二次衬砌间回填注浆及环向缝、纵向缝注浆完成后，在一号冲沟段的DK976+730~+850尚有几个集中出水点，对这些集中出水点实施了围岩注浆堵水处理。

集中出水点处理比较困难，原出水点注浆堵住未渗漏后，间隔一定时间又会出现新的漏水点。

经过多次反复，目前集中出水点已全部处理完毕，再无渗漏。

④避车洞注浆

正洞注浆完成后，尚有一号冲沟段的DK976+733、+763、+793、+823、+853，二号冲沟段的DK977+393、+423、+453、+483、+513、+543、+573、+603、+633，共计14个避车洞出现渗漏。

其中，尤以一号冲沟段较为严重，DK976+733车洞内有3个注浆钻孔的出水量达20m3/d。

其余车洞有的预埋盲管出水，有的壁面渗水、淌水，有的底板冒水。

采用了可注性好且遇水反应、渗透性强的化学浆料（路得水