鐵路隧道新型防排水結(jié)構(gòu)應(yīng)用探討

張廣乾，仇玉良

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

鐵路隧道新型防排水結(jié)構(gòu)應(yīng)用探討

張廣乾，仇玉良

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075)

鐵路隧道防排水設(shè)計(jì)是隧道設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，隧道防排水的可靠性將嚴(yán)重地制約隧道運(yùn)營(yíng)環(huán)境和使用壽命，文中介紹的新型防排水結(jié)構(gòu)是對(duì)原有隧道防排水的極大優(yōu)化。本文詳述了新型防排水材料——排水板的特性，及其與土工布和防水板組成的復(fù)合式新型防排水結(jié)構(gòu)在隧道防排水應(yīng)用中的優(yōu)越性，并闡述了這種新型防排水結(jié)構(gòu)在鐵路隧道中的具體應(yīng)用及施工技術(shù)，為以后鐵路隧道防排水結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

鐵路隧道 新型防排水結(jié)構(gòu) 排水板 設(shè)計(jì)和施工

由于防排水觀念和經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的原因，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，我國(guó)隧道滲漏水現(xiàn)象十分嚴(yán)重，隧道滲漏水現(xiàn)象成為鐵路建設(shè)的通?。?-5］。目前，隨著高速鐵路隧道和電氣化鐵路隧道的不斷修建，鐵路隧道對(duì)防排水提出了嚴(yán)格的要求。如果隧道內(nèi)滲漏水，將極大地惡化隧道內(nèi)的運(yùn)營(yíng)環(huán)境，弱化隧道的使用性;滲漏水還會(huì)對(duì)隧道混凝土襯砌形成侵蝕破壞，引起混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕，導(dǎo)致隧道襯砌材質(zhì)劣化、剝離;滲漏水會(huì)嚴(yán)重影響通信、電力設(shè)備等的安全，甚至影響隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。特別是在寒冷地區(qū)隧道襯砌混凝土長(zhǎng)時(shí)間處于凍融循環(huán)中，混凝土中的滲漏水將在長(zhǎng)期的低溫環(huán)境中形成冰，產(chǎn)生的凍脹力可導(dǎo)致洞內(nèi)線路起伏不平、地板翻漿冒泥、側(cè)溝開裂、拱墻變形和襯砌開裂、剝落、酥碎、錯(cuò)臺(tái)等，致使混凝土結(jié)構(gòu)破壞。若滲水量較大，冬天則會(huì)在隧道路面結(jié)冰，形成冰溜子，影響運(yùn)營(yíng);還會(huì)在隧道襯砌與圍巖間形成冰楔，冰凍壓力使襯砌發(fā)生斷裂、破碎等現(xiàn)象。而在隧道襯砌壁面結(jié)冰(掛冰)或形成的冰柱，會(huì)侵入限界，嚴(yán)重威脅行車安全和隧道的正常使用。隧道內(nèi)滲漏水量大，凍害極嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致隧道報(bào)廢［6］?？梢?，搞好隧道防水和排水，確保隧道不滲不漏，是保證隧道長(zhǎng)久適用性和運(yùn)營(yíng)安全的重要因素。隧道發(fā)生滲漏水現(xiàn)象除與地下水豐富有關(guān)外，主要是隧道設(shè)計(jì)與施工不當(dāng)造成的。要使隧道不滲不漏，成功的防排水設(shè)計(jì)是前提條件，嚴(yán)格的施工是重要的保障。因此，須首先從設(shè)計(jì)上對(duì)防排水結(jié)構(gòu)形式予以不斷優(yōu)化。

目前，大多數(shù)隧道防排水均采用在初期支護(hù)與二次襯砌之間安設(shè)環(huán)向盲管或盲溝，然后鋪設(shè)土工無(wú)紡布和塑料防水板的防排水形式。主要通過(guò)盲管或盲溝將裂隙水引入縱向排水管，防水板用來(lái)阻擋滲漏水通過(guò)二次襯砌滲入隧道內(nèi)［7-9］。但是，這種防排水結(jié)構(gòu)在以往工程中的防排水效果也并不盡如人意，特別是在圍巖富水帶、巖溶裂隙發(fā)育地段或有大量裂隙水的隧道中。為克服單靠線狀的盲管來(lái)匯集圍巖裂隙水將其引流至縱向盲管或盲溝的局限性，在對(duì)相關(guān)資料研究的基礎(chǔ)上，汲取了以往防排水經(jīng)驗(yàn)，并分析隧道滲漏水原因，設(shè)計(jì)上采用三維排水板代替盲管來(lái)排水擋水。通過(guò)面狀的排水板來(lái)快速地匯集圍巖裂隙水，并將其迅速地引流至縱向盲管或盲溝，這樣能有效地防止襯砌間積水和滲漏水現(xiàn)象的發(fā)生。

1 排水板特性

排水板是采用特殊工藝將聚苯乙烯(HIPS)或高密度聚乙烯塑膠底板經(jīng)過(guò)沖壓制成的具有圓錐凸臺(tái)(或中空?qǐng)A柱形多孔)和順暢的排水空間，水可在其間自由流動(dòng)的防排水功能性材料，結(jié)構(gòu)如圖1所示。施工時(shí)圓錐突臺(tái)的頂面膠接一層無(wú)紡?fù)凉げ迹宰柚鼓嗤?、巖石風(fēng)化顆粒等微粒通過(guò)而阻塞排水通道。這樣的結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)具有匯水、排水和擋水功能的立體式構(gòu)造，為排水提供了充分的空間，可以有效地解決排水擋水問題。這種新型排水板具有的密度大質(zhì)量輕、空間剛度高、抗穿刺能力強(qiáng)和不易銹蝕等特點(diǎn)，決定了排水板易于施工、形成的排水擋水結(jié)構(gòu)永久可靠。排水板可根據(jù)工程實(shí)際，做成不同寬度和長(zhǎng)度(最窄可做成10 cm的帶狀)，以滿足工程需求。且排水板具有較好的柔韌性，能隨隧道拱墻鋪設(shè)和拉伸，延伸率大，能有效地根據(jù)混凝土開裂而延伸，有效防水和延長(zhǎng)防排水結(jié)構(gòu)的使用壽命，使隧道混凝土拱墻在正常使用條件下不受水的壓力影響而導(dǎo)致滲漏。

圖1 排水板結(jié)構(gòu)

采用排水板、土工布和防水板組成的復(fù)合式防排水結(jié)構(gòu)，改變了傳統(tǒng)的以堵為主的防排水方法，防水工程做到排、防、堵、截相結(jié)合，將被動(dòng)防水改為主動(dòng)防水。做到先排后防，將滲漏水快速排出，減小水壓，保護(hù)防水層，隔絕空氣，防止老化。

目前，隧道常用的排水結(jié)構(gòu)為防水板后鋪設(shè)塑料盲管，塑料盲管為線狀，可匯水與導(dǎo)流，匯水區(qū)域小，水流通路有限，混凝土振搗易破壞盲管，致使混凝土堵塞管路，排水系統(tǒng)失效。總之，排水板與排水盲管相比具有三維立體透水，排水性強(qiáng)，能有效過(guò)濾各種細(xì)小顆粒，防止堵塞，不易銹蝕，堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。

2 防排水設(shè)計(jì)

防排水施工中，遇圍巖股狀涌水或局部集中漏水時(shí)，需對(duì)涌水點(diǎn)或漏水點(diǎn)埋設(shè)排水管或排水板(帶)，引流至排水溝。并需對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行徑向注漿，減少涌水量，然后再施作無(wú)紡?fù)凉げ?、排水板和防水板。排水板安設(shè)在拱墻初期支護(hù)與二次襯砌之間(必要時(shí)仰拱下也設(shè)置)，環(huán)向設(shè)置，需伸入邊墻底部縱向盲溝內(nèi)。排水板寬1 m，厚度不小于8 mm，縱向間距10 m，當(dāng)水量較大時(shí)，可在水量較大處增設(shè)1～2道［10］。若隧道穿越含水層、巖溶裂隙發(fā)育地段和地下水豐富且埋深較淺地段，則應(yīng)布設(shè)沿隧道縱向連續(xù)的排水板引排水，排水板厚度應(yīng)根據(jù)圍巖滲水量的大小確定。排水板、無(wú)紡?fù)凉げ?質(zhì)量 ＞360 g/m2)和1.3 mm厚的 EVA防水板構(gòu)成的復(fù)合式防排水結(jié)構(gòu)如圖2所示。邊墻墻角處縱向設(shè)φ80 mm透水軟管或盲溝，縱向盲管應(yīng)設(shè)在襯砌邊墻腳處防水層外側(cè)，縱向坡度不得小于2‰，一般與線路縱向設(shè)計(jì)坡度一致。排水板可根據(jù)隧道開挖后圍巖含水量靈活布設(shè)，既節(jié)省投資，又能有效地引流，阻擋滲漏水。

圖2 防排水結(jié)構(gòu)示意

3 排水板施工技術(shù)

由排水板、土工布和防水板組成的防排水系統(tǒng)中，各部分施工質(zhì)量都至關(guān)重要。但土工布和防水板的鋪設(shè)技術(shù)已相當(dāng)成熟，在施工中嚴(yán)格按其施工工藝鋪設(shè)即可，故此只論述排水板的施工技術(shù)。

3.1 工藝原理

排水板施工的核心是懸掛鋪設(shè)和焊接。排水板的鋪設(shè)要確保凸面與初期支護(hù)接觸即朝向有水流一面(如圖3所示)，使得滲漏水有出路。對(duì)于連續(xù)鋪設(shè)排水板段落，根據(jù)排水板寬度，標(biāo)出每幅排水板接茬部位，然后利用專用臺(tái)車(架)沿隧道環(huán)向鋪設(shè)排水板，并固定。焊接是利用熱熔焊機(jī)加熱，在高溫下使兩排水板接茬部位局部熔化、擠壓而粘合為一整體。

圖3 排水板鋪設(shè)示意

3.2 基面(初期支護(hù)表面)處理要點(diǎn)

鋪設(shè)防水層以前應(yīng)對(duì)基面(初期支護(hù)表面)進(jìn)行檢查，應(yīng)滿足以下要求:

1)排水板鋪設(shè)區(qū)段初期支護(hù)應(yīng)基本穩(wěn)定，且距掌子面爆破作業(yè)處有一定的安全距離。

2)初期支護(hù)若為噴鋼纖維混凝土，則基面應(yīng)補(bǔ)噴一層水泥砂漿，以免防水層受到損傷。

3)初期支護(hù)的噴射混凝土厚度必須滿足設(shè)計(jì)要求，不足者應(yīng)予補(bǔ)噴?；嫔系陌伎由疃萮與跨度L (L≤1 m)之比應(yīng)滿足h/L＜1/10，當(dāng)不滿足或凹處連續(xù)出現(xiàn)剝落、掉塊時(shí)應(yīng)及時(shí)回填找平，然后方可鋪設(shè)排水板。

4)噴射混凝土表面應(yīng)無(wú)疏松、空鼓、裂縫和大量集中滲水等現(xiàn)象，否則應(yīng)予處理，鋪設(shè)前認(rèn)真清理初期支護(hù)表面上的所有雜物，噴層表面的凸出棱角、巖包及附著的大顆粒石子均應(yīng)用錘捶平或用砂漿抹平。

5)對(duì)穿出噴射混凝土表面的金屬構(gòu)件，如鋼筋頭、注漿管等，切除后用錘捶平，抹砂漿;對(duì)錨桿頭、錨管頭不能切除的金屬構(gòu)件，必須用砂漿抹成圓弧，其圓弧半徑應(yīng)＞30 cm，以防刺破排水板。

3.3 鋪設(shè)工藝流程

1)施工前對(duì)操作人員進(jìn)行崗前培訓(xùn)，了解排水板特性，掌握鋪設(shè)及焊接要求，并配齊機(jī)具設(shè)備。

2)鋪設(shè)緩沖/濾水層，即利用臺(tái)車(架)把無(wú)紡?fù)凉げ间佋O(shè)在符合要求的隧道基面上并固定。

3)按隧道基面長(zhǎng)度裁取合格的排水板，標(biāo)出焊接線(連續(xù)鋪設(shè))和拱頂中線，對(duì)稱卷起。

4)采用專用臺(tái)車從拱部向兩側(cè)邊墻懸掛排水板，鋪設(shè)松緊應(yīng)適度并留有余量。

5)采用電熱壓焊器熱熔緩沖層熱塑性墊圈，使排水板與熱塑性墊圈熔化粘結(jié)為一體固定于基面上，對(duì)于連續(xù)鋪設(shè)的排水板采用熱合機(jī)或手持焊槍焊接搭接部位，并檢查焊接質(zhì)量。

6)鋪設(shè)并固定EVA防水板。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

由排水板、土工布和防水板組成的新型復(fù)合式防排水結(jié)構(gòu)已在張家口至唐山新建重載快速鐵路中實(shí)施應(yīng)用。此工程為典型的山區(qū)鐵路，橋隧比較高，全線隧道洞身段圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育，富水段較多，應(yīng)用該新型復(fù)合式防排水結(jié)構(gòu)與縱向排水管形成了安全有效的防排水結(jié)構(gòu)。

4.2 防排水結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果

張?zhí)畦F路隧道采用的排水板、土工布和防水板組成的新型復(fù)合式防排水結(jié)構(gòu)能較好地解決隧道襯砌后圍巖裂隙水和網(wǎng)狀出水問題。從實(shí)施效果看，該新型復(fù)合式防排水結(jié)構(gòu)與原來(lái)的防水板加盲管結(jié)構(gòu)相比，施工工藝基本相同，造價(jià)相當(dāng)。新型結(jié)構(gòu)將線狀匯水改變成面狀匯水，并拓寬了過(guò)水?dāng)嗝妫瑯O大地優(yōu)化了水流通路，改善了襯砌后水文環(huán)境，避免了隧道滲漏水及凍脹病害的發(fā)生。且該結(jié)構(gòu)安全可靠，耐久性好，較傳統(tǒng)的防排水結(jié)構(gòu)效果明顯，達(dá)到了預(yù)期效果。確保了隧道結(jié)構(gòu)和設(shè)備的安全，降低了隧道病害發(fā)生幾率，為隧道維護(hù)和營(yíng)運(yùn)提供了良好的環(huán)境。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵路隧道防排水是通過(guò)采用防排水材料和防排水結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，是否先進(jìn)、合理對(duì)防排水效果尤為重要。本文采用的排水板代替盲管后能更為有效地匯集滲漏水并及時(shí)排走，與防水板的組合利用能長(zhǎng)期保持防排水效果，實(shí)現(xiàn)真正意義上的排、防、堵、截相結(jié)合，不失為鐵路隧道行之有效的防排水結(jié)構(gòu)，值得推廣應(yīng)用。

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［9］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB 50108—2008 地下工程防水技術(shù)規(guī)范［S］．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2009．

［10］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院．張家口至唐山新建鐵路工程兩階段施工圖設(shè)計(jì)文件［R］．天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院，2011．

(責(zé)任審編 趙其文)

U455.49

:ADOI:10．3969/j．issn．1003-1995．2015．08．20

2014-08-07;

:2015-05-20

張廣乾(1980— )，男，陜西藍(lán)田人，工程師，碩士。

1003-1995(2015)08-0067-03