公路隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)探討

楊曄

摘要 隧道的防滲漏能力是影響隧道施工與使用的關(guān)鍵因素，需要在設(shè)計(jì)階段即予以高度重視，因此提出公路隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。通過研究公路隧道防排水設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，提出防排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并在此基礎(chǔ)上完善了防排水設(shè)計(jì)措施，實(shí)現(xiàn)了更高防水等級(jí)的隧道防排水設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞 公路隧道;防排水系統(tǒng);縱橫向排水設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0096-03

0 引言

公路隧道的排水防滲是影響公路建設(shè)施工質(zhì)量與進(jìn)程的世界性設(shè)計(jì)難題。在公路建設(shè)經(jīng)驗(yàn)欠缺時(shí)期，因?qū)λ淼琅潘罎B問題缺乏充分的認(rèn)識(shí)導(dǎo)致關(guān)注不夠，在施工中造成了多起災(zāi)難性事故，施工單位蒙受了巨大的財(cái)產(chǎn)損失。存在滲漏隱患的隧道在使用中也出現(xiàn)了諸多問題，制約了公路的正常使用，帶來交通安全隱患[1]。例如陜西省建設(shè)的某條省級(jí)高速公路，其中有一段1 007 m高速隧道，采用 “新奧法”施工，因在勘察中認(rèn)為施工地質(zhì)狀況良好，故在施工中只以錨噴和掛網(wǎng)支護(hù)為主，防滲體系設(shè)計(jì)不夠健全，多年運(yùn)行中滲漏現(xiàn)象十分嚴(yán)重，尤其在低溫環(huán)境下隧道洞壁上出現(xiàn)冰錐，需要時(shí)常安排人工除冰，對(duì)隧道維護(hù)和保養(yǎng)工作造成了很大的困擾，嚴(yán)重降低了公路的使用效率。因此，深入研究隧道的防排水問題，不僅是提升公路工程質(zhì)量與降低運(yùn)維成本的技術(shù)突破，更是公路建設(shè)者的社會(huì)責(zé)任擔(dān)當(dāng)[2]。

1 公路隧道防排水研究現(xiàn)狀

近年來，隨著國家改革和對(duì)外經(jīng)貿(mào)合作程度的提高，尤其是“一帶一路”的帶動(dòng)下，公路建設(shè)迎來了新高潮，公路建設(shè)總里程不斷取得新突破，隧道數(shù)量逐年遞增。目前我國正在建設(shè)的公路隧道，總長已逾數(shù)千公里，最長的隧道有18 400 m[3]。另一方面，公路隧道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)也在不斷提升，各種電氣設(shè)備、智能化產(chǎn)品的應(yīng)用更為廣泛，由此對(duì)隧道的防水標(biāo)準(zhǔn)也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的采取排水板或軟式透水管、防水板、止水帶、縱溝、管等措施，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前對(duì)隧道防水的標(biāo)準(zhǔn)要求，亟須研究更為可靠的隧道防排水技術(shù)手段[4]。

2 防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG3370.1—2018）提出，在施工過程中，根據(jù)工程地質(zhì)情況，因地制宜，采用“防、排、堵相結(jié)合”的綜合防治方針，實(shí)現(xiàn)排水順暢，防水可靠，經(jīng)濟(jì)合理，不留后患的設(shè)計(jì)目標(biāo)[5]。這比鐵路、地下工程等建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)更加清晰的明確了“以排為主”的設(shè)計(jì)理念。真正做到“排水暢通”（含圍巖），才能取得較好的防治、截、堵等效果，因此設(shè)計(jì)通暢的排水系統(tǒng)，將水流引至安全區(qū)域，是防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思路。

例如青海大坂山公路隧道，全長1 530 m，入口高3 792.75 m，經(jīng)過對(duì)隧道工程地質(zhì)、水文等多種資料的檢索和調(diào)研，排水工程體系設(shè)計(jì)為在二次模筑的前提下，將排水板、土工布和CPE全部封住，并在4.5 m的冰凍線上設(shè)置了一個(gè)無壓型的防凍泄水洞，將泄水洞的入口關(guān)閉，出口處設(shè)置圓形埋入式隔熱出水口。經(jīng)多年觀測，該泄水洞中溫度超過2 ℃，水流全年不間斷，使隧道外側(cè)的水壓大為降低，排除了安全隱患，達(dá)到了低壓動(dòng)力排水效果，為隧道正常運(yùn)行提供了防排水技術(shù)保障。依托大坂山隧道工程成功的防滲設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，并征求國內(nèi)外隧道工程專家指導(dǎo)意見，設(shè)計(jì)了新型防排水結(jié)構(gòu)。在早期注漿施工中，將ALIVA排氣管埋設(shè)到部分或全部的蓄水量區(qū)域，并與墻體底部的垂直排水管相連接，形成一個(gè)全面的防滲體系，達(dá)到安全的防滲效果?？紤]到寒冷地區(qū)的地下水系和凍冰層環(huán)境可能引發(fā)的冰凍影響，設(shè)計(jì)“排水暢通”的防排水系統(tǒng)，在早期的噴砂中即開展防排水預(yù)防工作，在開挖前以及開挖初期，要求噴砂表層要滿足不滲漏的條件，達(dá)到“排水暢通”的工程標(biāo)準(zhǔn)[6]。為了使水流處于“流動(dòng)狀態(tài)”，在高速公路隧道襯砌工程中，設(shè)計(jì)“新奧法”的復(fù)合襯里，采取“三道防線”：一是排水，在前期的支撐面上，以5～10 m的間隔布置排污片或小口徑的軟管，目的是排出圍巖中的地下水;二是防水，其目標(biāo)是隔開早期支護(hù)表層的滲漏點(diǎn)，使其不滲透;三是止水，每隔12 m設(shè)置一條止水結(jié)構(gòu)[7]。以上措施的設(shè)計(jì)目標(biāo)是防止因人為原因造成的滲透、滲漏通過最終的防線，防止水分流入隧道內(nèi)部（如圖1）。

這“三道防線”是較為完整的，從設(shè)計(jì)上看有足夠的防水能力。然而，在經(jīng)過了多次的試驗(yàn)之后，發(fā)現(xiàn)仍然存在著少量滲漏的現(xiàn)象，并沒有從根本上解決防排水問題。對(duì)以上設(shè)計(jì)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，設(shè)置在前期支護(hù)和二次襯里的排水板和軟質(zhì)透水管道無法充分發(fā)揮“排水暢通”的功能，導(dǎo)致二次襯里周圍的積水堆積，出現(xiàn)了一定的水壓;其二，早期的注漿噴水會(huì)使圍巖變形，節(jié)理裂隙的互相穿插形成水通路;其三，接縫間采用膠粘或熱熔膠合技術(shù)存在施工困難問題，同時(shí)施工縫和變形縫設(shè)止水膠布在施工中也存在困難[8]。以上原因造成了隧道的襯里存在漏水隱患。另外，在施工過程中，因長期受到水土流失和冰凍災(zāi)害的侵蝕影響，特別是在高海拔地區(qū)，隧洞的開挖施工容易發(fā)生凍融災(zāi)害。綜上所述，采用以上“三道防線”的公路隧道防排水設(shè)計(jì)，其實(shí)并不能真正實(shí)現(xiàn)“排水暢通”，還需要在現(xiàn)有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上完善、提升。

3 防排水系統(tǒng)完善設(shè)計(jì)

為了切實(shí)解決公路隧道施工中的防排水問題，尤其是高原公路施工中的凍害問題，需要在根源上尋求突破，以排為主，以防為輔，建立系統(tǒng)的防排水體系解決方案，在防排水網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、防水設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)排水設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)排水溝管四個(gè)層面進(jìn)行研究，形成互相結(jié)合的防排水綜合解決方案。

3.1 建立完整、通暢且易維修的防排水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

公路隧道的水害和凍害防治需要因地制宜，采取立體化的防排水技術(shù)手段，綜合整治。前述設(shè)計(jì)的“三道防線”防排水方案有其顯著的排水效果，具有較高的實(shí)用價(jià)值，在改進(jìn)方案中仍保留該部分內(nèi)容。此外還要建立一個(gè)穩(wěn)固的防滲體系，輔以常態(tài)化的維護(hù)、保養(yǎng)措施，將技術(shù)手段和管理措施相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)徹底的排水防滲。設(shè)計(jì)原則仍然采用“以排為主，防截堵結(jié)合”，實(shí)現(xiàn)“排水暢通”。在工程勘察中，對(duì)水工環(huán)地質(zhì)環(huán)境需要充分研究，形成清晰的水源分布、水流方向、滲水層區(qū)域與厚度等第一手?jǐn)?shù)據(jù)，由此有針對(duì)性的設(shè)計(jì)防排水系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)計(jì)中需要依托現(xiàn)有地形，并充分考慮隧道建設(shè)對(duì)地質(zhì)環(huán)境的影響，超前預(yù)判，建設(shè)完整覆蓋隧道建設(shè)區(qū)域的、逐級(jí)推進(jìn)的防排水網(wǎng)絡(luò)。

3.2 防水

在高寒區(qū)和重點(diǎn)區(qū)域開展的隧道工程施工，需要選用C35級(jí)以上的防水材料做鋪層，其抗?jié)B透等級(jí)應(yīng)達(dá)到S6～S8。CPE防滲材料應(yīng)滿足《氯化聚乙烯防水卷材》（GB12953-91）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，達(dá)到拉伸強(qiáng)度縱橫向≥12 MPa、斷裂伸長率≥300%的指標(biāo)要求。防水板層的安裝見圖2。

將土工織物涂上一層熱熔膠墊，用螺栓固定于排水管上，每根螺栓的外露長度控制在50 mm以上，每根螺栓的頂部預(yù)留3～4 mm空間、邊緣2～3 mm空間;在CPE防水面板上，使用一種特殊的熔化機(jī)將其與基材進(jìn)行熱熔，并將其膠合的強(qiáng)度達(dá)到80%以上，保證防水板安裝穩(wěn)固，實(shí)現(xiàn)可靠的防水效果。

3.3 動(dòng)態(tài)排水

3.3.1 一般寒冷地區(qū)

動(dòng)力排水是將ALIVA管道埋設(shè)于隧道早期的部分或有水區(qū)域，以鍍鋅、防腐的高強(qiáng)度鋼索為框架，外層覆蓋PVC膜，埋設(shè)ALIVA排氣管（如圖3）。

其形式有W形、ω形、U形等系列產(chǎn)品，要求其強(qiáng)度能承受噴射混凝土沖擊而不損壞，并可在垂直方向上隨意彎折，滿足圍巖體的變形和噴油層的不規(guī)則接觸面貼合要求。由于其為可任意彎折的柔性管材，滿足縱向水平的變形需求，防止了圍巖泥、沙等晶體物質(zhì)直接侵入所造成的阻塞;同時(shí)，“排水暢通”可以使隧道外部的水壓力得到有效的緩解，兩個(gè)襯里之間安裝了防滲板，降低了開裂的發(fā)生概率;深層管道采用了分叉布置，管道中的水流速度較快，最大流量可達(dá)到50 m3/h，以適應(yīng)不同的地形情況。在隧道工程中，低壓力動(dòng)力排水的重點(diǎn)是在早期噴砂支護(hù)時(shí)，采用水動(dòng)力設(shè)計(jì)原理，使水流順暢地排出，減小水壓。

3.3.2 高寒地區(qū)

按照高速公路隧道的設(shè)計(jì)規(guī)程，當(dāng)冬季寒冷的時(shí)候，如果使用明開挖方法施工中央排水溝槽，由于開挖深度太大，會(huì)對(duì)側(cè)壁和洞體的穩(wěn)定性造成一定的不利影響，因此需要在主坑口下面開設(shè)防凍水洞。工程中除運(yùn)用以上“三道防線”進(jìn)行防水設(shè)計(jì)之外，還在路基中央設(shè)置5 m埋深的無壓力防寒泄水洞，如圖4。

經(jīng)工程實(shí)例驗(yàn)證，將各個(gè)泄水孔、豎向鉆孔與隧洞內(nèi)的縱、豎向鉆孔相連接，構(gòu)成了一套完善的防滲排水體系，將周邊巖石的裂隙水和地下水打通，保證了襯砌在不受水力作用的情況下，具有較好的防滲性能。為以后在高寒山區(qū)的隧道防水工程建設(shè)提供了有益的借鑒。

3.4 縱向排水溝管

在隧道的縱斷面上，通常使用中央排水管，或在道路兩旁設(shè)置縱排渠，將內(nèi)襯周邊的雨水從坑口排出。豎直排水渠在工程中是切實(shí)可行的，但是地下存在礦物質(zhì)、泥沙等情況下效果欠佳，容易堵塞。因此，為方便管道的清理，在墻體底部沿垂直方向設(shè)置維護(hù)孔洞，保證了管道的安全運(yùn)行。在隧道內(nèi)壁（初期支護(hù)和二次襯里）與隧洞長度相同的斜率處安裝PVCφ160 mm的上半截帶有眼洞的排水管道，其孔徑為6～8 mm，橫向10 cm，可以取得理想的排水效果。

4 結(jié)束語

根據(jù)“新奧法”的設(shè)計(jì)與建造原則，在實(shí)行低壓動(dòng)態(tài)排水的理念下，采用“三道防線”的防護(hù)措施，兼顧了普通的低溫區(qū)域或高寒地帶，可以從根本上解決隧道施工中的水患問題。在未來，還需要不斷地融入更加合理和先進(jìn)的公路隧道排水系統(tǒng)，在不斷的設(shè)計(jì)和探討中前進(jìn)。目前，我國多個(gè)在建隧道工程已經(jīng)開始進(jìn)行了新一輪的施工，最長的一條隧道總長大約10 km，這既是公路建設(shè)的新成就，也是隧道勘察設(shè)計(jì)的新挑戰(zhàn)，需要深入研究防排水的新技術(shù)，切實(shí)保障好隧道的工程質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]張素磊， 鮑彤， YOO Chungsik， 等. 隧道復(fù)合式防排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、試驗(yàn)及工程應(yīng)用[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2021（4）： 198-208.

[2]李宏杰. 云南某在建高速公路隧道排水系統(tǒng)堵塞原因及處治分析[J]. 運(yùn)輸經(jīng)理世界， 2021（3）： 69-70.

[3]馬巖， 鄧洪亮. 基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的公路隧道防排水系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系研究[J]. 施工技術(shù)， 2020（7）： 98-103.

[4]高國紅. 富水公路隧道排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞典型病害分析與處置[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2020（3）： 250-251.

[5]趙興春， 肖振江. 云南某在建高速公路隧道排水系統(tǒng)堵塞原因及處治[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2020（3）： 257-258.

[6]蔣云飛. 高速公路工程排水路面設(shè)計(jì)及施工技術(shù)分析[J]. 交通世界， 2022（11）： 64-65+68.

[7]林福龍. 路基防護(hù)及排水施工技術(shù)在高速公路工程中的應(yīng)用[J]. 工程機(jī)械與維修， 2022（2）： 138-140.

[8]應(yīng)文生. 高速公路隧道防排水施工技術(shù)研究[J]. 四川建材， 2022（1）： 122-123.