黃土大斷面隧道中防排水設(shè)計施工優(yōu)化研究

摘要 黃土作為一種特殊類型的巖土材料，在工程中具有重要意義。隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，黃土隧道的數(shù)量和規(guī)模正在顯著增加，對黃土隧道的防水和排水技術(shù)的研究也日益深入。文章以白鹿原隧道工程為背景，通過優(yōu)化滲井和縱向排水管設(shè)計，解決了施工過程中的積水和排水不暢等問題，取得了顯著效果，為類似工程提供了寶貴經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞 黃土隧道；防水；排水；滲井；縱向排水管；施工優(yōu)化

中圖分類號 U455 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0153-04

0 引言

位于我國黃河上中游的黃土高原，是全球黃土分布最廣的地區(qū)之一，也是世界上最大的黃土高原[1]。該地區(qū)涵蓋陜西北部、內(nèi)蒙古東北部、山西西北部、甘肅中部及南部地區(qū)，其邊界從陰山向南延伸至秦嶺，西至日月山，東到太行山，包括青海、寧夏、甘肅、陜西、山西和河南六省，總面積約64萬平方公里，占國土面積的6.3%。黃土的物理力學(xué)性質(zhì)受含水量和飽和度影響，研究其工程特性至關(guān)重要。隨著我國國道主干線“五縱七橫”的規(guī)劃實施和西部地區(qū)開發(fā)的推進，預(yù)計會有更多的公路和鐵路穿過黃土區(qū)域。因此，黃土地區(qū)的公路隧道數(shù)量和規(guī)模都將顯著增加，對黃土及其隧道的研究也將進一步深化[2]。

黃土在我國西北地區(qū)分布廣泛，其顯著特性包括大的孔隙、垂直的節(jié)理和管狀的孔道，當(dāng)其天然含水量較高時，它的強度也相對較高，能夠支撐一個很高的垂直邊坡[3]。然而，當(dāng)它遇到水時，土壤顆粒會發(fā)生崩解，這也導(dǎo)致它具有很強的濕陷特性[4]。這種獨特的工程特性受到工程和學(xué)術(shù)界的關(guān)注[5-6]。隨著我國經(jīng)濟和交通的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施項目如鐵路、公路和水利設(shè)施在干旱或半干旱的黃土高原地區(qū)建設(shè)增多。西部地區(qū)高級公路建設(shè)起步較晚，導(dǎo)致黃土隧道的設(shè)計、施工和防排水技術(shù)研究相對落后。隨著鐵路客運專線和西北地區(qū)高速公路的建設(shè)，黃土隧道數(shù)量逐漸增加，其安全問題變得尤為重要[7]。因此，需要深入研究隧道的防水和排水技術(shù)。

該文以白鹿原隧道工程作為研究背景，通過優(yōu)化白鹿原隧道的滲井和縱向排水管設(shè)計，成功地解決了施工過程中的積水和排水不暢等質(zhì)量問題，從而顯著地預(yù)防了可能導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故的風(fēng)險，并在實際應(yīng)用中取得了很好的效果。這種做法不僅顯著提升了施工效率，還確保了工程的安全性和質(zhì)量，同時也帶來了明顯的經(jīng)濟和社會效益，為未來類似的施工場景提供了寶貴經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程簡介

白鹿原隧道坐落在西安外環(huán)高速公路的南端，總長度為2 772 m（完整尺寸）。該線路的右側(cè)長度為2 819 m，其最大的埋藏深度達到135 m；中間為一大型溶洞及斷層破碎帶，地質(zhì)情況復(fù)雜。左側(cè)線路的長度為2 820 m。該隧道的測量里程YK56+755～YK59+574和ZK56+755～ZK59+480都穿越了山體，是一個曲線形的長隧道。隧道入口的左右兩條線之間的最小距離為37 m，而出口的左右兩條線之間的最小距離為34.3 m。通過對該工程地質(zhì)情況及施工條件進行分析研究，確定了合理的設(shè)計方案，并在此基礎(chǔ)上編制了詳細(xì)的設(shè)計文件。該隧道的開挖寬度為18.7 m，高度達到12.7 m，并且開挖的截面積超出了192.3 m2，這使其成為國內(nèi)開挖截面積最廣的三車道黃土隧道。

1.2 主要河流

項目區(qū)主要河流為浐河，屬黃河水系的渭河流域，長66.4 km，主河道比降9.9‰，流域面積752.8 km2。渭河流域各級直流河在上游的基巖山區(qū)，河道下切侵蝕作用強，河道狹窄，比降較大，徑流較短。

由于氣候條件和秦嶺的地形特點，該區(qū)域的河流表現(xiàn)出劇烈的漲落，尤其在夏季和秋季，降雨量相對較大，河水流量也相對較大。當(dāng)遭遇暴雨或連續(xù)降雨時，河水會迅速上升，降雨結(jié)束后，河水則迅速下降。在此過程中，河道內(nèi)產(chǎn)生大量泥沙沉積，形成了河床淤積區(qū)。在雨季，河流的水位與枯水季的水位存在明顯差異。

1.3 地表水

白鹿塬隧址區(qū)洞身段位于鯨魚溝上游下部，溝內(nèi)常年有水，溝谷底部地下水埋深較淺，約4.5～6 m。

1.4 地下水

隧址區(qū)的地下水主要由孔隙裂隙水構(gòu)成，主要依賴降水和地表水的補給。當(dāng)降雨量較大時，由于匯水面積大的特性，將導(dǎo)致短時間內(nèi)水流湍急，沖刷破壞嚴(yán)重，成為地下水的主要補給源，增加地下水的儲量。通過鉆探及物探手段查明了隧道內(nèi)巖溶的發(fā)育情況，并進行了初步評價。通過鉆孔觀察，發(fā)現(xiàn)地下水位的埋深普遍高于洞室。結(jié)合地層巖性、地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造條件的綜合分析，判斷該隧址區(qū)的地下水資源總體上豐富，并且在該區(qū)段的洞室開挖過程中已經(jīng)發(fā)生坍塌，因此應(yīng)當(dāng)給予高度重視；通過水文地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)試驗研究，查明了區(qū)內(nèi)基巖巖溶的發(fā)育規(guī)律，為隧道施工提供了依據(jù)。通過對沿線地下水樣本進行分析，發(fā)現(xiàn)地下水對鋼筋和混凝土具有輕微的腐蝕性。

2 原設(shè)計隧道滲井和縱向排水管設(shè)計

2.1 原設(shè)計概況

白鹿原隧道原設(shè)計滲井位于排水溝中心，滲井排水示意圖見圖1所示。排水井每15 m一處，采用φ150PVC管，管內(nèi)填充3～5 cm碎石，打設(shè)深度為2.5 m，管口位置與中心水溝溝底齊平；縱向排石管位于隧道初支兩側(cè)，采用防水板反包，上部回填2～3 cm碎石，縱向排水管反包示意圖見圖2所示。

2.2 原設(shè)計存在的問題

經(jīng)過深入調(diào)查和研究，該文對黃土隧道的水文地質(zhì)狀況及其病害特點進行了詳細(xì)分析。當(dāng)隧道穿越黃土地層時，會破壞原有地層的水系平衡狀態(tài)，導(dǎo)致水分逐步向隧道圍巖聚集，從而使圍巖土體的含水率增加，呈現(xiàn)軟塑狀態(tài)，其強度和自穩(wěn)能力急劇減弱，隧道初支承受的土壓力和水壓力也隨之顯著增加。隧道洞的地形相對平坦，地表水不能通過溝道排出。因此，在雨季，降水主要通過土壤的孔隙進行下滲，會導(dǎo)致短暫的孔隙水或含水現(xiàn)象，從而在洞體內(nèi)形成線狀滴水。

在進行隧道建設(shè)時，由于二襯施工階段圍巖的變形并未完全釋放出來，將導(dǎo)致二襯過早地參與受力過程，一旦超出襯砌結(jié)構(gòu)的強度，就會出現(xiàn)裂縫。為了保證工程安全，需要對仰拱進行加固處理，以提高其抗剪能力。隧道的仰拱施工可能會對地基土壤造成某種程度的擾動，再加上滲水造成的土壤強度下降，都會導(dǎo)致拱腳和仰拱地基的承載能力急速減弱，最后可能引發(fā)仰拱的過度沉降和結(jié)構(gòu)性裂縫。

通過對病害原因進行深入分析，發(fā)現(xiàn)黃土隧道圍巖水文地質(zhì)條件的變化是導(dǎo)致二襯和底板開裂的關(guān)鍵因素。因此，在隧道建設(shè)過程中，必須加強監(jiān)測和測量，并采用滲井降水技術(shù)降低仰拱水位，以確保隧道工程的結(jié)構(gòu)安全性。

滲井采用PVC管打設(shè)的安裝位置位于中心水溝溝底，中心水溝流水將先從PVC管下滲至仰拱地貌。由于黃土隧道遇水容易造成仰拱底部泥化，因此時間久了，將會導(dǎo)致施工完成的仰拱初支和回填出現(xiàn)病害。

縱向排水管是采用φ160HDPE上半斷面打孔的雙臂波紋管，圓管施工在澆筑混凝土?xí)r會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，引起上半斷面孔眼向下或傾斜，造成初支表面滲水不能及時排除而引排至中心水溝，容易造成二襯表面滲水。

3 優(yōu)化措施

3.1 滲井

通過設(shè)計優(yōu)化，該施工將φ150PVC管長度增加65 cm，長度變?yōu)?.15 m，距離中心水溝蓋板10 cm預(yù)留出水口，優(yōu)化后的排水示意圖見圖3所示，這樣水溝水量小的時候不會先滲入仰拱底部。仰拱底部有水且水壓達到一定程度后，將從管內(nèi)自動溢出，確保了仰拱底部的施工質(zhì)量。

3.2 縱向排水管

通過設(shè)計優(yōu)化，對縱向排水管增加了與二襯同標(biāo)號的水泥砂漿縱向排水管基座，其現(xiàn)場圖見圖4所示?？v向排水管安裝固定是確保防排水的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，縱向排水管基座的設(shè)置可以有效、快速地解決排水管的定位、安裝、固定等問題，提高了隧道縱向排水管的施工質(zhì)量，同時保證了縱向排水管的縱坡及線形。鑒于縱向排水管質(zhì)量及排水考慮，發(fā)明了一種輸水管線固定裝置（申請?zhí)枺?01922818595）。

縱向排水管固定裝置施工工序圖見圖5所示，具體施工步驟如下：

（1）基座底面清理。

（2）測量放線。

（3）基座模板安裝。

（4）基座水泥砂漿砌筑。

（5）排水管安裝。

4 結(jié)束語

綜上所述，隧道的防排水設(shè)計質(zhì)量與其完工后的實際應(yīng)用有著緊密聯(lián)系，因此在隧道工程項目的施工階段，優(yōu)化防排水設(shè)計至關(guān)重要。只有在保證隧道工程質(zhì)量的同時，才能提高其經(jīng)濟效益及社會效益。特別是在水資源豐富的環(huán)境中進行隧道工程施工時，防排水設(shè)計的重要性不容忽視。該文結(jié)合白龍港高速公路某特長公路隧道工程實例，詳細(xì)介紹了該隧道在設(shè)計階段進行防水處理時采取的措施及效果，通過優(yōu)化白鹿原隧道的滲井和縱向排水管設(shè)計，成功地解決了施工過程中的積水和排水不暢等質(zhì)量問題，從而避免了可能導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故的風(fēng)險，取得了顯著效果，并為相關(guān)工程施工提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。

參考文獻

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