公路隧道防排水系统设计探讨
时间：2022-09-29 14:35:09 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
杨晔
摘要 隧道的防渗漏能力是影响隧道施工与使用的关键因素，需要在设计阶段即予以高度重视，因此提出公路隧道防排水系统设计研究。通过研究公路隧道防排水设计的现状，提出防排水系统的设计思路，并在此基础上完善了防排水设计措施，实现了更高防水等级的隧道防排水设计。
关键词 公路隧道;防排水系统;纵横向排水设计
中图分类号 TP319 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）13-0096-03
0 引言
公路隧道的排水防渗是影响公路建设施工质量与进程的世界性设计难题。在公路建设经验欠缺时期，因对隧道排水防渗问题缺乏充分的认识导致关注不够，在施工中造成了多起灾难性事故，施工单位蒙受了巨大的财产损失。存在渗漏隐患的隧道在使用中也出现了诸多问题，制约了公路的正常使用，带来交通安全隐患[1]。例如陕西省建设的某条省级高速公路，其中有一段1 007 m高速隧道，采用 “新奥法”施工，因在勘察中认为施工地质状况良好，故在施工中只以锚喷和挂网支护为主，防渗体系设计不够健全，多年运行中渗漏现象十分严重，尤其在低温环境下隧道洞壁上出现冰锥，需要时常安排人工除冰，对隧道维护和保养工作造成了很大的困扰，严重降低了公路的使用效率。因此，深入研究隧道的防排水问题，不仅是提升公路工程质量与降低运维成本的技术突破，更是公路建设者的社会责任担当[2]。
1 公路隧道防排水研究现状
近年来，随着国家改革和对外经贸合作程度的提高，尤其是“一带一路”的带动下，公路建设迎来了新高潮，公路建设总里程不断取得新突破，隧道数量逐年递增。目前我国正在建设的公路隧道，总长已逾数千公里，最长的隧道有18 400 m[3]。另一方面，公路隧道建设标准也在不断提升，各种电气设备、智能化产品的应用更为广泛，由此对隧道的防水标准也提出了更高的要求。传统的采取排水板或软式透水管、防水板、止水带、纵沟、管等措施，已经不能满足当前对隧道防水的标准要求，亟须研究更为可靠的隧道防排水技术手段[4]。
2 防排水系统设计思路
《公路隧道设计规范》（JTG3370.1—2018）提出，在施工过程中，根据工程地质情况，因地制宜，采用“防、排、堵相结合”的综合防治方针，实现排水顺畅，防水可靠，经济合理，不留后患的设计目标[5]。这比铁路、地下工程等建设标准更加清晰的明确了“以排为主”的设计理念。真正做到“排水畅通”（含围岩），才能取得较好的防治、截、堵等效果，因此设计通畅的排水系统，将水流引至安全区域，是防排水系统设计的核心思路。
例如青海大坂山公路隧道，全长1 530 m，入口高3 792.75 m，经过对隧道工程地质、水文等多种资料的检索和调研，排水工程体系设计为在二次模筑的前提下，将排水板、土工布和CPE全部封住，并在4.5 m的冰冻线上设置了一个无压型的防冻泄水洞，将泄水洞的入口关闭，出口处设置圆形埋入式隔热出水口。经多年观测，该泄水洞中温度超过2 ℃，水流全年不间断，使隧道外侧的水压大为降低，排除了安全隐患，达到了低压动力排水效果，为隧道正常运行提供了防排水技术保障。依托大坂山隧道工程成功的防渗设计经验，并征求国内外隧道工程专家指导意见，设计了新型防排水结构。在早期注浆施工中，将ALIVA排气管埋设到部分或全部的蓄水量区域，并与墙体底部的垂直排水管相連接，形成一个全面的防渗体系，达到安全的防渗效果。考虑到寒冷地区的地下水系和冻冰层环境可能引发的冰冻影响，设计“排水畅通”的防排水系统，在早期的喷砂中即开展防排水预防工作，在开挖前以及开挖初期，要求喷砂表层要满足不渗漏的条件，达到“排水畅通”的工程标准[6]。为了使水流处于“流动状态”，在高速公路隧道衬砌工程中，设计“新奥法”的复合衬里，采取“三道防线”：一是排水，在前期的支撑面上，以5～10 m的间隔布置排污片或小口径的软管，目的是排出围岩中的地下水;二是防水，其目标是隔开早期支护表层的渗漏点，使其不渗透;三是止水，每隔12 m设置一条止水结构[7]。以上措施的设计目标是防止因人为原因造成的渗透、渗漏通过最终的防线，防止水分流入隧道内部（如图1）。
这“三道防线”是较为完整的，从设计上看有足够的防水能力。然而，在经过了多次的试验之后，发现仍然存在着少量渗漏的现象，并没有从根本上解决防排水问题。对以上设计进行分析后发现，设置在前期支护和二次衬里的排水板和软质透水管道无法充分发挥“排水畅通”的功能，导致二次衬里周围的积水堆积，出现了一定的水压;其二，早期的注浆喷水会使围岩变形，节理裂隙的互相穿插形成水通路;其三，接缝间采用胶粘或热熔胶合技术存在施工困难问题，同时施工缝和变形缝设止水胶布在施工中也存在困难[8]。以上原因造成了隧道的衬里存在漏水隐患。另外，在施工过程中，因长期受到水土流失和冰冻灾害的侵蚀影响，特别是在高海拔地区，隧洞的开挖施工容易发生冻融灾害。综上所述，采用以上“三道防线”的公路隧道防排水设计，其实并不能真正实现“排水畅通”，还需要在现有设计基础上完善、提升。
3 防排水系统完善设计
为了切实解决公路隧道施工中的防排水问题，尤其是高原公路施工中的冻害问题，需要在根源上寻求突破，以排为主，以防为辅，建立系统的防排水体系解决方案，在防排水网络设计、防水设计、动态排水设计、动态排水沟管四个层面进行研究，形成互相结合的防排水综合解决方案。
3.1 建立完整、通畅且易维修的防排水系统网络
公路隧道的水害和冻害防治需要因地制宜，采取立体化的防排水技术手段，综合整治。前述设计的“三道防线”防排水方案有其显著的排水效果，具有较高的实用价值，在改进方案中仍保留该部分内容。此外还要建立一个稳固的防渗体系，辅以常态化的维护、保养措施，将技术手段和管理措施相结合，实现彻底的排水防渗。设计原则仍然采用“以排为主，防截堵结合”，实现“排水畅通”。在工程勘察中，对水工环地质环境需要充分研究，形成清晰的水源分布、水流方向、渗水层区域与厚度等第一手数据，由此有针对性的设计防排水系统网络。在设计中需要依托现有地形，并充分考虑隧道建设对地质环境的影响，超前预判，建设完整覆盖隧道建设区域的、逐级推进的防排水网络。
3.2 防水
在高寒区和重点区域开展的隧道工程施工，需要选用C35级以上的防水材料做铺层，其抗渗透等级应达到S6～S8。CPE防渗材料应满足《氯化聚乙烯防水卷材》（GB12953-91）标准规定，达到拉伸强度纵横向≥12 MPa、断裂伸长率≥300%的指标要求。防水板层的安装见图2。
将土工织物涂上一层热熔胶垫，用螺栓固定于排水管上，每根螺栓的外露长度控制在50 mm以上，每根螺栓的顶部预留3～4 mm空间、边缘2～3 mm空间;在CPE防水面板上，使用一种特殊的熔化机将其与基材进行热熔，并将其胶合的强度达到80%以上，保证防水板安装稳固，实现可靠的防水效果。
3.3 动态排水
3.3.1 一般寒冷地区
动力排水是将ALIVA管道埋设于隧道早期的部分或有水区域，以镀锌、防腐的高强度钢索为框架，外层覆盖PVC膜，埋设ALIVA排气管（如图3）。
其形式有W形、ω形、U形等系列产品，要求其强度能承受喷射混凝土冲击而不损坏，并可在垂直方向上随意弯折，满足围岩体的变形和喷油层的不规则接触面贴合要求。由于其为可任意弯折的柔性管材，满足纵向水平的变形需求，防止了围岩泥、沙等晶体物质直接侵入所造成的阻塞;同时，“排水畅通”可以使隧道外部的水压力得到有效的缓解，两个衬里之间安装了防渗板，降低了开裂的发生概率;深层管道采用了分叉布置，管道中的水流速度较快，最大流量可达到50 m3/h，以适应不同的地形情况。在隧道工程中，低压力动力排水的重点是在早期喷砂支护时，采用水动力设计原理，使水流顺畅地排出，减小水压。
3.3.2 高寒地区
按照高速公路隧道的设计规程，当冬季寒冷的时候，如果使用明开挖方法施工中央排水沟槽，由于开挖深度太大，会对侧壁和洞体的稳定性造成一定的不利影响，因此需要在主坑口下面开设防冻水洞。工程中除运用以上“三道防线”进行防水设计之外，还在路基中央设置5 m埋深的无压力防寒泄水洞，如图4。
经工程实例验证，将各个泄水孔、竖向钻孔与隧洞内的纵、竖向钻孔相连接，构成了一套完善的防渗排水体系，将周边岩石的裂隙水和地下水打通，保证了衬砌在不受水力作用的情况下，具有较好的防渗性能。为以后在高寒山区的隧道防水工程建设提供了有益的借鉴。
3.4 纵向排水沟管
在隧道的纵断面上，通常使用中央排水管，或在道路两旁设置纵排渠，将内衬周边的雨水从坑口排出。竖直排水渠在工程中是切实可行的，但是地下存在矿物质、泥沙等情况下效果欠佳，容易堵塞。因此，为方便管道的清理，在墻体底部沿垂直方向设置维护孔洞，保证了管道的安全运行。在隧道内壁（初期支护和二次衬里）与隧洞长度相同的斜率处安装PVCφ160 mm的上半截带有眼洞的排水管道，其孔径为6～8 mm，横向10 cm，可以取得理想的排水效果。
4 结束语
根据“新奥法”的设计与建造原则，在实行低压动态排水的理念下，采用“三道防线”的防护措施，兼顾了普通的低温区域或高寒地带，可以从根本上解决隧道施工中的水患问题。在未来，还需要不断地融入更加合理和先进的公路隧道排水系统，在不断的设计和探讨中前进。目前，我国多个在建隧道工程已经开始进行了新一轮的施工，最长的一条隧道总长大约10 km，这既是公路建设的新成就，也是隧道勘察设计的新挑战，需要深入研究防排水的新技术，切实保障好隧道的工程质量。
参考文献
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