运营公路隧道衬砌排水系统技术状况评估方法研究

蒋雅君， 刘世圭， 周 睿， 曹丹阳， 吴春伟

(1. 西南交通大学土木工程学院， 四川 成都 610031；

2. 成都扬华源动新材料科技有限公司，四川 成都 610213；

3. 广西北投交通养护科技集团有限公司， 广西 南宁 530299)

近年来，我国大规模投资建设了隧道等基础设施。截至2020年，已建成和投入运营的公路隧道有23 268处，共计24 698.9 km[1]。随着投入运营的隧道数量不断增加，受复杂的自然环境或施工质量缺陷等因素的影响，不少隧道陆续出现渗漏水和衬砌开裂等病害，危及隧道结构及行车安全。其中，隧道衬砌排水系统破损、地下水排放不畅引发的衬砌开裂与渗漏水等是重要诱因[2-4]。

为解决衬砌排水系统病害带来的问题，国内学者主要从隧道衬砌排水系统病害成因分析及防治方法2个方面开展了一系列研究，并取得众多成果。文献[5-8]通过现场调研、XRD分析、室内模型试验等方法总结分析了隧道排水管道中结晶物质成因、化学成分以及结晶速率的影响因素。文献[9-12]通过现场试验、室内试验等方法分别提出了有机酸消耗、选用合适混凝土配合比和管道内壁涂敷特殊涂层等防治措施，探究了排水管道结晶的防治措施。同时，有关隧道排水系统的检查和评价技术方面的研究也在起步。蒋雅君等[13-14]初步建立了排水系统技术状况的评估方法，基于水力学原理将不同病害带来的排水风险量化表达。魏晨茜[15]从各排水管道开始，研究管道的过水能力和管道之间的水力联系，提出了一种排水单元排水状态的量化方法。

综上所述，现阶段有关隧道衬砌排水系统病害的研究成果集中于结晶病害成因与防治方面，而排水系统状况检查和评估技术尚未成体系，缺少一种与隧道结构技术状况评定方法相似的方法，管理单位无法及时准确地掌握隧道衬砌排水系统的技术状况，以采取合适的养护措施来保障排水系统一直处于良好的服役状态。

本文以公路隧道衬砌排水系统为研究对象，分析其结构特点，基于分层加权综合评价法构建运营公路隧道衬砌排水系统技术状况评估方法，希望为公路隧道衬砌排水系统的维护工作提供一定参考和借鉴。

1.1 公路隧道衬砌排水系统结构

根据JTG 3370.1—2018《公路隧道设计规范(第一册 土建工程)》中衬砌排水系统设计的相关规定可知，公路隧道衬砌排水系统主要由环向排水管、纵向排水管、横向排水管和中央排水管(沟)这些构件连接形成一个排水空间网络(如图1所示)，将来自围岩的地下水有组织地汇集起来，然后有序排放至洞外。

图1 公路隧道衬砌排水系统结构示意图Fig. 1 Schematic of lining drainage system structure of highway tunnel

1.2 常见病害类型及等级划分

采用工业内窥镜等多种检查设备调研了广西和四川等地区10余座隧道的衬砌排水系统的运行现状，根据病害是否造成管道结构完整性破坏，将排水系统常见的病害类型划分为结构性病害和功能性病害2大类[16]。参考CJJ 181—2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》中对排水管道病害类型的划分，隧道排水管道中功能性病害包括结晶、沉积和障碍物3类；
结构性病害包括破裂、变形、起伏、腐蚀、异物刺入和接口移位6类。

在市政工程领域中，排水管道病害的等级划分和赋分标准已形成一个完整体系。隧道衬砌排水系统中管道的功能和材料等与市政排水管道有较多相似之处，因此，以CJJ 181—2012《城镇排水管道检测与评估技术规程》中病害等级划分和赋分标准作为隧道衬砌排水管道中常见病害的等级划分和赋分标准[16]。

2.1 公路隧道衬砌排水系统的结构层次

隧道衬砌排水系统技术状况表征着这一系统整体的综合状况，因此，评估其技术状况应根据排水系统的特点划分层次和构件，再综合各层次不同构件的病害状况综合评判。

根据公路隧道衬砌排水系统的结构特点，将其划分为排水段、排水单元和排水管段3个层次。

1)隧道衬砌排水段。根据公路隧道设计规范的要求和设计惯例，隧道衬砌排水系统中会设置检查井，便于运营期间检查和清理中央排水管，检查井的间距约为200 m。取2个检查井之间的衬砌排水系统为一个排水段。

2)隧道衬砌排水单元是排水系统中能够实现汇集和排放地下水的最小有机体，多个排水单元串联起来组成1个排水段，承担该区段内地下水的汇集和排放功能。根据地下水在衬砌排水系统中的排放路径，划分的排水单元如图2所示。排水单元由1根环向排水管，左、右2段纵向排水管汇集地下水，左、右2段横向排水管将汇集的地下水引导至中央排水管，再经由中央排水管排放至下一单元，最后排放至隧道外。

图2 排水单元结构示意图Fig. 2 Schematic of drainage unit structure

3)排水管段。环向和纵向排水管承担汇集地下水的功能，横向和中央排水管承担导流功能。环向和纵向排水管道中不同位置的地下水流量是不同的，对整个排水单元的影响程度也不同，将这2种排水管道划分成多段来考虑位置差异带来的影响。横向排水管和中央排水管承担导流功能，管道内各位置流量维持一致，不同位置发生的病害对排水单元的影响是相同的，无需分段考虑。

环向排水管从拱顶位置分为左、右2段H1、H2，左、右管段再切分为4个小段H1-1—H1-4、H2-1—H2-4。

排水单元中左、右两侧的纵向排水管(L1、L2)单根的设计长度约等于环向排水管，纵向排水管道切分为8个小段L1-1—L1-8、L2-1—L2-8。

横向排水管在排水单元中承担将纵向和环向排水管收集的水导流至中央水管的功能，分为左、右2段水管C1、C2。

中央排水管M在排水单元中承担将地下水导流至下一单元的功能。

综上，隧道衬砌排水系统的结构层次如图3所示。

图3 隧道衬砌排水段结构层次关系Fig. 3 Structural relationship of drainage section of tunnel lining

2.2 排水管段病害参数确定方法

2.2.1 环向和纵向排水管段功能性病害参数确定

环向和纵向排水管道不同位置的过水流量不同、重要性不同，将环向和纵向管道进行切分。环向排水管和纵向排水管的功能性病害参数由各自小管段病害分值和相应的位置权重综合计算得到，具体计算按式(1)—(2)进行。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：GH为环向排水管段功能性病害参数；
GL为纵向排水管段功能性病害参数；
YH为环向各小管段的功能性病害分值的最大值；
YL为纵向各小管段的功能性病害分值的最大值；
y为各小管段中的功能性病害分值；
η为各小管段的权重；
i,j为切分小管段的编号(i=1,2；
j=1,2,…,8)；
k为排水管段中功能性病害的数量，由检查结果确定。

2.2.2 横向和中央排水管段功能性病害参数确定

评价指标体系中，横向排水管分为左、右2段C1、C2，中央排水管段为M。横向排水管段与中央排水管未进行切分，单个管段的长度较长，一个管道内可能会存在较多的病害，且当病害之间间距相对较小时，病害之间可能相互影响，因此，计算横向排水管段和中央排水管段的病害参数时，需考虑病害间距的影响。横向排水管段和中央排水管段病害参数的计算按式(3)—(7)进行。

当Ymax≥Y时，GCi(M)=Ymax；

(3)

当Ymax

(4)

(5)

Ymax=max{Pe}；

(6)

k=k1+k2。

(7)

式(3)—(7)中：GC(M)为横向排水管段或中央排水管段功能性病害参数；
Ymax为横向排水管段中功能性病害分值的最大值；
Y为横向或中央排水管段功能性病害分值，按病害数量计算的功能性病害平均分值；
k为单根排水管段中功能性病害的数量；
k1为排水管段中间距大于1.5 m的功能病害数量；
k2为排水管段中间距小于1.5 m、大于1.0 m的功能性病害数量；
Pe为排水管段功能性病害分值；
Pe1为纵向间距大于1.5 m的功能性病害分值；
Pe2为纵向间距小于1.5 m、大于1.0 m的功能性病害分值；
β为病害影响系数，与病害间距有关，取β=1.1。当病害纵向间距≤1.0 m时，病害分值叠加计算，叠加结果超过10分，按10分计算。

排水单元内环向、纵向、横向和中央排水管段的结构性病害参数计算方法与功能性病害参数计算方法相同，此处不做赘述。

2.3 排水系统技术状况评价指标体系

2.1节将排水系统分为排水段、排水单元和排水管段3个层次，本文以各排水管段的病害参数作为评价指标，逐层向上综合评估，完成公路隧道衬砌排水系统技术状况的评估。由各排水管段的病害参数建立的评价指标体系见图4。

图4 隧道衬砌排水系统技术状况评价指标体系Fig. 4 Evaluation index system of technical conditions of tunnel lining drainage system

隧道衬砌排水系统常见的病害可分为功能性和结构性2种，需分别评估隧道衬砌排水系统的功能性技术状况和结构性技术状况。功能性状况评估和结构性状况评估采用同一套评价指标体系，技术状况评估时分别统计计算排水管段的功能性或结构性病害参数。

公路隧道衬砌排水系统不同管段因功能差异和位置差异对过水能力的要求各不相同，经过的流量越大，对排水能力要求越高，重要性程度越大。因此，选择经过管段的流量大小来计算管段的权重大小。通过对比分析，本文采用SWMMH软件建立排水系统模型，计算排水单元内各管段以及不同工况下排水单元之间的流量，再以流量比例来计算得到排水管段和排水单元之间的权重大小。

3.1 排水系统模型参数设置

3.1.1 隧道衬砌排水单元管段水力模拟

公路隧道衬砌排水系统的结构形式基本相同，但实际工程中不同隧道在管道的标高设置、管径选择以及管道的间距设置等方面因地制宜选择相应的参数，使衬砌排水系统的排水能力与地下水出水量相适应。因此，假设不同地下水条件在与之相适应的排水系统中的状态是相同的，即地下水在排水管道中不为充盈状态。

基于这一假设，本文选择常见的公路隧道衬砌排水系统的设计参数来建立模型。通过设置地下水的出水量，使得出水量与该参数下衬砌排水系统相适应，所以认为该状态下衬砌排水系统中各管段和单元的流量具有代表性。

出于以上考虑，本文选择常见的双车道公路隧道的衬砌排水系统结构形式在SWMMH中建立相应的排水系统模型，隧道的断面形式如图5所示。排水单元间距为20 m，建立的排水单元的管网模型如图6所示。排水单元模型中各管段的特性参数如表1所示，各节点的标高如表2所示，经过试算，设置环向和纵向排水管段各节点的进流量为0.6 L/s可满足前面假设。

图5 双车道公路隧道常规断面(单位：
cm)Fig. 5 Conventional section of two-lane highway tunnel (unit：
cm)

箭头为排水单元内地下水排放路径。图6 排水单元管网模型Fig. 6 Model diagram of drainage unit

表1 排水单元模型中各管段参数Table 1 Parameters of each pipe section in the model

表2 排水单元模型中各节点标高Table 2 Elevation of each node in the model m

3.1.2 隧道衬砌排水系统的管段水力模拟

隧道排水段的水力模型是在排水单元的模型上叠加多个相同的模型，串联起来形成一个排水段计算模型，如图7所示。

框内为1个排水单元。图7 隧道排水段计算模型Fig. 7 Model diagram of tunnel drainage section

3.2 计算结果分析

3.2.1 排水单元内各管段之间的权重

根据3.1节的内容建立排水单元的模型，计算排水单元内各排水管段的流量，如表3所示。

表3 排水单元内各管段流量Table 3 Flow rate of each pipe section in drainage unit L/s

根据计算得到排水单元内各管段的流量大小，计算管段之间的流量比值，可作为排水管段之间的权重大小分配依据。

环向排水管中4个小管段之间的权重之和为1，则4个排水管道之间的权重大小可按式(8)计算得到。环向排水管4个小管段的权重大小如表4所示。

表4 排水单元内环向排水管4个小管段的权重Table 4 Weight of four small pipe sections of circumferential drainage pipe in drainage unit

(8)

式中：ηi为权重；
Qi为i管段的流量。

纵向排水管中8个小管段之间的权重之和为1，则8个排水管道之间的权重大小可按式(9)计算得到。纵向排水管中，8个小管段的权重大小如表5所示。

表5 排水单元内纵向排水管8个小管段的权重Table 5 Weight of eight small pipe sections of longitudinal drainage pipe in drainage unit

(9)

以排水单元内各排水管道承担的流量作为权重计算的基准，计算得到不同管段的权重。根据排水单元中各管道的功能可以看出，一个排水单元中，排水管道之间的流量可以用式(10)和式(11)表示。排水管道权重之和为1，提取表3中不同管段之间的流量计算得到排水单元内各管道之间权重分配如表6所示。

表6 排水单元内不同管道的权重Table 6 Weight of different pipes in drainage unit

QH1+QL1=QH2+QL2；

(10)

QC1=QC2。

(11)

3.2.2 排水段内排水单元的权重

通过模型计算排水系统完好状态下以及不同数量横向排水管失效状态下各排水单元之间的流量变化。以排水单元之间的流量大小为基础，取不同破损状态下与完好状态下排水单元流量的比值为权重，表征不同状态下各排水单元的重要性程度。

模拟计算结果显示，在横向排水管失效后该排水段未能将所有地下水排出，部分地下水积蓄在排水段内。横向排水管失效数量越多，积蓄于排水段内的地下水越多。取排水段不同状态下的排水量与完好状态下排水量的比值为λ，取倒数1/λ表征该状态下排水段的破损程度，对技术状况评估结果进行加权。当有5根横向排水管失效时，排水段的排水量只为完好状态下的77%，对隧道结构会造成比较大的影响，因此，认为这一状态下，排水段的功能已失效。横向排水管失效数量与λ的关系如表7所示。排水单元中横向排水管失效后，受影响最明显的只有下游相邻的第1个完好排水单元。排水段中各排水单元权重用γm表示，其中，γ为权重大小，m为排水段中排水单元的编号(m=1，2，3，…)，排水单元的权重分配如表8所示。

表7 横向排水管失效数量与排水量比值λ的关系Table 7 Relationship between failure number of transverse drainage pipe and λ in drainage system

表8 排水系统中排水单元权重分配Table 8 Weight distribution of drainage unit in drainage system

4.1 综合评价模型

根据公路隧道衬砌排水系统的层次划分，技术状况的综合评估分为2个步骤，先进行排水单元的技术状况评估，再综合各单元的技术状况评估这一排水段的技术状况。

4.1.1 衬砌排水系统功能性技术状况评估模型

1)排水单元功能性技术状况值按式(12)计算。

PSCIm=∑ωHi-j×GHi-j+∑ωLi-j×GLi-j+

∑ωCi×GCi+ωM×GM。

(12)

式中: PSCIm为排水系统中第m个排水单元的功能性技术状况值；
G为排水单元中不同管段的功能性病害参数；
ω为排水单元内各管道权重大小，由表6确定。

2)排水段功能性技术状况值按式(13)计算。

(13)

式中：
PSCI为检查段的衬砌排水系统功能性技术状况值；
n为排水段内排水单元的数量，由实际情况确定；
λ为不同状态下排水段排水量与完好状态下出流量的比值，由表7确定；
γ为排水段内排水单元的权重大小，由表8确定。

4.1.2 衬砌排水系统结构性技术状况评估模型

结构性技术状况评估模型与功能性技术状况评估模型相同，将式(12)和式(13)中的功能性相关指标换成结构性指标，可获得结构性技术状况值PSSI。

4.2 技术状况类别划分

4.2.1 计算结果等级界定

由式(13)计算得到的评估结果按照表9来分级界定衬砌排水系统的技术状况类别。

表9 排水系统技术状况类别界定Table 9 Definition of technical condition category of drainage system

4.2.2 技术状况等级划分

JTG H12—2015《公路隧道养护技术规范》中将隧道土建结构的技术状况划分为5个等级，排水系统作为隧道的一部分，技术状况等级的划分数量应保持统一，因此，将公路隧道衬砌排水系统技术状况划分为5个类别，各类别描述如表10所示。

表10 隧道衬砌排水系统技术状况分类Table 10 Classification of technical conditions of tunnel lining drainage system

4.2.3 极端状况下排水系统技术状况评定

1)当中央排水管被结晶、障碍物或泥砂沉积等完全堵塞，排水能力丧失之后，排水系统的功能性技术状况评为5类；

2)当排水系统中同一侧存在连续5个及以上排水单元的横向排水管完全堵塞后，排水系统的功能性技术状况评为5类；

3)中央排水管顶部位置出现纵向长距离开裂现象时，排水系统的结构性技术状况评为5类；

4)当中央排水管出现接口移位或破裂等病害，造成地下水外泄至路基中，排水系统的结构性技术状况评为5类；

5)当隧道衬砌排水系统中连接边墙检查井的横向排水管堵塞，边墙检查井内积水严重，外溢至路面影响行车安全时，排水系统技术状况评为5类。

4.3 工程实例

4.3.1 工程概况

广西某运营高速公路隧道，全长795 m，起止桩号为K168+000～+795。隧道在投入运营后对该隧道K168+200～+400衬砌排水系统进行定期检查和技术状况评估。该区段中K168+260单元的C1横向排水管被结晶物质完全堵塞，丧失排水能力。表11和表12分别为K168+200排水单元的功能性病害和结构性病害统计信息。

表11 K168+200 功能性病害状况统计Table 11 Statistics of functional diseases in K168+200

表12 K168+200 结构性病害状况统计Table 12 Statistic of structural disease in K168+200

4.3.2 区段排水系统功能性技术状况评估

4.3.2.1 排水单元功能性技术状况评估

由GH1=0.3×2+0.4×5=2.6，GH2=0.4×5=2，GL1=0，GL2=0.11×2+0.14×5=0.92，GC2=4，GM=4可知，PSCI1=(2.6+2)×0.06+(0+0.92)×0.13+4×0.16+4×0.3=2.24。

同样计算得到该区段内其他排水单元的功能性技术状况值为：
PSCI2=3.23，PSCI3=1.79，PSCI4=3.71，PSCI5=2.12，PSCI6=2.04，PSCI7=1.54，PSCI8=2.57，PSCI9=2.09，PSCI10=2.53。

4.3.2.2 区段功能性技术状况评估

根据检查结果确定K168+260排水单元权重γ4=1.22，本排水段内其他单元权重取1，λ取0.97。计算得到该区段功能性技术状况值

2.12+2.04+1.57+2.57+2.09+2.53)=2.47。

K168+200～400区段功能性技术状况值为2.47，该区段排水系统的技术状况等级为2类，排水系统轻微破损，少部分排水管道存在病害，排水系统功能不受影响。

4.3.2.3 区段排水系统结构性技术状况评估

1)排水单元结构性技术状况评估值。结构性病害参数FH1=0.3×2+0.4×5=2.6，FH2=0.4×5=2，FL1=0.09×2+0.16×5=0.98，FL2=0.14×2+0.18×5=1.18，FC1=4，FC2=5，FM=5，求得结构性技术状况值PSSI1=(2.6+2)×0.06+(0.98+1.18)×0.13+(4+4)×0.16+5×0.3=3.5。

同样计算得到该区段内其他排水单元的结构性技术状况值为：
PSSI2=5.85，PSSI3=3.07，PSSI4=6.90，PSSI5=2.18，PSSI6=2.84，PSSI7=1.46，PSSI8=2.57，PSSI9=2.09，PSSI10=4.37。

K168+200～400段功能性技术状况值为3.63，以此判断该区段排水系统的技术状况类别为3类，排水系统管道结构中等破损。

本文通过现场调研、理论分析和数值模拟等方法研究公路隧道衬砌排水系统的病害类型、结构特点和水力联系，提出了一种公路隧道衬砌排水系统技术状况评估方法，主要研究成果如下：

1)依据公路隧道衬砌排水系统结构特点，将其划分为排水段、排水单元和排水管段3个层次；
根据不同排水管段的功能差异，分别确定其病害参数计算方法；
最后以各排水管段的病害参数为评价指标，建立技术状况评价指标体系。

2)利用SWMMH软件建立公路隧道衬砌排水系统模型，模拟地下水在排水单元和排水系统中的运行状况，计算排水单元和排水管段的流量，以此为基础计算出各管段和各排水单元的权重分配。

3)采用分层加权综合评价法，建立公路隧道衬砌排水系统的功能性和结构性技术状况评价模型和技术状况等级划分标准；
将本文提出的评价方法应用于实际工程中，评估结果能较好地反映隧道衬砌排水系统的运行状况，具有较好的适用性。

由于管道病害等级划分和赋分标准直接引用了市政工程中排水管道的相关规范，可能与实际工程中存在一定偏差，后续需要调研更多案例，建立相适应的病害等级划分标准和赋分标准。

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