石良波

( 中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750 )

我國(guó)在鐵路和公路隧道的防水排水設(shè)計(jì)及施工中取得了一些成果，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但部分隧道仍存在不同程度的漏水情況。目前一些防水產(chǎn)品排水功能不強(qiáng)是影響隧道防排水效果的主要因素之一，特別是傳統(tǒng)的排水盲管比較容易被堵塞，不便于維修，導(dǎo)致排水系統(tǒng)不能發(fā)揮有效排水功能。

目前，“外排內(nèi)防”的隧道防排水理念正在大力推廣，隧道具有排水功能的凸殼排水板和毛細(xì)排水板應(yīng)用越來(lái)越廣泛，極大地降低了“全防”隧道施工縫滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)[1]。排水板可以有效凸顯對(duì)地下水的排泄作用，特別是地下水發(fā)育地段通過(guò)排水板實(shí)現(xiàn)富含水地段對(duì)滲水的引排，而且排水板的排水效果明顯好于環(huán)向盲管[2]。本文結(jié)合某公路隧道對(duì)防水排水板排水和防水進(jìn)行研究，通過(guò)比選，將毛細(xì)管排水板因地制宜應(yīng)用隧道泥沙較多富水軟巖區(qū)，經(jīng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)防滲漏水效果良好，本文對(duì)更好提高產(chǎn)品性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)、提升相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有一定的借鑒意義。

1 復(fù)合式防排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，傳統(tǒng)公路或鐵路隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)采用的防水材料大多為平板型防水材料，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與二次襯砌混凝土進(jìn)行密合，自身不具備排水能力，非常容易出現(xiàn)竄水現(xiàn)象，需要配置很多環(huán)向、縱向排水管輔助排水。由于傳統(tǒng)排水效果欠佳，導(dǎo)致隧道現(xiàn)場(chǎng)水位會(huì)升高、二次襯砌壓力增大，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形開裂，威脅隧道的長(zhǎng)期運(yùn)行安全[3]，傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)

為提高隧道的防排水能力，隧道二襯與防水板中間應(yīng)布置排水板，如圖2所示。排水板縱向間距一般是2～5 m，進(jìn)行施工時(shí)，排水板間距可根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整，具體鋪設(shè)方法基本與環(huán)向盲管相同；在實(shí)際運(yùn)用時(shí)，能關(guān)閉排水管道螺栓清淤防淤積，具有方便維護(hù)的功效[3]。

圖2 復(fù)合式防排水系統(tǒng)示意

2 隧道施工縫新型排水板研究

2.1 新型排水板的分類

1)毛細(xì)型排水板。其成分為聚氯乙烯，簡(jiǎn)稱為PVC，通常有單面型及雙面型2種形式[4]，如圖3所示。

圖3 毛細(xì)型排水板外觀

2)凸殼排水板。凸殼排水板主要由高密度聚乙烯制成，簡(jiǎn)稱為PE，即熱塑性樹脂塑料板，按照特殊工藝加工而成凸圓柱殼，形成獨(dú)立的立體空間[5]，如圖4所示。

圖4 凸殼型排水板外觀

2.2 新型排水板的工作原理

凸殼型排水板的凸殼和凹面分別貼近初支和二襯，并留出間隙，借助該間隙實(shí)現(xiàn)排水功能。而毛細(xì)型排水板是借助該材質(zhì)具備的表面張力、自重力、毛細(xì)力以及虹吸力進(jìn)行有效排水[6]。

2.3 新型排水板的規(guī)格尺寸

凸殼型排水板和毛細(xì)型排水板兩種新型排水板的具體規(guī)格見(jiàn)表1、表2。

表1 凸殼型排水板的規(guī)格尺寸 mm

表2 毛細(xì)型排水板的規(guī)格尺寸 mm

2.4 排水板試驗(yàn)方案

為檢驗(yàn)排水板的排水效果以及防淤堵效果，依據(jù)試驗(yàn)成果指導(dǎo)實(shí)踐，遵循《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)水流量的測(cè)定》(GB/T17633—2019)。另外，考慮隧道埋深實(shí)際開展試驗(yàn)。

2.4.1 試驗(yàn)裝置

傳統(tǒng)的試驗(yàn)儀器展開試驗(yàn)時(shí)水頭差偏小，支護(hù)壓力偏弱，測(cè)試儀器和實(shí)際隧道工況有較大出入，因而對(duì)排水板的排水性能測(cè)試誤差較大。因此，通過(guò)詳細(xì)勘察調(diào)研，并參考有關(guān)試驗(yàn)，通過(guò)比選，引入張素磊等研發(fā)的排水性能試驗(yàn)裝置，該裝置包括：液壓加載裝置，具有可實(shí)現(xiàn)液面高度的可視化監(jiān)測(cè)的儲(chǔ)水模型箱液壓加載裝置，水量采集裝置，以及水壓加載裝置等，進(jìn)行新型排水板的排水能力試驗(yàn)及抗淤堵能力試驗(yàn)，排水板試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 新型排水板排水性能試驗(yàn)裝置

2.4.2 試驗(yàn)內(nèi)容

依據(jù)《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)水流量的測(cè)定》(GB/T 17633—2019)設(shè)置水壓力值，確保0.1和1.0兩個(gè)不同的水壓梯度；此外，參考隧道埋深和試驗(yàn)最大水壓不超過(guò)100 kPa。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，結(jié)合部分公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道的監(jiān)測(cè)結(jié)果，設(shè)置支護(hù)壓力。完成二襯施工以后，2層支護(hù)壓力逐步提高，支護(hù)壓力依次設(shè)置為20、150、250、350、500 kPa 5級(jí)。

2.4.3 抗淤積能力試驗(yàn)

該試驗(yàn)用水應(yīng)更換為泥沙混合水，泥沙粒徑不超過(guò)2 mm，并將泥沙混合水充分混合。開展試驗(yàn)時(shí)，水壓力和支護(hù)壓力分別為0.75 kPa和150 kPa，為評(píng)測(cè)凸殼型排水板和毛細(xì)型排水板兩種新型排水板抗淤堵能力，把排水流量和含沙量作為重要指標(biāo)開展觀測(cè)。

2.4.4 排水能力試驗(yàn)

為了避免水模型箱中水的顆粒干擾試驗(yàn)結(jié)果，一般選取純水展開排水試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置一覽表見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

按照試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)范，模擬處于隧道施工狀態(tài)，凸殼型排水板和毛細(xì)型排水板兩種新型排水板沿水流動(dòng)方向長(zhǎng)度和寬度要求務(wù)必分別超過(guò)30 cm和20 cm，該實(shí)驗(yàn)中，放置在排水通道中的兩種試驗(yàn)排水板長(zhǎng)度和寬度設(shè)置為60 cm×30 cm，無(wú)論是支護(hù)壓力還是水壓力，按照表3每變換一個(gè)等級(jí)，需要保持6 min，重復(fù)兩次，獲得三組數(shù)據(jù)。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)為了測(cè)試在不同工況下凸殼型排水板和毛細(xì)型排水板兩種新型排水板的防淤堵性能，泥沙混合水排水試驗(yàn)中單位時(shí)間排水量的相對(duì)變化曲線如圖6所示。

圖6 單位時(shí)間排水量的相對(duì)變化曲線

可以看出，兩種排水板排水能力基本不變。通過(guò)試驗(yàn)觀察，通過(guò)凸殼型排水板的排水非?；鞚?，而通過(guò)毛細(xì)型排水板的排水比較純凈。完成試驗(yàn)后，水箱內(nèi)和排水板表面淤積物質(zhì)量見(jiàn)表4。

表4 淤積物質(zhì)量 g

從表4可以看出，將毛細(xì)型排水板和凸殼型排水板表面與集水箱淤積物質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，凸殼型排水板都偏高，證明毛細(xì)型排水板防淤堵功能優(yōu)。

2)7.5 kPa水壓狀態(tài)下是凸殼型排水板試驗(yàn)排水流量的峰值，因此只設(shè)置一個(gè)進(jìn)水壓力。試驗(yàn)期間，凸殼型排水板和毛細(xì)型排水板兩種新型排水板流量變化規(guī)律曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著支撐壓力的增加，流量減少幅度先大后小，后來(lái)趨于平緩。

圖7 不同支護(hù)壓力下流量

3)為了把支護(hù)壓力維持在250 kPa，開展排水能力試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，毛細(xì)型排水板隨著水壓的增大，流量也在遞增，而凸殼型排水板流量基本維持在310 cm3，證明凸殼型排水板的排水泄壓性能更優(yōu)。

4)對(duì)于排水及封堵結(jié)合的區(qū)域比較適合排水板，比如二襯拱墻施工縫或地下水較豐富地區(qū)比較適合采用排水板。另外，根據(jù)隧道地質(zhì)情況和水文環(huán)境有針對(duì)性地選擇地層巖性配置凸殼型以及毛細(xì)型排水板。富含水軟弱圍巖隧道適合毛細(xì)型排水板，另外毛細(xì)型排水板不容易造成排水系統(tǒng)淤堵，而富含水硬質(zhì)隧道適合凸殼型排水板。

3 毛細(xì)型排水板在實(shí)際工程中的應(yīng)用

3.1 工程簡(jiǎn)介

某公路隧道左線隧道全長(zhǎng)317 m，右線隧道全長(zhǎng)464 m，隧道平均涌水量約為1 800 m3/d，最大涌水量接近30 000 m3/d，存在弱富水區(qū)、中等富水區(qū)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本段隧道圍巖十分破碎，圍巖等級(jí)是Ⅴ、Ⅵ級(jí)，巖性差，透水性強(qiáng)。裂縫處可能有較大涌水，從前面試驗(yàn)分析，因?yàn)槊?xì)排水板適用于富水軟弱圍巖隧道，所以該隧道采用試驗(yàn)測(cè)試中的毛細(xì)型排水板，施工前應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)，選定試驗(yàn)段位于集水區(qū)較廣的小溝壑中，受大氣降水影響較大。圓周方向鋪設(shè)排水板，周間距2 m；為防止試驗(yàn)段防水板后的滲漏流落襯砌后，采用分區(qū)防水技術(shù)，對(duì)隧道整體防水性能產(chǎn)生影響。

在隧道底部拱腳位置分別安裝排水管，試驗(yàn)期間，關(guān)閉排水管閥門，利于監(jiān)測(cè)水壓的變化。傳感器設(shè)置于試驗(yàn)段左右壁進(jìn)行監(jiān)測(cè)。另外挑選半徑為12.25 mm左右的滲透壓計(jì)對(duì)孔隙中的水壓變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。壓力箱直接固定在第二襯的內(nèi)筋上，靠近防水板。此時(shí)，監(jiān)測(cè)值可以較直接地反映初始支架和第二襯之間的接觸壓力。

3.3 復(fù)合防排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

常規(guī)隧道設(shè)計(jì)施工縫防排水一般采用多通道加強(qiáng)排水，然而，施工縫是隧道排水比較薄弱的環(huán)節(jié)，該工程通過(guò)引入“中埋式止水帶+排水板”的施工工藝，設(shè)置排水溝，把隧道涌水(滲漏水)排到縱向盲管，最后排入隧道側(cè)溝中，防止施工縫一直承受高水壓。

3.4 施工步驟

基礎(chǔ)表面處理→結(jié)構(gòu)防水排水施工→排水板測(cè)量定位→排水板安裝→二次襯砌鋼筋綁扎，渠道、襯砌臺(tái)車安裝到位→止水帶焊接→二次襯砌混凝土澆筑、頂升保壓→模板灌漿。

3.5 施工作業(yè)要點(diǎn)

3.5.1 基層表面處理

初支噴混凝土施工經(jīng)鉆孔檢測(cè)、雷達(dá)掃描、斷面掃描合格后，在結(jié)構(gòu)防水排水施工前，對(duì)初支噴混凝土表面及其漏水情況進(jìn)行檢查處理。

1)初始支撐面平整，無(wú)空洞、裂紋、松動(dòng)。凹坑深寬比小于1/10，當(dāng)大于1/10時(shí)，通過(guò)砂漿、噴射混凝土形式將凹坑找平，螺栓頭、鋼管頭、鋼筋露頭等突出物應(yīng)切斷平整，并用砂漿、噴射混凝土和細(xì)骨料混凝土覆蓋。

2)初支護(hù)面出現(xiàn)股水涌出時(shí)，最好進(jìn)行局部或周邊灌漿封堵。進(jìn)行封堵之后的剩余水，可以通過(guò)盲管和排水板引至邊溝，或直接鉆入基巖不小于50 cm，并用110PVC半管引排到溝內(nèi)。

3.5.2 防水排水結(jié)構(gòu)施工

仰拱襯砌施工前，土工布、防水板已通過(guò)鉚釘固定在側(cè)墻，接著安裝半徑為40 mm縱向盲管和半徑為25 mm的環(huán)向盲管，并預(yù)留拱墻襯砌后結(jié)構(gòu)防水排水施工的一定搭接長(zhǎng)度。

1)圓形排水盲管布設(shè)：用無(wú)紡布包裹好半徑25 mm環(huán)向打孔波紋管，應(yīng)靠近初始支護(hù)面，按間距50～100 cm，在初始支撐面上固定長(zhǎng)20 cm、寬5 cm的帶狀防水板；兩端預(yù)留的圓形盲管和側(cè)壁通過(guò)包扎無(wú)紡布進(jìn)行有效牢固連接。

2)土工布、防水板敷設(shè)：初支護(hù)基本穩(wěn)定后，進(jìn)行無(wú)紡布土工布敷設(shè)，通常要求拱高0.5 mm，側(cè)墻以下0.5 m，間距8 m，呈五角形，固定在初始支撐面上，并要求平整、隆起、褶皺。而下一步鋪設(shè)防水板時(shí)，板縫間留有氣路，便于焊接質(zhì)量檢測(cè)，同時(shí)搭接接頭，圍巖變形、施工縫、集中出水口等弱防水部位錯(cuò)開至少100 cm。

3.5.3 排水板的測(cè)量和定位

結(jié)構(gòu)防水排水驗(yàn)收后，根據(jù)拱部最易出現(xiàn)孔洞、不壓實(shí)的范圍，勘察組應(yīng)采用全站儀測(cè)量并在防水板標(biāo)記出隧道中線、線路左右中線、隧道中線與線路左右中線之間的中線，這五條線是排水板的敷設(shè)位置。

3.5.4 安裝排水板

1)采用spb-c排水板，用土工布包裹。

2)在防水板上把排水板牢固焊接，在臺(tái)車一端預(yù)留30～50 cm位置，方便把積水有效排出，在二襯端以及襯砌臺(tái)車中心位置142°區(qū)間內(nèi)安裝好環(huán)向排水板。

3)排水板的嚴(yán)密性應(yīng)與拱形防水板的緊密性一致，并應(yīng)確保安裝嚴(yán)密。

3.5.5 綁扎二次襯砌鋼筋及沖頂持壓

將小車就位，排水板安裝完畢后，應(yīng)按設(shè)計(jì)要求依次安裝二次襯砌鋼筋和埋槽。驗(yàn)收合格后，才能復(fù)核調(diào)整，封堵端頭模。

襯砌臺(tái)車檢查合格后，逐層、逐窗振搗澆筑混凝土。拱頂澆筑完畢后，為排水板預(yù)留一定的排氣時(shí)間。二次襯砌冠混凝土泵送滿后，停止10 min左右，再次泵送1次，接著暫停10 min，再次泵送，如此循環(huán)3～5次。判斷混凝土沖頂飽滿度標(biāo)準(zhǔn)是，泵壓連續(xù)泵送10 min時(shí)，排水板端部滴水的間隔不小于2 s。

3.5.6 帶模灌漿

澆筑完二次襯砌混凝土后的1 h內(nèi)，完成帶模灌漿。此時(shí)，浸透排水板上的水泥漿已用土工材料包裹，尚未固化，且可繼續(xù)排出，從而達(dá)到濾水灌漿的效果。

3.6 質(zhì)量控制

混凝土采用合格原材料，在攪拌站拌和，分層澆筑，逐窗進(jìn)行振搗。澆筑時(shí)應(yīng)控制澆筑質(zhì)量。沖頂時(shí)必須提高混凝土坍落度，沖頂結(jié)束前應(yīng)保持一段時(shí)間，以確保完全沖頂。

3.7 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)和結(jié)果

隧道涌水較大時(shí)，帶排水板的試驗(yàn)段水壓提高，但水壓值小于非排水段的一半，由此證明排水板發(fā)揮了排水泄壓的功能，通過(guò)雷達(dá)自檢，襯砌無(wú)空洞，質(zhì)量有保證，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4 結(jié)論

凸殼型排水板和毛細(xì)型排水板可以改變?cè)谑┕たp和二次襯砌后長(zhǎng)期高壓下隧道滲漏問(wèn)題。隨著支護(hù)壓力的不斷增大到一定的峰值，流量的減小范圍受到限制。富含水軟弱圍巖隧道適合毛細(xì)型排水板，另外毛細(xì)型排水板不容易造成排水系統(tǒng)淤堵，而富含水硬質(zhì)隧道適合凸殼型排水板。最好采用自粘排水板，可與防水板、無(wú)紡布緊密粘貼，也可串聯(lián)排料?？傊潘鍛?yīng)結(jié)合工程實(shí)際合理選擇，不得盲目使用。排水板的類型必須適應(yīng)工程建設(shè)的實(shí)際情況，才能保證最佳排水效果。