從施工工藝和防排水效果反思鐵路隧道的防排水設(shè)計

鞏江峰,朱　勇

(中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,成都　610031)

近些年，我國鐵路建設(shè)發(fā)展迅速，鐵路隧道建設(shè)水平也得到極大的提高，但是鐵路隧道的防排水的設(shè)計及施工依舊是目前鐵路隧道建設(shè)的瓶頸。鐵路隧道防排水設(shè)計與施工存在問題后，會導(dǎo)致以下問題危及行車安全：第一，嚴重影響軌道電路，干擾行車信號系統(tǒng)的正常使用；第二，導(dǎo)致電氣化鐵路接觸網(wǎng)故障，跳閘斷電；第三，寒冷地區(qū)會導(dǎo)致道床結(jié)冰，襯砌凍脹開裂[1]；第四，地下水發(fā)育地段會導(dǎo)致仰拱隆起，無砟道床開裂、軌道變形。

另外根據(jù)建設(shè)部監(jiān)理司對全國建筑滲漏水原因的調(diào)查結(jié)論，由材料、設(shè)計、施工和維護導(dǎo)致滲漏水原因分別占20%、26%、48%和6%，由設(shè)計和施工導(dǎo)致的原因占到74%[2]，在當下鐵路隧道防排水材料由業(yè)主統(tǒng)一供應(yīng)、且鐵路隧道防排水是在一個相對封閉、狹小空間施工的背景下，鐵路隧道滲漏水病害由設(shè)計和施工導(dǎo)致的原因?qū)⑦_90%以上。鐵路隧道防排水設(shè)計和施工到底哪里存在著盲區(qū)和瑕疵，為什么剛開通運營的隧道會出現(xiàn)施工縫滲漏水、巖溶隧道仰拱隆起、環(huán)縱向盲管淤堵、施工縫附近二襯厚度嚴重不足、無砟軌道道床板與仰拱填充之間脫縫、拍打等問題，本文就以上問題展開論述，以期業(yè)內(nèi)同行共同研究，解決鐵路隧道防排水之難題。

1　圍巖防排水

關(guān)于圍巖防排水現(xiàn)行規(guī)范中有所提及，但是真正將圍巖防排水納入隧道防排水設(shè)計體系并不多見，目前所設(shè)計的超前帷幕注漿、開挖后徑向注漿、地表注漿加固，其目的多為確保施工安全，個別工點是因為隧道涌水導(dǎo)致地表飲用水源干涸而被動注漿堵水。根據(jù)日本青函隧道的注漿試驗，當注漿材料的充填飽和率達到0.8～0.9時，圍巖的滲透系數(shù)可降低10～100倍，圍巖滲透的滲透系數(shù)降低到10-6cm/s，基本上可以認為巖體不透水，地下水也基本不會對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生水壓[3]。說明圍巖注漿是可以從源頭上減少大量地下水進入隧道內(nèi)，是隧道防排水體系中一個非常重要的環(huán)節(jié)，目前受施工進度、注漿工藝、施工質(zhì)量難以控制、注漿數(shù)量無法準確計算等外部因素制約，圍巖注漿堵水作為常規(guī)的防排水設(shè)計推進緩慢。

1.1　圍巖注漿堵水

圍巖注漿堵水可分為超前注漿堵水和開挖后注漿堵水，超前注漿堵水防水主要有超前全斷面帷幕注漿和超前局部注漿，開挖后注漿主要有全斷面徑向注漿和局部注漿，根據(jù)宜萬鐵路及其他鐵路項目注漿堵水經(jīng)驗，可按表1選擇注漿堵水的方式[4]。

表1　注漿堵水方案選擇

為了降低圍巖的滲透系數(shù)，確保施工安全并保護環(huán)境，注漿加固圈厚度的計算根據(jù)注漿目的不同選用不同的計算方法，一般來講以控制隧道出水量為主要目的，采用滲透理論進行計算；以保護巖壁穩(wěn)定為主要目的，采用厚壁圓筒理論進行計算。根據(jù)以往注漿加固堵水經(jīng)驗，一般情況下注漿加固圈的厚度為3～8 m。

常用的注漿材料主要有普通水泥單液漿(簡稱C漿)、普通水泥-水玻璃雙液漿(簡稱C-S漿)、超細水泥單液漿(簡稱MC漿)、超細水泥-水玻璃雙液漿(簡稱MC-S漿)，另外還有一些以水泥基為基礎(chǔ)的特殊漿液。一般情況，充填注漿宜采用C漿或C-S漿，劈裂及擠密注漿宜采用MC漿或MC-S漿。

1.2　圍巖排水

在一些地下水發(fā)育且地下水的引排不會對地表造成環(huán)境影響的山嶺隧道內(nèi)，或者是一些地下水對大斷面隧道開挖可能造成較大地質(zhì)災(zāi)害的地段，通常會采用泄水洞、平導(dǎo)等輔助坑道的方式提前引排地下水，以達到確保施工安全及避免運營期間水害的目的。另外在一些既有線水害治理方案中，通常會采用打孔排水泄壓、增設(shè)泄水洞排水泄壓，或利用平導(dǎo)或泄水洞的空間往正洞施作集水鉆孔等方案，達到引排地下水的目的。隧道周邊圍巖的排水措施也是防止隧道發(fā)生水害的一項重要措施，但應(yīng)注意排水不能引起環(huán)境災(zāi)害，且排水應(yīng)堅持“排清留固”的原則[5]，不得將巖體內(nèi)的固體顆粒物排出。

2　初期支護防水

噴射混凝土及其與鋼筋網(wǎng)、錨桿、鋼架組成的初期支護作為隧道的一道防水層是被業(yè)內(nèi)許多專家學(xué)者所認可的[6]，根據(jù)港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究課題成果表明，初期支護背后水壓力和襯砌安全系數(shù)隨初期支護厚度增加不斷增大，二次襯砌背后水壓和滲流量隨初期支護厚度增加不斷減小。初期支護背后水壓和二次襯砌安全系數(shù)隨初期支護滲透系數(shù)的增加不斷減小，二次襯砌背后水壓和滲流量隨初期支護滲透系數(shù)的增加不斷增大[7]。另外地下水主要是通過圍巖節(jié)理裂隙滲流，而作為噴射混凝土主要功能之一就是及時封閉節(jié)理裂隙，保障巖體的整體穩(wěn)定性的同時，減小了地下水的排出。因而噴射混凝土等組成的初期支護在鐵路隧道防排水體系中起著舉足輕重的作用。

然而在濕噴技術(shù)已普遍推廣的情況下，噴射混凝土仍存在以下質(zhì)量問題：首先，密實度低，強度低，滲透性強；其次，架設(shè)鋼架地段，現(xiàn)場施工多數(shù)都不進行初噴，而是在架立鋼架后直接一次性噴射，導(dǎo)致初期支護與圍巖不密貼，存在較大的空隙；再次，工字鋼及H型鋼鋼架內(nèi)緣由于工藝原因很難噴密實，導(dǎo)致初期噴混凝土不連續(xù)。由于存在以上缺陷，大大降低了初期支護作為一道防水功能的作用，建議在今后的施工和設(shè)計中注意以下幾點：第一，嚴格控制噴漿料的水灰比，減水劑、速凝劑等外加劑的摻量，同時堅持采用高壓機械手噴漿；第二，型鋼鋼架支護地段，從設(shè)計上應(yīng)將初期支護背后填充壓漿作為一道工序納入設(shè)計；第三，初期支護盡可能采用格柵鋼架或“T”型鋼[8]。

3　初期支護與二襯間的防排水

初期支護與二襯間的防排水主要指環(huán)、縱向盲管的排水、無紡布的緩沖及地下水的運移、防水卷材的防水，也是通常意義上防排水的第一道措施，同時也是整個隧道防排水體系中最為重要的環(huán)節(jié)。

3.1　無紡布的功能及作用

無紡布鋪設(shè)于初期支護與防水板之間，其主要功能有：第一作為防水鋪設(shè)緩沖層，避免由于噴射混凝土不平整，局部凸出部分刺破防水板；第二作為過濾層，防止初期支護背后巖體內(nèi)固體顆粒物隨地下水流出；第三，作為地下水的運移通道，負責(zé)將地下水匯集到環(huán)、縱向盲管的排水系統(tǒng)內(nèi)。從運營后的實際效果分析，無紡布作為地下水運移通道的功能基本上沒有發(fā)揮。

3.2　環(huán)、縱向盲管排水

環(huán)、縱向盲管是鋪設(shè)于初期支護與無紡布之間的排水系統(tǒng)，負責(zé)將通過初期支護噴射混凝土、無紡布的地下水及時引排至隧道內(nèi)側(cè)溝或中心水溝。但是根據(jù)近幾年眾多發(fā)生水害隧道的調(diào)查，發(fā)生施工縫滲漏水、甚至局部射水、仰拱隆起地段，附近及周邊環(huán)、縱向盲管出水口并不出水，然而在邊墻部位重新施作排水泄壓孔后，襯砌背后的地下水呈射流狀流出。導(dǎo)致環(huán)縱向盲管排水不暢的原因有：第一，目前規(guī)范要求環(huán)縱向盲管都外裹了一層無紡布，就像衛(wèi)生間的地漏濾網(wǎng)一樣，極易發(fā)生淤堵，且發(fā)生淤堵后無法處理；第二，無紡布喪失地下水運移的功能，不能將其他區(qū)域的地下水引流至環(huán)、縱向盲管內(nèi)；第三，由于材料原因，環(huán)、縱向盲管環(huán)剛度不夠，在二襯混凝土施工過程中被壓縮；第四，由于施工原因造成環(huán)、縱向盲管堵塞，排水不暢。為了防止環(huán)、縱向盲管排水不暢而導(dǎo)致各種水害，應(yīng)注意以下幾點：除集中出水點設(shè)置的環(huán)向盲管外，其余環(huán)向盲管布設(shè)于無紡布與防水板之間；取消環(huán)、縱向盲管外裹之無紡布；環(huán)、縱向盲管采用內(nèi)壁光滑的雙臂波紋管，加大環(huán)、縱向盲管引入側(cè)溝的弧度和坡度；加強防排水施工工藝管理，尤其是邊墻腳防水板與縱、環(huán)向盲管的定位，具體可參照圖1。

圖1　隧道防排水示意

3.3　防水板

鋪設(shè)于無紡布與二襯之間的防水板，不僅直接將地下水阻隔于二襯結(jié)構(gòu)之外，同時起到將地下水歸集于環(huán)、縱向盲管的排水系統(tǒng)內(nèi)，防水板的廣泛應(yīng)用極大地緩解了我國之前“十隧九漏”的狀況。防水板采用的厚度隨認識的提高而逐步加厚，從開始0.8、1.0、1.2 mm，到目前的1.5 mm[9]，隨著防水板厚度的增加，其質(zhì)量也不斷增加，但是其鋪設(shè)工藝并未相應(yīng)提高，且《鐵路隧道施工技術(shù)指南》中要求防水板宜從上往下鋪設(shè)，目前現(xiàn)場防水板的鋪設(shè)普遍存在松弛度不夠、熱熔對焊點間距過大的問題。二襯混凝土在從下往上澆灌過程中極易將頂部防水板拉脫，造成二襯厚度嚴重不足，并在防水板后留下較大空洞，給運營埋下巨大的安全隱患，圖2為西南地區(qū)某隧道由于上述原因而導(dǎo)致襯砌厚度不足10 cm，襯砌背后空洞水壓過大將襯砌壓潰。為了進一步加強防水板在整個防排水體系中的作用，防水板的鋪設(shè)建議從下往上采用專用臺車進行鋪設(shè)，保證防水板松弛度≥1.2、熱熔固定點的間距拱部≤0.5 m、邊墻≤0.8 m；另外應(yīng)盡量采用寬幅防水板(≥7 m)，減少防水板的搭接焊縫。

圖2　防水板脫落導(dǎo)致二襯厚度嚴重不足

3.4　排水板

鐵路隧道除全封堵襯砌外，其滲漏水主要因為通過初期支護滲流進來的水不能及時引排，進而通過防水板、施工縫的薄弱部位滲漏。2015年5月頒布實施的《鐵路隧道排水板》，是一種具有立體排水結(jié)構(gòu)的防水板，以φ50 mm環(huán)向盲管縱向間距10 m為例，10 m范圍內(nèi)凸殼式排水板的排水能力約為環(huán)向盲管的30倍；同時排水板能夠很好地起到地下水運移的功能，尤其是在暴雨季節(jié)達到“局部涌水整體引排”的功能，避免暴雨季節(jié)由于局部排水能力不足導(dǎo)致襯砌背后瞬時水壓上升，二襯開裂、錯臺；另外排水板可直接應(yīng)用于施工縫，改變了傳統(tǒng)施工縫防水的設(shè)計理念，由“全防”優(yōu)化為“外排內(nèi)防”，極大地降低了施工縫滲漏水的風(fēng)險[10]。目前囿于防水板必須采用無釘鋪設(shè)的思維下，排水板的施工也不能采用釘射，極大限制了排水板的推廣，筆者在成昆線某隧道平導(dǎo)滲漏水極為嚴重的地段，采用普通鋼釘釘射的方式鋪設(shè)排水板，經(jīng)過一個季度的觀察，并未發(fā)現(xiàn)滲漏水。地下水是往負壓區(qū)流動，采用尾部帶有橡膠止水措施的釘子釘射是傳統(tǒng)環(huán)向盲管排水能力30倍的排水板，導(dǎo)致排水板滲漏的機率可以忽略。當然除去成本考慮外，最好采用自粘式排水板，使得排水板和無紡布有效粘結(jié)在一起。

4　二襯結(jié)構(gòu)防排水

二襯結(jié)構(gòu)根據(jù)是否排水可分為全封閉襯砌和排水型襯砌[11]，全封閉襯砌考慮環(huán)境保護或瓦斯氣密性要求，襯砌背后不設(shè)置環(huán)、縱向排水盲管或環(huán)、縱向盲管不引入隧道內(nèi)，同時邊墻不設(shè)置泄水孔，全封閉襯砌一般情況下要求地下水壓小于0.3 MPa，山嶺隧道中應(yīng)用較少，不多贅述。排水型襯砌的防排水主要有二襯結(jié)構(gòu)自防水，二襯拱墻、仰拱環(huán)向施工縫防水，矮邊墻縱向施工縫防水、溝槽施工縫防水，邊墻泄水孔的引排，側(cè)溝水往中心水溝引排，仰拱填充面上積水引排等內(nèi)容。

4.1　結(jié)構(gòu)自防水

目前鐵路隧道二襯結(jié)構(gòu)普遍采用了高性能混凝土，設(shè)計要求強度等級不低于C30混凝土、抗?jié)B等級不低于P8[12]。然而仍有許多隧道在運營后二襯出現(xiàn)濕漬、面滲、裂縫滲水等水害，主要原因有：工人施工振搗棒振搗不充分不認真、襯砌臺車面板附著式振搗器數(shù)量不足，導(dǎo)致二襯混凝土振搗不充分；二襯端模漏漿[13]；二襯澆筑過程中因供料不連續(xù)出現(xiàn)冷縫；二襯脫模過早出現(xiàn)變形裂縫等。

4.2　施工縫防水

隧道二襯結(jié)構(gòu)里面的施工縫有1縱4環(huán)，分別為矮邊墻縱向施工縫、仰拱環(huán)向施工縫、拱墻環(huán)向施工縫、仰拱填充施工縫、兩側(cè)溝槽環(huán)向施工縫。其中4個環(huán)向施工縫要求在變形縫位置必須同縫，這是業(yè)內(nèi)的共識，但是除此之外這些環(huán)向施工縫是應(yīng)該在同一位置還是要錯開，業(yè)內(nèi)一直沒有統(tǒng)一的說法。筆者認為拱墻、仰拱環(huán)向施工縫應(yīng)同縫布置，而仰拱填充施工縫和溝槽施工縫應(yīng)錯開拱墻仰拱施工縫布置，這樣可以不增加任何工程代價而延長了地下水沿施工縫的滲流路徑。

關(guān)于施工縫的防水措施，各種規(guī)范都給出了較為常用的措施，結(jié)合現(xiàn)場施工工藝和防水效果，建議采用如下措施。

(1)拱墻、仰拱環(huán)向施工縫采用排水板(外貼式橡膠止水帶)+中埋式鋼邊橡膠止水帶，首先選用中埋式鋼邊橡膠止水帶有利于止水帶的定位，另外鋼邊止水帶相對于橡膠止水帶與混凝土粘結(jié)性要好；其次排水板能夠及時有效地將地下水引排至底部縱向盲管或泄水孔內(nèi)，如果本身襯砌采用了排水板，則施工縫可采用外貼止水帶，以實現(xiàn)二襯結(jié)構(gòu)的分區(qū)防水。

(2)縱向施工縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶+遇水膨脹止水條，且不得采用外貼止水帶，因外貼止水帶會嚴重影響通過防水板瑕疵處滲漏的地下水流入邊墻底部泄水孔內(nèi)。

(3)兩側(cè)溝槽及仰拱填充施工縫宜采用遇水膨脹止水條或水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

(4)環(huán)向中埋式止水帶宜采用鋼邊橡膠止水帶，方便現(xiàn)場固定，同時采用夾板式鋼端模固定[14]，且鋼端模應(yīng)根據(jù)不同的二襯厚度定制不同的端模，否則中埋式止水帶就不能準確定位，且遇到襯砌較厚處端模仍需采用木板等進行堵頭，施工質(zhì)量難以保障。

4.3　二襯結(jié)構(gòu)排水

二襯結(jié)構(gòu)排水主要指邊墻泄水孔排水、側(cè)溝內(nèi)水引排至中心水溝(管)內(nèi)、仰拱填充面排水等內(nèi)容。關(guān)于邊墻底部泄水孔排水，其實一直都是排水的一個重要環(huán)節(jié)，但是隨著環(huán)、縱向盲管直接引入側(cè)溝的改進，很多項目的設(shè)計取消了邊墻泄水孔，這其實是一個嚴重的誤區(qū)，將直接導(dǎo)致通過防水板瑕疵進入的地下水沒有排泄通道，最后只能隨著水壓的上升和長時間的滲透，導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)滲水、施工縫漏水等。雙線隧道一般情況下中心水溝是主要的排水通道，側(cè)溝內(nèi)的地下水通過橫向間隔埋設(shè)φ100 mm的PVC管引入中心水溝，目前設(shè)計存在的一個問題是，未根據(jù)地下水的大小和需求埋設(shè)橫向排水管，導(dǎo)致個別隧道側(cè)溝滲漏水嚴重。仰拱填充面上排水，主要是指將隧道內(nèi)養(yǎng)護用水、側(cè)溝滲漏水、仰拱施工縫滲水及時引排至中心水溝(單線隧道引入側(cè)溝)內(nèi)，否則將會導(dǎo)致有砟道床的翻漿冒泥；無砟道床板與仰拱填充面脫縫，在列車荷載的作用下張合拍打，圖3為西南地區(qū)一隧道無砟道床水害照片。仰拱填充面上積水可通過埋設(shè)地漏橫向引排至中心水溝內(nèi)，具體見圖1。

圖3　無砟道床水害現(xiàn)場

4.4　拱頂回填注漿

由于二襯混凝土受泵送壓力、臺車抗壓能力、投料孔布置不合理、隧道存在縱坡、混凝土收縮等影響，不可避免的會在二襯拱頂留下縫隙，成為地下水的存儲空間和流通通道，進而導(dǎo)致襯砌水害，所以拱頂回填注漿作為隧道防排水施工的最后一道工序，仍起著重要作用。拱頂回填注漿有徑向注漿和縱向注漿兩種方式，2015年8月份前所有的拱頂回填注漿均在二襯脫模后且達到設(shè)計強度后進行，并要求采用注漿壓力不大于0.2 MPa下壓注水泥砂漿，之后中國鐵路總公司印發(fā)了“鐵路隧道二次襯砌預(yù)防拱頂空洞實施意見”，明確要求在脫模前實施拱頂回填注漿，也就是目前所流行的“帶模注漿”。關(guān)于“帶模注漿”應(yīng)注意以下幾點：

(1)注漿材料宜采用具有微膨脹性的水泥漿或水泥砂漿；

(2)應(yīng)加強二襯模板的剛度，適當提高注漿壓力；

(3)注漿可選擇在二襯混凝土初凝之前進行，在臺車上安裝可伸縮的注漿鋼管，實現(xiàn)無痕注漿，避免因封管不擋而導(dǎo)致封孔材料脫落。

圖4為西南地區(qū)某隧道注漿封孔材料脫落照片。

圖4　拱頂回填注漿孔封孔材料掉落

4.5　仰拱防排水建議

隧道內(nèi)的滲漏水通常指拱墻范圍的滲漏，但隨著高鐵的快速建設(shè)和無砟道床的廣泛應(yīng)用，隧道仰拱的水害對鐵路隧道安全運營的影響更大，仰拱部分的水害將直接導(dǎo)致仰拱隆起、無砟道床板開裂、鋼軌變形等。很多項目尚未開通運營就發(fā)現(xiàn)仰拱隆起，還有些項目在開通的第二天就因仰拱隆起導(dǎo)致全線停運。另外施工現(xiàn)場很多單位將仰拱分兩次施作，第二次的找平層一次施作較長且新舊混凝土之間的鑿毛連接處理不好，導(dǎo)致在兩者之間存在囊狀水，在列車的反復(fù)作用下引起無砟道床上鼓。但目前除了仰拱施工縫的防水設(shè)計外，針對仰拱的防排水設(shè)計幾乎為空白[15]，采用無砟道床的隧道，設(shè)計文件中應(yīng)明確嚴禁將仰拱填充分層施作，同時仰拱必須有完善的防排水設(shè)計，建議以下3種方案。

方案1：借鑒拱墻范圍的防排水措施，于仰拱底部設(shè)置環(huán)向盲管(引入兩側(cè)側(cè)溝)+無紡布+防水板的防排水系統(tǒng)。其中環(huán)向盲管的環(huán)剛度應(yīng)根據(jù)實際情況加強，防止仰拱及仰拱填充施工過程中壓扁環(huán)向盲管。

方案2：于仰拱底部鋪設(shè)一層排水板，排水板將地下水引排至邊墻縱向盲管上方5～8 cm處，再通過縱向盲管引排至側(cè)溝內(nèi)。

方案3：于仰拱底部預(yù)留排水盲管，并通過排水盲管將地下水引排至中心水溝。

5　結(jié)論

除全封堵襯砌外，無論設(shè)計原則是“以排為主”還是“以堵為主，限量排放”，通過初期支護滲入的地下水都應(yīng)迅速引排至排水系統(tǒng)內(nèi)，“以堵為主”是針對圍巖和初期支護系統(tǒng)而言。隧道防排水從設(shè)計到施工都是一個系統(tǒng)工程，應(yīng)不斷根據(jù)更新設(shè)計理念，尤其在大規(guī)模修建鐵路的當下，堅持設(shè)計效果評判、摒棄照搬規(guī)范，同時施工應(yīng)從思想上高度重視、施工中精細化。本文結(jié)合多個項目的設(shè)計、配合施工及運營后的病害整治，提出以下主要觀點，以期業(yè)內(nèi)同行探討進步，不斷提高我國隧道建設(shè)水平。

(1)將圍巖注漿堵水作為富水地段防排水施工的一道工序納入設(shè)計。

(2)初期采用鋼架支護地段，初期支護背后注漿作為一道工序納入設(shè)計。

(3)環(huán)、縱向盲管布設(shè)于無紡布與防水板之間，同時取消外裹之無紡布。

(4)地下水發(fā)育地段應(yīng)采用排水板替代防水板，達到暴雨季節(jié)“局部涌水，整體引排”功能。

(5)縱向施工縫不得采用外貼止水帶作為防水措施。

(6)拱頂回填帶模注漿宜采用“無痕注漿”的方式。

(7)注重?zé)o砟道床仰拱的防排水設(shè)計。

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