鐵路隧道排水盲管施工質(zhì)量現(xiàn)狀及控制

黃國(guó)富，陳覓杭，汪淼，余扶遙，郭威，雷明鋒

鐵路隧道排水盲管施工質(zhì)量現(xiàn)狀及控制

黃國(guó)富1，陳覓杭1，汪淼1，余扶遙1，郭威1，雷明鋒2, 3

(1. 中建隧道建設(shè)有限公司，重慶 401320；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；3. 重載鐵路工程結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

針對(duì)當(dāng)前隧道工程中排水盲管的設(shè)計(jì)方法、質(zhì)量控制尚缺乏系統(tǒng)完善的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，從隧道縱向排水盲管的工作原理出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)分析其在設(shè)計(jì)方法、控制指標(biāo)及施工質(zhì)量方面的不足，指出：排水盲管的設(shè)計(jì)應(yīng)緊密結(jié)合隧道工程地下水環(huán)境，根據(jù)其實(shí)際滲水量和國(guó)家管材生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算確定，而不應(yīng)盲目套用臨近專業(yè)的規(guī)范規(guī)程；對(duì)于隧道排水盲管設(shè)計(jì)應(yīng)統(tǒng)一確定為聚乙烯含量、環(huán)剛度、滲水能力和管徑4個(gè)控制指標(biāo)；排水盲管的安裝應(yīng)充分考慮其運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的堵塞風(fēng)險(xiǎn)，提前預(yù)留足夠的滲流通道。結(jié)合工程實(shí)踐，從優(yōu)化排水盲管的安裝位置和采用管卡具代替定位鋼筋2方面，給出排水盲管的施工優(yōu)化方法，并成功應(yīng)用于實(shí)際工程。

排水盲管；工作原理；設(shè)計(jì)方法；控制指標(biāo)；安裝優(yōu)化

防排水是鐵路隧道設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中的重點(diǎn)環(huán)節(jié)[1]，其設(shè)計(jì)原則通?？蓺w納為“防、堵、截、排相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”[2]。其中，“防”主要指“土工布+防水板”以及混凝土結(jié)構(gòu)的自防水；“排”分暗排與明排，即襯砌背后設(shè)滲水盲管進(jìn)行暗排以及兩側(cè)及中間設(shè)排水溝進(jìn)行明排。相對(duì)而言，明排施工質(zhì)量容易保證，而暗排則為防排水中的重點(diǎn)控制項(xiàng)目，一旦暗排(如排水盲管)施作效果不理想，裂隙水便被堵在襯砌背后，進(jìn)而引起較大的襯砌水壓力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滲漏水，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損毀襯砌結(jié)構(gòu)[3]。如懷邵衡鐵路隧道建設(shè)過(guò)程中，由于縱向排水盲管前期施工質(zhì)量不理想，致使在施工過(guò)程中混凝土將縱向盲管砸落、壓扁等問(wèn)題，嚴(yán)重影響后期排水，襯砌背后水壓力不斷上升[4]。陳健蕾等[5]專門(mén)調(diào)研了貴州省46座隧道的滲漏水情況，發(fā)現(xiàn)滲水下排不暢是主要原因之一。因此，在隧道施工中應(yīng)該嚴(yán)格控制暗排設(shè)施的施工質(zhì)量。然而，因參建各方對(duì)排水盲管重視程度不夠，排水盲管的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)缺乏，以及諸多建設(shè)者對(duì)排水盲管的設(shè)計(jì)原理存在理解偏差等原因，致使當(dāng)前對(duì)排水盲管施工質(zhì)量的控制標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，甚至出現(xiàn)一些管理誤區(qū)。針對(duì)該現(xiàn)象，本文基于工程實(shí)踐，系統(tǒng)總結(jié)分析隧道縱向排水盲管的工作原理及施工質(zhì)量控制方法，并提出隧道縱向排水盲管設(shè)計(jì)施工方法，可為隧道的防排水的設(shè)計(jì)施工提供參考。

1 排水盲管的工作原理

盲管又稱塑料盲管、滲排水盲管/盲溝。滲排水盲管是將熱塑性合成樹(shù)脂加熱熔化后通過(guò)噴嘴擠壓出纖維絲疊置在一起，并將其相接點(diǎn)熔結(jié)而成的三維立體多孔材料。在主體外包裹土工布作為濾膜，其材質(zhì)憎水、阻力小，具有極高的表面滲水和內(nèi)部通水、抗壓及適應(yīng)形變的能力，以及極佳的化學(xué)惰性，在巖土工程使用中能保持長(zhǎng)久的壽命；且其重量輕、易裁剪、施工安裝方便。

排水盲管在隧道中的工作原理是隧道巖體里的裂隙水沿著防水板背后的土工布、土工布與隧道初支面之間的空隙往下滲漏至排水盲管，通過(guò)盲管往隧道排水溝中及時(shí)排出。其目的是排出隧道襯砌背后的裂隙水，防止隧道背后積水，避免隧道襯砌背后裂隙水未能及時(shí)排出而堵壓在襯砌背后，致使襯砌結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生裂縫，最終導(dǎo)致隧道滲漏水，甚至危及結(jié)構(gòu)安全，造成安全事故。

2 排水盲管的質(zhì)量要求與設(shè)計(jì)方法

雙壁波紋管廣泛應(yīng)用于市政排水、排污管道系統(tǒng)工程；公寓、住宅小區(qū)地下埋設(shè)排水排污；高速公路預(yù)埋管道，高爾夫球場(chǎng)地下滲水管網(wǎng)；地下管線的保護(hù)套管和通信電纜護(hù)套管等，其執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為“GB/T19472.1?2004”[6]。為保證排水管的排水量，其需要具有一定的內(nèi)徑。此外，波紋管埋置于地下，需進(jìn)一步考慮水壓力與外回填土的壓力，故標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)波紋管有環(huán)剛度的指標(biāo)要求。

為了確保其質(zhì)量與使用壽命，隧道排水盲管常采用HDPE打孔波紋管，但當(dāng)前國(guó)內(nèi)沒(méi)有排水盲管的質(zhì)量要求標(biāo)準(zhǔn)文件，基本參照上述標(biāo)準(zhǔn)[6]。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)排水盲管來(lái)說(shuō)又存在一定的不合理性、不科學(xué)性，故現(xiàn)在國(guó)內(nèi)所有生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出來(lái)的排水盲管與此標(biāo)準(zhǔn)有一定的偏差，工程上出現(xiàn)各種參差不齊的排水盲管。因此，為了規(guī)范國(guó)內(nèi)排水盲管的生產(chǎn)制作和保證其排水質(zhì)量，需要制定一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)隧道排水盲管工作原理，筆者認(rèn)為隧道排水盲管的主要滿足指標(biāo)為聚乙烯含量、環(huán)剛度和滲水能力，至于管徑可根據(jù)隧道的實(shí)際滲水量進(jìn)行確定，但考慮國(guó)內(nèi)生產(chǎn)情況應(yīng)統(tǒng)一按照外徑尺寸 要求。

2.1 聚乙烯含量

HDPE打孔波紋管主要成分為聚乙烯(PE)樹(shù)脂，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定聚乙烯樹(shù)脂含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為80%以上。檢測(cè)操作必須符合GB/T12010中的規(guī)定，但由于其檢測(cè)操作難度較大，本文建議采用生產(chǎn)廠家提供的檢測(cè)報(bào)告。

2.2 環(huán)剛度要求

隧道排水盲管所受的唯一外力作用是由混凝土澆筑產(chǎn)生的，其荷載大小可根據(jù)襯砌及仰拱的結(jié)構(gòu)尺寸，按照規(guī)范的公式進(jìn)行計(jì)算。通常來(lái)說(shuō)，HDPE打孔波紋管的環(huán)剛度達(dá)到4 kN/m2就能滿足質(zhì)量要求。根據(jù)《埋地聚乙烯排水管管道工程技術(shù)規(guī)程》(CECS164—2004)管道上的永久作用標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為作用在管道每延米上的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值，可按下式計(jì)算：

埋地聚乙烯排水管道在外壓作用下其豎向直徑的變形量為：

表1 管道變形系數(shù)Kd

埋地聚乙烯排水管道在外壓力作用下其豎向直徑的變形率應(yīng)小于管道直徑允許變形率的5%。而管道豎向直徑變形率可按下式計(jì)算：

式中：為管道豎向直徑變形率。

2.3 滲水能力

2.3.1 圍巖滲水量

隧道的開(kāi)挖會(huì)改變地下水的滲流場(chǎng)[8]，襯砌附近處的水壓力將變?yōu)?，由于水頭差的作用，襯砌周邊會(huì)出現(xiàn)滲水的現(xiàn)象。襯砌背后滲水量的計(jì)算模型如圖1，建立以隧道中心點(diǎn)為原點(diǎn)，隧道半徑方向?yàn)檩S的柱坐標(biāo)系統(tǒng)，可得地下水滲流連續(xù)方 程為：

式中：c為每延米襯砌表面滲水量；1為襯砌外半徑；0為影響半徑；0為隧道中心處的水頭；為圍巖的滲透系數(shù)。

2.3.2 開(kāi)孔設(shè)計(jì)

為了減少襯砌背后的水壓力，需要將襯砌背后的部分圍巖滲水排走，所以襯砌背后的縱向排水盲管需要具備足夠的滲水能力，衡量其滲水能力的是管壁中的開(kāi)孔面積，其開(kāi)孔設(shè)計(jì)公式如下：

式中：s為滲水管每米設(shè)計(jì)滲入量；0為滲水管每米每排開(kāi)孔數(shù)目；為備用系數(shù)，按是否易堵塞等條件選定，一般＞5；為每米開(kāi)孔排數(shù)；0為每個(gè)孔眼面積。

2.4 管徑

波紋管作為排水管使用，其排水量必須要大于其滲水量，而直接影響排水量大小的是排水管內(nèi)徑，管徑可根據(jù)設(shè)計(jì)管道排水量進(jìn)行計(jì)算：

式中：p為排水管設(shè)計(jì)流量；為排水管內(nèi)徑；是流速；為管壁粗糙系數(shù)；為水力半徑；為水力坡度。

結(jié)合鐵路隧道“防、堵、截、排結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，排水管的設(shè)計(jì)排水量應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程情況而定。為規(guī)范排水盲管的使用，應(yīng)該制定統(tǒng)一的管道內(nèi)徑尺寸，常用的排水盲管外徑為φ80 mm，φ100 mm，φ150 mm和φ200 mm。

3 排水盲管的施工方法

3.1 施工現(xiàn)狀

3.1.1 HDPE波紋管打孔方式

當(dāng)前常用的排水管均為波紋管，由于這種波紋管是專門(mén)用于供排水或電力電信套管的，故管表面沒(méi)有孔洞；當(dāng)作為隧道排水盲管應(yīng)用時(shí)，需要進(jìn)行人工打孔以保證其滲水能力，其打孔方式直接影響滲水能力。

圖2(a)為電鉆打孔方式，每圈3個(gè)孔洞，孔徑為5 mm，沿管道縱向方向每隔10 cm施作一圈；圖2(b)為小鋼鋸鋸口方式，每圈均勻鋸3小條，每條3 cm長(zhǎng)，沿管道縱向方向每隔10 cm施作一圈。實(shí)際工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，上述2種人工打孔方式均不能滿足滲水能力的要求，特別是當(dāng)安裝不到位時(shí)，圍巖裂隙水甚至不能滲入排水盲管中，從而導(dǎo)致裂隙水積累在圍巖與襯砌之間，使襯砌背后的水壓力不斷地增大，長(zhǎng)期下來(lái)將會(huì)造成襯砌的破壞，造成較高的維修成本。

圖3(a)和圖3(b)為第2種波紋管，但通常作為排水盲管或盲溝使用，因此，這兩者的打孔方式相對(duì)來(lái)說(shuō)比較嚴(yán)格。圖3(b)采用人工鋸口，每圈6個(gè)孔，孔洞成長(zhǎng)方形，尺寸為3 mm×10 mm，沿管道縱向方向每6 cm施作一圈。實(shí)際效果證明，這種打孔方式的排水盲管的滲水能力至少比圖2的大1倍。按照?qǐng)D3(b)的打孔方式制作而成的波紋管才是嚴(yán)格意義上的排水盲管，作為隧道排水盲管或盲溝應(yīng)用可以取得良好的滲水效果。

(a) 電鉆打孔；(b) 小鋼鋸鋸口

(a) 電鉆打孔；(b) 小鋼鋸鋸口

3.1.2 安裝方法

施工流程：測(cè)量定位→安裝定位鋼筋→安裝排水盲管(同時(shí)用土工布包裹)→防水板覆蓋→驗(yàn)收→澆筑仰拱混凝土。上述施工流程較為簡(jiǎn)單，具體可參考文獻(xiàn)[9]。當(dāng)前施工方法存在的問(wèn)題是：為了固定排水盲管，其必須緊貼著隧道初支面或者巖面，從而嚴(yán)重減少排水盲管的滲水面積，如圖4。

3.2 施工方法優(yōu)化

為保證排水盲管的滲水能力，本文在現(xiàn)有施工工藝的基礎(chǔ)上，提出以下2個(gè)方面的優(yōu)化措施。

1) 優(yōu)化排水盲管的位置，圖4中的排水盲管是貼住初支面的，打孔波紋管的滲水面積只有15 cm2/m，襯砌背后裂隙水被堵的風(fēng)險(xiǎn)較大。按照本文提出的排水盲管安裝位置，如圖5，打孔波紋管的滲水面積為24 cm2/m，比當(dāng)前的施工方法增加了9 cm2/m，大大提升了排水盲管的滲水能力，從而降低裂隙水被堵在襯砌背后的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 排水盲管安裝

圖5 排水盲管安裝優(yōu)化

2) 采用管卡具代替定位鋼筋，如圖5，如此不僅可以保證排水盲管位置準(zhǔn)確，也不會(huì)因?yàn)闈仓炷習(xí)r排水盲管發(fā)生變位而影響滲排水效果。最關(guān)鍵的是，可以使排水盲管與初支面之間存在2 cm的間隙，間隙里用土工布填塞，增大了滲水能力。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

太陽(yáng)灣隧道位于硐村背斜南翼，根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告：隧址地層依次為卵石土、崩坡積塊石土、粉質(zhì)黏土，泥巖夾砂巖，地下水位到隧道中心位置的最大垂直距離為230 m，隧道初支半徑為7.1 m，穿越的地層主要為泥巖夾砂巖，該地層的滲透系數(shù)為2×10?8m/s，于是根據(jù)第2.3節(jié)可計(jì)算得到單位延米圍巖的滲水量為8.3×10?6m3/s。

4.2 排水盲管選取

為減少襯砌背后的水壓力，將圍巖滲水量限量排走，采用管徑為100 mm的波紋管，管道的打孔方式為：每圈6個(gè)孔，孔洞成長(zhǎng)方形，尺寸為3 mm×10 mm，沿管道縱向方向每10 cm一圈，孔洞堵塞系數(shù)取8，根據(jù)式(6)，可得排水管的滲水量為1.4×10?5m3/s；進(jìn)一步根據(jù)式(8)可得排水管的最大排水量為3.7×10?2m3/s，能夠滿足實(shí)際工程對(duì)排水盲管的質(zhì)量要求。

4.3 排水盲管施工安裝

太陽(yáng)隧道縱向排水盲管的安裝工藝與現(xiàn)有的相近，但采用了管卡具代替定位鋼筋，同時(shí)保證了排水盲管與初支面之間2 cm的間隙，間隙里用土工布填塞。

5 結(jié)論

1)為規(guī)范鐵路隧道排水盲管的質(zhì)量要求，將鐵路隧道排水盲管的質(zhì)量指標(biāo)歸納為聚乙烯含量、環(huán)剛度、滲水能力和管徑，并確定各指標(biāo)相應(yīng)計(jì)算方法及控制閾值。

2)結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)提出鐵路隧道縱向排水盲管安裝的2個(gè)優(yōu)化措施，即優(yōu)化排水盲管的位置和采用管卡具代替定位鋼筋，并進(jìn)行工程應(yīng)用，取得良好應(yīng)用效果。

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Construction quality and control of blind drainage pipe in railway tunnels

HUANG Guofu1, CHEN Mihang1, WANG Miao1, Yü Fuyao1, GUO Wei1, LEI Mingfeng2, 3

(1. China Construction Tunnel Construction Co., Ltd., Chongqing 401320, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha 410075, China)

Based on the analysis of blind drainage pipe in the tunnel engineering design method, quality control, and there is no perfect standard system of the status quo, from the tunnel longitudinal drainage pipes, according to the working principle of the system in design method, the control index were analyzed and summarized in this paper and the construction quality is insufficient, pointed out that: the design of blind drainage pipe should be closely combined with the tunnel project of groundwater environment, according to its actual seepages and national standard to calculate and determine the pipes production, and should not blindly to paraphrase near professional standard procedures. The design of tunnel blind drainage pipe should be determined as four control indexes: polyethylene content, ring stiffness, seepage capacity and pipe diameter. The installation of upstream drainage blind pipe should fully consider the risk of blockage in operation and reserve adequate seepage channels in advance. Finally, combining with the engineering practice, the construction optimization method of drainage blind pipe is given from two aspects: the installation position of drainage blind pipe is optimized and the pipe clamp is used to replace the positioning steel bar.

blind drainage pipe; action principle; design method; quality index; construction optimization

U25

A

1672 ? 7029(2019)07? 1751 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.020

2018?09?19

中建股份科技研發(fā)課題(CSCEC-2016-Z-21-1)；中建五局科技研發(fā)課題(cscec5b-2016-06)

雷明鋒(1983?)，男，湖南祁東人，副教授，從事隧道及地下工程結(jié)構(gòu)理論與應(yīng)用研究；E?mail：mingdfenglei@csu.edu.cn

(編輯 陽(yáng)麗霞)