巖溶地區(qū)隧道的排水設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)

田世寬，李 維

(中交一公局第四工程有限公司，廣西 南寧 530033)

0 引 言

隨著中國交通基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展，高速公路、高鐵逐步向山區(qū)、深山區(qū)延伸和推進，這就使得特殊地形、地質(zhì)條件下及巖溶區(qū)、破碎帶、斷層帶的隧道的防排水設(shè)計也成為一個越來越重要和必需研究的課題[1-7]。目前，已經(jīng)通車或通車幾年的隧道都暴露出了很多問題，如二襯漏水、開裂、下沉、仰拱或路面下沉、開裂，中央排水溝堵塞或內(nèi)澇，影響公路交通甚至火車的正常通行等。冬季隧道進出口段路面出現(xiàn)結(jié)冰打滑，春季進出口路面、二襯、排水溝等出現(xiàn)凍融等多種病害。其實，隧道問題最終落腳點還是水的問題，只要解決了水的隱患，就能夠徹底解決隧道的許多質(zhì)量問題[8-11]。

通過詳細排查和深入分析發(fā)現(xiàn)，水隱患是對隧道防排水設(shè)計、施工、運營管理的精細化做得不夠、管理措施不到位等造成的，因此本文就特殊地區(qū)、巖溶地區(qū)、斷層地帶的隧道防排水設(shè)計及施工提出一些觀點。

1 地表水系調(diào)查和水文地質(zhì)勘測

設(shè)計山區(qū)隧道排水系統(tǒng)，首先要對地表水系等進行調(diào)查，然后根據(jù)地勘及水文報告作進一步的精確設(shè)計。

1.1 地表水系調(diào)查

加強隧道區(qū)域地形、地貌、匯水面積、大氣降雨、局部區(qū)域匯水、落水洞、消水洞及地質(zhì)構(gòu)造、山體走勢、巖層傾斜及傾角、地震影響等的地表調(diào)查和分析，探明其與隧道的相對關(guān)系，然后通過大數(shù)據(jù)進行分析，確定各自然條件及環(huán)境對隧道排水設(shè)計的影響；加強對雨后水量、流向、走勢的調(diào)查、分析和統(tǒng)計，為地質(zhì)鉆探及布孔做好準(zhǔn)備。

1.2 水文地質(zhì)勘探

水文地質(zhì)勘探主要是對地下水位、地質(zhì)構(gòu)造、地下水補給以及與大氣降水的關(guān)系等做出一個初步的判斷，為隧道排水系統(tǒng)設(shè)計提供依據(jù)。

2 施工前期現(xiàn)場踏勘及設(shè)計復(fù)核

2.1 現(xiàn)場踏勘

進場后，對隧道洞頂?shù)乇?、地面、地形、地貌及匯水、水文等進行詳細踏勘，對存在的天坑、地陷、落水洞、消水洞、地質(zhì)斷層及破碎帶等進行測量，標(biāo)明其與隧道位置的相互關(guān)系，并對可能對隧道施工產(chǎn)生的影響等進行初步分析和評估。

2.2 設(shè)計復(fù)核及計算

將設(shè)計給出的隧道出水量、地質(zhì)構(gòu)造、斷層、斷裂破碎帶、巖層傾角及走向、穩(wěn)定性等與現(xiàn)場踏勘進行比較和復(fù)核，初步分析設(shè)計依據(jù)及設(shè)計資料是否準(zhǔn)確、可靠，提出是否對存在疑問、爭議或不確定的影響部位進行補充地質(zhì)、水文調(diào)查及補充勘探等。

3 特殊地質(zhì)、地形條件下的隧道防排水措施

特殊地形、地質(zhì)、富水地區(qū)等條件下的隧道防排水須堅持動態(tài)設(shè)計、施工和管理，要有一定的超前預(yù)防措施。根據(jù)設(shè)計、前期調(diào)查、補充調(diào)查、地勘資料編制可實施的施工組織設(shè)計、專項方案及應(yīng)急預(yù)案，同時要建立各種應(yīng)急設(shè)計處治方案。由于山區(qū)、深山區(qū)地形、地質(zhì)及水文等極其復(fù)雜和多變，很難一次性設(shè)計到位，而實際施工是對設(shè)計的最后一次檢查和完善，管理不善會為日后運營留下較大的安全及質(zhì)量隱患。因此，需要充分發(fā)揮施工經(jīng)驗，彌補設(shè)計不足和疏漏，同時也需要業(yè)主和設(shè)計者及時轉(zhuǎn)變觀念，增強超前意識，按“動態(tài)設(shè)計、動態(tài)施工及動態(tài)管理”的原則主導(dǎo)隧道防排水設(shè)計及施工?？偟脑瓌t是“宜疏不宜堵、以疏為主、防排結(jié)合”，但是在特殊地帶，也不排除以堵為主和疏堵結(jié)合。具體措施如下。

(1)仔細復(fù)核設(shè)計文件，詳細了解和熟悉地勘資料，特別是圍巖等級以及節(jié)理、裂隙、巖溶的發(fā)育，設(shè)計防排水細部要求及措施。

(2)加強現(xiàn)場踏勘和地質(zhì)、地形、水文及地表水匯水面積調(diào)查，包括地表沉陷、天坑以及地表水、地下水的匯聚及走向。要發(fā)揮地質(zhì)專家、水文專家的作用，善于發(fā)現(xiàn)設(shè)計不足和遺漏，報告發(fā)現(xiàn)的問題。

(3)分析進洞以后的實際圍巖情況，包括巖溶洞及其排水走向，巖溶洞及其消水洞情況，節(jié)理、裂隙發(fā)育及裂隙水情況，圍巖等級、巖性和風(fēng)化程度。只有充分了解和掌握實際情況，才能采取針對性的方案及措施。

(4)抓住雨季施工，多暴露問題，變不利條件為有利條件，及時發(fā)現(xiàn)問題，采取措施，徹底解決防排水問題。

(5)規(guī)避旱季的施工質(zhì)量風(fēng)險。在旱季施工時很容易盲目樂觀，也就容易放過一些質(zhì)量問題，留下安全隱患。通過調(diào)查和分析，裂隙水、巖溶水的防排水設(shè)計問題大多數(shù)都出在旱季施工的隧道。

(6)對于裂隙比較發(fā)育的地段，無論是雨季還是旱季施工，都必須加密環(huán)向排水系統(tǒng)，同時通過三通管將裂隙水收集、排除。

(7)對于巖溶比較發(fā)育的溶洞，無論是干洞還是落水洞，都必須按一個溶洞用一種防排水設(shè)計去完善，包括縱向、橫向、環(huán)向、左右兩邊的，必須讓出水能夠及時、快捷地排除。有消水洞的，可以直接排到消水洞，否則加大、加密或預(yù)埋橫向(初支后與二襯之間，穿過二襯埋設(shè)PVC管或鑄鐵管)排水管，也就是設(shè)置隧道內(nèi)滲水或出水排水通道，防止出水不能及時排走，而導(dǎo)致隧道二襯后水壓上升或漏水等。

(8)對于不同的圍巖等級、風(fēng)化程度、巖性，采取有針對性的措施。如果對軟巖及圍巖較差的隧道二襯拱邊墻及二襯的基礎(chǔ)承載力、仰拱回填、路面基底處理不到位，就會出現(xiàn)二次不均勻下沉、開裂。

(9)對于不同的區(qū)域和易發(fā)生進出口凍融的隱患，更需要加強和完善防排水系統(tǒng)，如在防排水系統(tǒng)背后設(shè)置一層粒料層，厚度控制在10 cm左右；對于仰拱、路面和排水溝，宜設(shè)置一些帶粒料的排水盲溝或碎石墊層。也就是通過粒料的空隙去吸收絕大部分的凍脹變形，而不至于損壞永久性結(jié)構(gòu)。同時，粒料層也可以起到快速排掉內(nèi)部出水的作用。

(10)加強對拱邊墻三通管和橫向接通縱向主排水溝的檢查和疏通，否則一旦淤積堵塞，就會造成許多質(zhì)量問題和安全隱患。通過施工工序標(biāo)準(zhǔn)化管理可以徹底解決這類問題，如采用仰拱、中央水溝及蓋板、仰拱回填及找平層同步施工工序管理，就可以避免因蓋板上仰拱找平層混凝土施工不及時而導(dǎo)致的蓋板被壓碎和掉落雜物問題。如果進行路面施工時沒有及時更換已經(jīng)壓碎的水溝蓋板和清理水溝內(nèi)雜物，很容易遺留一些質(zhì)量、安全隱患，例如水溝堵塞、路面沉陷等。

(11)加強對路面，特別是隧道瀝青路面、進出口段路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部排水系統(tǒng)的設(shè)置和完善，如在較低一側(cè)靠近電纜溝設(shè)置路面層間排水盲溝，即使路面有層間滲水，也能夠及時排除，不至于堵塞和結(jié)冰，避免路面結(jié)冰打滑和發(fā)生凍脹破壞。

(12)加強進、出口地表水的攔截和排除，加強洞口縱向、橫向排水系統(tǒng)的設(shè)計和完善，防止雨水倒灌和內(nèi)澇。

(13)加強縱向主排水溝斷面和環(huán)向最大出水量的設(shè)計和驗算，需要根據(jù)隧道滲水、出水、雨季巖溶洞局部漲水等的影響，計算其最大流量，以此作為排水系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)，否則環(huán)向和縱向排水系統(tǒng)排水不及時，就會破壞二襯和路面，造成二襯漏水，雨水倒灌、浸泡仰拱和二襯基礎(chǔ)，使風(fēng)化軟巖隧道的仰拱、二襯及基礎(chǔ)承載力下降，發(fā)生不均勻沉降及開裂等諸多病害。

4 特殊季節(jié)的隧道防排水注意事項

在設(shè)計及施工階段，易發(fā)生對地表水系及隧道內(nèi)出水等調(diào)查或預(yù)判不足的情況，比如：因為旱季調(diào)查或施工時沒有水就做出無水的判斷，導(dǎo)致在雨季出現(xiàn)大量的隧道內(nèi)涌水；冬季施工對春季融雪預(yù)判不足，導(dǎo)致一些運營后期隧道出現(xiàn)病害。

4.1 雨季施工

要利用雨季施工的特點，抓住時機，將雨季暴露出來的防排水問題一次性解決，比如設(shè)計的防排水系統(tǒng)是否滿足實際情況，巖溶洞和消水洞的專項防排水設(shè)計及裂隙、節(jié)理發(fā)育地帶的防排水設(shè)計是否到位等。明確雨后地表水的走向、隧道內(nèi)出水點及出水量的變化等，對于出水比較集中的部位，如水囊、突水等，必須準(zhǔn)確標(biāo)注其位置，通過收集數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，并對結(jié)果采用動態(tài)設(shè)計及管理理念來指導(dǎo)隧道的防排水設(shè)計及施工，盡可能消除運營后期可能發(fā)生的二襯滲水、漏水、開裂和下沉等質(zhì)量病害。對于在施工過程中出水較多、較集中的部位，一是加密環(huán)向排水盲溝；二是在拱腳施工二襯時預(yù)留孔徑較大的PVC或鑄鐵管等橫向排水溝，接通到初支背后，即使在后期有大出水，也可以及時通過橫向管排走，避免初支與二襯之間排水不及時、水壓增大，穿過初支，導(dǎo)致二襯漏水、路面拱起甚至水淹；三是對于大的落水洞、消水洞四周或錯位、施工破壞的情況，均需增設(shè)涵洞、橫洞或?qū)?，將水系及排水通道接通?/p>

4.2 旱季施工

旱季施工時容易忽略和掩蓋一些防排水的問題，因此需要一定的施工經(jīng)驗來指導(dǎo)施工。對于巖溶洞、消水洞、節(jié)理和裂隙發(fā)育的地段，不能因為在旱季施工沒有出水就視作無水處理。同樣，需要結(jié)合現(xiàn)場地形、地質(zhì)及地表匯水分析地表地形及水的走向，并做出預(yù)判和預(yù)加強防排水設(shè)計。寧可估計過一點，也不能估計不足；要多參考和分析類似條件隧道的防排水設(shè)計，觀測其他隧道運營過程發(fā)生的事故情況，吸取教訓(xùn)，防止問題再犯。

4.3 冬季與春季施工

北方隧道施工主要考慮冬凍和春融的影響，歸根結(jié)底還是防排水的問題，特別是隧道進出口段。一是因初支與二襯之間積水或排水不暢而發(fā)生凍脹，導(dǎo)致二襯開裂；二是路面排水不暢、結(jié)冰，致使交通事故頻發(fā)；三是路面層間排水不暢、發(fā)生凍脹，導(dǎo)致路面拱起開裂；四是冬天發(fā)生凍脹，春天則發(fā)生春融，導(dǎo)致二襯漏水和路面唧泥等。主要預(yù)防措施包括：加強防排水設(shè)計，初支可以考慮濕噴大空隙混凝土，或者在防水板后增設(shè)一層橡膠或類似功能的粒料層，目的主要是增強排水效果，一旦有滲水，就可以及時排除；隧道內(nèi)或進出口縱坡適當(dāng)設(shè)計大一些(不小于1.5%)，便于及時排水；路面采用防水效果好的設(shè)計配合比，同時在較低一側(cè)設(shè)置盲溝，及時排出層間水。

只要解決了凍脹，也就解決了春融，這兩個問題實際上是一個問題，故應(yīng)在冬天施工時提前考慮春天的影響，春天施工時考慮冬天的影響。

5 特殊地質(zhì)、地層隧道的防排水設(shè)計及施工

5.1 軟巖隧道的防排水施工

對于泥巖、砂巖、頁巖和板巖等軟巖隧道，要充分重視排水系統(tǒng)和水的影響及破壞，特別是設(shè)計和施工期間沒有水，而在運營階段由于一些其他原因或遇到極端氣候，風(fēng)化程度較高的軟巖隧道一旦被地下水浸泡或排水不暢，則極易發(fā)生仰拱下沉和二襯不均勻下沉及開裂。因此，軟巖隧道不要輕易取消仰拱。

5.2 煤系地層隧道的防排水施工

煤系地層同樣是對水特別敏感的地層，遇到此類圍巖隧道更需要特別重視，在采取上述措施的同時，還需做專項防排水設(shè)計，編制專項排水及施工方案。

5.3 凍融地區(qū)隧道進出口的防排水施工

受低溫和結(jié)冰的影響，一旦隧道內(nèi)排水不暢或積水，就會發(fā)生凍脹。這種現(xiàn)象在北方尤為明顯，水是主因，也是導(dǎo)致隧道凍脹病害的主要困擾。因此，急需研究一種技術(shù)和設(shè)施解決防排水問題。北方隧道防排水設(shè)計原則是以排為主，防排結(jié)合。

(1)北方隧道進出口及洞內(nèi)縱坡設(shè)計從有利于排水的出發(fā)點考慮，縱坡盡可能大一些。

(2)隧道初期支護研究一種類似粗砂大孔混凝土，以利于及時排除隧道內(nèi)滲水，不至于積水后結(jié)冰而發(fā)生凍脹。

(3)可在二襯及防水板背后增設(shè)一層粒料，一是便于排水，二是即使發(fā)生凍脹，也可以通過粒料吸收一部分或大部分凍脹變形，不至于破壞二襯。

(4)對于路面層間水，一方面適當(dāng)加大路面橫坡，另一方面可在較低一側(cè)設(shè)置排水盲溝，及時排出基層、面層及各層間的滲水和積水。

(5)目前的進出口段設(shè)計是做一些保溫層，但是要充分考慮隧道風(fēng)洞的影響。由于風(fēng)不斷帶走隧道內(nèi)的熱量，很可能比外面溫度更低，這就要求進出口保溫層設(shè)置長度要滿足實際要求。

6 結(jié) 語

無論是在北方還是南方，水都是隧道所有問題的誘因和主因，南方隧道只要解決了防排水問題，就解決了所有問題；北方隧道只要不積水，就不會發(fā)生凍脹，也就不會發(fā)生春融。