公路隧道防排水系統(tǒng)施工技術(shù)研究

(1 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 設(shè)備工程系，河南 鄭州 450000；2 南京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 環(huán)境工程系，江蘇 南京 210000)

0 引言

隨著我國交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，我國公路總里程已位居世界第一。目前我國的路網(wǎng)基本完善，在建公路主要是西南等偏遠(yuǎn)山區(qū)，這些地區(qū)山高水多，隧道在公路中的所占比例較大。在富水地層中修建公路隧道最棘手的問題是對地下水的處治，針對這一問題，眾多研究者開展了相關(guān)研究工作，日本[1]對山嶺隧道和跨海隧道分別給出了不同的隧道修建過程中的滲漏水解決辦法；德國等歐洲國家[2]率先將防水材料用于襯砌結(jié)構(gòu)中，有效減輕了隧道內(nèi)滲漏水現(xiàn)象；我國在上世紀(jì)70年代引入新奧法這一科學(xué)的隧道施工方法，當(dāng)時施工人員及相關(guān)研究人員還未清楚地認(rèn)識到地下水對施工及后期隧道運營產(chǎn)生的影響[3]，80年代起為了加快施工進(jìn)度，施工中地下水的問題被引起重視，形成了一套防排水體系[4]；在防水卷材方面，我國科研人員研制了適用于隧道內(nèi)特殊環(huán)境下的聚氯乙烯等防水卷材，補(bǔ)齊了我國在這一領(lǐng)域的短板[5]。本文從隧道防排水體系施工角度出發(fā)，詳細(xì)闡述了施工中水害的處理方法，對今后的公路隧道施工具有一定的借鑒意義。

1 地下水對施工的影響

根據(jù)地下水所處的位置不同，將地下水分為巖石裂隙水、巖溶水和孔隙水3類[6]。巖石裂隙水分布在巖石裂隙或斷層破碎帶中，其水量根據(jù)地質(zhì)條件不同而不同。巖溶水廣泛分布于我國云南貴州等地區(qū)，巖溶水是指在巖溶地質(zhì)地區(qū)，地下水和溶巖同時存在，由于水對巖石的溶解作用，溶巖水的流向和水包位置很難確定，是隧道施工中最危險的水害。孔隙水是指分布在軟弱圍巖或各類土層中的水，孔隙水滲透性強(qiáng)，相對穩(wěn)定，是工程中常見的地下水。達(dá)西通過實驗給出了水在其他介質(zhì)中的滲流規(guī)律，如式(1)所示。

Q=kAi

(1)

式中：Q為滲流量；k為滲透系數(shù)；A為過水?dāng)嗝娣e；i為水力梯度。

地下水可以改變隧道圍巖的物理化學(xué)性質(zhì)，降低圍巖承載力。隧道開挖改變了原地層的相對穩(wěn)定狀態(tài)，使圍巖發(fā)生擾動，產(chǎn)生二次應(yīng)力，施工中巖溶水中含有大量硫酸根、氯離子等腐蝕性化學(xué)物質(zhì)，能溶解周圍巖體，同時施工中的地下水對巖體有潤滑作用，巖層或破碎帶中的水分降低了巖體間的摩擦[7]，當(dāng)圍巖擾動后造成塌方等事故。

施工過程中發(fā)生管涌、突水等事故，延誤工期，增加施工風(fēng)險。當(dāng)隧道處于富水地層時，前期地質(zhì)勘察和超前地質(zhì)預(yù)報并不能完全掌握隧道周圍復(fù)雜的水環(huán)境，因此施工過程中極易引起掌子面塌方，引起人員傷亡和經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，施工中掌子面遇到水包等不良水文地質(zhì)條件時掌子面排水作業(yè)延誤工期，增加施工風(fēng)險。

隧道帶水施工增加施工成本。施工中若發(fā)現(xiàn)圍巖中地下水含量豐富要采取注漿封堵或開挖排水等措施，增加施工材料及機(jī)具用量，增加施工成本。

2 防排水系統(tǒng)施工研究

對于施工中地下水的治理，要遵循“防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則[8]，防是指利用支護(hù)結(jié)構(gòu)防止地下水流入隧道內(nèi)，影響施工安全；排指隧道開挖中遇到的透水事故，要及時排出隧道，避免在施工現(xiàn)場沉積；堵是指開挖斷面內(nèi)局部冒水事故，及時注漿封堵，防止?jié)B水量過多；截是指采用截水溝等排水結(jié)構(gòu)將開挖影響范圍外的地下水疏導(dǎo)截流，防止其流入隧道開挖范圍內(nèi)。施工過程中要根據(jù)隧道水文地質(zhì)情況，合理選用地下水治理方法，在實際施工過程中往往采用幾種防排水體系相結(jié)合的綜合治理方法。

2.1 注漿堵水施工技術(shù)

注漿是施工中常用的應(yīng)對涌水突泥事故的處理方式[9]。注漿用漿體要根據(jù)地層條件合理選取，既要考慮漿液在周圍巖體中的流動性，又要考慮漿液的凝固時間和強(qiáng)度，施工注漿主要確定注漿量和注漿壓力兩個參數(shù)，注漿壓力的計算參見式(2)和式(3)。施工中漿液用量要控制在合理的范圍內(nèi)，漿液用量過多，堵水效果雖然顯著但浪費材料，影響工期，注漿量過少達(dá)不到預(yù)期效果，隨著隧道開挖的深入，涌水點可能發(fā)生二次涌水事故，增加施工風(fēng)險。

P1=(0.2～0.5)H

(2)

P2=(0.2～0.5)HK

(3)

式中：P1為從地表注入漿液時壓力；P2為從隧道內(nèi)注入漿液時壓力；H為壓力水高；K為修正系數(shù)。

2.2 防水卷材施工技術(shù)

為了防止隧道運營過程中地下水穿過二次襯砌滲入隧道內(nèi)影響行車安全[10]，在隧道修建過程中初次支護(hù)和二次襯砌間要設(shè)置一層防水層，防水層一般為土工織物和防水板組成。

施工中常見初期支護(hù)表面鋼筋裸露或噴射混凝土中級配碎石棱角尖銳部分將防水板扎破，因此施工中要采取必要措施，避免類似質(zhì)量問題。一方面要對初期結(jié)構(gòu)表面處理，通常是在噴射的混凝土表面涂抹一層水泥砂漿，對于錨桿鋼筋等結(jié)構(gòu)裸露部分，要用冷加工方法處理突出部門，最后也要用砂漿材料抹平。另一方面要加強(qiáng)防水層本身的力學(xué)性能，通?？梢约雍裢凉た椢锏暮穸?，增大防水層的柔性，使用性能優(yōu)良的防水板材。工程中常用防水板為PVC防水卷材，其各項指標(biāo)如表1所示。

表1 PVC防水卷材性能指標(biāo)Table 1 Performance indicators of PVC waterproof rolls卷材類型拉伸強(qiáng)度/MPa斷裂伸長率/%熱處理尺寸變化率/%低溫彎折性剪切狀態(tài)下的粘合性優(yōu)等品152502P型一等品102002環(huán)境溫度-20 ℃時無裂紋≥2 N/mm或在接縫處斷裂合格品71503S型一等品52005合格品21207

2.3 橡膠止水帶施工技術(shù)

由于隧道結(jié)構(gòu)是長條形帶狀構(gòu)造物，施工中會有變形縫、沉降縫等分段澆筑接頭部分，施工中襯砌接頭處通常采用橡膠止水帶止水。工程中常用的橡膠止水帶為OMEGA止水帶，橡膠止水帶在接縫處的作用從防水角度講和二襯混凝土是相同的，是結(jié)構(gòu)自防水的一部分，橡膠止水帶施工時中心線要與施工縫對齊，止水帶要安裝牢固，安裝過程中要一次完成，避免截斷。

2.4 二次襯砌抗?jié)B施工技術(shù)

襯砌防水是結(jié)構(gòu)自防水的根本。二次襯砌采用抗?jié)B性較高的混凝土材料，施工前要進(jìn)行配合比實驗，嚴(yán)格控制水灰比、水膠比，施工中各類骨料要嚴(yán)格篩選，控制混凝土質(zhì)量，混凝土中要添加減水劑、膨脹劑等外加劑[11]，外加劑用量要根據(jù)實驗確定。施工要具有連續(xù)性，減少施工縫數(shù)量，混凝土澆筑過程中要保證模板支架的相對穩(wěn)定，防止鋼筋網(wǎng)扎破防水層。

2.5 排水盲溝及截水溝施工技術(shù)

隧道內(nèi)的盲溝分為環(huán)向盲溝和縱向盲溝，環(huán)向盲溝布設(shè)沿隧道環(huán)向，并且兩個盲溝間有一定的間距，一般在開挖后滲漏水點設(shè)置，環(huán)向盲溝一般采用半圓形PVC管，施工中要嚴(yán)格把控管材質(zhì)量，防止出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，半圓管要與初期支護(hù)要錨接牢固，防止脫落。縱向盲溝布設(shè)沿隧道軸線方向，縱向盲溝布設(shè)坡度和隧道縱坡相同，縱向盲溝每隔一定距離要設(shè)置三通，將水流引入到中心排水溝，縱向盲溝施工薄弱環(huán)節(jié)是三通的連接部位，要嚴(yán)格控制連接質(zhì)量，防止三通脫落。

截水溝是設(shè)置在隧道外的排水設(shè)施，排水溝作用是將隧道山體頂部降水排入道路排水系統(tǒng)中，防止山體中地表水下滲流入隧道內(nèi)[12]。截水溝施工要根據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)條件選用合適地層，必要時要對地基進(jìn)行預(yù)處理，防止雨水沖刷下結(jié)構(gòu)開裂變形。

3 某公路隧道防排水系統(tǒng)施工分析

3.1 工程概況

某公路隧道位于首都環(huán)線高速公路G95承德境內(nèi)，隧道為雙向雙洞分幅行駛，上行方向全長1 224 m，下行方向1 256 m。隧道所在山區(qū)地層主要有粉質(zhì)黏土、中砂、中風(fēng)化石英斑巖，地下水主要為孔隙水和和基巖裂隙水，施工過程中，在上行方向隧道入口500 m處，隧道內(nèi)滲漏水較嚴(yán)重,見圖1。

圖1 隧道施工Figure 1 Tunnel construction

3.2 防水卷材施工

防水卷材施工前，隧道初期支護(hù)表面有部分凸起，施工前對表面進(jìn)行噴漿處理，其前后對比如圖2所示，施工中對于滲漏點處，先進(jìn)行注漿封堵，保證滲漏處不滴水，防水卷材的搭接處施工完成后立即進(jìn)行質(zhì)量驗收，對于質(zhì)量不符合要求的搭接頭立即返工處理。

(a) 初支凸起(b) 處理后的初支面

3.3 混凝土自防水施工

本工程中采用抗?jié)B等級為P8的混凝土材料，工程中嚴(yán)格篩選混凝土所用材料，工程用水泥為硅酸鹽水泥并加入減水劑和膨脹劑，混凝土澆筑過程中加強(qiáng)振搗防止骨料不均影響混凝土質(zhì)量，澆筑完成后加強(qiáng)灑水養(yǎng)護(hù)，混凝土配合比見表2。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete Mix Ratio粗骨料細(xì)砂水泥粉煤灰水減水劑膨脹劑含量/%8617672881901704.710

3.4 結(jié)構(gòu)縫防水施工

沉降縫和施工縫是隧道內(nèi)的兩種結(jié)構(gòu)縫。本工程中結(jié)構(gòu)縫處采用橡膠止水帶和止水膠條，每次結(jié)構(gòu)縫施工前要對周圍混凝土進(jìn)行一次清掃，清除結(jié)構(gòu)表面殘渣，止水帶和膠條安裝前對嚴(yán)格檢查質(zhì)量，避免止水帶材料漏水，安裝完成后對每條止水帶和止水膠條進(jìn)行質(zhì)量檢驗，如圖3止水帶安裝。

圖3 止水帶安裝Figure 3 Installation of waterstop belt

4 結(jié)論

地下水對隧道建設(shè)是十分不利的。在隧道開挖中地下水涌入隧道發(fā)生透水、管涌等事故，輕則延誤工期，增加施工成本，重則破壞支護(hù)結(jié)構(gòu)，引起掌子面塌方，釀成施工人員傷亡的安全生產(chǎn)事故。因此施工中如何處理地下水是關(guān)系到施工進(jìn)度、成本和安全的重要問題。本文研究了公路隧道防排水系統(tǒng)施工技術(shù)，主要得出了以下結(jié)論：

a.根據(jù)地下水所處的地址環(huán)境不同，將地下水分為巖石裂隙水、巖溶水和孔隙水3類，這3類地下水所對隧道施工分別產(chǎn)生不同的影響，施工中處理每類地下水的方法也不同。

b.施工中地下水處理要遵循“防、排、堵、截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則，介紹了注漿堵水施工技術(shù)、防水卷材施工技術(shù)、橡膠止水帶施工技術(shù)、二次襯砌抗?jié)B施工技術(shù)、排水盲溝及截水溝施工技術(shù)。

c.結(jié)合某公路隧道修建過程中隧道防排水系統(tǒng)實例，從材料控制、現(xiàn)場質(zhì)量控制及施工技術(shù)控制角度分析了隧道防排水系統(tǒng)施工。