復(fù)合式襯砌隧道防排水設(shè)計幾個問題探討

李治國

(1. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

我國自20世紀60年代大規(guī)模修建鐵路、公路、市政隧道和地下工程以來，如何防止隧道滲漏水一直是隧道和地下工程界面臨的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)1993年5月的統(tǒng)計資料顯示[1]，我國5 000余座鐵路隧道，有近1/3的隧道存在著不同程度的滲漏水。2002年底，共修建有鐵路隧道5 711座，其中滲漏水嚴重的隧道有1 620座，占隧道總數(shù)的28.4%[2]。2013年鐵路運營部門對2005年以來投入運營的隧道進行了調(diào)查和檢測，發(fā)現(xiàn)2 250座隧道中共有23 090處缺陷，并對缺陷進行了整治[3]。從近年來通車的鐵路隧道看，混凝土防水質(zhì)量普遍提高，混凝土本體滲水點和濕漬明顯減少，但高水壓富水隧道施工縫、變形縫、隧道底板滲漏水等問題依然比較突出。此外，部分公路隧道、市政隧道、地鐵隧道、人防隧道等也不同程度地存在滲漏水問題，有的隧道雖經(jīng)多次整治，但滲漏水難以根治，從而影響運營。對此，國內(nèi)外很多學(xué)者進行了研究和探討[4-5]，并提出了很好的解決方法和思路，但由于地質(zhì)、設(shè)計、施工、運營等方面的原因，一些隧道依然存在比較嚴重的滲漏水問題。滲漏水不僅會影響結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用，而且可能會引起地下水位下降、地層沉降或塌陷、建(構(gòu))筑物破壞，造成經(jīng)濟損失和安全事故。因此，本文重點從隧道排水量和水壓力分級、防排水體系、防水效果檢查和評價等方面進行分析，研究和探討復(fù)合式襯砌隧道及地下工程防排水設(shè)計應(yīng)注意的幾個問題，并提出相應(yīng)的對策。

1 隧道防排水設(shè)計現(xiàn)狀及存在的主要問題

1.1 隧道防排水設(shè)計現(xiàn)狀

我國20世紀70年代以前修建的交通隧道工程，其防排水設(shè)計理念主要依靠混凝土的自防水，對于高水壓、富水隧道基本以排為主，例如成昆線沙木拉達隧道、湘渝線大巴山隧道等主要依靠襯砌混凝土的自防水和排水設(shè)施。從20世紀80年代開始，復(fù)合式襯砌隧道的防排水設(shè)計遵循的原則主要是"防、排、截、堵相結(jié)合，剛?cè)嵯酀虻刂埔?，綜合治理"[6]。大部分隧道采用的防排水理念基本是防、堵、排相結(jié)合，在水量小、水壓低的情況下以防、排水為主，在水量大、水壓高的情況下以堵、排為主。一般隧道采用噴射混凝土、防水板或噴涂防水涂料、防水混凝土及接縫防水，并輔以排水措施；對于高水壓(水壓力大于0.5 MPa)、富水隧道(排水量大于0.5 m3/(m·d))，另外加以注漿、樁(墻)阻斷、旋噴等技術(shù)進行堵(阻)水。

渝懷線圓梁山隧道毛壩向斜高水壓富水溶洞區(qū)實測最大水壓力達到3.0 MPa，最大涌水量達到10 000 m3/h，采用超前全斷面注漿和徑向注漿進行堵水，在隧道上方修建了泄水洞，并通過鉆孔埋管引水的方式，將洞頂8.0 m以外的地下水引入平導(dǎo)排出，以減少正洞二次襯砌所承受的水壓力。初期支護采用25 cm厚噴C20、 P8鋼纖維混凝土，并采用塑料排水板和二次襯砌C40、 P12防水混凝土進行全封閉防水，防水板背后未設(shè)置排水盲管。一般富水地段及溶洞影響區(qū)域，在防水板背后設(shè)置排水盲管，允許將防水板后的水引入側(cè)溝排出。

廈門翔安海底風(fēng)化槽Ⅳ、Ⅴ級圍巖段隧道水壓力為0.5～0.7 MPa，最大涌水量為50 m3/h，采用超前注漿堵水和徑向注漿措施。初期支護采用30 cm厚噴C25、 P8混凝土，并采用塑料排水板和C45、P12高性能防腐蝕混凝土二次襯砌進行全封閉防水，防水板背后未設(shè)置排水盲管。一般Ⅱ、Ⅲ級圍巖地段采取半封閉防水，在防水板背后設(shè)置排水盲管，允許將防水板后的水引入水溝排出，以減小隧道二次襯砌所承受的水壓力。廈門翔安海底公路隧道半封閉防排水如圖1所示，全封閉防排水如圖2所示。

圖1 廈門翔安海底公路隧道半封閉防排水

圖2 廈門翔安海底公路隧道全封閉防排水

1.2 隧道防排水設(shè)計存在的主要問題

從礦山法隧道設(shè)計和施工現(xiàn)狀來看，對于采用復(fù)合式襯砌的大部分隧道，在結(jié)構(gòu)防排水方面，Ⅰ-Ⅲ級圍巖一般在拱墻部位設(shè)置排水盲管、無紡布和防水板及全環(huán)采用防水混凝土的半封閉結(jié)構(gòu)，通過側(cè)溝或中心水溝進行排水；Ⅳ-Ⅵ級圍巖一般全環(huán)設(shè)置排水盲管、無紡布和防水板及防水混凝土全封閉防水結(jié)構(gòu),為了減少二次襯砌背后的水壓力，一部分隧道設(shè)置橫向排水管將水排入側(cè)溝或中心水溝。這2種防水方式的思路是： 在初期支護表面安裝環(huán)向和縱向排水盲管或排水板進行排水，然后采用無紡布+防水板(或墊層+噴涂防水涂料)作為第1道防線，最后現(xiàn)澆防水混凝土或安裝預(yù)制管片作為第2道防線，施工縫和變形縫處采用止水帶、止水條、后注漿等措施進行處理。該防水思路是將隧道作為一個整體進行防水，層層設(shè)防，在水壓較高的情況下，進行排水降壓；在水壓較低的情況下，進行全封閉抵抗水壓。目前，高水壓富水隧道設(shè)計和施工存在的主要問題如下。

1.2.1 部分隧道建成后允許排水量和二次襯砌背后的允許水壓力規(guī)定不夠明確和合理

除極少量特殊隧道不允許排水外，大部分復(fù)合式襯砌隧道采用"堵排結(jié)合，限量排放"的防排水原則，而二次襯砌不滲漏的最大水壓力和最長時間、隧道限量排水、最大排水量允許值，均缺乏具體和合理的指標。有的隧道給出的排水量指標偏大，導(dǎo)致隧道大量排水，對結(jié)構(gòu)安全、運營、環(huán)境造成了較大的影響。因此，應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、環(huán)境條件、使用功能、耐久性、運營維護等要求進一步深入研究隧道允許排水量及二次襯砌背后允許出現(xiàn)的最大水壓力。

1.2.2 對圍巖的防水重視不夠

有的隧道含水量豐富、水壓力高，但未采取系統(tǒng)的堵水措施，導(dǎo)致大量的地下水進入開挖面或貯存在二次襯砌背后的空腔中，在巖體破碎的條件下，由于裂隙聯(lián)通性強和地下水在襯砌背后串流，水壓力很容易擊穿混凝土薄弱環(huán)節(jié)，造成滲漏。一些隧道在進行防水層施工前，初期支護噴混凝土表面仍存在股水、滴水、漏水等現(xiàn)象，噴混凝土質(zhì)量、防水層及二次襯砌澆筑質(zhì)量很難保證；隧道施工后，襯砌背后水壓力不斷上升，造成混凝土薄弱部位滲漏和開裂。

1.2.3 對隧道底部防水不夠重視

如果隧底圍巖破碎，地下水往往從隧道周邊匯集到隧道仰拱部位，因此在施作仰拱初期支護時，隧底的積水很難清理干凈；如果地下水水量豐富，就很容易在隧道仰拱下匯聚，在動荷載反復(fù)作用下，仰拱混凝土出現(xiàn)開裂和滲漏水；如果水壓力大，將導(dǎo)致隧底隆起、道床開裂和翻漿冒泥。

1.2.4 現(xiàn)場澆筑混凝土的均勻性很難滿足高水壓下的抗?jié)B要求

大部分礦山法隧道采用模板臺車現(xiàn)場澆筑混凝土，在模板與防水層之間狹窄的空間中進行大體積混凝土施工，受材料質(zhì)量、環(huán)境溫度、濕度、攪拌、運輸、泵送、振搗、養(yǎng)護等條件的限制，施工中斷現(xiàn)象難以避免，很難保證混凝土澆筑的均勻性和連續(xù)性，因此施工冷縫和蜂窩麻面在混凝土表面隨處可見。對于拱部混凝土，難以灌注和振搗密實，拱部二次襯砌背后脫空和混凝土不密實現(xiàn)象比較普遍。

1.2.5 防排水的檢驗標準不夠全面和合理

目前比較重視試件的室內(nèi)試驗和檢驗，對實體工程的現(xiàn)場抗?jié)B漏試驗檢驗還缺乏系統(tǒng)的試驗方法和標準。

因此，受多種因素影響，雖然目前的隧道防水設(shè)計采用多種措施，層層設(shè)防，工藝復(fù)雜，造價較高，但部分工程的防水效果并不理想，尤其是高水壓、富水隧道滲漏水現(xiàn)象普遍存在，有的隧道大量排水造成水土流失、地下水位下降、地表沉降和塌陷等不良后果。

2 隧道排水量和水壓力控制值分級

GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的防水設(shè)計原則是"防、排、截、堵相結(jié)合，剛?cè)嵯酀?，因地制宜，綜合治理"，并將防水等級劃分為4級，規(guī)定了每級防水所要求的混凝土襯砌表面滲漏標準, 但沒有規(guī)定隧道總的排水量和襯砌背后的水壓力，而這2個值對隧道防排水控制、結(jié)構(gòu)抗?jié)B和環(huán)境安全非常重要。因此，在針對具體工程制訂防排水原則時，應(yīng)根據(jù)環(huán)境、地質(zhì)、使用功能要求、工程使用年限等條件，提出隧道建成后排水量、襯砌背后水壓力的允許值。文獻[7-14]建議將交通隧道允許排水量和襯砌背后水壓力分為6級，如表1所示。按排水量和水壓力2個條件之一對應(yīng)的高級別確定等級，當達到第6級時，隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水及長期大量排水的概率將大大增加，因此在隧道設(shè)計、施工、運營時，應(yīng)盡量防止出現(xiàn)該情況，若出現(xiàn)該情況，應(yīng)采取特殊措施。

表1 交通隧道允許排水量和水壓力分級

從國內(nèi)外大量的工程實踐來看，復(fù)合式襯砌隧道的允許排水量q≤0.01 m3/(m·d)、襯砌背后允許水壓力pw≤0.01 MPa，是一個非常小的數(shù)值，應(yīng)定為1級。主要原因為： 1)該排水量很小，接近地鐵盾構(gòu)隧道的排水要求，一般不會對結(jié)構(gòu)安全和周圍環(huán)境造成不良影響； 2)該排水量一般遠小于隧道側(cè)溝最大允許排水量； 3)隧道設(shè)計的抗?jié)B壓力(防水混凝土一般大于P6)遠大于該水壓值，結(jié)構(gòu)抗?jié)B安全系數(shù)較大。具體解釋為： 假定隧道長度為30 000 m，若q=0.01 m3/(m·d)，則隧道總排水量為Q1=300 m3； 對于一般的交通隧道，側(cè)溝的過水斷面為0.3 m(寬)×0.4 m(高)，如果側(cè)溝中水的流速為0.5 m/s(圓梁山隧道、象山隧道等多座隧道的現(xiàn)場測試表明，側(cè)溝中水的最大流速可達1.0 m/s以上)，則其雙側(cè)水溝的最大排水量為Qmax=10 368 m3/d，實際排水量Q1僅為最大排水量Qmax的2.89%，側(cè)溝具有足夠的排水能力。另外，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計，目前國內(nèi)外地鐵盾構(gòu)隧道的允許排水量一般小于0.2 L/(m2·d)，如果單洞雙線地鐵隧道內(nèi)徑為10.5 m，則其允許排水量為0.007 m3/(m·d)，接近0.01 m3/(m·d)，說明該標準是比較嚴格的。此外，如果隧道二次襯砌周圍受到的最大水壓力為0.01 MPa，按GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》設(shè)計要求，隧道防水混凝土的抗?jié)B等級不得小于P6，也就是一般的防水混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在0.6 MPa水壓力作用下一定時間內(nèi)不發(fā)生滲漏，說明隧道抗?jié)B的安全系數(shù)較大。

據(jù)參考文獻[7]及有關(guān)案例 ，日本青函海底隧道位于海平面下240 m，最大覆蓋層厚度為100 m，水深為140 m，建成后的排水量為0.273 6 m3/(m·d)。丹麥西部沿海奧勒松(Alesund)附近修建有2座海底隧道，一座從奧勒松至埃林索伊島(Ellingsoy)，另一座從埃林索伊島至瓦爾德伊島(Valderoy)，這2座隧道均位于海平面下140 m，海底最小巖石覆蓋層厚度為40 m，2座隧道均為2車道公路隧道，隧道最大常年滲水量為300 L/km/min，相當于0.432 m3/(m·d)。中國香港Rote-9號線沙田嶺隧道排水量要求為36 L/100 m/min，相當于0.518 m3/(m·d)。渝懷線歌樂山隧道為單線鐵路電氣化隧道，最大埋深為280 m，最大水壓力為2.2 MPa，施工前期隧道巖溶涌水突泥對環(huán)境造成了一定的影響，隧道堵水后達到允許排水量為1.0 m3/h，環(huán)境基本趨于穩(wěn)定。廈門翔安海底隧道為3車道公路隧道，隧道的涌水量控制在0.4 m3/(m·d)左右。青島膠州灣海底隧道[11]的涌水量主洞控制在0.4 m3/(m·d)以內(nèi)，服務(wù)隧道控制在0.2 m3/(m·d)以內(nèi)。長沙營盤路過江隧道主隧道為雙向4車道公路隧道，隧道排水量控制在0.35 m3/(m·d)以內(nèi)。

據(jù)參考文獻[8]及有關(guān)案例，重慶軌道交通1號線2期工程中梁山隧道，要求建成后的地下水排放控制標準為1.0 m3/(m·d)，當圍巖完整性好且滿足出水量1.0 m3/(m·d)3.0 m3/(m·d)時, 圍巖破碎段必須先進行超前帷幕注漿再開挖, 以防發(fā)生突水和突泥。隧道建成后對環(huán)境無不良影響。

如果隧道排水量q>1.0 m3/(m·d)，隧道排水有可能引起地表水位下降、地表沉降或塌陷[10,14]。因此，對于環(huán)境和運營要求比較嚴格的隧道，將排水量的上限控制在q=1.0 m3/(m·d)是比較合適的。如果隧道背后的水壓力pw>1.0 MPa，其混凝土薄弱部位及施工縫 、變形縫很容易滲漏。文獻[15]關(guān)于設(shè)置止水條的施工縫長期抗水壓試驗數(shù)據(jù)表明，當施工縫張開寬度為 2.0 mm 時，止水條耐水壓力極限為 1.0 MPa;當水壓力大于1.2 MPa時，止水條有明顯的擠出現(xiàn)象。因此，表1中的允許排水量和襯砌背后允許水壓力對隧道抗?jié)B、穩(wěn)定、環(huán)境及運營安全影響較大，但只需滿足其中一個條件即可定級。

隧道襯砌背后的水壓力對隧道抗?jié)B、穩(wěn)定性影響較大，據(jù)參考文獻[16]，P10混凝土的滲透系數(shù)k=1.77×10-9cm/s。按照GB 50164-2011《混凝土質(zhì)量控制標準》的規(guī)定，P10混凝土的抗?jié)B試驗主要內(nèi)容有： 試件高度為15 cm，在1.1 MPa水壓力作用下，88 h后6個試件中有3個試件發(fā)生滲漏。假定滲透速度不變，如果混凝土襯砌厚度為1.0 m，其背后受1.1 MPa水壓力作用，水的滲出時間將會是587 h；如果水壓力大于1.0 MPa，即使考慮水分蒸發(fā)的影響，高水壓長時間作用在混凝土襯砌背后，混凝土出現(xiàn)慢滲的可能性很大。因此，建議從抗?jié)B的角度分析，一般隧道宜將襯砌背后的最大水壓力控制在1.0 MPa以內(nèi)，如隧道二次襯砌所抵抗的水壓力超過1.0 MPa，襯砌結(jié)構(gòu)及施工縫、變形縫應(yīng)進行特殊設(shè)計，應(yīng)盡可能在二次襯砌背后、墻腳、底板等部位采取加強排水措施，降低襯砌背后的水壓力。

此外，我國大部分高速鐵路、地鐵、市政隧道采用的混凝土最大抗?jié)B等級為P12，為了保證一定的抗?jié)B余量，取1.2倍安全系數(shù)，混凝土背后的水壓力宜控制在1.0 MPa。從渝懷線歌樂山隧道、圓梁山隧道，龍廈鐵路象山隧道，石太客專石板山隧道，重慶軌道交通1號線中梁山隧道等隧道的設(shè)計和施工經(jīng)驗看，當二次襯砌承受1.0 MPa的水壓時，襯砌厚度一般達到80～100 cm，混凝土強度一般達到C35以上，混凝土一次澆筑體積大，而大體積混凝土溫度控制技術(shù)復(fù)雜，施工難度大，成本高，在高水壓作用下施工縫、變形縫及混凝土薄弱部位的滲漏難以完全避免。因此，從國內(nèi)隧道技術(shù)現(xiàn)狀和安全要求看，高速鐵路、高速公路襯砌背后的水壓力不宜大于1.0 MPa。由于高速鐵路、高速公路行車速度比較快，一旦局部受到高水壓作用，會出現(xiàn)局部壓潰，發(fā)生涌水突泥、不均勻沉降或坍塌掉塊，對行車安全影響較大。

為了控制隧道排水對環(huán)境的影響，應(yīng)嚴格控制排水中的泥砂含量。排水中含砂量的制訂宜參考JGJ 111-2016《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》第5.6.3條規(guī)定的"管井抽水30 min內(nèi)的含砂量，粗砂含量應(yīng)小于1/50 000，中砂含量應(yīng)小于1/20 000，細砂含量應(yīng)小于1/10 000"。通過控制泥砂含量，減少排水對環(huán)境的影響，并防止初期支護背后土體的大量流失。含砂量對于排水量大的長大、特長山嶺隧道，大量排水可能會造成水土流失和排水系統(tǒng)堵塞及圍巖抗力變化，因此，應(yīng)根據(jù)排水量大小和可能造成的后果，建議除以大于2.0的安全系數(shù)進行修正。

3 隧道防排水體系

國內(nèi)復(fù)合式襯砌隧道的防排水體系主要采用半包防水和全包防水2種形式。雙線鐵路隧道半包和全包防排水形式如圖3和圖4所示。圖3為不設(shè)置仰拱的雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)防排水，一般適用于Ⅰ-Ⅲ級圍巖。圖4為設(shè)置仰拱的雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)防排水，一般適用于Ⅳ-Ⅵ級圍巖。如Ⅲ級圍巖穩(wěn)定性差、水量大、水壓高，也可采用如圖4所示的防排水形式。

圖3 雙線鐵路隧道半包防排水

圖4 雙線鐵路隧道全包防排水

以上2種排水形式的設(shè)計思路是： 將隧道排水作為一個完整的系統(tǒng)來考慮，隧道周邊所有的水都先匯入側(cè)溝，然后再匯入底板混凝土填充層的中心水溝。根據(jù)水壓力理論，一旦水量大、水壓高，側(cè)溝中的水不能及時排出，造成隧道周邊水位持續(xù)上升，隧道底板承受的水壓力也不斷上升，若底板無法抵抗向上的水壓力，勢必會產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致底板隆起、開裂和滲漏水。因此，對于不受凍害影響的隧道，為了減少隧道底板的水壓力，可將拱、墻部位與底板之間的排水系統(tǒng)分開設(shè)置，拱、墻部位的水可直接排入兩側(cè)側(cè)溝。對于仰拱部位的水，如果隧道底板不設(shè)仰拱，底板的水可匯入中心水溝直接排出，如圖5所示。對于設(shè)置仰拱的隧道，在仰拱部位的二次襯砌混凝土中可預(yù)埋橫向盲管，鋪底混凝土和二次襯砌混凝土接觸部位可設(shè)置中心盲管。如果地下水穿過仰拱初期支護、防水層進入二次襯砌混凝土背面，若水壓高、水量大，中心排水管無法排出的水，可沿橫向盲管流入新增設(shè)的側(cè)溝排出，伸入側(cè)溝內(nèi)的橫向排水管可安裝球閥，進行限量排放，如圖6所示。如果在排水的條件下，水壓力仍超過底板的抗水壓力，可采取堵水或錨固措施，這樣可能導(dǎo)致隧道兩側(cè)的電纜槽由4個減少為2個，通過調(diào)整電纜安裝位置及高度，滿足功能要求。

圖5 上下分離式防排水

圖6 底板限量排水

假定仰拱填充混凝土內(nèi)沿縱向3 m設(shè)置1道橫向排水管，與中心盲管聯(lián)通，中心排水盲管的排水量可參照JTG D70《公路隧道設(shè)計規(guī)范》進行計算，計算公式為

(1)

式中：Q為過水流量，m3/s;n為粗糙系數(shù)，可取為0.025;R為水力半徑，m，取圓管直徑的1/4；I為排水坡度；A為滿水時的過水斷面積，m2。

假定中心排水盲管直徑為300 mm，排水坡度為0.003，則中心排水盲管的排水量為0.022 9 m3/s,該排水量比較大，可滿足大部分隧道底板排水的要求。中心排水盲管上方宜每隔30～50 m設(shè)置1個檢查井及沉淀池，定期檢查和清理，防止堵塞。為了保證隧道底板排水通暢，隧底縱向中心排水盲管應(yīng)全長設(shè)置。

4 圍巖及初期支護的防水作用

隧道開挖后地應(yīng)力逐步釋放，圍巖產(chǎn)生松弛和變形，從而引起裂隙張開和地層空隙率變大，漏水率和滲透系數(shù)相應(yīng)增大。在高水壓或富水地層中，地下水容易從巖體裂隙或土體空隙中流出，如不進行提前封堵，隧道開挖通過后，掌子面后方壁面上的高壓水呈噴射狀態(tài)；出水點如與周圍裂隙或空隙聯(lián)通性強，注漿時很容易發(fā)生縱向或環(huán)向串水，注漿封堵難度大、時間長、成本高。因此，礦山法隧道通過高水壓、富水地層時，應(yīng)通過超前注漿加固和堵水，在隧道周圍形成止水帷幕，提高地層強度和完整性，降低滲透系數(shù)和透水率。在埋深比較淺的情況下(一般洞頂埋深宜小于50 m)，如地面有作業(yè)條件，為減少施工干擾，可選擇地面垂直注漿或其他隔離措施，在隧道周圍形成止水帷幕。GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄W規(guī)定的外水壓力折減系數(shù)如表2所示。

表2 外水壓力折減系數(shù)

大量的工程實踐表明，通過地面注漿、洞內(nèi)超前旋噴、管幕或超前管棚、徑向注漿等措施可以降低隧道的涌水量和水壓力，注漿后巖體和土體的滲透性應(yīng)達到微透水程度，即： 巖體的透水率應(yīng)小于1.0 Lu，土體的滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s。此外，對于土體，根據(jù)渝懷線圓梁山隧道、廈門東通道翔安海底隧道、龍廈鐵路象山隧道、廈門西通道海滄海底隧道、廈門軌道交通3號線五緣灣-劉五店鉆爆法區(qū)間隧道等工程的注漿經(jīng)驗[17]，注漿后掌子面土體的含水率不宜大于15%，巖石質(zhì)量指標RQD應(yīng)不小于75，掌子面開挖并對暴露巖面進行初噴混凝土后，自穩(wěn)時間應(yīng)不小于8 h，確保初期支護所有工序完成且形成的支護結(jié)構(gòu)具有一定的承載能力(一般噴射混凝土3 h無側(cè)限抗壓強度應(yīng)能達到1.5 MPa)。注漿后，止?jié){墻或止?jié){巖盤的開挖一般需要3 d以上。為了保證止?jié){墻或止?jié){巖盤前方掌子面在開挖過程中的穩(wěn)定性，注漿膠結(jié)體試件3 d無側(cè)限單軸抗壓強度不宜小于2.0 MPa。如果漿液主要以擠密、劈裂的方式進入地層，一般無法取出完整巖芯，應(yīng)通過RQD、滲透系數(shù)及含水率等指標綜合判斷注漿效果。歐洲標準EN規(guī)定： 地層旋噴加固后進行取芯試驗，試件28 d的無側(cè)限抗壓強度不應(yīng)低于2.0 MPa，滲透系數(shù)不應(yīng)大于1×10-7m/s。此處，建議注漿膠結(jié)體試件3 d的無側(cè)限單軸抗壓強度指標達到2.0 MPa，是為了使注漿完成后盡快達到開挖條件，并且保證掌子面具有一定的穩(wěn)定性。隧道開挖和初期支護完成后，對于滲漏水較大部位應(yīng)通過徑向注漿、局部堵水、回填注漿等措施進行堵水和加固，進一步降低地層和初期支護的滲透系數(shù)，并適當采取引排措施，確保初期支護表面不出現(xiàn)射水、滴水、淌水等流動水，為防水層和二次襯砌施工創(chuàng)造良好條件。廈門軌道交通3號線五緣灣-劉五店區(qū)間風(fēng)化槽注漿鉆孔布置與注漿效果如圖7和圖8所示，該工程嚴格按以上注漿標準控制，取得了較好的效果。如需要進一步提高地層的堵水率和穩(wěn)定性，全斷面注漿后，可采用超前管幕、大管棚、旋噴樁、咬合樁加固隧道周邊土體，通過玻纖錨桿等加固隧道開挖面，必要時可增加洞外、洞內(nèi)降水措施。

圖7 廈門軌道交通3號線五緣灣-劉五店區(qū)間風(fēng)化槽注漿鉆孔布置

圖8 廈門軌道交通3號線五緣灣-劉五店區(qū)間風(fēng)化槽注漿效果

大部分鐵路、公路、市政、地鐵隧道的開挖斷面一般不大于150 m2，計算假定為150 m2，其等效半徑為6.91 m、等效周長為43.40 m。假定地層注漿前水壓力為5.0 MPa，采取超前預(yù)注漿，加固范圍為開挖輪廓線外7.0 m，初期支護完成后，進行徑向注漿，將初期支護表面水壓力降低到0.1 MPa，地層滲透系數(shù)降低到1.0×10-7m/s，不考慮圍巖對外水壓力的折減，外水壓力直接作用在注漿加固圈外邊界，且地下水在注漿加固圈中為雷諾數(shù)小于10的層流狀態(tài)，滲流符合達西定律，若初期支護達到GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的二級防水標準，濕漬面積需占隧道周長的2/1 000。注漿后隧道的單位長度滲漏量為：

Q=43.40×0.002×1×1.0×10-7×(500-10)/7.0=6.076×10-7=0.052 5 m3/(m·d)。

該排水量和水壓力可達到表1中的2級排水標準。

隧道初期支護的基面情況及其與圍巖的密貼情況對防水層和二次襯砌的防水效果影響也很大。為了發(fā)揮初期支護的防水作用，初期支護的抗?jié)B等級不得低于P6，初期支護和圍巖之間的空隙應(yīng)采用注漿回填，不允許出現(xiàn)空隙和空腔。在鋪設(shè)防排板或噴涂防水涂料之前，基面上的滲漏水應(yīng)采用注漿封堵或引排的方法進行處理，以保證基面上無明顯的滲漏水點。在嚴寒和寒冷地區(qū)，初期支護表面的水應(yīng)以封堵為主，不宜引排，堵水后表面應(yīng)無濕漬。初期支護表面應(yīng)平整，無空鼓、裂縫、松酥、露筋等現(xiàn)象，表面平整度應(yīng)達到D/L≤1/10(L為基面兩相鄰?fù)姑娴木嚯x，D為基面兩相鄰?fù)姑姘歼M去的最大深度)，否則應(yīng)采用補噴混凝土、涂抹防水砂漿或滲透結(jié)晶防水材料等方法進行處理。此外，初期支護壁面平整可以減少二次襯砌環(huán)向的約束應(yīng)力，降低二次襯砌開裂風(fēng)險；初期支護表面無滲漏水，可以防止防水板背后凹凸不平部位形成水囊。

5 隧道防水層及防水混凝土

5.1 防水層的設(shè)置及作用

防水層主要包括柔性防水層和剛性防水層，主要起到防水、隔離、阻水(阻止二次襯砌混凝土過快失水)的作用，目前隧道防水層常用柔性防水層。柔性防水層一般采用防水板或防水涂料，根據(jù)GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.3.8、4.3.9、4.4.8-2、4.5.8條關(guān)于防水卷材、涂膜防水層、防水板不透水性的規(guī)定為"壓力0.3 MPa，保持120 min，不透水"。這說明防水卷材、涂膜及防水板可以短時間內(nèi)承受較低水壓，且能起到隔離作用，但在高水壓長期作用下，難以起到防水作用。在復(fù)合式襯砌概念引入我國隧道設(shè)計和施工之前，我國20世紀50-70年代修建的川黔、貴昆、成昆、寶成等鐵路線上的隧道均采用整體式襯砌，二次襯砌和圍巖(臨時支護)之間未設(shè)置防水層，目前部分隧道服役期限已經(jīng)超過50年，仍在正常使用，襯砌質(zhì)量好的隧道，防水效果也比較好。這說明混凝土結(jié)構(gòu)自防水對于保證防水效果非常重要。

我國自1980采用盾構(gòu)修建地鐵試驗段以來，截至2019年末，采用盾構(gòu)法/TBM法修建的地鐵隧道超過3 000 km，其管片背后空隙均采用注漿(同步注漿、二次注漿)或回填豆礫石及灌注砂漿進行處理，防水效果良好，大部分工程的滲漏量控制在0.2 L/(m2·d)以內(nèi)。自20世紀80年代引入復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)以來，大部分復(fù)合式襯砌隧道設(shè)置了柔性防水層，但滲漏水現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，說明防水層并不是必須的，其承擔(dān)的防水作用有限，只能起到輔助防水作用和隔離作用，減小二次襯砌的切向應(yīng)力。為了減少二次襯砌混凝土開裂和提高防水效果，可采取其他隔離材料取代防水板或涂料，起到隔離作用。例如對于初期支護表面的明水可采用徑向注漿封堵，局部出水點可采用盲管或排水板引排，并采用土工布包裹排水盲管和覆蓋排水板，以防止回填注漿堵塞排水盲管和排水板。在二次襯砌達到一定強度后進行回填注漿，注入低強度的黏土-水泥漿或水泥砂漿等，以阻斷滲水通道，起到防水作用。文獻[18] 根據(jù)深圳地鐵1號線會展中心-市民中心區(qū)間正線隧道及西北聯(lián)絡(luò)線隧道的施工經(jīng)驗，提出"對于采用噴錨構(gòu)筑法施工的暗挖隧道或先做防水層的明挖車站 ,建議取消防水層中的防水板, 保留無紡布"。無紡布作為初期支護與二次襯砌之間的隔離層,允許圍巖在二次襯砌結(jié)束后有少量變形,以減少圍巖對二次襯砌的約束,并降低二次襯砌的干縮裂紋。蒙華鐵路段家坪隧道、高家山隧道、西坪塬隧道已經(jīng)進行了取消二次襯砌背后防水板的試驗，取得了較好的效果。

關(guān)于柔性防水層的檢查，目前現(xiàn)場主要通過充氣檢查防水板焊縫質(zhì)量，為了保證整體防水質(zhì)量，需要對防水層的整體防水性能進行檢查。因此，應(yīng)根據(jù)模板臺車每循環(huán)澆筑長度，將防水板(涂膜層)鋪設(shè)(噴涂)在預(yù)先鋪好的墊層上，以6～12 m為1個單元，將防水板(涂膜層)兩端搭接部位的基面用防水砂漿找平，將防水板(涂膜層)一端牢固焊接(或粘結(jié))在基面上，另一端牢固焊接(或粘結(jié))在預(yù)先鋪設(shè)好的防水卷材上(涂膜層)。半包防水層應(yīng)將底邊粘貼在基面上，在拱部、邊墻、底板分別進行充水檢查。檢查方法應(yīng)參考防水板搭接縫檢查方法，檢查點數(shù)不應(yīng)少于4個，其中拱部、左右邊墻、底板至少各1個，應(yīng)能達到"壓力0.3 MPa，保持120 min，不透水"的要求。檢查后，將水放掉，再將檢查點補粘或補噴。

5.2 防水混凝土

防水混凝土是隧道防水最重要，也是最后一道防線。GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.1.4條規(guī)定了不同埋深條件下防水混凝土的抗?jié)B指標，例如隧道埋深超過30 m，防水混凝土的抗?jié)B等級應(yīng)達到P12。按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》規(guī)定的抗?jié)B試驗方法，P12防水混凝土可承受1.2 MPa的水壓力，且能夠保證96 h不漏水。圓梁山隧道等工程的水壓力監(jiān)測結(jié)果表明，如果高水壓長期作用，混凝土?xí)l(fā)生慢滲現(xiàn)象。對于現(xiàn)澆混凝土，采用現(xiàn)場鉆芯進行室內(nèi)抗?jié)B試驗，以檢驗抗?jié)B效果；對于混凝土預(yù)制管片、鋼管片，主要進行拼裝試驗，以檢驗抗?jié)B效果。然而，這些方法都帶有局限性，無法全面反映混凝土施作完成后的抗?jié)B效果。為了全面反映混凝土施工完成后的抗?jié)B性能，在二次襯砌混凝土拆模后，應(yīng)對每一環(huán)(一般6～12 m)或幾環(huán)混凝土襯砌的端頭進行密封，當混凝土達到設(shè)計強度后，進行回填灌漿，當回填灌漿達到設(shè)計強度后，在拱頂、邊墻、底板中間位置分別鉆孔進行壓水檢查。為了保證結(jié)構(gòu)安全，壓水試驗壓力宜小于設(shè)計抗?jié)B壓力(0.2～0.3 MPa)，壓力保持時間應(yīng)不少于30 min，檢查點不少于4個，拱部、左邊墻、右邊墻、底板至少各1個，檢查孔宜布置在混凝土灌注孔附近，鉆孔深度應(yīng)不小于襯砌厚度；整環(huán)抗?jié)B檢查合格，說明該環(huán)襯砌混凝土及施工縫、變形縫、后澆帶等接縫抗?jié)B也合格。

由于現(xiàn)澆混凝土施工工藝復(fù)雜，受原材料、配合比、攪拌、運輸、灌注、振搗、養(yǎng)護等多種因素影響，施工質(zhì)量存在波動現(xiàn)象，有時局部會發(fā)生強度不足、厚度不夠、背后脫空或不密實、溫度裂縫等現(xiàn)象，設(shè)計的抗?jié)B指標難以保證，因此，復(fù)合式襯砌隧道也應(yīng)采用預(yù)制管片拼裝的方法施作二次襯砌。不摻引氣劑的混凝土空隙率為1%左右，而鋼材的空隙率一般在0.2%以下，其密實度和抗?jié)B性遠大于混凝土，因此，對于設(shè)計水壓力大于1.0 MPa的隧道二次襯砌，宜采用鋼管片、合金管片、鋼混組合管片等強度高、均勻性好、空隙率低的材料，以保證結(jié)構(gòu)在長期高水壓作用下的抗?jié)B能力和穩(wěn)定性。

預(yù)制拼裝管片面臨加工和安裝需要專用裝備、技術(shù)和工藝復(fù)雜、加工和安裝精度要求高、防水和密封要抗高水壓等挑戰(zhàn)，目前在盾構(gòu)隧道的正洞與聯(lián)通通道交叉位置使用較多，需要在今后的工作中進一步深入研究和完善。中鐵隧道局集團有限公司等單位聯(lián)合在重慶東環(huán)線襄渝聯(lián)絡(luò)線上的胡家溝隧道V級圍巖地段，開展了隧道拱部二次襯砌預(yù)制拼裝試驗，并取得了成功。為了更好地推廣預(yù)制拼裝管片，應(yīng)進一步研究以下問題。

1)結(jié)構(gòu)計算問題。初期支護和預(yù)制管片在外荷載作用下的受力變形、承載能力、穩(wěn)定性及耐久性問題，在不同地質(zhì)、環(huán)境、使用條件下，初期支護、管片的荷載如何分配，結(jié)構(gòu)及連接件安全系數(shù)的確定等。在Ⅰ-Ⅲ級圍巖中，建議將圍巖和初期支護作為主要受力結(jié)構(gòu)，適當減小管片厚度和配筋率，以降低工程造價。

2)管片加工和安裝精度問題。建議采用GB 50446-2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》規(guī)定的加工和安裝精度要求，經(jīng)過實踐檢驗，該規(guī)范提出的相關(guān)指標是比較合理的。

3)接頭問題。管片縱向和環(huán)向的連接方式是采用螺栓連接還是采用榫接，如果管片需要抵抗高水壓，建議采用螺栓連接和榫接組合的方式。

4)防水問題。為了抵抗高水壓，管片端面應(yīng)設(shè)置2道彈性密封墊進行防水。管片安裝前，初期支護表面應(yīng)進行注漿堵水，做到?jīng)]有明水(流、滴、流掛等)現(xiàn)象，管片背后應(yīng)安設(shè)環(huán)向、縱向排水盲管、中心排水盲管及排水板，通過排水盲管或排水板、橫向排水管等將管片背后的水排出洞外，以降低和控制管片背后的水壓力。管片背后環(huán)狀空隙應(yīng)灌注豆礫石并進行回填灌漿，防止脫空。

5)為了實現(xiàn)快速拼裝，應(yīng)生產(chǎn)專用設(shè)備用于管片運輸、安裝和擠緊，建議在安裝設(shè)備上設(shè)置撐靴，以提供反力，縱向擠緊管片。

6)進一步提升信息化、智能化施工水平，在施工和運營過程中應(yīng)加強管片受力變形、隆沉、開裂、滲漏水等的監(jiān)測和智能化分析，監(jiān)控和評價構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的安全狀況，并及時維修養(yǎng)護，實現(xiàn)信息化、智能化施工和管理。

6 結(jié)論與展望

1)隧道允許排水量和水壓力是隧道設(shè)計的重要指標，關(guān)系到隧道的抗?jié)B要求、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、環(huán)境安全、運營成本等，因此，在隧道設(shè)計中應(yīng)依據(jù)地質(zhì)、環(huán)境、使用功能、運營條件進行深入分析，合理選擇和確定，并制訂具體的限量排放措施和標準，以保證隧道滲漏水達標、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運營、環(huán)境安全。對于采用復(fù)合式襯砌的隧道，如果能滿足環(huán)境保護及使用功能要求，其全隧道排水量宜控制在1.0 m3/(m·d)以內(nèi)，二次襯砌背后承受的水壓力最大宜控制在1.0 MPa以內(nèi)。

2)對于高水壓、富水隧道，隧道底板是防排水的薄弱環(huán)節(jié)，在高水壓和動載作用下，容易發(fā)生底板混凝土開裂、隆起及翻漿冒泥。為了減少隧道滲漏水發(fā)生的概率，并保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，可考慮將拱、墻防排水體系和仰拱防排水體系分開設(shè)置，拱部、側(cè)墻部位的滲水直接排入側(cè)溝，仰拱部位的水主要通過縱向中心排水盲管排出。當水壓力高時，通過與中心排水盲管連通的橫向排水管將水引入新增的側(cè)溝，并通過在橫向排水管出水口安裝的閥門進行限量排放。

3)降低圍巖滲透系數(shù)和提高圍巖強度及完整性是減小隧道涌水量和二次襯砌背后水壓力的重要措施。應(yīng)通過地面隔離墻(咬和樁)、地面注漿、洞內(nèi)注漿、旋噴、超前管棚、超前管幕、施作雙層襯砌等措施，阻斷和減小來水通道，提高地層強度和完整性，降低隧道涌水量和襯砌背后的水壓力，并降低大量排水對隧道運營和環(huán)境的不利影響。

4)受多種因素的影響，復(fù)合式襯砌隧道現(xiàn)場澆筑混凝土的強度、厚度、抗?jié)B性存在一定的波動，其整體性能無法和工廠化生產(chǎn)的相同抗?jié)B及強度等級的預(yù)制混凝土相比，因此，二次襯砌采用預(yù)制拼裝混凝土(鋼管片、鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)等)將是一個發(fā)展方向。同時，現(xiàn)場對實體工程的整體抗?jié)B檢測和評價也是一個值得重視的問題，應(yīng)繼續(xù)研究相關(guān)的方法和標準。

5)本文重點對隧道允許排水量、襯砌背后的水壓力、防排水體系等問題進行了探討，但隧道的安全穩(wěn)定與土壓力、動荷載、單位長度出水點個數(shù)及單點的涌水量、水壓力、泥砂含量等也有很大的關(guān)系，下一步應(yīng)針對該方面的問題進一步分析和探討。