公路隧道排水系統(tǒng)堵塞成因及防治方法

毛意軍，周 明，孫 偉，岑佳能

（1.慈溪晨陸建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315300；2.慈溪市交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 寧波 315300；3.慈溪晟陸建設(shè)發(fā)展有限公司，浙江 寧波 315300）

引言

隨著隧道數(shù)量不斷增加，隧道修建也逐漸向崇山峻嶺蔓延，然而在隧道修建過(guò)程中也暴露出了一些問(wèn)題，如排水系統(tǒng)堵塞。尤其在我國(guó)西南、西北地區(qū)，隧道排水系統(tǒng)出現(xiàn)了大量的結(jié)晶堵塞情況，如重慶中梁山隧道[1]、甘肅胡麻嶺隧道[2]、貴州天水隧道[3]等。而排水系統(tǒng)堵塞是誘發(fā)隧道襯砌滲漏水的一個(gè)重要因素，對(duì)隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及車輛駕駛造成巨大隱患。鑒于此，專家學(xué)者及相關(guān)工程從業(yè)人員已開展大量研究，高春君等[4]采用ABAQUS有限元軟件，研究了隧道在四種不同水頭高度下，堵塞后襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的變化情況；劉坤等[5-6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究了隧道排水系統(tǒng)發(fā)生非對(duì)稱堵塞情況下襯砌水壓分布規(guī)律及襯砌應(yīng)力的變化情況；楊云軒等[7]采用數(shù)值模擬分析了隧道環(huán)向盲管及縱向盲管發(fā)生不同程度堵塞情況下隧道水壓力的變化規(guī)律；葉飛等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)，采用自制的試驗(yàn)裝置再現(xiàn)了隧道排水系統(tǒng)堵塞的過(guò)程；郭小雄[9]通過(guò)試驗(yàn)，分析了導(dǎo)致排水系統(tǒng)結(jié)晶的因素，并研發(fā)了一種防結(jié)晶排水系統(tǒng)；于清浩[10]結(jié)合實(shí)際工程，以廈門翔安海底隧道為研究對(duì)象，研究了海水滲流作用下排水系統(tǒng)的堵塞情況；ZHOU等[11]通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)導(dǎo)致盲管堵塞晶體成分進(jìn)行了分析，并將不易結(jié)晶的新型盲管材料應(yīng)用于隧道排水系統(tǒng)并取得良好效果；ZHANG等[12]對(duì)重慶地區(qū)排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析了排水系統(tǒng)堵塞的過(guò)程及解決方案?，F(xiàn)有研究已經(jīng)取得一定成果，但針對(duì)不同時(shí)期的隧道排水系統(tǒng)堵塞機(jī)理研究不夠系統(tǒng)，且未考慮施工、設(shè)計(jì)中導(dǎo)致的堵塞。

1 隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)絕大部分公路隧道采用新奧地利隧道法（NATM）建造。為了提高支撐結(jié)構(gòu)的安全性，隧道設(shè)計(jì)、施工采用復(fù)合式襯砌。在初期支護(hù)與現(xiàn)澆混凝土的二次襯砌之間設(shè)防排水系統(tǒng)。隧道的防水排水標(biāo)準(zhǔn)體系比較健全，多數(shù)公路隧道結(jié)構(gòu)防排水設(shè)計(jì)遵循“防排堵截相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”的原則。圖1反應(yīng)了我國(guó)山嶺隧道的典型防排水系統(tǒng)，環(huán)向盲管通常設(shè)置于初期支護(hù)與防水板之間，用于收集初期支護(hù)表面滲水，并將滲水統(tǒng)一排泄到縱向排水盲管，環(huán)向盲管的布設(shè)間距應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)地下水發(fā)育情況而定，其環(huán)向間距通常為10 m或每個(gè)施工縫附近設(shè)置一道，將水引入兩側(cè)的縱向盲管，然后由橫向排水管引入排水溝。初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置無(wú)紡?fù)凉げ己虴VA防水卷材組成的復(fù)合式排水層。該系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用中的水文地質(zhì)條件進(jìn)行改進(jìn)，例如，設(shè)置注漿圈、調(diào)節(jié)環(huán)向盲管間距、盲管尺寸等。雖然現(xiàn)行防排水系統(tǒng)具有良好的適用性，理論上也具有良好的防水排水效果，但在實(shí)際使用中仍存在滲漏水，沉淀物堵塞排水盲管等問(wèn)題。

圖1 隧道排水系統(tǒng)斷面

2 隧道排水系統(tǒng)堵塞成因

2.1 人為因素

在巖溶隧道設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中，多數(shù)工程未按照防止結(jié)晶的相應(yīng)要求進(jìn)行材料選擇和規(guī)格設(shè)計(jì)。縱向排水盲管在安裝時(shí)，盲管底部設(shè)混凝土基座，然后鋪設(shè)3～5 cm厚碎石反濾層，然而在施工現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常不設(shè)混凝土基座，縱向盲管隨意安裝，導(dǎo)致盲管高低起伏不平，無(wú)法滿足縱向盲管坡度要求。同時(shí)，縱向排水盲管上半斷面開孔的設(shè)計(jì)，使得地下水通過(guò)透水孔進(jìn)入縱向盲管，而由于施工過(guò)程的忽視，透水口傾斜或向下安裝，導(dǎo)致縱向盲管無(wú)法很好地收集地下水，不能發(fā)揮應(yīng)有的功能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致局部堵塞。此外，隧道拱腳位置的縱向盲管，通常外裹一層無(wú)紡?fù)凉げ?，土工布主要發(fā)揮濾水的作用，而土工布內(nèi)部空隙易堵塞，導(dǎo)致地下水無(wú)法透過(guò)土工布滲入排水盲管，也會(huì)間接導(dǎo)致排水系統(tǒng)的堵塞。

2.2 非人為因素

混凝土由于材料、施工、溫度以及承受荷載的原因出現(xiàn)了裂隙，使地下水能夠通過(guò)混凝土的裂隙進(jìn)入到隧道內(nèi)。當(dāng)混凝土表面裂縫較小時(shí)，水流所裹挾的大部分泥土顆粒以及圍巖碎屑被阻擋在外，這時(shí)僅有極少量的泥土進(jìn)入襯砌內(nèi)部排水管中，細(xì)顆粒會(huì)隨水流一同排走，不會(huì)引起排水盲管堵塞。隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間增加，襯砌縫隙表面存在滲漏水，受水流中礦物元素的侵蝕裂縫寬度、長(zhǎng)度不斷增大，導(dǎo)致泥土顆粒隨水流進(jìn)入隧道內(nèi)部排水系統(tǒng)。在季節(jié)性流水的作用下，泥土顆粒在排水盲管內(nèi)部淤積，堵塞排水盲管。

在我國(guó)西南部分地區(qū)隧址區(qū)內(nèi)巖性主要為可溶性碳酸巖，當(dāng)巖溶水滲流經(jīng)過(guò)白云巖等碳酸鈣礦質(zhì)的巖層時(shí)，將會(huì)攜帶大量的鈣鹽等物質(zhì)。流水進(jìn)入隧道排水系統(tǒng)后，當(dāng)流速較緩時(shí)，存在積水的位置將會(huì)產(chǎn)生 CaCO3、BaCO3、MgCO3、BaSO4等化學(xué)沉淀物，長(zhǎng)期排水過(guò)程中，結(jié)晶物凝結(jié)成塊并不斷積累，最終引起排水盲管局部堵塞。

3 盲管堵塞的數(shù)值模擬研究

3.1 模型參數(shù)

采用 ABAQUS 軟件建立數(shù)值模型，模型尺寸 210 m× 250 m（寬×高），為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，模型高度僅設(shè)130 m，剩余120 m通過(guò)荷載施加模擬，見(jiàn)圖 2。根據(jù)設(shè)計(jì)隧道尺寸，跨度為12.2 m，隧道高度為10.8 m，水位為地表面。

圖2 計(jì)算模型

隧道襯砌厚度50 cm，襯砌周圍設(shè)5 m厚注漿圈，襯砌兩側(cè)設(shè)置有排水口，設(shè)置在隧道拱腳位置處，計(jì)算過(guò)程認(rèn)為排入隧道內(nèi)的地下水全部被排水口排走，將排水口位置水壓固定為零，其余節(jié)點(diǎn)水壓處于自由狀態(tài)，見(jiàn)圖3。

圖3 隧道模型

隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)選擇各向同性彈性模型。圍巖干密度2 350 kg/m3，孔隙率0.25。圍巖滲透系數(shù)為2×10-6m/s，襯砌滲透系數(shù)為 1×10-9m/s，排水盲管正常情況下滲透系數(shù)為 5×10-5m/s。材料參數(shù)見(jiàn)表1 。

表1 材料參數(shù)

在排水系統(tǒng)堵塞程度工況中，假設(shè)各部位盲管同時(shí)發(fā)生堵塞，分別計(jì)算五種堵塞情況。在計(jì)算過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)盲管滲透系數(shù)來(lái)模擬不同堵塞程度，由于實(shí)際工程中盲管為空心管道，計(jì)算過(guò)程中通過(guò)實(shí)體單元進(jìn)行簡(jiǎn)化。對(duì)于圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù)，通過(guò)工程類比法和文獻(xiàn)調(diào)研獲得[13]。各工況對(duì)應(yīng)滲透系數(shù)見(jiàn)表2。

表2 不同堵塞程度工況

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬得到了盲管堵塞程度對(duì)襯砌外水壓力的影響規(guī)律，排水口完全通暢時(shí)和完全堵塞時(shí)襯砌水壓力分布見(jiàn)圖4 。

圖4 襯砌水壓

由圖4可以看出，高水壓位置主要位于隧道仰拱底部，襯砌所受最大水壓由1 489 kPa增至1 782 kPa， 水壓力增長(zhǎng)了約20%。在正常排水工況下，拱腳處（排水口處）水壓最小，而完全堵塞后，拱頂處水壓最小，此時(shí)承受靜水壓力。為分析襯砌外側(cè)不同位置水壓力分布規(guī)律，選取拱頂、拱腰、拱腳、仰拱處監(jiān)測(cè)點(diǎn)記錄數(shù)據(jù)變化，見(jiàn)圖5。

圖5 襯砌水壓

由圖5可知，在正常排水時(shí)，襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓分布是仰拱部位大于拱頂部位，拱腰部位稍大于拱頂部位，考慮排水管排水效果時(shí)，拱腳部分二襯水壓突變，監(jiān)測(cè)數(shù)值遠(yuǎn)小于其他位置。襯砌底部仰拱部位一直承受最大的水壓力，是因?yàn)橄鄬?duì)于襯砌其它部位，仰拱部位在水頭之下，且襯砌底部不設(shè)排水孔，因此，仰拱部位水壓力也較大。

隨著堵塞程度的加劇，各部位的水壓都出現(xiàn)了不同程度的增長(zhǎng)，拱頂、拱腰位置因離排水口距離較遠(yuǎn)，受排水作用影響較大，水壓僅小幅度增長(zhǎng)。而仰拱、拱腳處水壓迅速增加，兩側(cè)拱腳處的排水口泄壓作用明顯降低，當(dāng)排水口由完全暢通至完全堵塞時(shí)，水壓力增長(zhǎng)了近一倍。當(dāng)拱腳部位的排水口完全堵塞后，說(shuō)明此時(shí)襯砌的排水系統(tǒng)已完全失效，各位置將承受巨大的靜水壓力?？梢?jiàn)排水系統(tǒng)一旦堵塞，導(dǎo)致橫截面各點(diǎn)水壓增大，由于排水不暢，襯砌結(jié)構(gòu)承受較大的水頭，因此，保證排水系統(tǒng)的施工質(zhì)量及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的疏通維護(hù)極其重要。

4 防治方法

4.1 規(guī)范隧道施工

橫向排水盲管、縱向排水盲管設(shè)計(jì)上通常與隧道坡度保持一致，而施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)倒坡、平坡。由于坡度不順暢易導(dǎo)致泥沙顆粒、圍巖碎屑在盲管內(nèi)淤積，造成局部堵塞。因此，施工過(guò)程中應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化施工，嚴(yán)格控制排水盲管的坡度，設(shè)計(jì)混凝土基座固定排水盲管，使排水盲管發(fā)揮應(yīng)有的功能。

4.2 提高混凝土密實(shí)度

若混凝土密度不達(dá)標(biāo)，混凝土疏松多孔，結(jié)晶體易析出；反之，若提高混凝土密實(shí)度，可提高混凝土強(qiáng)度，不易產(chǎn)生裂縫。施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整噴射混凝土配合比，使強(qiáng)度、抗?jié)B性滿足規(guī)范要求?；炷羶?nèi)部可摻雜粉煤灰，改善混凝土密度。

4.3 設(shè)計(jì)可維護(hù)防排水系統(tǒng)

從堵塞成因來(lái)看，由于泥沙、結(jié)晶物導(dǎo)致的物理、化學(xué)堵塞難以完全避免，需要考慮排水系統(tǒng)在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的可維護(hù)性。而傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)由于不設(shè)檢修結(jié)構(gòu)，在排水系統(tǒng)堵塞后難以維護(hù)。對(duì)于目前防排水系統(tǒng)中的不足之處，設(shè)計(jì)研發(fā)可維護(hù)防排水系統(tǒng)，并選用高壓水射流、氣壓脈沖、排淤機(jī)器人等新興技術(shù)對(duì)排水盲管進(jìn)行清淤處理。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）隧道排水堵塞成因分為人為因素和非人為因素，人為因素主要有盲管選材不當(dāng)、施工操作不當(dāng)?shù)?，非人為因素主要有泥沙顆粒、圍巖碎裂，長(zhǎng)期淤積在排水盲管內(nèi)結(jié)晶堵塞。（2）正常排水時(shí)，排水盲管可以有效排水泄壓，拱腳處水壓最小，仰拱承受較大水壓，而排水系統(tǒng)一旦堵塞，襯砌結(jié)構(gòu)整體將承受較大的水頭。（3）規(guī)范施工可以減少或避免人為因素造成的堵塞，因非人為因素導(dǎo)致的排水系統(tǒng)堵塞難以避免，可以設(shè)計(jì)研發(fā)可維護(hù)防排水系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對(duì)隧道排水管進(jìn)行清淤處理。