高海拔寒區(qū)隧道防排水技術(shù)與措施研究

李鵬杰 LI Peng-jie；趙科研 ZHAO Ke-yan

（中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471000）

0 引言

高海拔嚴(yán)寒地帶的防排水施工方法在中國成功經(jīng)驗(yàn)還很少，國外研究雖有所突破，但技術(shù)限制仍然嚴(yán)重。目前，中國在該方面還處在摸索時(shí)期，而已建設(shè)的少數(shù)高海拔嚴(yán)寒地帶的隧道，也普遍存在著嚴(yán)重的施工病害，其中天山二號(hào)隧道[1-3]最為典型。天山二號(hào)隧道在建成后沒有使用多久就停止使用其原因是由于施工單位在隧道防排水、防凍抗凍等方面的不良施工造成隧道結(jié)構(gòu)保溫措施失效，襯砌大量結(jié)冰且反復(fù)循環(huán)凍融使得隧道襯砌結(jié)構(gòu)開裂、路面溢水結(jié)凍終年不化，造成了嚴(yán)重的財(cái)產(chǎn)損失。我國在1994年以來，在氣候寒冷的地區(qū)，特別是高海拔高寒冷地區(qū)修建了70多座鐵路隧道。很多寒區(qū)隧道由于氣候和隧道防排水技術(shù)處理不當(dāng)因而出現(xiàn)了大量襯砌漏水等病害[4-6]，1999的隧道資料統(tǒng)計(jì)顯示，我國5000余座隧道，有60%以上的隧道存在隧道襯砌結(jié)構(gòu)[7-8]滲漏等情況，這種凍害不僅僅導(dǎo)致混凝土襯砌耐久性大幅度降低，且破壞了隧道內(nèi)部設(shè)施的功能，導(dǎo)致隧道環(huán)境惡化。在寒冷地區(qū)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)表面大量漏水，地表結(jié)冰，頂部出現(xiàn)冰柱，導(dǎo)致隧道不能正常使用。

目前，現(xiàn)有的隧道傳統(tǒng)防水措施都是在國內(nèi)現(xiàn)有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以及國外成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上建立的，在隧道設(shè)計(jì)施工標(biāo)準(zhǔn)中，盡管國家早已對(duì)各類隧道的傳統(tǒng)防水施工技術(shù)都作出了具體的規(guī)定，但仍有許多問題和缺陷，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①有一部分規(guī)范缺乏明確的防水等級(jí)劃分。目前規(guī)范對(duì)鐵路隧道的要求僅按照一般的地下工程防水準(zhǔn)則，對(duì)隧道防水等級(jí)尚未作出確切規(guī)定；具體的隧道情況，如隧道的線路等級(jí)、隧道的面積或斷面、隧道的不同部位、隧道的長(zhǎng)度、隧道的不同結(jié)構(gòu)等，也缺乏相應(yīng)的防水指標(biāo)。②隧道防水施工、監(jiān)理、驗(yàn)收不規(guī)范。雖然隧道設(shè)計(jì)和施工規(guī)范中有明確的防水規(guī)定，但是很少有人對(duì)各種防水措施的經(jīng)濟(jì)性以及效率進(jìn)行深入研究，因此很多工程在這方面認(rèn)識(shí)不足。在隧道竣工完成以后，質(zhì)量管理部門同樣也缺乏有用的檢查方法和與之相對(duì)應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，單從襯砌表面來看并沒有什么問題，按合格驗(yàn)收，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能保證當(dāng)隧道正式運(yùn)營后是否會(huì)出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。

隧道防凍害的基礎(chǔ)是防水，應(yīng)盡量防止水靠近隧道的結(jié)構(gòu)，尤其要防止水通過隧道防水內(nèi)部構(gòu)造。本文通過大量調(diào)研從寒冷地區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)防排水的施工技術(shù)措施入手，為高海拔寒冷地區(qū)隧道防凍設(shè)計(jì)提供參考。

1 隧道襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水的主要因素

隧道滲漏水的原因[9]可分成人為因素和自然因素。

1.1 自然因素產(chǎn)生的影響

隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水的一個(gè)客觀因素是隧道開挖對(duì)地下水的影響。由水力學(xué)原理可知，地下水流由高壓水位流向低壓水位，存在著固定的流動(dòng)路線，隧道開挖后，在臨空面上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低壓區(qū)。這種低水壓區(qū)會(huì)改變隧道圍巖的地下水流路線和力學(xué)特性，使得隧道圍巖周圍的地下水流向隧道內(nèi)部，從而造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)及下部滲漏水。隧道開挖影響區(qū)大小與地層的滲透系數(shù)、水位高低、水?dāng)嗝娲笮〉纫蛩赜嘘P(guān)。此外，隧道開挖還受到大氣降水、周圍溶洞、泉水、水庫或河流、湖泊深度的影響。

1.2 人為因素產(chǎn)生的影響

①隧道防排水系統(tǒng)存在缺陷：1）由于隧道排水管道埋設(shè)深度不合理，排水溝的深度不夠?qū)е卤荒?、砂、砂漿堵塞，泥漿不能正常排水；2）混凝土的施工縫、結(jié)構(gòu)連接處、混凝土缺陷部位的防水設(shè)計(jì)、施工工藝和質(zhì)量檢驗(yàn)不嚴(yán)格。

②特殊地區(qū)（高海拔、高寒地區(qū)等）未使用特殊手段：1）混凝土襯砌由于經(jīng)常受侵蝕性介質(zhì)作用，表面出現(xiàn)起毛、蜂窩麻面等病害使得降低了混凝土材料強(qiáng)度，混凝土襯砌厚度變薄，導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)漏水日益嚴(yán)重；2）低溫使襯砌內(nèi)部的積水結(jié)冰，造成襯砌混凝土凍脹開裂襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水。

③目前鐵路隧道施工規(guī)范還不完善，現(xiàn)有的規(guī)范無法指導(dǎo)鐵路隧道的防排水技術(shù)施工，只有籠統(tǒng)的要求，規(guī)范上的內(nèi)容更多的是一些定性描述，很少有定量的指標(biāo)，而且有很多涉及高海拔高寒區(qū)隧道的施工內(nèi)容并沒有提到，有些施工標(biāo)準(zhǔn)的概念比較模糊，造成對(duì)防水質(zhì)量要求認(rèn)識(shí)的存在不同的理解，因此，不能夠有效地指導(dǎo)和約束施工單位及設(shè)計(jì)單位。

2 防水層施工技術(shù)措施

防水層的失效是高海拔寒區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)凍害產(chǎn)生的重要因素之一。如果防水層在施工過程中接縫嚴(yán)密，在使用運(yùn)營階段，防水層不被壓破，隧道圍巖背后的積水無論是否結(jié)冰，都不會(huì)穿過防水層而導(dǎo)致隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生滲漏、凍害。因此，保證防水層結(jié)構(gòu)的完好不僅是寒區(qū)隧道防滲漏的關(guān)鍵，也是寒區(qū)隧道抗凍防凍的關(guān)鍵。

在工程施工當(dāng)中，隧道襯砌混凝土接觸面的不光滑和隧道襯砌接觸面的法向和切向應(yīng)力，在運(yùn)行過程中容易造成防水層的損壞，從而使隧道在運(yùn)行過程中發(fā)生滲漏[10-11]結(jié)冰。防水層在長(zhǎng)期運(yùn)營過程中損傷的主要原因是由于噴射混凝土表層不平滑。在隧道建設(shè)過程中為了保護(hù)防水層長(zhǎng)期運(yùn)營階段不受破壞，需要采取相應(yīng)的工程措施：

①在鋪設(shè)防水層前，將噴射混凝土表面的螺栓端部剪斷并弄平，對(duì)射噴混凝土表面明顯凸起部分進(jìn)行處理。

②噴射混凝土的過程中，噴射的工人須有足夠的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)噴射的水平，并增強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)人員、監(jiān)督管理人員的指導(dǎo)、管理和監(jiān)督。

③噴射混凝土完工后，采用相應(yīng)的表面抹平措施，即手工抹平和鐵鏟找平，雖然效果比其他的措施更加明顯，但施工起來較為麻煩而且費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

總的來說，主要原因是由于開挖控制不嚴(yán)格造成的噴射混凝土表面不平整。所以，隧道開挖的質(zhì)量要嚴(yán)格把控，在此基礎(chǔ)上并對(duì)噴射混凝土的局部表面進(jìn)行降糙處理。

①要對(duì)V級(jí)及以上的圍巖表面進(jìn)行拋光處理。V級(jí)及以上圍巖在開挖后應(yīng)力重分布過程中變形較大。因此，在這種情況下，噴射混凝土表面應(yīng)仔細(xì)打磨，噴射混凝土表面應(yīng)用砂漿打磨，從而減少混凝土表面的粗糙度。

②Ⅳ級(jí)圍巖環(huán)強(qiáng)化拋光。與V級(jí)及以上圍巖相比，Ⅳ級(jí)圍巖的變形相對(duì)較小?？煽紤]噴混凝土表面沿環(huán)方向用水泥砂漿進(jìn)行加固，筋帶表面打磨。

③Ⅳ級(jí)以下隧道圍巖表層噴砂漿。即便在爆破效果相對(duì)良好的情況下，噴射混凝土的表面粗糙程度仍然很高，所以有必要將噴射混凝土進(jìn)行表面降糙處理，使其表面光滑耐磨。一種簡(jiǎn)單的降糙方法是在原有的噴射混凝土的表面基礎(chǔ)上再進(jìn)行水泥砂漿的噴射，盡可能達(dá)到砂漿表面平整的效果。

以上闡述的防水層的施工方法，總的來看施工過程相對(duì)麻煩，而且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尚未形成一套完整的施工工藝[12]。密貼法的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是將有黏結(jié)性的填充物質(zhì)充填于澆注混凝土的凹凸不平的部分和防水鋼板內(nèi)部，使防水板和隧道初期支護(hù)表面可以有效的連接在一起，然后在內(nèi)部澆注襯砌混凝土，以此完成具有高度耐久性的防密貼構(gòu)造，其細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 密貼法結(jié)構(gòu)圖

密貼法和傳統(tǒng)的隧道防水工法構(gòu)造相較而言，不僅解決了噴射混凝土表面粗糙不平的問題[13-14]，而且讓二次襯砌混凝土厚度均一，從而解決了以往二襯混凝土厚度局部薄弱問題。與傳統(tǒng)的防水工法比較，密貼法的優(yōu)點(diǎn)有以下幾條：

①提升了二襯保溫層的防水性：1）防水板被加工成1.5m寬的成品搬入隧道，大幅度減少了焊接工作；2）避免了由于錨桿頂部突出因而刮蹭到防水板從而造成防水板的破壞；3）避免了由于鋼筋組裝作業(yè)的過程中對(duì)防水材料的損壞。

②提高了二次襯砌混凝土的品質(zhì)：1）二襯混凝土的厚度均勻；2）二襯與噴射混凝土兩者在空間上完全隔離；3）通過混凝土填充防水板的內(nèi)側(cè)，消除了防水板局部脫空和空洞，形成與混凝土密貼的構(gòu)造，封閉了地下水匯集的通道。

③降低了防水板的成本：1）防水層材料對(duì)于抗拉和抗剪的要求很低，因此防水層材料強(qiáng)度可以適當(dāng)降低，但防水效果是充分的；2）降低了對(duì)噴射混凝土表面的粗糙部位的修補(bǔ)，大大減少了施工工序。

圖2 普通防水工法

④減輕了隧道周邊的作業(yè)環(huán)境負(fù)荷：1）用機(jī)械以及人力的方式對(duì)防水板進(jìn)行敷設(shè)，大大降低了防水板的作業(yè)強(qiáng)度；2）施工過程中，可以復(fù)原隧道周邊的水位。

圖3 密貼法示意圖

密貼法在施工循環(huán)上與傳統(tǒng)鋪設(shè)防水板的方法沒有很明顯的區(qū)別。傳統(tǒng)防水板施工使用防水板臺(tái)車將防水板直接敷設(shè)在噴射混凝土的表面上，然后再模筑二襯混凝土；密貼法施工中，防水板臺(tái)車變成了加強(qiáng)的活動(dòng)模板，先將防水板平鋪在防水板臺(tái)車上，隨后在防水板和噴射混凝土之間充填注漿材料，最后模筑二襯混凝土。

3 排水體系施工技術(shù)

3.1 無接頭止水帶安裝工藝

止水帶的無接縫施工方法不同于常規(guī)的止水帶施工方法。止水帶的施工溝按模筑襯砌仰拱的環(huán)形，施工縫的寬度提前留出。在布置止水帶前，把頂部的止水帶上的鋼筋固定在襯砌混凝土的模板上，并把止水帶的下部插入預(yù)留的施工孔內(nèi)。將頂端的止水帶上的鋼筋直徑固定在模筑襯砌砼的模板上面，并將止水帶的最下端嵌入預(yù)留的施工孔內(nèi)。在安放止水帶時(shí)，首先要將頂部的止水帶用鋼筋直徑卡在模筑襯砌砼的頂端模板上，而后再將止水帶的最下端卡入提前預(yù)留好的安裝槽中；然后，再用建筑防水混凝土固定插入在安裝槽中的止水帶；最后一步，再澆灌模筑的襯砌用混凝土。

3.2 止水帶施工工藝

用排水膠管防止施工縫隙滲漏的排水膠管，復(fù)合型橡膠止水帶是對(duì)圓形施工縫隙防滲“先排后堵”的一類新型止水帶，主要由翼緣、繞道子、止?jié){濾水帶和膠條等構(gòu)造而成，以繞圈子和翼緣止水帶為基礎(chǔ)，將止?jié){濾水帶連接于翼緣上，與繞圈子構(gòu)成了排水管道[15]。可排水的橡膠止水帶或內(nèi)置式止水帶，通常設(shè)置于襯砌厚度的中部，以橫斷模筑襯砌環(huán)或施工縫。當(dāng)部分滲水物在通過止?jié){濾水帶后，順著鋼筋和止水帶之間的空隙流淌后，就會(huì)遇到碰到粘貼在止水帶翼緣上的橡膠條的圍堵，從而使得滲水沿橫向流動(dòng)的阻力增大，使止水帶的止水能力得到提高。

3.3 環(huán)向排水管

在防水涂料和模筑襯墻之間，設(shè)置了環(huán)向式排水系統(tǒng)。隧道的防排水措施要做到層層設(shè)防，層層排除。目前在工程上普遍被忽視的情況，是在防水涂料和模筑襯砌段間并沒有排水管道，而通過防水層的地下水又無法進(jìn)入隧洞的內(nèi)部排水。所以要在隧道圍巖滲水量較大的模筑襯砌段的中間、在防水涂料和模筑襯砌段間設(shè)置環(huán)向?qū)Я鞴?，方法是用土工布制包有洞的?20的波紋導(dǎo)流管，然后再用專用膠水將其粘到防水涂料的表面上。

4 結(jié)論

①寒區(qū)隧道襯砌結(jié)構(gòu)滲漏水的誘因分為自然因素和人為因素，其中人為因素是主要因素，主要體現(xiàn)在施工工藝不合格，對(duì)特殊環(huán)境沒有采用特殊處理從而使隧道襯砌結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍害。②隧道防凍的關(guān)鍵是保證防水層完好。寒區(qū)隧道防水層施工方法有密貼法和普通防水工法，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程狀況，擇優(yōu)選取。③由于高海拔寒區(qū)隧道的特殊條件氣候，因此高寒地區(qū)隧道襯砌的防排水設(shè)計(jì)施工技術(shù)極為關(guān)鍵，一方面要以防大于排、截大于堵為基本原則構(gòu)建完整的防水、排水系統(tǒng)，包括環(huán)向排水管等以及止水帶，確保隧道內(nèi)部排水通暢。