廣東高速公路隧道排水系統(tǒng)淤堵類型及淤堵狀態(tài)評價

李克儉 劉夏冰 翁建宏 周瑜

摘要：為評估富水區(qū)運營公路隧道的排水系統(tǒng)淤堵狀態(tài)，基于對廣東省多座高速公路隧道的調研，總結了公路隧道排水系統(tǒng)病害與淤堵物類型，提出了淤堵狀態(tài)評價方法，研究結果主要表明：①隧道滲漏水病害在時間上與季節(jié)性降雨密切相關，在空間上與巖溶等不良地質的分布緊密相連，排水系統(tǒng)淤堵導致的排水功能下降是隧道水害的重要原因；②公路隧道排水系統(tǒng)的淤堵物類型分為淤泥、砂石、混凝土塊或異物、結晶物或結垢物，對淤堵狀態(tài)提出的評價指標為充盈程度、流動狀態(tài)、渾濁程度、堆積程度；③基于對淤堵狀態(tài)評價指標優(yōu)先級的劃分，提出了公路隧道排水系統(tǒng)的淤堵狀態(tài)評價方法，并將其成功應用于新屋隧道的排水系統(tǒng)整治工程中。研究成果可為公路隧道排水系統(tǒng)的運營養(yǎng)護提供參考。

關鍵詞：隧道工程；排水系統(tǒng)；滲漏水；淤堵物類型；淤堵狀態(tài)評價

中圖分類號：TV21文獻標識碼：A文章編號：1001-9235（2024）02-0097-09

Blockage Types and Status Evaluation of Drainage System in Highway Tunnels in Guangdong Province

LI Kejian¹，LIU Xiabing^2，3*，WENG Jianhong¹，ZHOU Yu^2，3

（1.Guangdong Provincial Government Repayment Highway Management Center，Guangzhou 510623，China; 2.Guangdong Hualu Traffic Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510420，China; 3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Tunnel Safety and Emergency Support Technology & Equipment，Guangzhou 510420，China）

Abstract：In order to evaluate the blockage status of the drainage system in operational highway tunnels，this paper summarized the types of problems and blockage materials in highway tunnel drainage systems and proposed an evaluation method for blockage status based on investigations of several highway tunnels in Guangdong Province.The results primarily indicated the following：① The water leakage problems in tunnels were closely related to seasonal rainfall over time and were spatially connected to the distribution of unfavorable geological conditions such as karst.and the decline of drainage function caused by drainage system siltation was an important cause of tunnel water damage.② The types of blockage materials in the highway tunnel drainage system included silt，sand and gravel，concrete blocks or foreign matter，and crystallization or scale deposits.The proposed evaluation indicators for blockage status were as follows：filling degree，flow status，turbidity degree，and accumulation degree.③ Based on the priority division of evaluation indicators for blockage status， a blockage status evaluation method of highway tunnel drainage systems was proposed，and this method has been successfully applied to the drainage system remediation project of the Xinwu Tunnel.The research results can provide reference for the operation and maintenance of highway tunnel drainage systems.

Keywords：tunneling engineering;drainage system;leaking water;types of blockage materials;blockage status evaluation

目前，中國每年平均約有2 817 km的公路隧道進入運營養(yǎng)護期^［1］，部分隧道長期處于復雜的地下水環(huán)境中，易產生因地下水誘發(fā)的隧道病害，這對隧道結構及正常行車安全造成了影響^［2］?，F有研究表明^［2-3］，隧道排水系統(tǒng)淤堵類病害是造成隧道水害的主要原因之一。

研究人員對運營隧道排水系統(tǒng)的病害及處治對策進行初步研究：蔣雅君等^［3］將隧道排水系統(tǒng)的病害分為結構性病害和功能性病害，提出了隧道病害分級方法；張素磊等^［4］在防水板與二襯間增設了排水板，提出可以有效降低襯砌背后水壓的復合式排水系統(tǒng)；馬文鎮(zhèn)等^［5］針對廣東某隧道排水系統(tǒng)結晶淤堵病害，提出了相應的處治措施；蔣雅君等^［6］借助塑料排水板的通水量試驗研究了滲水量及隧道排水能力對襯砌承受水壓力的影響關系；吳江鵬等^［7］的研究表明，隧道排水系統(tǒng)失效對拱頂部位襯砌外水壓力影響較大；基于現有的排水管道檢查方法和設備調研結果，文獻［8］提出了采用管道機器人和內窺鏡對隧道縱向排水盲管檢查的方法。然而，縱觀現有研究，目前對于公路隧道排水系統(tǒng)養(yǎng)護的研究尚處于起步階段^［8-11］，針對隧道排水系統(tǒng)的淤堵物分類和淤堵狀態(tài)評價的方法目前相關報道較少，有待進一步研究和完善。

為完善公路隧道排水系統(tǒng)淤堵狀態(tài)評價方法，首先，對廣東省部分運營高速公路隧道排水系統(tǒng)的淤堵狀態(tài)進行調研，其次，依據調研結果細化了公路隧道排水系統(tǒng)的淤堵物類型，提出了相應的淤堵狀態(tài)評價方法，最后，結合工程實例開展了應用研究。研究成果可為公路隧道的養(yǎng)護提供參考。

1 運營高速公路隧道水害調研分析

1.1 廣東高速公路隧道滲漏水病害情況

廣東是中國降雨最豐富的地區(qū)之一，粵東、粵西、粵北地區(qū)以山地和重丘地貌為主，局部區(qū)域為喀斯特地貌，地下水發(fā)育良好。隨著廣東省高速公路網的持續(xù)建設，大量公路隧道已在上述地區(qū)投入運營。以廣東省交通集團有限公司所管理的高速公路線路為例，截至2022年底，累積運營隧道里程約800 km，運營線路共46條，其中，運營年限超過10 a的線路達20余條，隨著運營時間和運營隧道里程的不斷增加，部分隧道的滲漏水問題病害不斷，已經成普遍性頑疾。據不完全統(tǒng)計，僅2022年需要進行處治的高速公路隧道滲漏水病害分布情況見圖1，表中隧道數量是按雙線統(tǒng)計的。

根據廣東地區(qū)1987—2008年降雨量統(tǒng)計^［12］，廣東省月平均降雨量分布見圖2。由圖2可知，廣東地區(qū)的降雨量主要發(fā)生在4—9月，其中，6月份的降雨量超過300 mm，而圖1中隧道滲漏水病害最嚴重的時段也是這一時期，可見，運營公路隧道滲漏水等病害的發(fā)生與降雨量存在必然聯系，這也表明，每年降雨量最豐富的4—9月份也是公路隧道排水系統(tǒng)養(yǎng)護的重要時間段。

基于現場調研和所收集的資料，圖3整理了廣東省滲漏水隧道的大致分布。由圖3可知，廣東地區(qū)的高速公路隧道滲漏水分布廣泛，部分巖溶區(qū)的隧道滲漏水病害最為嚴重，主要原因有：公路隧道排水系統(tǒng)淤堵導致的滲漏水與地質條件有密切關系，在巖溶區(qū)、裂隙發(fā)育區(qū)、斷裂帶等地下水存量較大的區(qū)域，公路隧道的水害現象也較為嚴重。

1.2 典型的滲漏水病害隧道情況

廣東地區(qū)地質分布情況復雜，其中，巖溶地貌與滲漏水隧道都主要集中在粵北地區(qū)，同時，由于降雨豐富，非巖溶地區(qū)的隧道也存在滲漏水病害。本節(jié)選取部分典型滲漏水病害隧道進行簡介。

1.2.1 媲雙坳隧道

京珠高速粵境北段媲雙坳隧道處于低山丘陵區(qū)，屬巖溶地貌及構造剝蝕地貌，地下水主要為巖溶裂隙水。隨著該隧道運營時間的增加，多次發(fā)生滲漏水現象，部分滲漏點呈現出噴射狀，見圖4，嚴重影響了高速公路隧道的正常運營。通過現場調查發(fā)現，隧道縱向排水管排水不暢，導致隧道排水能力不足，降雨量較大時地下水集中在襯砌背后，水壓升高導致地下水由隧道襯砌的防水薄弱部位滲出。

1.2.2 東溪山隧道

大潮高速東溪山隧道在建設期和運營期均出較嚴重的排水系統(tǒng)結晶現象，結晶物導致隧道的排水系統(tǒng)淤堵，影響了正常的排水功能，使得二次襯砌發(fā)生了表面浸滲、滲漏水等現象。

1.2.3 鵝步嶺隧道

陽陽高速公路鵝步嶺隧道的側式排水暗溝和路基橫向排水管存在淤泥和砂石沉積現象，造成了局部淤堵，影響了公路隧道排水系統(tǒng)的正常排水功能，導致隧道襯砌背后的水壓力增加，地下水通過襯砌的薄弱部位滲出（圖6）。

綜上，公路隧道滲漏水病害是地質環(huán)境、氣候條件等因素共同作用的結果。隧道排水系統(tǒng)的功能缺失是造成隧道滲漏水的主要原因之一，淤堵則是導致排水系統(tǒng)功能缺失的主因，因此在運營養(yǎng)護階段，合理分析公路隧道排水系統(tǒng)的淤堵類型對養(yǎng)護措施的制定具有重要意義。

1.3 淤堵物質類型

根據調研結果，公路隧道排水系統(tǒng)的淤堵物一般為黏性物、非黏性物、其他雜質等，主要類型包括淤泥、砂石、混凝土或異物、結晶物或結垢物等。

1.3.1 淤泥

淤泥一般沉積在隧道排水溝或排水管的底部，影響其正常的過水斷面面積。當地下水流經圍巖、支護結構進入隧道排水系統(tǒng)后，地下水溶解或攜帶了細小的淤泥及其他雜質顆粒，這些物質在排水坡度小的位置容易產生堆積，隨著運營時間的增加而逐步造成排水系統(tǒng)的淤堵。圖7為某長期運營隧道側式排水暗溝內部堆積的淤泥?？紤]到淤泥的滲透系數較小，堆積部分不再具有過水能力，此時需要采取疏通措施來確保排水系統(tǒng)的正常功能。

1.3.2 砂石

砂石在隧道排水系統(tǒng)堆積的原理與淤泥堆積原理基本一致，但在成因上有所差別。粒徑較大的砂石可能由于地下水的裹挾或沖刷作用而進入排水系統(tǒng)內部。當地下水的流動速度低時，砂石易在水力坡度小的位置產生堆積，造成淤堵，影響其過水能力。圖8為公路隧道排水暗溝內產生堆積的砂石，隨著時間的增加，砂石逐步沉積在排水暗溝底部，影響了地下水的流動狀態(tài)。

1.3.3 混凝土塊或異物

混凝土塊造成的淤堵主要存在于設有側式排水暗溝或中央排水管（溝）的隧道，產生此類淤堵的原因主要有：在施工期間或養(yǎng)護作業(yè)期間，建筑垃圾、廢棄混凝土塊等殘留在隧道排水系統(tǒng)內，或在運營期間由于車輛荷載作用導致排水暗溝混凝土蓋板垮塌。異物垃圾也是隨機分布在隧道排水系統(tǒng)內，使得排水系統(tǒng)功能降低甚或堵塞，部分情況下還可能引發(fā)排水構件的功能性風險。圖9為檢查發(fā)現某隧道排水暗溝蓋板垮塌造成排水系統(tǒng)上游產生淤堵的現象。

1.3.4 結垢物或結晶物

結垢物或結晶物指的是地下水流經碳酸類巖層后溶解了部分鈣離子，進入排水系統(tǒng)后在積水或淤堵位置產生CaCO₃、BaCO₃、MgCO₃、BaSO₄等沉淀物，隨著排水時間的增加，這些沉淀會逐步在排水管或排水溝內壁凝結、硬化，形成結垢或結晶堵塞。結垢或結晶類淤堵對隧道排水系統(tǒng)功能的突出危害在于減少了隧道排水溝或排水管的過水面積，且隨著結晶物質硬化程度的增加，清理難度也不斷增大^［13］。

2 公路隧道排水系統(tǒng)淤堵狀態(tài)評價方法

2.1 淤堵狀態(tài)的評價指標

基于對第1節(jié)所述多座典型滲漏水病害隧道的現場調研結果，提出了四類指標評價或描述公路隧道排水系統(tǒng)的排水構件淤堵狀態(tài)。隧道排水構件一般指的是組成公路隧道排水系統(tǒng)的排水管或排水溝，包括隧道縱向排水管、側式排水暗溝或中央排水管等組成構件。

2.1.1 充盈程度U₁

充盈程度U₁定義為公路隧道排水系統(tǒng)內部地下水的占比，由進入隧道排水構件的地下水體積與隧道排水構件容積之比描述，見式（1）：

U₁=V_w/V ???（1）

式中 V_w——一定范圍內進入隧道排水構件內地下水體積；V——一定范圍內隧道排水構件內部的總容積。

目前，城鎮(zhèn)排水管道檢測與評估技術規(guī)程（CJJ 181—2012）^［14］以“地下水位很低、地下水位常年超過管道”等語句定性描述排水管道的地下水位狀態(tài)，缺乏對其充盈程度的定量描述。根據對多條運營高速公路隧道排水暗溝的調研，總結發(fā)現，當排水暗溝的充盈程度U₁值超過70%時，排水暗溝處于深度積水狀態(tài)，即對應地下水位常年超過管道時的狀態(tài)，當充盈程度U₁值小于10%時，認為排水暗溝處于“無水”狀態(tài)，即對應地下水位很低時的狀態(tài)；上述兩者的中間范圍參照文獻［14］的定性描述，按2個等級劃分，得到充盈程度劃分等級見表1。

2.1.2 流動狀態(tài)U₂

當地下水進入隧道排水系統(tǒng)后，需要對其流動狀態(tài)U₂進行判斷。將流動狀態(tài)U₂定義為描述地下水在隧道排水構件內的流動程度，根據流動速度v判斷隧道排水系統(tǒng)中的物質是否產生了沉積或堆積，進而初步判斷排水構件發(fā)生淤堵現象的風險。其中，流動速度根據式（2）計算：

v=Q/A ???（2）

式中 Q——流量，m³；A——排水構件的過水斷面面積，m²。

根據隧道排水構件內地下水的流動狀態(tài)可根據雷諾數Re判斷，雷諾數Re的計算見式（3）：

式中 υ——運動黏度；d——管徑或等效管徑。

工程中常用臨界雷諾數Re_c=2 000作為流態(tài)判定依據，即當雷諾數Re<2 000時，可以認為地下水處于層流狀態(tài)，即其流動狀態(tài)較差，排水系統(tǒng)內可能存在淤堵點；當地下水的雷諾數Re≥3 000時，地下水可按無黏性流體處理，認為其流動速度處于較快的流動狀態(tài)；當地下水的雷諾數2 000≤Re<3 000時，介于流動狀態(tài)較差和快速流動狀態(tài)之間。

根據公路隧道排水系統(tǒng)的組成特點，根據計算得到的地下水雷諾數Re值，將隧道排水系統(tǒng)內的地下水的流動狀態(tài)U₂分為3個等級，見表2。由表2所示的流動狀態(tài)等級，結合隧道排水系統(tǒng)的結構狀態(tài)等因素可以初步判斷排其淤堵程度。

2.1.3 渾濁程度U₃

隧道排水系統(tǒng)內中地下水的渾濁程度U₃定義為地下水溶解細砂、淤泥等的總質量與地下水體積之比。當地下水的渾濁程度越大，隧道排水構件產生堵塞或淤積的可能性越大，尤其是充盈程度U₁值較高時，結合對地下水渾濁程度U₃的描述，可以進一步判斷隧道排水系統(tǒng)的淤堵風險。根據定義，渾濁程度U₃的計算見式（4）：

U₃=m_z/V_z（4）

式中 V_z——區(qū)段地下水總體積；m_z——區(qū)段地下水中溶解的顆?；螂s質的總質量。

式（4）的定義與水質等級評價中的渾濁度定義存在明顯區(qū)別，根據第2節(jié)中對多座公路隧道排水系統(tǒng)運動狀態(tài)的調研結果，當隧道排水暗溝內有明顯淤堵時，地下水中溶解的雜質一般較多，嚴重時超過甚至超過了地下水總質量的50%，而當排水暗溝無淤堵或淤堵狀態(tài)輕微時，地下水一般較為澄清，地下水中溶解物的占比一般小于10%，因此，根據上述調研結果，本節(jié)將公路隧道排水系統(tǒng)的地下水渾濁程度劃分為4個等級，中間等級則按20%的梯度劃分（表3）。

2.1.4 堆積程度U₄

當公路隧道排水系統(tǒng)中含有淤堵物時，淤堵物的粒徑大小和堆積狀態(tài)均會影響隧道排水構件的正常功能。根據淤堵物影響隧道排水構件過水面積的程度，定義指標U₄描述淤堵物的堆積程度。將隧道排水構件的截面簡化為圓形或正方形，將淤堵物簡化為圓形顆粒，堆積模型見圖10。

隧道排水構件的堆積程度U₄的計算見式（5）：

U₄=S_a/S ???（5）

式中 S_a——隧道排水構件中計算節(jié)點淤堵物的堆積面積；S——隧道排水構件的橫截面積。

伴隨著某個斷面淤堵質堆積程度U₄的增加，隧道排水構件的過水面積減少，其排水功能也不斷下降。參考文獻［15］對排水管道沉積物厚度的劃分方法，本節(jié)將堆積程度U₄大于50%時設為重度堆積，低于50%時視為非重度堆積，將非重度堆積按梯度10%遞增劃分4個堆積等級，結果見表4。

2.2 隧道排水構件淤堵狀態(tài)評價方法

本節(jié)從隧道排水構件的充盈程度出發(fā)，建立隧道排水構件的狀態(tài)評價指標層次見圖11。

公路隧道的排水構件由多個獨立的排水構件單元組成，因此，其淤堵狀態(tài)需要綜合n個獨立排水構件單元的淤堵狀態(tài)進行整體評價。以公路隧道側式排水暗溝為例，其排水構件單元可根據檢查井的間距進行劃分，檢查井的間距一般為50 m。

依據圖11所示的評價指標層次關系，可以計算單個獨立排水構件單元的狀態(tài)評價因子Δ_n：

式中 λ_{i（i=1，2，3，4）}——各項狀態(tài)評價指標U_{j（j=1，2，3，4）}的權重因子，反映的是各項評價狀態(tài)指標對隧道排水構件功能影響的程度分布狀況。

根據圖11，當充盈程度U₁較高時（U₁≥10%），其余3個評價指標的優(yōu)先級依次分別為：堆積程度U₄、流動狀態(tài)U₂、渾濁程度U₃。當充盈程度判定為無水狀態(tài)時（U₁≤10%），此時隧道排水構件的淤堵狀態(tài)由淤堵物的堆積程度U₄決定。

根據式（6），為評價整個隧道排水構件的淤堵狀態(tài)，還需要確定排水構件各項狀態(tài)評價指標的權重因子λ_{i（i=1，2，3，4）}，此處選用層次分析法計算各項狀態(tài)評價指標的權重因子^［16］，計算見式（7）—（9）：

式中 α_ij——要素i與要素j的重要性比較結果；CI——一致性指標；λ——最大特征根；n——評價指標的個數（此處為n= 4）；當CI越接近于0時，一致性越強；CI越大時，越不一致。CR——一致性比率；RI——隨機一致性指標。

當CR＜0.1 時可認為非一致陣Z在容許范圍內具有一定滿意度，其特征向量歸一化后可作為狀態(tài)評價指標在該位置對應的權向量；否則，若CR≥0.1時，則應調整α_ij后對非一致陣Z進行重構并驗算。

當充盈程度U₁≥10%時，采用式（7）—（9）的方法分別計算得到4個狀態(tài)評價指標的權重因子如下：λ_{i（i=1，2，3，4）}=（λ₁，λ₂，λ₃，λ₄）=（0.231，0.154，0.154，0.462）。

當充盈程度U₁≤10%時，此時隧道排水構件的淤堵狀態(tài)完全可以由淤堵物的堆積程度U₄決定，即其權重因子λ₄=1。將單個獨立排水構件單元劃分為m個計算節(jié)點，假設該排水構件單元在節(jié)點a到節(jié)點b之間發(fā)生堆積，則淤堵物的存在影響了原有的過水面積，改變了水流與實體接觸截面的粗糙程度，因此，根據式（10）計算得到單個獨立排水構件單元的狀態(tài)評價因子Δ_n：

式中 U_4m——第m個計算節(jié)點的堆積程度值。

根據式（6），當堆積程度U₄≥0.5的計算節(jié)點超過3個時，此時可認為該獨立排水構件單元的狀態(tài)評價因子應根據這些計算節(jié)點確定。

根據文獻［15］對排水管道的功能性風險的5類分級，并參考JTG H12—2015《公路隧道排水養(yǎng)護規(guī)范》將隧道土建結構等級劃分為5級，結合多年公路隧道排水系統(tǒng)淤堵治理經驗和本文第2節(jié)的調研結果，排水系統(tǒng)作為隧道的重要組成部分，其淤堵程度也應相應劃分為5個等級。綜上，根據式（6）—（10）可以計算得到單個獨立排水構件單元的狀態(tài)評價因子，以狀態(tài)評價因子值的10%為分級梯度，最終得到的劃分結果見表5。

3 工程實例評價

3.1 新屋隧道水害概況

廣東潮漳高速公路新屋隧道為左、右線分離布設，左線隧道長度為764 m，最大埋深約95.6 m；右線隧道長度為794 m，最大埋深約90.2 m。新屋隧道穿過丘陵地貌區(qū)，地形起伏大，最大相對高差約125 m。隧址區(qū)地層巖性為第四系坡殘積粉質黏土、燕山二期花崗巖及其風化層。該隧道于2017年底通車，隨著隧道運營年限的增加，在日常養(yǎng)護中發(fā)現，新屋隧道兩側的排水暗溝內存在不同程度的淤堵現象。

3.2 排水系統(tǒng)狀態(tài)評價

采用提出的淤堵物分類及淤堵狀態(tài)評價方法，選取新屋隧道左線ZK1080+660至ZK1080+860段為研究對象，采用高清潛望鏡進行初步檢查，結果見圖12，依據檢查結果對該區(qū)段排水暗溝的淤堵情況進行評價。

將該隧道排水暗溝的檢查區(qū)段劃分為4個獨立排水單元，依據檢查結果計算每個獨立排水單元的狀態(tài)評價指標，根據式（6）得到各獨立排水單元的狀態(tài)評價因子結果見表6。

根據表6的結果，依據層次分析法的權重因子計算結果，得到4個獨立排水單元的狀態(tài)評價因子分別為0.24、0.25、0.23、0.23，計算得到整個區(qū)段的狀態(tài)評價因子Δ_n=0.237 5，根據表5的劃分，即新屋隧道排水系統(tǒng)的淤堵程度為II級，與專家根據現場調查的評定結果一致，也表明前文提出的公路隧道排水系統(tǒng)淤堵狀態(tài)評價方法較為可靠。

3.3 淤堵物整治效果

基于對新屋隧道排水單元狀態(tài)的評價結果，綜合考慮現場地質、經濟與社會效益，決定采用高壓射水法對該隧道的排水暗溝進行清洗，最終清洗效果見圖13，所提出的淤堵狀態(tài)評價方法得到了較好的工程應用。

4 結論

a）公路隧道滲漏水病害是地質環(huán)境、氣候條件等因素的綜合作用的結果，在時間上與季節(jié)性降雨關系密切，在空間上和巖溶等不良地質的分布有關，排水系統(tǒng)淤堵或破損導致的排水功能下降是造成公路隧道滲漏水的主要原因之一。

b）廣東高速公路隧道排水系統(tǒng)的淤堵物可以分為淤泥、砂石、混凝土塊或異物、結晶物或結垢物，提出公路隧道排水系統(tǒng)淤堵狀態(tài)評價指標，即：充盈程度、流動狀態(tài)、渾濁程度、堆積程度，并針對指標優(yōu)先級提出了淤堵狀態(tài)的評價方法。

c）采用提出的評價方法評定潮漳高速新屋隧道排水系統(tǒng)淤堵程度為II級，提出公路隧道排水構件淤堵狀態(tài)評價結果與專家根據現場調查得到的評定結果一致，提出的排水系統(tǒng)淤堵狀態(tài)評價方法在新屋隧道得到了較好的工程應用。

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（責任編輯：高天揚）