隧道防排水设计探讨

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  【摘 要】 本文就隧道防排水设计的目的及其原则入手,概述了隧道防排水设计要点及注意事项,并对其常见的隧道防排水设计方法进行了详细的分析探讨,以供参考。
  【关键词】 公路隧道;防排水设计;原则;要点;注意事项;设计方法
  引言:
  现阶段,随着我国现代化进程的不断加快,道路工程得到了快速的发展。由于施工的地理位置以及多种外界因素的影响,公路隧道的数量也急速的增加。与此同时,新的问题也随之而来,隧道的防水排水问题就是当下道路工程建设亟待解决的问题之一。由于引发隧道水害因素的复杂性,到目前隧道渗漏水问题依然没有完全解决。然而,水对隧道的危害是多方面的,渗漏水的长期作用会危害隧道结构的耐久性,降低隧道内各种机电设施的使用功能和寿命。寒冷地区,尤其是严寒地区,隧道漏水将使隧道洞口附近路面产生结冰,拱部产生挂冰,严重恶化了隧道的运营条件。因此有必要对隧道防水排水措施进行不断研究总结,最大限度地保障隧道结构和设备的耐久性以及隧道行车的安全性。
  一、隧道防排水设计的目的及其原则
  1、目的
  隧道防排水作为一个系统,其内容涵盖表水、地下水及地层的保护、防排水措施设计、结构设计等。隧道防排水是为了维持正常的运营环境、降低维修维护成本;保证隧道工程的坚固性和耐久性;保护隧道的工作环境及地下水资源。
  2、原则
  由于引发隧道水害因素的复杂性,所以解决隧道渗漏水问题靠单一的办法不可能得到很好解决。现行JTG D70-2004公路隧道设计规范(以下简称《规范》)对隧道防排水设计提出“防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理”的原则,要求隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理,洞内外应形成一个完整通畅的防排水系统。“防”即要求隧道防水层与衬砌具有其较高的防水能力,以此来防止地下水通过其防水层与衬砌的结构渗入隧洞内。“排”即要求隧道内应有畅通的排水通道及其设施,将衬砌路面与背后结构层以下的所有积水能够顺利排入洞内的排水沟。“截”即要求对易于渗漏到隧道的地表水,通过设置排水沟以及截水沟等措施,最大限度的减少地表水的下渗对隧道的影响;对地下水,应通过设置泄水洞井点降水以及导坑等措施,将地下水尽量引离隧道结构之外。“堵”即要求对于有渗漏水现象的隧道围岩地段,应通过设置堵水墙,采用喷涂、注浆等方法,将其地下水堵在隧道围岩体内。
  二、隧道防排水设计要点及注意事项
  1、隧道的选址
  隧道选址应充分勘察拟通过区域的地形地貌、工程地质、水文地质、气象和工程环境情况,由宏观到微观、逐步查清地表水的径流水系,地下水的类型及水位、含水层的分布范围及相关渗透系数、水量及补给关系、水质及其对混凝土的侵蚀性,有无异常涌水、突水,查清地下水露头、涌泉、温泉、沼泽、天然和人工湖泊、植被,以及动植物生态等自然环境状况等,综合比选路线方案,使隧道洞身尽量避开断层发育、岩层破碎、地层富水等水文地质复杂地段。洞口则宜选择在不易受地表水侵害或暴雨时地面径流不大的位置,且洞口轴线应尽量与地面等高线正交。采取这样的主动规避不良水文地质地段的措施后,隧道施工和运营期的防排水难度和投资就相应较低,对环境的影响就相对较小,对下一步解决隧道的防排水问题可起到事半功倍的效果。实际上这一点是隧道防排水设计首要的、最主动的措施。
  2、以“堵”为首的工程措施
  当隧道必须通过高压、富水、岩溶等不良水文地质条件地段,或洞顶及其附近有井、泉、池塘、水田、湿地等对水敏感的地物时,应首先采取“堵”的措施,堵住地下水流出隧道开挖面的通路,使地下水很少流出隧道围岩。当围岩破碎、裂隙较多时,压注水泥砂浆或单液水泥浆,可防止渗漏并加固围岩。当局部水量较大时,采用水泥—水玻璃双液或化学浆液,加快凝胶时间,防止浆液流散。采用“堵”的措施后,使不同水文地质条件下的隧道排水工程都可不设计成抗水压二次衬砌。根据隧道不同埋深,经技术经济比较确定注浆堵水方式。当隧道埋深小于50m时,可采用地表注浆,当埋深大于50m时,可采用洞内环向注浆。当然,如果隧道洞身开挖面水量很小或无水,则无需“堵”水。
  3、以“截”为辅的工程措施
  当隧道埋深较浅,或用明洞法施工时,则采用“截”的工程措施可能更经济可行。对隧道影响范围内洞顶的坑洼、洞穴等易积水地段填平夯实,将水引排至隧道影响范围以外。当隧道顶部有灌溉或排水渠通过时,应将其改移至隧道影响范围以外;当必须从洞顶通过时,应尽量与隧道轴线正交,并采取可靠的防渗漏措施。当用明洞法施工时,洞顶回填体内宜施作双层隔水层和排水层,将渗入回填体内的水截住并排走。为防止洞顶暴雨时形成的地面径流流向洞口,应根据实际地形做好洞口附近地面截水沟、急流槽的设计。
  4、“排”仍然是重要的环节
  由于地下水和隧道围岩的复杂性,采用“堵”和“截”后可能还不能完全达到使隧道开挖面无水的目标。另外,由于地下水水量及流向等在不同季节也有所变化,施工期间无水或少水的地段,并不能保证在运营期间也无水或少水,那么按现行规范做好排水设施仍然是必要的。
  5、把好最后一关“防”
  应该说,经过以上三重措施后,地下水到达隧道二次衬砌背面的量已经大大减少了,但由于工程地质和水文地质的复杂性,以及现场的施工条件和施工效果与理想的设计方案还有一定差距,甚至施工中的任何一个差错或不精细,都可能使堵、截、排措施不能完全达到预期效果,所以隧道的防水设计依然是重要一环。
  三、常见的隧道防排水设计方法
  1、洞外防排水设计
  洞外防排水设计是指设计合理的隧道洞外地表水防排水措施,防止地表水下滲或向隧道洞口汇集。
  1.1洞顶地表处理
  隧道要求重视防止地表水的下渗,其处理措施为填充、铺砌、勾补、抹面等。对洞坑穴、钻孔等均应采用防水材料充填密实封闭,隧道进出口段一定范围地表采用注浆加固措施。   1.2洞顶截水天沟
  洞顶截水天沟是修筑在距洞门边仰坡一定距离外,环抱隧道洞门的截水沟。洞顶截水天沟的主要目的是截断洞口边仰坡地表水来源,防止地表水冲刷边仰坡和洞门区域。水沟一般采用浆砌片石铺砌,厚度不小于30厘米。同时,截水天沟设计应满足以下要求:首先,天沟设于边仰坡坡顶以外不应小于5米,天沟一般沿等高线向路线一侧或两侧排水;其次,天沟坡度根据地形设置,但不应小于0.5%,以免淤积。当纵坡过陡时,应设置急流槽或跌水连接。一般在地面自然坡度陡于1:1时,水沟应做成阶梯式,以减少冲刷。土质地段水沟纵坡大于20%或石质地段水沟纵坡大于40%时,应设置抗滑基座,以确保纵向稳定;最后,天沟长度应使边仰坡坡面不受冲刷为宜,下游应将水引至适当地点排泄,避免冲刷山体。流量较大时,不宜将水引入路基排水边沟排泄,应根据地形将水引至附近沟谷或涵洞排泄。
  1.3洞门截排水
  洞门截排水的主要目的是截流洞口边仰坡漫流下来的地表水,防止水流在洞门处下渗或冲刷洞门结构,影响洞门结构安全、行车安全和美观,采取的主要措施为:首先,削竹式洞门应沿洞脸环向设置高度不小于30厘米厚的钢筋混凝土帽石,沿洞门环框内侧隧道壁面设置滴水线,以防雨水漫流影响美观。然后,对于带有翼墙的各类隧道洞门及明洞洞门,洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不应小于150厘米,洞门翼墙与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度不应小于100厘米,洞门墙顶应高出仰坡坡脚0.5米以上。
  2、洞内防排水设计
  2.1围岩注浆堵水设计
  围岩注浆堵水主要是在富水区隧道开挖过程中针对大量的线状淋水、股状突水和涌水等地下水上涌地层进行浆液灌注,通过注浆堵住地层中的渗水缝隙,减少围岩流向隧道的渗水。围岩注浆堵水方法主要运用于富水区隧道或者超长隧道,例如武汉过江隧道。该法既可以在隧道开挖前通过地表鉆孔进行,也可以在隧道开挖后,由径向或超前向围岩钻孔注浆进行。
  围岩注浆的材料应选用料源广、价格便宜的水泥浆或水泥—水玻璃浆,注浆布孔的范围要在透水区范围上加宽1~1.5m。注浆过程中若透水区扩大,注浆范围也要相应的扩大。在注浆之前,还需要在透水区的中心打几个泄水孔,减少地下水因压力过大而出现更多的透水孔。当透水区水渗出相对稳定的时候,再由周边向中心逐步注浆,最后封孔。于此同时,通过设置堵水墙,采用喷涂、注浆等方法,将其地下水堵在隧道围岩体内。
  2.2复合式防水层设计
  采用复合式防水层是复合式衬砌隧道防排水的核心内容。防水层由防水板及土工布组成。防水板的作用是将地层渗水拒于二次衬砌之外,以免水与二次衬砌接触并通过二次衬砌中的薄弱环节渗入隧道。土工布的主要作用是保护防水板,使防水板免遭尖锐物的刺伤。防水层必须符合国标(GB12952—2003)中各项指标的要求,尽量采用宽幅高分子柔性防水卷材,幅宽5~8米为宜,以减少接缝。防水层搭接宽度≥100毫米,采用自动爬焊机械双焊缝热融粘结技术,结合部位采用真空加压检测,标准是0.2Mpa压力作用下5分钟之内不得小于0.16Mpa。
  2.3施工缝以及沉降缝防排水设计
  一般情况下,渗漏水不可能直接穿透混凝土进入隧道内,隧道渗水的出现往往是混凝土因施工出现裂缝或地形沉降出现裂缝。因此,对这些裂缝需要进行防水处理。
  常见的处理方法是在沉降缝设置止水带,在施工缝设置止水条(如图1),需将橡胶止水带埋设进沉降缝处,同时选用遇水膨胀型的止水条放入施工缝处。在安装止水带以及止水条时,一定要找准位置,牢固安装,防止出现偏移等情况。止水带以及止水条的大小长度需按照本隧道的实际情况设定,一般可向专业的生产厂家定制,同时尽可能的避免接头。
  图1 施工缝剖面图
  2.4洞内排水系统设计
  隧道防水措施是层层设防,每一道防水措施都是作为前一道防水措施失效的补救措施,同时也为后续防水措施减轻压力。而排水系统则是一个互相关联的整体系统,系统的每一个环节都能决定整个排水系统的成败。因而,排水系统应当设计成一个完整的、搭接可靠的、排水通畅的系统。首先是排水半管,要求其强度能承受喷射混凝土的冲击力及二次衬砌浇筑挤压而不损坏,不变形,且纵向具有柔软可弯折的特点,以适应围岩变形及喷射混凝土表面不平整的要求。用这种特殊的弹簧排水管,可以方便地实现喷层内排水;其次是横向排水管,横向排水管位于衬砌基础和路面的下部(如图2),布设方向与隧道轴线垂直,是连接纵向排水花管管与中央排水管的水力通道。横向排水管通常为硬质塑料管,施工中先在纵向盲管上预留接头,然后在路面施工前接长至中央排水管。对横向盲管的检查,主要是接头应牢靠、密实,保证纵向盲管与中央排水管间水路畅通,严防接头处断裂,由纵向盲管排出之水在路面下漫流,造成路面翻浆冒水,影响行车安全;其次是在横向盲管上部应有一定的缓冲层,以免路面荷载直接对横向盲管施压,造成横向盲管破裂或变形,影响其正常的排水能力;最后是中心排水沟(管),分离式隧道路面下设置中心排水沟(管),集中引排地下水,中心排水沟(管)的尺寸由硐室出水量决定。中心排水沟(管)采用上半断面打孔的混凝土管,设10号素混凝土基座,填塞3~5厘米碎石。中心排水沟(管)每隔200米设置中心检查井。
  图2 隧道内纵横向排水系统
  四、结束语
  总而言之,隧道防排水设计的成功与否,直接关系到其安全系数大小,直接影响到其运营安全。虽然我国现阶段的隧道防排水技术和功能已经取得了不小的进步,然而从实际应用来看,还存在着不小的问题。因此,在隧道防排水设计过程中,对每个设计环节都必须按照规范进行,严格遵守“堵、截、排、防结合,因地制宜,综合治理”的设计原则,保证设计出符合实际需要的防排水工程,最终建造出更加可靠、安全的公路隧道,为我国的交通建设做出贡献。
  参考文献:
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