“選擇控制”型防排水技術研究

摘要：隨著環保的要求不斷普及與提高，公路隧道的防排水技術也不段的細化并優化，本文因此提出選擇控制型防排水的概念，初步闡述了選擇控制防排水的內涵與實現途徑，論證了此種防排水技術的外水壓，展示了選擇控制型防排水的優勢，并對進一步的工作進行了展望。

關鍵詞：公路隧道 選擇控制 防排水 外水壓

1.緒論

人們對環境的保護的意識不斷提高，公路隧道排水受到了越來越多的非議。但是現階段由于全封堵，只是注重把隧道洞室周邊的水阻擋在公路隧道結構之外，而沒有關注，堵水后地下水的改變途徑，這樣的狀態在寒區隧道中更加不利。特別是在寒區隧道中，由于溫度的影響，水的反復凍融下，破碎圍巖，由于地下水滲流路徑的改變對本來等級較高的圍巖產生破碎、軟化等作用，降低圍巖的等級，從而影響寒區隧道的安全性。可以認為地下水滲流路徑盲目的改變也是寒區隧道滲漏水的原因之一。基于此，本文提出了“選擇控制”型防排水技術。

2.“選擇控制”型防排水概念

地下徑流通道主要有孔隙、裂隙、溶隙及人工通道等。地下水的徑流方向呈現復雜多變的特點，具體形式則視沿程的地形，含水層的條件而定。當含水層分布面積廣，大致水平，地下徑流可呈平面式的運動；在山前洪積扇中的地下水則呈現放射式的流動，具有分散多方向的特點；在帶狀分布的向斜、單斜含水層中的地下水，如遇斷層或橫溝切割，則可形成縱向或橫向的徑流。但這種復雜多變性，總離不開地下水從補給區向排泄區匯集，并沿著路徑中阻力最小方向前進，即自勢能高處向勢能較低處運動，反映在平面上，地下水流方向，總是垂直于等水位線的方向。地下水的徑流強度，即地下水的流動速度與含水層的透水性，補給區與排泄區之間水力坡度成正比，對承壓水來說，還與蓄水構造的開啟與封閉程度有關。地下徑流強度不僅沿程上有差別，在垂直方向上也不同，一般從地表向下隨著深度增加，地下徑流強度逐漸減弱，至侵蝕基準面，地下水基本處于停滯狀態[1]。

隨著施工技術不斷進步與精細化，根據地下徑流的特點，提出了選擇控制型防排水技術，該防排水技術的目的在于：對地下水進行選擇性的控制的排放，以達到安全上可靠，技術上可行，經濟上合理，且將隧道運營的長期安全性放在首要的位置。在隧道中實現選擇控制型防排水技術的主要措施有：首先調查隧道洞室附近的滲流場（如2倍洞涇范圍內），然后把流經洞室的主要的滲流路徑使用排水管連接；非主要的滲流路徑可以通過注漿技術進行堵水或者改變其路徑導入排水管道中，最終達到盡可能減小由于隧道施工帶來的天然滲流場的變化，這樣由外至內的圍巖注漿固結堵水圈、初期支護、防排水網格系統和二次襯砌而組成復合防排水結構，它依次形成多道防線，可有效減少地下水的排放量，保護水資源，進而減小對隧址區環境的影響。

對于隧洞附近的流場的確定可以通過水化學分析、示蹤液和各種探水手段來確定。對非主要地下水流通常采用的是圍巖注漿，一方面加固圍巖，一方面可堵水。圍巖注漿是隧道通過軟弱圍巖地段常用的工程手段，它的作用有加固圍巖，增強圍巖的自身強度、承載能力、自穩能力；提高圍巖的密實性，減少地下水的滲透量，承擔外水壓力；減輕初期支護噴射混凝土層承受的外荷載，降低其剛度，增強其柔性，提高其抗滲能力。

選擇控制防排水的選擇性是指，對于地下水的主要路徑的判定。對于不同等級的隧道工程，高速公路隧道的防排水顯然比一般公路隧道防排水要求嚴格。選擇出主要水流方向及可能對襯砌產生主要壓力的路徑把將襯砌背后滲水、積水控制在某一區域，防止其亂竄，并且使襯砌后的水壓力控制在可以接受的水平下。這樣，需要不斷積累工程經驗，采用模糊評判等方法進行比較準確的判定。

選擇控制防排水的控制性是指，對于滲流場的控制。對于非主要滲流路徑要控制，防止多條非主要路徑在采用堵水措施后的合并，否則在運營中表現出了滲漏水現象，只能說明襯砌在此部位比較薄弱，不能就此判斷該部位的背后為滲漏源，往往也很難找到防水層、初期支護的破損、滲漏位置。完全的封堵技術是難以在公路隧道中實現，只有控制地下水的路徑，排放和封堵的合理結合，使公路隧道處于穩定的滲流場中。

選擇控制防排水還體現在排水系統的可維護性[2]。它是指防排水系統具有的易于維修、養護，持久保持其功能的性質。任何防排水措施都不敢保證其在整個工程壽命期的功能良好，但只要它具有了可維護的屬性，在運營期間就可對其進行更換、維護，使其保持良好狀態。控制性明確提出了防排結合的方式。對于防排結合型，保持排水系統的暢通是確保防水材料正常發揮功能的重要條件，否則將造成較大外水壓力，惡化防水系統的工作環境。通過可維護性設計，使排水系統不易淤塞，且可疏通，使工務維修變得更為便利。可維護性的一個重要特征就是滲漏部位的易修復性，通過在易滲漏部位重點布置及在結構內襯范圍內系統布置注漿設施，在襯砌完成后及時注漿封堵薄弱部位，當滲漏發生時也可有針對性的補注封堵，可保證對滲漏的多次無干擾修復。易修復性也表現在通過對襯砌背后水的控制，實現滲漏修復的便捷及有效上。

3.“選擇控制”型防排水外水壓

無限制隧道排水會帶來以下嚴重后果：（1）隧道洞內滲漏水嚴重，有“十隧九漏”的說法。由于隧道滲漏水、積水、涌水，造成各種襯砌病害和水溝淤塞漫流，道床翻漿等現象也逐年增加。隨著滲漏水的不斷發展，使襯砌混凝土侵蝕日益嚴重。（2）隧道洞頂地表水位逐步流失，發生地表沉陷、井泉干枯等現象，惡化生態環境，影響隧道附近群眾生產、生活。（3）地下水的流失，造成水資源的匾乏，造成地面植被的破壞，也造成地面沉降而引起地面周邊環境的破壞[3]。

對于全封堵技術，也有如下考慮：（1）隧道如果完全防水，將大大提高防水層的造價；（2）由于隧道水文地質條件的多變性，隧道圍巖完全防水在技術上是不可行的，從這個意義上講，排水是為了更好的防水；（3）如果完全防水進行公路隧道的襯砌設計，襯砌就要承受同水頭相當的水壓力，以至于把襯砌加大到不可思議的厚度；另一方面，若因排水不暢，在襯砌背后積聚的地下水，如果不加有效的引導，將會對支護結構形成相當大的外荷載，將導致襯砌裂損破壞，引起隧道結構滲漏水病害，并引發滲漏水-裂縫的惡性循環，影響隧道運營安全。

W. J Heck 也指出在裂隙排水通道被襯砌堵塞后，隨著累積孔壓的增加隧洞襯砌發生破壞是可以理解的[4]。以下探討一下 “選擇控制”型防排水外水壓問題。

在“選擇控制”型防排水中由于采用了排水管把流經洞室的主要的滲流路徑進行了連接，相當于使用了排水技術，但是卻沒有盲目排水，保持了原有的大部分地下水的水流路徑，減少了對隧址區環境的破壞。非主要的滲流路徑可以通過注漿技術進行堵水或者改變其路徑導入排水管道中，這樣減弱了由于隧道防水產生難以接受的外水壓，減小隧道防排水的造價。

根據水工隧洞對作用在混凝土襯砌上外水壓力的觀測成果得出[5，6]：

地下水作用在襯砌上的外水壓力，不僅取決于巖石的滲透系數，同時也與襯砌本身的滲透系數有關實測資料反映出，在地下水頭一定，混凝土襯砌質量好，也就是襯砌滲透系數小于圍巖滲透系數時，測得的外水壓力較大；而在混凝土襯砌抗滲質量較差的部位，如蜂窩、麻面、冷縫、施工縫以及未堵的灌漿孔等部位它們的滲透系數較大，外水壓力就顯著降低。

隧道外水壓的相關模型試驗也顯示[7-9]：

（1）在水頭一定的條件下，襯砌背后的水壓力及其作用系數主要由圍巖、注漿圈的滲透系數、注漿圈厚度、和隧道控制排水量的大小決定，隧道控制排水量是影響襯砌上水壓力大小的重要因素。襯砌背后的水壓力和隧道控制排水量成反比例線性關系。

（2）隧道做注漿圈時，改變了隧道附近一定范圍內圍巖的綜合滲透系數，對滲流場有一定影響，隨著注漿圈厚度的增加或滲透系數減小，隧道排水量減小，襯砌背后水壓力作用系數也減小。選擇控制防排水對非主要滲流路徑進行注漿，可以減小水壓力作用系數也減小

（3） 隧道排水系統的設置對襯砌背后的水壓力分布和大小是有影響的。不設置排水系統，水壓力作用系數最大；設置排水系統，水壓力作用系數最小。環向盲管的設置可以增加襯砌背后水的流動性，可以使水壓力分布的更加均勻，減小局部的應力集中。水壓力作用系數也減小排放了主要的地下水，最大可能的減小了水壓力作用系數，且沒有盲目排水，盡可能保留原滲流場，使水壓力分布均勻。

由上述討論可以知道：“選擇控制”型防排水由于排出了大部分隧道洞室附近的地下水，所以外水壓是比較小的，而控制了地下水的主要流徑減小了對隧址區水文環境的破壞，從而達到環保的目的。但是對于“選擇控制”型防排水對于隧道襯砌背后水壓折減系數的定量間題，必須結合具體工程的防排水設計情況進行模型試驗具體研究。

4.總結與展望

本文提出了選擇控制型防排水初步概念，并對此技術的外水壓進行了初步的論證，說明其技術上的優勢與可行性。但是進一步的工作應該包括，進行模型試驗進一步充分論證技術的先進性，原型的工程運用進行造價分析，論證其可推廣性，并不斷的進行工程總結，得出其經驗方法，適應現代施工的安全、快速。

參考文獻

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