運營公路隧道襯砌排水系統技術狀況評估方法研究

蔣雅君， 劉世圭， 周 睿， 曹丹陽， 吳春偉

(1. 西南交通大學土木工程學院， 四川 成都 610031； 2. 成都揚華源動新材料科技有限公司，四川 成都 610213； 3. 廣西北投交通養護科技集團有限公司， 廣西 南寧 530299)

0 引言

近年來，我國大規模投資建設了隧道等基礎設施。截至2020年，已建成和投入運營的公路隧道有23 268處，共計24 698.9 km[1]。隨著投入運營的隧道數量不斷增加，受復雜的自然環境或施工質量缺陷等因素的影響，不少隧道陸續出現滲漏水和襯砌開裂等病害，危及隧道結構及行車安全。其中，隧道襯砌排水系統破損、地下水排放不暢引發的襯砌開裂與滲漏水等是重要誘因[2-4]。

為解決襯砌排水系統病害帶來的問題，國內學者主要從隧道襯砌排水系統病害成因分析及防治方法2個方面開展了一系列研究，并取得眾多成果。文獻[5-8]通過現場調研、XRD分析、室內模型試驗等方法總結分析了隧道排水管道中結晶物質成因、化學成分以及結晶速率的影響因素。文獻[9-12]通過現場試驗、室內試驗等方法分別提出了有機酸消耗、選用合適混凝土配合比和管道內壁涂敷特殊涂層等防治措施，探究了排水管道結晶的防治措施。同時，有關隧道排水系統的檢查和評價技術方面的研究也在起步。蔣雅君等[13-14]初步建立了排水系統技術狀況的評估方法，基于水力學原理將不同病害帶來的排水風險量化表達。魏晨茜[15]從各排水管道開始，研究管道的過水能力和管道之間的水力聯系，提出了一種排水單元排水狀態的量化方法。

綜上所述，現階段有關隧道襯砌排水系統病害的研究成果集中于結晶病害成因與防治方面，而排水系統狀況檢查和評估技術尚未成體系，缺少一種與隧道結構技術狀況評定方法相似的方法，管理單位無法及時準確地掌握隧道襯砌排水系統的技術狀況，以采取合適的養護措施來保障排水系統一直處于良好的服役狀態。

本文以公路隧道襯砌排水系統為研究對象，分析其結構特點，基于分層加權綜合評價法構建運營公路隧道襯砌排水系統技術狀況評估方法，希望為公路隧道襯砌排水系統的維護工作提供一定參考和借鑒。

1 襯砌排水系統研究現狀

1.1 公路隧道襯砌排水系統結構

根據JTG 3370.1—2018《公路隧道設計規范(第一冊 土建工程)》中襯砌排水系統設計的相關規定可知，公路隧道襯砌排水系統主要由環向排水管、縱向排水管、橫向排水管和中央排水管(溝)這些構件連接形成一個排水空間網絡(如圖1所示)，將來自圍巖的地下水有組織地匯集起來，然后有序排放至洞外。

圖1 公路隧道襯砌排水系統結構示意圖Fig. 1 Schematic of lining drainage system structure of highway tunnel

1.2 常見病害類型及等級劃分

采用工業內窺鏡等多種檢查設備調研了廣西和四川等地區10余座隧道的襯砌排水系統的運行現狀，根據病害是否造成管道結構完整性破壞，將排水系統常見的病害類型劃分為結構性病害和功能性病害2大類[16]。參考CJJ 181—2012《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》中對排水管道病害類型的劃分，隧道排水管道中功能性病害包括結晶、沉積和障礙物3類；結構性病害包括破裂、變形、起伏、腐蝕、異物刺入和接口移位6類。

在市政工程領域中，排水管道病害的等級劃分和賦分標準已形成一個完整體系。隧道襯砌排水系統中管道的功能和材料等與市政排水管道有較多相似之處，因此，以CJJ 181—2012《城鎮排水管道檢測與評估技術規程》中病害等級劃分和賦分標準作為隧道襯砌排水管道中常見病害的等級劃分和賦分標準[16]。

2 技術狀況評價指標體系

2.1 公路隧道襯砌排水系統的結構層次

隧道襯砌排水系統技術狀況表征著這一系統整體的綜合狀況，因此，評估其技術狀況應根據排水系統的特點劃分層次和構件，再綜合各層次不同構件的病害狀況綜合評判。

根據公路隧道襯砌排水系統的結構特點，將其劃分為排水段、排水單元和排水管段3個層次。

1)隧道襯砌排水段。根據公路隧道設計規范的要求和設計慣例，隧道襯砌排水系統中會設置檢查井，便于運營期間檢查和清理中央排水管，檢查井的間距約為200 m。取2個檢查井之間的襯砌排水系統為一個排水段。

2)隧道襯砌排水單元是排水系統中能夠實現匯集和排放地下水的最小有機體，多個排水單元串聯起來組成1個排水段，承擔該區段內地下水的匯集和排放功能。根據地下水在襯砌排水系統中的排放路徑，劃分的排水單元如圖2所示。排水單元由1根環向排水管，左、右2段縱向排水管匯集地下水，左、右2段橫向排水管將匯集的地下水引導至中央排水管，再經由中央排水管排放至下一單元，最后排放至隧道外。

圖2 排水單元結構示意圖Fig. 2 Schematic of drainage unit structure

3)排水管段。環向和縱向排水管承擔匯集地下水的功能，橫向和中央排水管承擔導流功能。環向和縱向排水管道中不同位置的地下水流量是不同的，對整個排水單元的影響程度也不同，將這2種排水管道劃分成多段來考慮位置差異帶來的影響。橫向排水管和中央排水管承擔導流功能，管道內各位置流量維持一致，不同位置發生的病害對排水單元的影響是相同的，無需分段考慮。

環向排水管從拱頂位置分為左、右2段H1、H2，左、右管段再切分為4個小段H1-1—H1-4、H2-1—H2-4。

排水單元中左、右兩側的縱向排水管(L1、L2)單根的設計長度約等于環向排水管，縱向排水管道切分為8個小段L1-1—L1-8、L2-1—L2-8。

橫向排水管在排水單元中承擔將縱向和環向排水管收集的水導流至中央水管的功能，分為左、右2段水管C1、C2。

中央排水管M在排水單元中承擔將地下水導流至下一單元的功能。

綜上，隧道襯砌排水系統的結構層次如圖3所示。

圖3 隧道襯砌排水段結構層次關系Fig. 3 Structural relationship of drainage section of tunnel lining

2.2 排水管段病害參數確定方法

2.2.1 環向和縱向排水管段功能性病害參數確定

環向和縱向排水管道不同位置的過水流量不同、重要性不同，將環向和縱向管道進行切分。環向排水管和縱向排水管的功能性病害參數由各自小管段病害分值和相應的位置權重綜合計算得到，具體計算按式(1)—(2)進行。

(1)

(2)

式(1)—(2)中：GH為環向排水管段功能性病害參數；GL為縱向排水管段功能性病害參數；YH為環向各小管段的功能性病害分值的最大值；YL為縱向各小管段的功能性病害分值的最大值；y為各小管段中的功能性病害分值；η為各小管段的權重；i,j為切分小管段的編號(i=1,2；j=1,2,…,8)；k為排水管段中功能性病害的數量，由檢查結果確定。

2.2.2 橫向和中央排水管段功能性病害參數確定

評價指標體系中，橫向排水管分為左、右2段C1、C2，中央排水管段為M。橫向排水管段與中央排水管未進行切分，單個管段的長度較長，一個管道內可能會存在較多的病害，且當病害之間間距相對較小時，病害之間可能相互影響，因此，計算橫向排水管段和中央排水管段的病害參數時，需考慮病害間距的影響。橫向排水管段和中央排水管段病害參數的計算按式(3)—(7)進行。

當Ymax≥Y時，GCi(M)=Ymax；

(3)

當Ymax

(4)

(5)

Ymax=max{Pe}；

(6)

k=k1+k2。

(7)

式(3)—(7)中：GC(M)為橫向排水管段或中央排水管段功能性病害參數；Ymax為橫向排水管段中功能性病害分值的最大值；Y為橫向或中央排水管段功能性病害分值，按病害數量計算的功能性病害平均分值；k為單根排水管段中功能性病害的數量；k1為排水管段中間距大于1.5 m的功能病害數量；k2為排水管段中間距小于1.5 m、大于1.0 m的功能性病害數量；Pe為排水管段功能性病害分值；Pe1為縱向間距大于1.5 m的功能性病害分值；Pe2為縱向間距小于1.5 m、大于1.0 m的功能性病害分值；β為病害影響系數，與病害間距有關，取β=1.1。當病害縱向間距≤1.0 m時，病害分值疊加計算，疊加結果超過10分，按10分計算。

排水單元內環向、縱向、橫向和中央排水管段的結構性病害參數計算方法與功能性病害參數計算方法相同，此處不做贅述。

2.3 排水系統技術狀況評價指標體系

2.1節將排水系統分為排水段、排水單元和排水管段3個層次，本文以各排水管段的病害參數作為評價指標，逐層向上綜合評估，完成公路隧道襯砌排水系統技術狀況的評估。由各排水管段的病害參數建立的評價指標體系見圖4。

圖4 隧道襯砌排水系統技術狀況評價指標體系Fig. 4 Evaluation index system of technical conditions of tunnel lining drainage system

隧道襯砌排水系統常見的病害可分為功能性和結構性2種，需分別評估隧道襯砌排水系統的功能性技術狀況和結構性技術狀況。功能性狀況評估和結構性狀況評估采用同一套評價指標體系，技術狀況評估時分別統計計算排水管段的功能性或結構性病害參數。

3 排水管段和排水單元權重計算

公路隧道襯砌排水系統不同管段因功能差異和位置差異對過水能力的要求各不相同，經過的流量越大，對排水能力要求越高，重要性程度越大。因此，選擇經過管段的流量大小來計算管段的權重大小。通過對比分析，本文采用SWMMH軟件建立排水系統模型，計算排水單元內各管段以及不同工況下排水單元之間的流量，再以流量比例來計算得到排水管段和排水單元之間的權重大小。

3.1 排水系統模型參數設置

3.1.1 隧道襯砌排水單元管段水力模擬

公路隧道襯砌排水系統的結構形式基本相同，但實際工程中不同隧道在管道的標高設置、管徑選擇以及管道的間距設置等方面因地制宜選擇相應的參數，使襯砌排水系統的排水能力與地下水出水量相適應。因此，假設不同地下水條件在與之相適應的排水系統中的狀態是相同的，即地下水在排水管道中不為充盈狀態。

基于這一假設，本文選擇常見的公路隧道襯砌排水系統的設計參數來建立模型。通過設置地下水的出水量，使得出水量與該參數下襯砌排水系統相適應，所以認為該狀態下襯砌排水系統中各管段和單元的流量具有代表性。

出于以上考慮，本文選擇常見的雙車道公路隧道的襯砌排水系統結構形式在SWMMH中建立相應的排水系統模型，隧道的斷面形式如圖5所示。排水單元間距為20 m，建立的排水單元的管網模型如圖6所示。排水單元模型中各管段的特性參數如表1所示，各節點的標高如表2所示，經過試算，設置環向和縱向排水管段各節點的進流量為0.6 L/s可滿足前面假設。

圖5 雙車道公路隧道常規斷面(單位： cm)Fig. 5 Conventional section of two-lane highway tunnel (unit： cm)

箭頭為排水單元內地下水排放路徑。圖6 排水單元管網模型Fig. 6 Model diagram of drainage unit

表1 排水單元模型中各管段參數Table 1 Parameters of each pipe section in the model

表2 排水單元模型中各節點標高Table 2 Elevation of each node in the model m

3.1.2 隧道襯砌排水系統的管段水力模擬

隧道排水段的水力模型是在排水單元的模型上疊加多個相同的模型，串聯起來形成一個排水段計算模型，如圖7所示。

框內為1個排水單元。圖7 隧道排水段計算模型Fig. 7 Model diagram of tunnel drainage section

3.2 計算結果分析

3.2.1 排水單元內各管段之間的權重

根據3.1節的內容建立排水單元的模型，計算排水單元內各排水管段的流量，如表3所示。

表3 排水單元內各管段流量Table 3 Flow rate of each pipe section in drainage unit L/s

根據計算得到排水單元內各管段的流量大小，計算管段之間的流量比值，可作為排水管段之間的權重大小分配依據。

環向排水管中4個小管段之間的權重之和為1，則4個排水管道之間的權重大小可按式(8)計算得到。環向排水管4個小管段的權重大小如表4所示。

表4 排水單元內環向排水管4個小管段的權重Table 4 Weight of four small pipe sections of circumferential drainage pipe in drainage unit

(8)

式中：ηi為權重；Qi為i管段的流量。

縱向排水管中8個小管段之間的權重之和為1，則8個排水管道之間的權重大小可按式(9)計算得到。縱向排水管中，8個小管段的權重大小如表5所示。

表5 排水單元內縱向排水管8個小管段的權重Table 5 Weight of eight small pipe sections of longitudinal drainage pipe in drainage unit

(9)

以排水單元內各排水管道承擔的流量作為權重計算的基準，計算得到不同管段的權重。根據排水單元中各管道的功能可以看出，一個排水單元中，排水管道之間的流量可以用式(10)和式(11)表示。排水管道權重之和為1，提取表3中不同管段之間的流量計算得到排水單元內各管道之間權重分配如表6所示。

表6 排水單元內不同管道的權重Table 6 Weight of different pipes in drainage unit

QH1+QL1=QH2+QL2；

(10)

QC1=QC2。

(11)

3.2.2 排水段內排水單元的權重

通過模型計算排水系統完好狀態下以及不同數量橫向排水管失效狀態下各排水單元之間的流量變化。以排水單元之間的流量大小為基礎，取不同破損狀態下與完好狀態下排水單元流量的比值為權重，表征不同狀態下各排水單元的重要性程度。

模擬計算結果顯示，在橫向排水管失效后該排水段未能將所有地下水排出，部分地下水積蓄在排水段內。橫向排水管失效數量越多，積蓄于排水段內的地下水越多。取排水段不同狀態下的排水量與完好狀態下排水量的比值為λ，取倒數1/λ表征該狀態下排水段的破損程度，對技術狀況評估結果進行加權。當有5根橫向排水管失效時，排水段的排水量只為完好狀態下的77%，對隧道結構會造成比較大的影響，因此，認為這一狀態下，排水段的功能已失效。橫向排水管失效數量與λ的關系如表7所示。排水單元中橫向排水管失效后，受影響最明顯的只有下游相鄰的第1個完好排水單元。排水段中各排水單元權重用γm表示，其中，γ為權重大小，m為排水段中排水單元的編號(m=1，2，3，…)，排水單元的權重分配如表8所示。

表7 橫向排水管失效數量與排水量比值λ的關系Table 7 Relationship between failure number of transverse drainage pipe and λ in drainage system

表8 排水系統中排水單元權重分配Table 8 Weight distribution of drainage unit in drainage system

4 技術狀況綜合評價模型

4.1 綜合評價模型

根據公路隧道襯砌排水系統的層次劃分，技術狀況的綜合評估分為2個步驟，先進行排水單元的技術狀況評估，再綜合各單元的技術狀況評估這一排水段的技術狀況。

4.1.1 襯砌排水系統功能性技術狀況評估模型

1)排水單元功能性技術狀況值按式(12)計算。

PSCIm=∑ωHi-j×GHi-j+∑ωLi-j×GLi-j+

∑ωCi×GCi+ωM×GM。

(12)

式中: PSCIm為排水系統中第m個排水單元的功能性技術狀況值；G為排水單元中不同管段的功能性病害參數；ω為排水單元內各管道權重大小，由表6確定。

2)排水段功能性技術狀況值按式(13)計算。

(13)

式中： PSCI為檢查段的襯砌排水系統功能性技術狀況值；n為排水段內排水單元的數量，由實際情況確定；λ為不同狀態下排水段排水量與完好狀態下出流量的比值，由表7確定；γ為排水段內排水單元的權重大小，由表8確定。

4.1.2 襯砌排水系統結構性技術狀況評估模型

結構性技術狀況評估模型與功能性技術狀況評估模型相同，將式(12)和式(13)中的功能性相關指標換成結構性指標，可獲得結構性技術狀況值PSSI。

4.2 技術狀況類別劃分

4.2.1 計算結果等級界定

由式(13)計算得到的評估結果按照表9來分級界定襯砌排水系統的技術狀況類別。

表9 排水系統技術狀況類別界定Table 9 Definition of technical condition category of drainage system

4.2.2 技術狀況等級劃分

JTG H12—2015《公路隧道養護技術規范》中將隧道土建結構的技術狀況劃分為5個等級，排水系統作為隧道的一部分，技術狀況等級的劃分數量應保持統一，因此，將公路隧道襯砌排水系統技術狀況劃分為5個類別，各類別描述如表10所示。

表10 隧道襯砌排水系統技術狀況分類Table 10 Classification of technical conditions of tunnel lining drainage system

4.2.3 極端狀況下排水系統技術狀況評定

1)當中央排水管被結晶、障礙物或泥砂沉積等完全堵塞，排水能力喪失之后，排水系統的功能性技術狀況評為5類；

2)當排水系統中同一側存在連續5個及以上排水單元的橫向排水管完全堵塞后，排水系統的功能性技術狀況評為5類；

3)中央排水管頂部位置出現縱向長距離開裂現象時，排水系統的結構性技術狀況評為5類；

4)當中央排水管出現接口移位或破裂等病害，造成地下水外泄至路基中，排水系統的結構性技術狀況評為5類；

5)當隧道襯砌排水系統中連接邊墻檢查井的橫向排水管堵塞，邊墻檢查井內積水嚴重，外溢至路面影響行車安全時，排水系統技術狀況評為5類。

4.3 工程實例

4.3.1 工程概況

廣西某運營高速公路隧道，全長795 m，起止樁號為K168+000～+795。隧道在投入運營后對該隧道K168+200～+400襯砌排水系統進行定期檢查和技術狀況評估。該區段中K168+260單元的C1橫向排水管被結晶物質完全堵塞，喪失排水能力。表11和表12分別為K168+200排水單元的功能性病害和結構性病害統計信息。

表11 K168+200 功能性病害狀況統計Table 11 Statistics of functional diseases in K168+200

表12 K168+200 結構性病害狀況統計Table 12 Statistic of structural disease in K168+200

4.3.2 區段排水系統功能性技術狀況評估

4.3.2.1 排水單元功能性技術狀況評估

由GH1=0.3×2+0.4×5=2.6，GH2=0.4×5=2，GL1=0，GL2=0.11×2+0.14×5=0.92，GC2=4，GM=4可知，PSCI1=(2.6+2)×0.06+(0+0.92)×0.13+4×0.16+4×0.3=2.24。

同樣計算得到該區段內其他排水單元的功能性技術狀況值為： PSCI2=3.23，PSCI3=1.79，PSCI4=3.71，PSCI5=2.12，PSCI6=2.04，PSCI7=1.54，PSCI8=2.57，PSCI9=2.09，PSCI10=2.53。

4.3.2.2 區段功能性技術狀況評估

根據檢查結果確定K168+260排水單元權重γ4=1.22，本排水段內其他單元權重取1，λ取0.97。計算得到該區段功能性技術狀況值

2.12+2.04+1.57+2.57+2.09+2.53)=2.47。

K168+200～400區段功能性技術狀況值為2.47，該區段排水系統的技術狀況等級為2類，排水系統輕微破損，少部分排水管道存在病害，排水系統功能不受影響。

4.3.2.3 區段排水系統結構性技術狀況評估

1)排水單元結構性技術狀況評估值。結構性病害參數FH1=0.3×2+0.4×5=2.6，FH2=0.4×5=2，FL1=0.09×2+0.16×5=0.98，FL2=0.14×2+0.18×5=1.18，FC1=4，FC2=5，FM=5，求得結構性技術狀況值PSSI1=(2.6+2)×0.06+(0.98+1.18)×0.13+(4+4)×0.16+5×0.3=3.5。

同樣計算得到該區段內其他排水單元的結構性技術狀況值為： PSSI2=5.85，PSSI3=3.07，PSSI4=6.90，PSSI5=2.18，PSSI6=2.84，PSSI7=1.46，PSSI8=2.57，PSSI9=2.09，PSSI10=4.37。

K168+200～400段功能性技術狀況值為3.63，以此判斷該區段排水系統的技術狀況類別為3類，排水系統管道結構中等破損。

5 結論與建議

本文通過現場調研、理論分析和數值模擬等方法研究公路隧道襯砌排水系統的病害類型、結構特點和水力聯系，提出了一種公路隧道襯砌排水系統技術狀況評估方法，主要研究成果如下：

1)依據公路隧道襯砌排水系統結構特點，將其劃分為排水段、排水單元和排水管段3個層次；根據不同排水管段的功能差異，分別確定其病害參數計算方法；最后以各排水管段的病害參數為評價指標，建立技術狀況評價指標體系。

2)利用SWMMH軟件建立公路隧道襯砌排水系統模型，模擬地下水在排水單元和排水系統中的運行狀況，計算排水單元和排水管段的流量，以此為基礎計算出各管段和各排水單元的權重分配。

3)采用分層加權綜合評價法，建立公路隧道襯砌排水系統的功能性和結構性技術狀況評價模型和技術狀況等級劃分標準；將本文提出的評價方法應用于實際工程中，評估結果能較好地反映隧道襯砌排水系統的運行狀況，具有較好的適用性。

由于管道病害等級劃分和賦分標準直接引用了市政工程中排水管道的相關規范，可能與實際工程中存在一定偏差，后續需要調研更多案例，建立相適應的病害等級劃分標準和賦分標準。