公路隧道防排水系統設計探討

楊曄

摘要 隧道的防滲漏能力是影響隧道施工與使用的關鍵因素，需要在設計階段即予以高度重視，因此提出公路隧道防排水系統設計研究。通過研究公路隧道防排水設計的現狀，提出防排水系統的設計思路，并在此基礎上完善了防排水設計措施，實現了更高防水等級的隧道防排水設計。

關鍵詞 公路隧道;防排水系統;縱橫向排水設計

中圖分類號 TP319 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0096-03

0 引言

公路隧道的排水防滲是影響公路建設施工質量與進程的世界性設計難題。在公路建設經驗欠缺時期，因對隧道排水防滲問題缺乏充分的認識導致關注不夠，在施工中造成了多起災難性事故，施工單位蒙受了巨大的財產損失。存在滲漏隱患的隧道在使用中也出現了諸多問題，制約了公路的正常使用，帶來交通安全隱患[1]。例如陜西省建設的某條省級高速公路，其中有一段1 007 m高速隧道，采用 “新奧法”施工，因在勘察中認為施工地質狀況良好，故在施工中只以錨噴和掛網支護為主，防滲體系設計不夠健全，多年運行中滲漏現象十分嚴重，尤其在低溫環境下隧道洞壁上出現冰錐，需要時常安排人工除冰，對隧道維護和保養工作造成了很大的困擾，嚴重降低了公路的使用效率。因此，深入研究隧道的防排水問題，不僅是提升公路工程質量與降低運維成本的技術突破，更是公路建設者的社會責任擔當[2]。

1 公路隧道防排水研究現狀

近年來，隨著國家改革和對外經貿合作程度的提高，尤其是“一帶一路”的帶動下，公路建設迎來了新高潮，公路建設總里程不斷取得新突破，隧道數量逐年遞增。目前我國正在建設的公路隧道，總長已逾數千公里，最長的隧道有18 400 m[3]。另一方面，公路隧道建設標準也在不斷提升，各種電氣設備、智能化產品的應用更為廣泛，由此對隧道的防水標準也提出了更高的要求。傳統的采取排水板或軟式透水管、防水板、止水帶、縱溝、管等措施，已經不能滿足當前對隧道防水的標準要求，亟須研究更為可靠的隧道防排水技術手段[4]。

2 防排水系統設計思路

《公路隧道設計規范》（JTG3370.1—2018）提出，在施工過程中，根據工程地質情況，因地制宜，采用“防、排、堵相結合”的綜合防治方針，實現排水順暢，防水可靠，經濟合理，不留后患的設計目標[5]。這比鐵路、地下工程等建設標準更加清晰的明確了“以排為主”的設計理念。真正做到“排水暢通”（含圍巖），才能取得較好的防治、截、堵等效果，因此設計通暢的排水系統，將水流引至安全區域，是防排水系統設計的核心思路。

例如青海大坂山公路隧道，全長1 530 m，入口高3 792.75 m，經過對隧道工程地質、水文等多種資料的檢索和調研，排水工程體系設計為在二次模筑的前提下，將排水板、土工布和CPE全部封住，并在4.5 m的冰凍線上設置了一個無壓型的防凍泄水洞，將泄水洞的入口關閉，出口處設置圓形埋入式隔熱出水口。經多年觀測，該泄水洞中溫度超過2 ℃，水流全年不間斷，使隧道外側的水壓大為降低，排除了安全隱患，達到了低壓動力排水效果，為隧道正常運行提供了防排水技術保障。依托大坂山隧道工程成功的防滲設計經驗，并征求國內外隧道工程專家指導意見，設計了新型防排水結構。在早期注漿施工中，將ALIVA排氣管埋設到部分或全部的蓄水量區域，并與墻體底部的垂直排水管相連接，形成一個全面的防滲體系，達到安全的防滲效果?？紤]到寒冷地區的地下水系和凍冰層環境可能引發的冰凍影響，設計“排水暢通”的防排水系統，在早期的噴砂中即開展防排水預防工作，在開挖前以及開挖初期，要求噴砂表層要滿足不滲漏的條件，達到“排水暢通”的工程標準[6]。為了使水流處于“流動狀態”，在高速公路隧道襯砌工程中，設計“新奧法”的復合襯里，采取“三道防線”：一是排水，在前期的支撐面上，以5～10 m的間隔布置排污片或小口徑的軟管，目的是排出圍巖中的地下水;二是防水，其目標是隔開早期支護表層的滲漏點，使其不滲透;三是止水，每隔12 m設置一條止水結構[7]。以上措施的設計目標是防止因人為原因造成的滲透、滲漏通過最終的防線，防止水分流入隧道內部（如圖1）。

這“三道防線”是較為完整的，從設計上看有足夠的防水能力。然而，在經過了多次的試驗之后，發現仍然存在著少量滲漏的現象，并沒有從根本上解決防排水問題。對以上設計進行分析后發現，設置在前期支護和二次襯里的排水板和軟質透水管道無法充分發揮“排水暢通”的功能，導致二次襯里周圍的積水堆積，出現了一定的水壓;其二，早期的注漿噴水會使圍巖變形，節理裂隙的互相穿插形成水通路;其三，接縫間采用膠粘或熱熔膠合技術存在施工困難問題，同時施工縫和變形縫設止水膠布在施工中也存在困難[8]。以上原因造成了隧道的襯里存在漏水隱患。另外，在施工過程中，因長期受到水土流失和冰凍災害的侵蝕影響，特別是在高海拔地區，隧洞的開挖施工容易發生凍融災害。綜上所述，采用以上“三道防線”的公路隧道防排水設計，其實并不能真正實現“排水暢通”，還需要在現有設計基礎上完善、提升。

3 防排水系統完善設計

為了切實解決公路隧道施工中的防排水問題，尤其是高原公路施工中的凍害問題，需要在根源上尋求突破，以排為主，以防為輔，建立系統的防排水體系解決方案，在防排水網絡設計、防水設計、動態排水設計、動態排水溝管四個層面進行研究，形成互相結合的防排水綜合解決方案。

3.1 建立完整、通暢且易維修的防排水系統網絡

公路隧道的水害和凍害防治需要因地制宜，采取立體化的防排水技術手段，綜合整治。前述設計的“三道防線”防排水方案有其顯著的排水效果，具有較高的實用價值，在改進方案中仍保留該部分內容。此外還要建立一個穩固的防滲體系，輔以常態化的維護、保養措施，將技術手段和管理措施相結合，實現徹底的排水防滲。設計原則仍然采用“以排為主，防截堵結合”，實現“排水暢通”。在工程勘察中，對水工環地質環境需要充分研究，形成清晰的水源分布、水流方向、滲水層區域與厚度等第一手數據，由此有針對性的設計防排水系統網絡。在設計中需要依托現有地形，并充分考慮隧道建設對地質環境的影響，超前預判，建設完整覆蓋隧道建設區域的、逐級推進的防排水網絡。

3.2 防水

在高寒區和重點區域開展的隧道工程施工，需要選用C35級以上的防水材料做鋪層，其抗滲透等級應達到S6～S8。CPE防滲材料應滿足《氯化聚乙烯防水卷材》（GB12953-91）標準規定，達到拉伸強度縱橫向≥12 MPa、斷裂伸長率≥300%的指標要求。防水板層的安裝見圖2。

將土工織物涂上一層熱熔膠墊，用螺栓固定于排水管上，每根螺栓的外露長度控制在50 mm以上，每根螺栓的頂部預留3～4 mm空間、邊緣2～3 mm空間;在CPE防水面板上，使用一種特殊的熔化機將其與基材進行熱熔，并將其膠合的強度達到80%以上，保證防水板安裝穩固，實現可靠的防水效果。

3.3 動態排水

3.3.1 一般寒冷地區

動力排水是將ALIVA管道埋設于隧道早期的部分或有水區域，以鍍鋅、防腐的高強度鋼索為框架，外層覆蓋PVC膜，埋設ALIVA排氣管（如圖3）。

其形式有W形、ω形、U形等系列產品，要求其強度能承受噴射混凝土沖擊而不損壞，并可在垂直方向上隨意彎折，滿足圍巖體的變形和噴油層的不規則接觸面貼合要求。由于其為可任意彎折的柔性管材，滿足縱向水平的變形需求，防止了圍巖泥、沙等晶體物質直接侵入所造成的阻塞;同時，“排水暢通”可以使隧道外部的水壓力得到有效的緩解，兩個襯里之間安裝了防滲板，降低了開裂的發生概率;深層管道采用了分叉布置，管道中的水流速度較快，最大流量可達到50 m3/h，以適應不同的地形情況。在隧道工程中，低壓力動力排水的重點是在早期噴砂支護時，采用水動力設計原理，使水流順暢地排出，減小水壓。

3.3.2 高寒地區

按照高速公路隧道的設計規程，當冬季寒冷的時候，如果使用明開挖方法施工中央排水溝槽，由于開挖深度太大，會對側壁和洞體的穩定性造成一定的不利影響，因此需要在主坑口下面開設防凍水洞。工程中除運用以上“三道防線”進行防水設計之外，還在路基中央設置5 m埋深的無壓力防寒泄水洞，如圖4。

經工程實例驗證，將各個泄水孔、豎向鉆孔與隧洞內的縱、豎向鉆孔相連接，構成了一套完善的防滲排水體系，將周邊巖石的裂隙水和地下水打通，保證了襯砌在不受水力作用的情況下，具有較好的防滲性能。為以后在高寒山區的隧道防水工程建設提供了有益的借鑒。

3.4 縱向排水溝管

在隧道的縱斷面上，通常使用中央排水管，或在道路兩旁設置縱排渠，將內襯周邊的雨水從坑口排出。豎直排水渠在工程中是切實可行的，但是地下存在礦物質、泥沙等情況下效果欠佳，容易堵塞。因此，為方便管道的清理，在墻體底部沿垂直方向設置維護孔洞，保證了管道的安全運行。在隧道內壁（初期支護和二次襯里）與隧洞長度相同的斜率處安裝PVCφ160 mm的上半截帶有眼洞的排水管道，其孔徑為6～8 mm，橫向10 cm，可以取得理想的排水效果。

4 結束語

根據“新奧法”的設計與建造原則，在實行低壓動態排水的理念下，采用“三道防線”的防護措施，兼顧了普通的低溫區域或高寒地帶，可以從根本上解決隧道施工中的水患問題。在未來，還需要不斷地融入更加合理和先進的公路隧道排水系統，在不斷的設計和探討中前進。目前，我國多個在建隧道工程已經開始進行了新一輪的施工，最長的一條隧道總長大約10 km，這既是公路建設的新成就，也是隧道勘察設計的新挑戰，需要深入研究防排水的新技術，切實保障好隧道的工程質量。

參考文獻

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[3]馬巖， 鄧洪亮. 基于模糊綜合評價法的公路隧道防排水系統評價體系研究[J]. 施工技術， 2020（7）： 98-103.

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