山區(qū)高速公路隧道控制性防排水工程措施研究

鄭少華

(中交第二公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，湖北武漢430056)

目前，我國高速公路路網(wǎng)日趨完善，且逐步向多山地區(qū)延伸，隧道長度所占路線比例也越來越高，一系列與生態(tài)環(huán)境相關(guān)的問題隨之突顯出來，若在設(shè)計施工中不采取有效措施，必將導(dǎo)致嚴重破壞生態(tài)環(huán)境。

公路隧道防排水設(shè)計基本都是開放式的，但這種“以排為主"的設(shè)計模式會破壞地下水的原有平衡，導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題，如:①地表松散沉積物及部分堅硬巖石孔隙中的地下水，因供排失衡，當(dāng)補給水嚴重低于排水時，造成地表干裂、植被枯死，進而風(fēng)化為不毛之地;②在排水過程中，由于地下水在運動過程中對巖石或沉積物進行沖刷破壞，帶走細小的礦物顆粒，使其空隙逐步擴大，形成地下空洞并引發(fā)地表塌陷，不僅破壞環(huán)境，而且給隧道本身的安全運營帶來隱患［1，2］。

隨著人們環(huán)保意識的增強，隧道工程防排水問題對環(huán)境的影響已引起工程技術(shù)人員的重視。但如果采取“全封閉”防水，隧道結(jié)構(gòu)往往需承受較大水壓力，尤其是深埋巖溶長隧道，水壓力往往高達若干兆帕，使襯砌難以承受。在設(shè)計上其直接造價較高，并且在很多情況下是較難實現(xiàn)的。因此，充分認識地下水與隧道作用關(guān)系，研究采取經(jīng)濟合理的防排水工程措施，在隧道施工完成后達到的新平衡狀態(tài)下的地下水位能維持地表植被的生長［3］。

1 山區(qū)隧道設(shè)計水位的確定

根據(jù)隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件，運用植被生態(tài)用水方法計算出隧址區(qū)域內(nèi)合理生態(tài)用水量，調(diào)查當(dāng)?shù)氐乃暮徒邓闆r，算出植被需由地下水提供的水量，從而反算出植物生長較好所對應(yīng)的地下水位，把這一地下水位作為設(shè)計水位，采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧Φ叵滤呐欧帕考右钥刂?，保持地下水位的基本穩(wěn)定。

經(jīng)調(diào)查，地下水位生態(tài)環(huán)境指標(biāo)與地下水位埋深關(guān)系密切，因此，最重要的地下水位生態(tài)環(huán)境指標(biāo)是地下水臨界埋深。地下水位臨界埋深的上界值指適宜地表植被生長范圍內(nèi)的最小地下水位埋深，其下界值是指不引起天然植被衰敗的最大地下水位埋深，該值與植物種類及地理環(huán)境關(guān)系較大。

合理植被生態(tài)用水是指維持生態(tài)系統(tǒng)正常運作所需要的水量，該值的計算通常采用間接計算方法，即根據(jù)潛水蒸發(fā)量來計算。如用某一植被類型在某一潛水位的面積乘以該潛水位下的潛水蒸發(fā)量與植被系數(shù)，得到的乘積即為生態(tài)用水，計算公式如下:

式中:Wgi為植被類型在地下水位某一埋深時的潛水蒸發(fā)量;K為植被系數(shù)，即在其它條件相同的情況下有植被地段的潛水蒸發(fā)量除以無植被地段的潛水蒸發(fā)量所得的系數(shù)，這兩個量通常由試驗確定。

由于隧道地表植被的生長與地下水位密切相關(guān)，因此，潛水埋深是控制植被生長狀況的決定因素，據(jù)研究，在干旱區(qū)土壤含水量與地下水位埋深存在如下關(guān)系式:

式中:θ為土壤剖面評價含水量(%);H為地下水位埋深。在給定的水位埋深下可應(yīng)用該式計算出土壤含水量，將計算結(jié)果與當(dāng)?shù)氐闹参锷L所需毛管持水量比較，判定植被生態(tài)環(huán)境。在確定設(shè)計水位時，一般宜以大多數(shù)植物的生長狀態(tài)要求的地下水埋深作為植被地下水位臨界埋深指標(biāo)［4，5］。

2 公路隧道控制性防排水工程措施研究

山區(qū)高速公路隧道工程控制性防排水，是近年來為降低封閉式防水成本，又要滿足地下水環(huán)境保護而提出的一種新型的防排水原則。在半封閉防排水的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)對水位的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時自動或半自動地調(diào)整排水量。對于地下工程，可實現(xiàn)控制性防排水的工程措施主要有兩種:一是在排水管上加閥門，通過調(diào)節(jié)開關(guān)達到控制排放的目的;另一種是通過控制對隧道周邊圍巖進行注漿加固的厚度和效果。

2.1 設(shè)計水位條件下圍巖止水措施

當(dāng)隧道發(fā)生滲漏水時，通常情況下是采用對隧道周邊圍巖進行注漿加固來解決的。其原理是由于在注漿前，圍巖裂隙寬度較大，連通性較好，使得圍巖的滲透系數(shù)較大，而向隧道周邊圍巖灌漿后，用高壓把漿液充填到巖體裂隙中，通過漿液的凝固，減小了裂隙的寬度，并且裂隙面受到注漿壓力而緊縮，變?yōu)殚]合狀態(tài)，使得圍巖的滲透系數(shù)顯著降低。許多工程對圍巖的注漿試驗均表明，注漿結(jié)束后圍巖的透水系數(shù)一般能比原來圍巖透水系數(shù)降低1～2個數(shù)量級。

圍巖的注漿實踐表明，注漿結(jié)束后圍巖的透水系數(shù)一般能變?yōu)樵瓉韲鷰r透水系數(shù)的0.1%～0.5%。當(dāng)隧道設(shè)計模型如圖1所示時，圍巖注漿對隧道排放量的影響可采用如下計算公式:

分析上式可知:

①注漿加固效果越好，周邊圍巖滲透性越差，隧道排放量越小;

②注漿加固圈厚度越小，隧道排放量越少;

③對隧道周邊圍巖進行注漿后，可以顯著減少地下水的排放量。

圖1 隧道各層滲流模型

確定注漿加固范圍時，主要考慮將地層承載能力和上述堵水率要求，此外還要考慮工程成本和工期要求，其值主要通過計算并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗確定。

2.2 設(shè)計水壓條件下的自動排水系統(tǒng)

隧道自動排水系統(tǒng)主要包括整體導(dǎo)排水系統(tǒng)和襯砌背后的導(dǎo)流系統(tǒng)。隧道自動防排水系統(tǒng)水壓確定的前提是保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)的安全，首先通過對結(jié)構(gòu)受力變形狀態(tài)進行反算，確定襯砌背后允許的水壓力，以此作為控制性排放的控制水壓。當(dāng)襯砌背后水壓達到該值時，通過傳導(dǎo)系統(tǒng)，自動判定并啟動排水閘門，當(dāng)水壓降到一定范圍后，防排水閘門自動關(guān)閉，如此反復(fù)循環(huán)，以達到隧道營運期間，使襯砌結(jié)構(gòu)安全和地表植被正常生長能夠做到有機統(tǒng)一。

另外需要說明的是，在確定隧道襯砌厚度時，應(yīng)充分考慮地表植被的正常生長所需要的地下水位，其確定方法同上節(jié)。在二者做到有機統(tǒng)一的前提下確定出襯砌背后的合理允許水壓值。

2.3 滲流至襯砌背后水的排放方案

通過前面分析認為，在有條件的情況下，山區(qū)高速公路隧道宜推薦采用“限量排放”的原則來設(shè)計隧道防排水，即隧道襯砌背后圍巖中設(shè)計一定厚度的注漿堵水圈，以限制流向隧道襯砌背后的滲流量;或在局部裂隙較發(fā)育的地段采用“全封閉”防水模式，再在隧道襯砌背后設(shè)置排水措施如盲溝等排出一部分滲流水量。

另外需要說明的是，上述限制性排水并非把水堵死在隧道襯砌背后，而是在根據(jù)植被生長需要確定圍巖注漿區(qū)域和范圍后，要將通過注漿區(qū)域滲流出的水順利排放，以確保隧道結(jié)構(gòu)的安全。設(shè)計時可采用如下工程措施:

(1)隧道開挖后，根據(jù)各類圍巖地下水的發(fā)育狀況，在巖面環(huán)向布設(shè)Ω型彈簧排水管，以引排圍巖滲漏水至基底縱向水管內(nèi)，使隧道初期支護內(nèi)排水良好。

(2)為了有效地排除二次襯砌背后積水，消除二次襯砌背后的靜水壓力，在初期支護與防水層之間間隔一定距離設(shè)置排水盲管，再將盲管與邊墻底部的縱向排水管相連接，然后通過橫向引水管，將水引入中心水溝排出洞外。

(3)在初期支護和二次襯砌之間敷設(shè)一層復(fù)合防水卷材，作為第一道防水措施。

(4)拱部和邊墻二次襯砌采用不低于S8的防水混凝土作為第二道防水措施。

(5)在施工縫處布設(shè)橡膠止水帶，確保施工縫、變形縫、沉降縫處防水效果。

(6)路面沖洗水通過路拱橫坡排入邊溝，在洞外引入路基排水邊溝，凈化處理后排放。

(7)路面滲水及無仰拱段路面下滲水通過路面結(jié)構(gòu)層泄水孔和碎石墊層排入中心排水管引出洞外自然溝谷，以此形成完善的、便于維修的暗洞防排水體系。中心排水溝縱坡與隧道縱坡一致［6，7］。

3 結(jié)論

通過理論分析和對設(shè)計施工經(jīng)驗的總結(jié)，認為山區(qū)公路隧道在設(shè)計施工時，為避免隧道修建對區(qū)域水環(huán)境的過量破壞，可采取的工程措施如下:

(1)隧道選址應(yīng)充分考慮到地下水的影響，盡量避開巖溶發(fā)育劇烈區(qū)和大面積的軟弱破碎帶，結(jié)合現(xiàn)有的地質(zhì)水文資料盡可能探明沿線的地下水文情況，做到對可能出現(xiàn)的復(fù)雜巖層有充分的準(zhǔn)備和施工預(yù)案。

(2)對于富水巖層的高速公路隧道設(shè)計應(yīng)當(dāng)調(diào)整“以排為主”的設(shè)計思路，建立有條件情況下采取“限制性防排”地下水的設(shè)計思路，結(jié)合隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境的承受能力和施工經(jīng)濟條件兩方面因素控制隧道的涌水量，保持地下水環(huán)境的相對平衡。

(3)穿越復(fù)雜巖層的隧道應(yīng)制定完善的施工方案，對圍巖應(yīng)進行超前預(yù)注漿處理，加固圍巖，形成止水帷幕，待注漿效果達到預(yù)定要求后方可繼續(xù)開挖。對圍巖的注漿試驗表明，注漿結(jié)束后圍巖的透水系數(shù)一般能比原來圍巖透水系數(shù)降低1～2個數(shù)量級。

［1］重慶交通科研設(shè)計院．公路隧道設(shè)計規(guī)范［S］．北京:人民交通出版社，2004

［2］李耐霞．歌樂山隧道施工過程對水環(huán)境影響研究［D］．成都:西南交通大學(xué)，2004

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