新型排水板在富水地層隧道性能試驗及施工技術(shù)

石良波

( 中鐵十八局集團第三工程有限公司，河北 涿州 072750 )

我國在鐵路和公路隧道的防水排水設(shè)計及施工中取得了一些成果，積累了一定的經(jīng)驗，但部分隧道仍存在不同程度的漏水情況。目前一些防水產(chǎn)品排水功能不強是影響隧道防排水效果的主要因素之一，特別是傳統(tǒng)的排水盲管比較容易被堵塞，不便于維修，導(dǎo)致排水系統(tǒng)不能發(fā)揮有效排水功能。

目前，“外排內(nèi)防”的隧道防排水理念正在大力推廣，隧道具有排水功能的凸殼排水板和毛細排水板應(yīng)用越來越廣泛，極大地降低了“全防”隧道施工縫滲漏水的風(fēng)險[1]。排水板可以有效凸顯對地下水的排泄作用，特別是地下水發(fā)育地段通過排水板實現(xiàn)富含水地段對滲水的引排，而且排水板的排水效果明顯好于環(huán)向盲管[2]。本文結(jié)合某公路隧道對防水排水板排水和防水進行研究，通過比選，將毛細管排水板因地制宜應(yīng)用隧道泥沙較多富水軟巖區(qū)，經(jīng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)防滲漏水效果良好，本文對更好提高產(chǎn)品性能、優(yōu)化設(shè)計、提升相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)有一定的借鑒意義。

1 復(fù)合式防排水系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

目前，傳統(tǒng)公路或鐵路隧道復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)采用的防水材料大多為平板型防水材料，無法實現(xiàn)與二次襯砌混凝土進行密合，自身不具備排水能力，非常容易出現(xiàn)竄水現(xiàn)象，需要配置很多環(huán)向、縱向排水管輔助排水。由于傳統(tǒng)排水效果欠佳，導(dǎo)致隧道現(xiàn)場水位會升高、二次襯砌壓力增大，并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形開裂，威脅隧道的長期運行安全[3]，傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)

為提高隧道的防排水能力，隧道二襯與防水板中間應(yīng)布置排水板，如圖2所示。排水板縱向間距一般是2～5 m，進行施工時，排水板間距可根據(jù)情況適當(dāng)調(diào)整，具體鋪設(shè)方法基本與環(huán)向盲管相同；在實際運用時，能關(guān)閉排水管道螺栓清淤防淤積，具有方便維護的功效[3]。

圖2 復(fù)合式防排水系統(tǒng)示意

2 隧道施工縫新型排水板研究

2.1 新型排水板的分類

1)毛細型排水板。其成分為聚氯乙烯，簡稱為PVC，通常有單面型及雙面型2種形式[4]，如圖3所示。

圖3 毛細型排水板外觀

2)凸殼排水板。凸殼排水板主要由高密度聚乙烯制成，簡稱為PE，即熱塑性樹脂塑料板，按照特殊工藝加工而成凸圓柱殼，形成獨立的立體空間[5]，如圖4所示。

圖4 凸殼型排水板外觀

2.2 新型排水板的工作原理

凸殼型排水板的凸殼和凹面分別貼近初支和二襯，并留出間隙，借助該間隙實現(xiàn)排水功能。而毛細型排水板是借助該材質(zhì)具備的表面張力、自重力、毛細力以及虹吸力進行有效排水[6]。

2.3 新型排水板的規(guī)格尺寸

凸殼型排水板和毛細型排水板兩種新型排水板的具體規(guī)格見表1、表2。

表1 凸殼型排水板的規(guī)格尺寸 mm

表2 毛細型排水板的規(guī)格尺寸 mm

2.4 排水板試驗方案

為檢驗排水板的排水效果以及防淤堵效果，依據(jù)試驗成果指導(dǎo)實踐，遵循《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)水流量的測定》(GB/T17633—2019)。另外，考慮隧道埋深實際開展試驗。

2.4.1 試驗裝置

傳統(tǒng)的試驗儀器展開試驗時水頭差偏小，支護壓力偏弱，測試儀器和實際隧道工況有較大出入，因而對排水板的排水性能測試誤差較大。因此，通過詳細勘察調(diào)研，并參考有關(guān)試驗，通過比選，引入張素磊等研發(fā)的排水性能試驗裝置，該裝置包括：液壓加載裝置，具有可實現(xiàn)液面高度的可視化監(jiān)測的儲水模型箱液壓加載裝置，水量采集裝置，以及水壓加載裝置等，進行新型排水板的排水能力試驗及抗淤堵能力試驗，排水板試驗裝置如圖5所示。

圖5 新型排水板排水性能試驗裝置

2.4.2 試驗內(nèi)容

依據(jù)《土工布及其有關(guān)產(chǎn)品平面內(nèi)水流量的測定》(GB/T 17633—2019)設(shè)置水壓力值，確保0.1和1.0兩個不同的水壓梯度；此外，參考隧道埋深和試驗最大水壓不超過100 kPa。

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測資料，結(jié)合部分公路隧道、鐵路隧道、地鐵隧道的監(jiān)測結(jié)果，設(shè)置支護壓力。完成二襯施工以后，2層支護壓力逐步提高，支護壓力依次設(shè)置為20、150、250、350、500 kPa 5級。

2.4.3 抗淤積能力試驗

該試驗用水應(yīng)更換為泥沙混合水，泥沙粒徑不超過2 mm，并將泥沙混合水充分混合。開展試驗時，水壓力和支護壓力分別為0.75 kPa和150 kPa，為評測凸殼型排水板和毛細型排水板兩種新型排水板抗淤堵能力，把排水流量和含沙量作為重要指標(biāo)開展觀測。

2.4.4 排水能力試驗

為了避免水模型箱中水的顆粒干擾試驗結(jié)果，一般選取純水展開排水試驗，試驗參數(shù)設(shè)置一覽表見表3。

表3 試驗參數(shù)設(shè)置

按照試驗規(guī)程的規(guī)范，模擬處于隧道施工狀態(tài)，凸殼型排水板和毛細型排水板兩種新型排水板沿水流動方向長度和寬度要求務(wù)必分別超過30 cm和20 cm，該實驗中，放置在排水通道中的兩種試驗排水板長度和寬度設(shè)置為60 cm×30 cm，無論是支護壓力還是水壓力，按照表3每變換一個等級，需要保持6 min，重復(fù)兩次，獲得三組數(shù)據(jù)。

2.5 試驗結(jié)果分析

1)為了測試在不同工況下凸殼型排水板和毛細型排水板兩種新型排水板的防淤堵性能，泥沙混合水排水試驗中單位時間排水量的相對變化曲線如圖6所示。

圖6 單位時間排水量的相對變化曲線

可以看出，兩種排水板排水能力基本不變。通過試驗觀察，通過凸殼型排水板的排水非?；鞚幔ㄟ^毛細型排水板的排水比較純凈。完成試驗后，水箱內(nèi)和排水板表面淤積物質(zhì)量見表4。

表4 淤積物質(zhì)量 g

從表4可以看出，將毛細型排水板和凸殼型排水板表面與集水箱淤積物質(zhì)量進行對比，凸殼型排水板都偏高，證明毛細型排水板防淤堵功能優(yōu)。

2)7.5 kPa水壓狀態(tài)下是凸殼型排水板試驗排水流量的峰值，因此只設(shè)置一個進水壓力。試驗期間，凸殼型排水板和毛細型排水板兩種新型排水板流量變化規(guī)律曲線如圖7所示。從圖7可以看出，隨著支撐壓力的增加，流量減少幅度先大后小，后來趨于平緩。

圖7 不同支護壓力下流量

3)為了把支護壓力維持在250 kPa，開展排水能力試驗發(fā)現(xiàn)，毛細型排水板隨著水壓的增大，流量也在遞增，而凸殼型排水板流量基本維持在310 cm3，證明凸殼型排水板的排水泄壓性能更優(yōu)。

4)對于排水及封堵結(jié)合的區(qū)域比較適合排水板，比如二襯拱墻施工縫或地下水較豐富地區(qū)比較適合采用排水板。另外，根據(jù)隧道地質(zhì)情況和水文環(huán)境有針對性地選擇地層巖性配置凸殼型以及毛細型排水板。富含水軟弱圍巖隧道適合毛細型排水板，另外毛細型排水板不容易造成排水系統(tǒng)淤堵，而富含水硬質(zhì)隧道適合凸殼型排水板。

3 毛細型排水板在實際工程中的應(yīng)用

3.1 工程簡介

某公路隧道左線隧道全長317 m，右線隧道全長464 m，隧道平均涌水量約為1 800 m3/d，最大涌水量接近30 000 m3/d，存在弱富水區(qū)、中等富水區(qū)。

3.2 試驗設(shè)計

本段隧道圍巖十分破碎，圍巖等級是Ⅴ、Ⅵ級，巖性差，透水性強。裂縫處可能有較大涌水，從前面試驗分析，因為毛細排水板適用于富水軟弱圍巖隧道，所以該隧道采用試驗測試中的毛細型排水板，施工前應(yīng)進行試驗，選定試驗段位于集水區(qū)較廣的小溝壑中，受大氣降水影響較大。圓周方向鋪設(shè)排水板，周間距2 m；為防止試驗段防水板后的滲漏流落襯砌后，采用分區(qū)防水技術(shù)，對隧道整體防水性能產(chǎn)生影響。

在隧道底部拱腳位置分別安裝排水管，試驗期間，關(guān)閉排水管閥門，利于監(jiān)測水壓的變化。傳感器設(shè)置于試驗段左右壁進行監(jiān)測。另外挑選半徑為12.25 mm左右的滲透壓計對孔隙中的水壓變化進行監(jiān)測。壓力箱直接固定在第二襯的內(nèi)筋上，靠近防水板。此時，監(jiān)測值可以較直接地反映初始支架和第二襯之間的接觸壓力。

3.3 復(fù)合防排水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

常規(guī)隧道設(shè)計施工縫防排水一般采用多通道加強排水，然而，施工縫是隧道排水比較薄弱的環(huán)節(jié)，該工程通過引入“中埋式止水帶+排水板”的施工工藝，設(shè)置排水溝，把隧道涌水(滲漏水)排到縱向盲管，最后排入隧道側(cè)溝中，防止施工縫一直承受高水壓。

3.4 施工步驟

基礎(chǔ)表面處理→結(jié)構(gòu)防水排水施工→排水板測量定位→排水板安裝→二次襯砌鋼筋綁扎，渠道、襯砌臺車安裝到位→止水帶焊接→二次襯砌混凝土澆筑、頂升保壓→模板灌漿。

3.5 施工作業(yè)要點

3.5.1 基層表面處理

初支噴混凝土施工經(jīng)鉆孔檢測、雷達掃描、斷面掃描合格后，在結(jié)構(gòu)防水排水施工前，對初支噴混凝土表面及其漏水情況進行檢查處理。

1)初始支撐面平整，無空洞、裂紋、松動。凹坑深寬比小于1/10，當(dāng)大于1/10時，通過砂漿、噴射混凝土形式將凹坑找平，螺栓頭、鋼管頭、鋼筋露頭等突出物應(yīng)切斷平整，并用砂漿、噴射混凝土和細骨料混凝土覆蓋。

2)初支護面出現(xiàn)股水涌出時，最好進行局部或周邊灌漿封堵。進行封堵之后的剩余水，可以通過盲管和排水板引至邊溝，或直接鉆入基巖不小于50 cm，并用110PVC半管引排到溝內(nèi)。

3.5.2 防水排水結(jié)構(gòu)施工

仰拱襯砌施工前，土工布、防水板已通過鉚釘固定在側(cè)墻，接著安裝半徑為40 mm縱向盲管和半徑為25 mm的環(huán)向盲管，并預(yù)留拱墻襯砌后結(jié)構(gòu)防水排水施工的一定搭接長度。

1)圓形排水盲管布設(shè)：用無紡布包裹好半徑25 mm環(huán)向打孔波紋管，應(yīng)靠近初始支護面，按間距50～100 cm，在初始支撐面上固定長20 cm、寬5 cm的帶狀防水板；兩端預(yù)留的圓形盲管和側(cè)壁通過包扎無紡布進行有效牢固連接。

2)土工布、防水板敷設(shè)：初支護基本穩(wěn)定后，進行無紡布土工布敷設(shè)，通常要求拱高0.5 mm，側(cè)墻以下0.5 m，間距8 m，呈五角形，固定在初始支撐面上，并要求平整、隆起、褶皺。而下一步鋪設(shè)防水板時，板縫間留有氣路，便于焊接質(zhì)量檢測，同時搭接接頭，圍巖變形、施工縫、集中出水口等弱防水部位錯開至少100 cm。

3.5.3 排水板的測量和定位

結(jié)構(gòu)防水排水驗收后，根據(jù)拱部最易出現(xiàn)孔洞、不壓實的范圍，勘察組應(yīng)采用全站儀測量并在防水板標(biāo)記出隧道中線、線路左右中線、隧道中線與線路左右中線之間的中線，這五條線是排水板的敷設(shè)位置。

3.5.4 安裝排水板

1)采用spb-c排水板，用土工布包裹。

2)在防水板上把排水板牢固焊接，在臺車一端預(yù)留30～50 cm位置，方便把積水有效排出，在二襯端以及襯砌臺車中心位置142°區(qū)間內(nèi)安裝好環(huán)向排水板。

3)排水板的嚴(yán)密性應(yīng)與拱形防水板的緊密性一致，并應(yīng)確保安裝嚴(yán)密。

3.5.5 綁扎二次襯砌鋼筋及沖頂持壓

將小車就位，排水板安裝完畢后，應(yīng)按設(shè)計要求依次安裝二次襯砌鋼筋和埋槽。驗收合格后，才能復(fù)核調(diào)整，封堵端頭模。

襯砌臺車檢查合格后，逐層、逐窗振搗澆筑混凝土。拱頂澆筑完畢后，為排水板預(yù)留一定的排氣時間。二次襯砌冠混凝土泵送滿后，停止10 min左右，再次泵送1次，接著暫停10 min，再次泵送，如此循環(huán)3～5次。判斷混凝土沖頂飽滿度標(biāo)準(zhǔn)是，泵壓連續(xù)泵送10 min時，排水板端部滴水的間隔不小于2 s。

3.5.6 帶模灌漿

澆筑完二次襯砌混凝土后的1 h內(nèi)，完成帶模灌漿。此時，浸透排水板上的水泥漿已用土工材料包裹，尚未固化，且可繼續(xù)排出，從而達到濾水灌漿的效果。

3.6 質(zhì)量控制

混凝土采用合格原材料，在攪拌站拌和，分層澆筑，逐窗進行振搗。澆筑時應(yīng)控制澆筑質(zhì)量。沖頂時必須提高混凝土坍落度，沖頂結(jié)束前應(yīng)保持一段時間，以確保完全沖頂。

3.7 試驗監(jiān)測和結(jié)果

隧道涌水較大時，帶排水板的試驗段水壓提高，但水壓值小于非排水段的一半，由此證明排水板發(fā)揮了排水泄壓的功能，通過雷達自檢，襯砌無空洞，質(zhì)量有保證，經(jīng)濟效益顯著。

4 結(jié)論

凸殼型排水板和毛細型排水板可以改變在施工縫和二次襯砌后長期高壓下隧道滲漏問題。隨著支護壓力的不斷增大到一定的峰值，流量的減小范圍受到限制。富含水軟弱圍巖隧道適合毛細型排水板，另外毛細型排水板不容易造成排水系統(tǒng)淤堵，而富含水硬質(zhì)隧道適合凸殼型排水板。最好采用自粘排水板，可與防水板、無紡布緊密粘貼，也可串聯(lián)排料?？傊?，排水板應(yīng)結(jié)合工程實際合理選擇，不得盲目使用。排水板的類型必須適應(yīng)工程建設(shè)的實際情況，才能保證最佳排水效果。