岩溶地区隧道的排水设计及施工关键技术

田世宽，李 维

(中交一公局第四工程有限公司，广西 南宁 530033)

0 引 言

随着中国交通基础设施的大力发展，高速公路、高铁逐步向山区、深山区延伸和推进，这就使得特殊地形、地质条件下及岩溶区、破碎带、断层带的隧道的防排水设计也成为一个越来越重要和必需研究的课题[1-7]。目前，已经通车或通车几年的隧道都暴露出了很多问题，如二衬漏水、开裂、下沉、仰拱或路面下沉、开裂，中央排水沟堵塞或内涝，影响公路交通甚至火车的正常通行等。冬季隧道进出口段路面出现结冰打滑，春季进出口路面、二衬、排水沟等出现冻融等多种病害。其实，隧道问题最终落脚点还是水的问题，只要解决了水的隐患，就能够彻底解决隧道的许多质量问题[8-11]。

通过详细排查和深入分析发现，水隐患是对隧道防排水设计、施工、运营管理的精细化做得不够、管理措施不到位等造成的，因此本文就特殊地区、岩溶地区、断层地带的隧道防排水设计及施工提出一些观点。

1 地表水系调查和水文地质勘测

设计山区隧道排水系统，首先要对地表水系等进行调查，然后根据地勘及水文报告作进一步的精确设计。

1.1 地表水系调查

加强隧道区域地形、地貌、汇水面积、大气降雨、局部区域汇水、落水洞、消水洞及地质构造、山体走势、岩层倾斜及倾角、地震影响等的地表调查和分析，探明其与隧道的相对关系，然后通过大数据进行分析，确定各自然条件及环境对隧道排水设计的影响；加强对雨后水量、流向、走势的调查、分析和统计，为地质钻探及布孔做好准备。

1.2 水文地质勘探

水文地质勘探主要是对地下水位、地质构造、地下水补给以及与大气降水的关系等做出一个初步的判断，为隧道排水系统设计提供依据。

2 施工前期现场踏勘及设计复核

2.1 现场踏勘

进场后，对隧道洞顶地表、地面、地形、地貌及汇水、水文等进行详细踏勘，对存在的天坑、地陷、落水洞、消水洞、地质断层及破碎带等进行测量，标明其与隧道位置的相互关系，并对可能对隧道施工产生的影响等进行初步分析和评估。

2.2 设计复核及计算

将设计给出的隧道出水量、地质构造、断层、断裂破碎带、岩层倾角及走向、稳定性等与现场踏勘进行比较和复核，初步分析设计依据及设计资料是否准确、可靠，提出是否对存在疑问、争议或不确定的影响部位进行补充地质、水文调查及补充勘探等。

3 特殊地质、地形条件下的隧道防排水措施

特殊地形、地质、富水地区等条件下的隧道防排水须坚持动态设计、施工和管理，要有一定的超前预防措施。根据设计、前期调查、补充调查、地勘资料编制可实施的施工组织设计、专项方案及应急预案，同时要建立各种应急设计处治方案。由于山区、深山区地形、地质及水文等极其复杂和多变，很难一次性设计到位，而实际施工是对设计的最后一次检查和完善，管理不善会为日后运营留下较大的安全及质量隐患。因此，需要充分发挥施工经验，弥补设计不足和疏漏，同时也需要业主和设计者及时转变观念，增强超前意识，按“动态设计、动态施工及动态管理”的原则主导隧道防排水设计及施工。总的原则是“宜疏不宜堵、以疏为主、防排结合”，但是在特殊地带，也不排除以堵为主和疏堵结合。具体措施如下。

(1)仔细复核设计文件，详细了解和熟悉地勘资料，特别是围岩等级以及节理、裂隙、岩溶的发育，设计防排水细部要求及措施。

(2)加强现场踏勘和地质、地形、水文及地表水汇水面积调查，包括地表沉陷、天坑以及地表水、地下水的汇聚及走向。要发挥地质专家、水文专家的作用，善于发现设计不足和遗漏，报告发现的问题。

(3)分析进洞以后的实际围岩情况，包括岩溶洞及其排水走向，岩溶洞及其消水洞情况，节理、裂隙发育及裂隙水情况，围岩等级、岩性和风化程度。只有充分了解和掌握实际情况，才能采取针对性的方案及措施。

(4)抓住雨季施工，多暴露问题，变不利条件为有利条件，及时发现问题，采取措施，彻底解决防排水问题。

(5)规避旱季的施工质量风险。在旱季施工时很容易盲目乐观，也就容易放过一些质量问题，留下安全隐患。通过调查和分析，裂隙水、岩溶水的防排水设计问题大多数都出在旱季施工的隧道。

(6)对于裂隙比较发育的地段，无论是雨季还是旱季施工，都必须加密环向排水系统，同时通过三通管将裂隙水收集、排除。

(7)对于岩溶比较发育的溶洞，无论是干洞还是落水洞，都必须按一个溶洞用一种防排水设计去完善，包括纵向、横向、环向、左右两边的，必须让出水能够及时、快捷地排除。有消水洞的，可以直接排到消水洞，否则加大、加密或预埋横向(初支后与二衬之间，穿过二衬埋设PVC管或铸铁管)排水管，也就是设置隧道内渗水或出水排水通道，防止出水不能及时排走，而导致隧道二衬后水压上升或漏水等。

(8)对于不同的围岩等级、风化程度、岩性，采取有针对性的措施。如果对软岩及围岩较差的隧道二衬拱边墙及二衬的基础承载力、仰拱回填、路面基底处理不到位，就会出现二次不均匀下沉、开裂。

(9)对于不同的区域和易发生进出口冻融的隐患，更需要加强和完善防排水系统，如在防排水系统背后设置一层粒料层，厚度控制在10 cm左右；对于仰拱、路面和排水沟，宜设置一些带粒料的排水盲沟或碎石垫层。也就是通过粒料的空隙去吸收绝大部分的冻胀变形，而不至于损坏永久性结构。同时，粒料层也可以起到快速排掉内部出水的作用。

(10)加强对拱边墙三通管和横向接通纵向主排水沟的检查和疏通，否则一旦淤积堵塞，就会造成许多质量问题和安全隐患。通过施工工序标准化管理可以彻底解决这类问题，如采用仰拱、中央水沟及盖板、仰拱回填及找平层同步施工工序管理，就可以避免因盖板上仰拱找平层混凝土施工不及时而导致的盖板被压碎和掉落杂物问题。如果进行路面施工时没有及时更换已经压碎的水沟盖板和清理水沟内杂物，很容易遗留一些质量、安全隐患，例如水沟堵塞、路面沉陷等。

(11)加强对路面，特别是隧道沥青路面、进出口段路面结构层内部排水系统的设置和完善，如在较低一侧靠近电缆沟设置路面层间排水盲沟，即使路面有层间渗水，也能够及时排除，不至于堵塞和结冰，避免路面结冰打滑和发生冻胀破坏。

(12)加强进、出口地表水的拦截和排除，加强洞口纵向、横向排水系统的设计和完善，防止雨水倒灌和内涝。

(13)加强纵向主排水沟断面和环向最大出水量的设计和验算，需要根据隧道渗水、出水、雨季岩溶洞局部涨水等的影响，计算其最大流量，以此作为排水系统的设计依据，否则环向和纵向排水系统排水不及时，就会破坏二衬和路面，造成二衬漏水，雨水倒灌、浸泡仰拱和二衬基础，使风化软岩隧道的仰拱、二衬及基础承载力下降，发生不均匀沉降及开裂等诸多病害。

4 特殊季节的隧道防排水注意事项

在设计及施工阶段，易发生对地表水系及隧道内出水等调查或预判不足的情况，比如：因为旱季调查或施工时没有水就做出无水的判断，导致在雨季出现大量的隧道内涌水；冬季施工对春季融雪预判不足，导致一些运营后期隧道出现病害。

4.1 雨季施工

要利用雨季施工的特点，抓住时机，将雨季暴露出来的防排水问题一次性解决，比如设计的防排水系统是否满足实际情况，岩溶洞和消水洞的专项防排水设计及裂隙、节理发育地带的防排水设计是否到位等。明确雨后地表水的走向、隧道内出水点及出水量的变化等，对于出水比较集中的部位，如水囊、突水等，必须准确标注其位置，通过收集数据进行大数据分析，并对结果采用动态设计及管理理念来指导隧道的防排水设计及施工，尽可能消除运营后期可能发生的二衬渗水、漏水、开裂和下沉等质量病害。对于在施工过程中出水较多、较集中的部位，一是加密环向排水盲沟；二是在拱脚施工二衬时预留孔径较大的PVC或铸铁管等横向排水沟，接通到初支背后，即使在后期有大出水，也可以及时通过横向管排走，避免初支与二衬之间排水不及时、水压增大，穿过初支，导致二衬漏水、路面拱起甚至水淹；三是对于大的落水洞、消水洞四周或错位、施工破坏的情况，均需增设涵洞、横洞或导水洞，将水系及排水通道接通。

4.2 旱季施工

旱季施工时容易忽略和掩盖一些防排水的问题，因此需要一定的施工经验来指导施工。对于岩溶洞、消水洞、节理和裂隙发育的地段，不能因为在旱季施工没有出水就视作无水处理。同样，需要结合现场地形、地质及地表汇水分析地表地形及水的走向，并做出预判和预加强防排水设计。宁可估计过一点，也不能估计不足；要多参考和分析类似条件隧道的防排水设计，观测其他隧道运营过程发生的事故情况，吸取教训，防止问题再犯。

4.3 冬季与春季施工

北方隧道施工主要考虑冬冻和春融的影响，归根结底还是防排水的问题，特别是隧道进出口段。一是因初支与二衬之间积水或排水不畅而发生冻胀，导致二衬开裂；二是路面排水不畅、结冰，致使交通事故频发；三是路面层间排水不畅、发生冻胀，导致路面拱起开裂；四是冬天发生冻胀，春天则发生春融，导致二衬漏水和路面唧泥等。主要预防措施包括：加强防排水设计，初支可以考虑湿喷大空隙混凝土，或者在防水板后增设一层橡胶或类似功能的粒料层，目的主要是增强排水效果，一旦有渗水，就可以及时排除；隧道内或进出口纵坡适当设计大一些(不小于1.5%)，便于及时排水；路面采用防水效果好的设计配合比，同时在较低一侧设置盲沟，及时排出层间水。

只要解决了冻胀，也就解决了春融，这两个问题实际上是一个问题，故应在冬天施工时提前考虑春天的影响，春天施工时考虑冬天的影响。

5 特殊地质、地层隧道的防排水设计及施工

5.1 软岩隧道的防排水施工

对于泥岩、砂岩、页岩和板岩等软岩隧道，要充分重视排水系统和水的影响及破坏，特别是设计和施工期间没有水，而在运营阶段由于一些其他原因或遇到极端气候，风化程度较高的软岩隧道一旦被地下水浸泡或排水不畅，则极易发生仰拱下沉和二衬不均匀下沉及开裂。因此，软岩隧道不要轻易取消仰拱。

5.2 煤系地层隧道的防排水施工

煤系地层同样是对水特别敏感的地层，遇到此类围岩隧道更需要特别重视，在采取上述措施的同时，还需做专项防排水设计，编制专项排水及施工方案。

5.3 冻融地区隧道进出口的防排水施工

受低温和结冰的影响，一旦隧道内排水不畅或积水，就会发生冻胀。这种现象在北方尤为明显，水是主因，也是导致隧道冻胀病害的主要困扰。因此，急需研究一种技术和设施解决防排水问题。北方隧道防排水设计原则是以排为主，防排结合。

(1)北方隧道进出口及洞内纵坡设计从有利于排水的出发点考虑，纵坡尽可能大一些。

(2)隧道初期支护研究一种类似粗砂大孔混凝土，以利于及时排除隧道内渗水，不至于积水后结冰而发生冻胀。

(3)可在二衬及防水板背后增设一层粒料，一是便于排水，二是即使发生冻胀，也可以通过粒料吸收一部分或大部分冻胀变形，不至于破坏二衬。

(4)对于路面层间水，一方面适当加大路面横坡，另一方面可在较低一侧设置排水盲沟，及时排出基层、面层及各层间的渗水和积水。

(5)目前的进出口段设计是做一些保温层，但是要充分考虑隧道风洞的影响。由于风不断带走隧道内的热量，很可能比外面温度更低，这就要求进出口保温层设置长度要满足实际要求。

6 结 语

无论是在北方还是南方，水都是隧道所有问题的诱因和主因，南方隧道只要解决了防排水问题，就解决了所有问题；北方隧道只要不积水，就不会发生冻胀，也就不会发生春融。