公路隧道防排水系统施工技术研究

(1 河南建筑职业技术学院 设备工程系，河南 郑州 450000；2 南京工业大学 环境科学与工程学院 环境工程系，江苏 南京 210000)

0 引言

随着我国交通强国战略的持续推进，我国公路总里程已位居世界第一。目前我国的路网基本完善，在建公路主要是西南等偏远山区，这些地区山高水多，隧道在公路中的所占比例较大。在富水地层中修建公路隧道最棘手的问题是对地下水的处治，针对这一问题，众多研究者开展了相关研究工作，日本[1]对山岭隧道和跨海隧道分别给出了不同的隧道修建过程中的渗漏水解决办法；德国等欧洲国家[2]率先将防水材料用于衬砌结构中，有效减轻了隧道内渗漏水现象；我国在上世纪70年代引入新奥法这一科学的隧道施工方法，当时施工人员及相关研究人员还未清楚地认识到地下水对施工及后期隧道运营产生的影响[3]，80年代起为了加快施工进度，施工中地下水的问题被引起重视，形成了一套防排水体系[4]；在防水卷材方面，我国科研人员研制了适用于隧道内特殊环境下的聚氯乙烯等防水卷材，补齐了我国在这一领域的短板[5]。本文从隧道防排水体系施工角度出发，详细阐述了施工中水害的处理方法，对今后的公路隧道施工具有一定的借鉴意义。

1 地下水对施工的影响

根据地下水所处的位置不同，将地下水分为岩石裂隙水、岩溶水和孔隙水3类[6]。岩石裂隙水分布在岩石裂隙或断层破碎带中，其水量根据地质条件不同而不同。岩溶水广泛分布于我国云南贵州等地区，岩溶水是指在岩溶地质地区，地下水和溶岩同时存在，由于水对岩石的溶解作用，溶岩水的流向和水包位置很难确定，是隧道施工中最危险的水害。孔隙水是指分布在软弱围岩或各类土层中的水，孔隙水渗透性强，相对稳定，是工程中常见的地下水。达西通过实验给出了水在其他介质中的渗流规律，如式(1)所示。

Q=kAi

(1)

式中：Q为渗流量；k为渗透系数；A为过水断面积；i为水力梯度。

地下水可以改变隧道围岩的物理化学性质，降低围岩承载力。隧道开挖改变了原地层的相对稳定状态，使围岩发生扰动，产生二次应力，施工中岩溶水中含有大量硫酸根、氯离子等腐蚀性化学物质，能溶解周围岩体，同时施工中的地下水对岩体有润滑作用，岩层或破碎带中的水分降低了岩体间的摩擦[7]，当围岩扰动后造成塌方等事故。

施工过程中发生管涌、突水等事故，延误工期，增加施工风险。当隧道处于富水地层时，前期地质勘察和超前地质预报并不能完全掌握隧道周围复杂的水环境，因此施工过程中极易引起掌子面塌方，引起人员伤亡和经济财产损失，施工中掌子面遇到水包等不良水文地质条件时掌子面排水作业延误工期，增加施工风险。

隧道带水施工增加施工成本。施工中若发现围岩中地下水含量丰富要采取注浆封堵或开挖排水等措施，增加施工材料及机具用量，增加施工成本。

2 防排水系统施工研究

对于施工中地下水的治理，要遵循“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”的原则[8]，防是指利用支护结构防止地下水流入隧道内，影响施工安全；排指隧道开挖中遇到的透水事故，要及时排出隧道，避免在施工现场沉积；堵是指开挖断面内局部冒水事故，及时注浆封堵，防止渗水量过多；截是指采用截水沟等排水结构将开挖影响范围外的地下水疏导截流，防止其流入隧道开挖范围内。施工过程中要根据隧道水文地质情况，合理选用地下水治理方法，在实际施工过程中往往采用几种防排水体系相结合的综合治理方法。

2.1 注浆堵水施工技术

注浆是施工中常用的应对涌水突泥事故的处理方式[9]。注浆用浆体要根据地层条件合理选取，既要考虑浆液在周围岩体中的流动性，又要考虑浆液的凝固时间和强度，施工注浆主要确定注浆量和注浆压力两个参数，注浆压力的计算参见式(2)和式(3)。施工中浆液用量要控制在合理的范围内，浆液用量过多，堵水效果虽然显著但浪费材料，影响工期，注浆量过少达不到预期效果，随着隧道开挖的深入，涌水点可能发生二次涌水事故，增加施工风险。

P1=(0.2～0.5)H

(2)

P2=(0.2～0.5)HK

(3)

式中：P1为从地表注入浆液时压力；P2为从隧道内注入浆液时压力；H为压力水高；K为修正系数。

2.2 防水卷材施工技术

为了防止隧道运营过程中地下水穿过二次衬砌渗入隧道内影响行车安全[10]，在隧道修建过程中初次支护和二次衬砌间要设置一层防水层，防水层一般为土工织物和防水板组成。

施工中常见初期支护表面钢筋裸露或喷射混凝土中级配碎石棱角尖锐部分将防水板扎破，因此施工中要采取必要措施，避免类似质量问题。一方面要对初期结构表面处理，通常是在喷射的混凝土表面涂抹一层水泥砂浆，对于锚杆钢筋等结构裸露部分，要用冷加工方法处理突出部门，最后也要用砂浆材料抹平。另一方面要加强防水层本身的力学性能，通常可以加厚土工织物的厚度，增大防水层的柔性，使用性能优良的防水板材。工程中常用防水板为PVC防水卷材，其各项指标如表1所示。

表1 PVC防水卷材性能指标Table 1 Performance indicators of PVC waterproof rolls卷材类型拉伸强度/MPa断裂伸长率/%热处理尺寸变化率/%低温弯折性剪切状态下的粘合性优等品152502P型一等品102002环境温度-20 ℃时无裂纹≥2 N/mm或在接缝处断裂合格品71503S型一等品52005合格品21207

2.3 橡胶止水带施工技术

由于隧道结构是长条形带状构造物，施工中会有变形缝、沉降缝等分段浇筑接头部分，施工中衬砌接头处通常采用橡胶止水带止水。工程中常用的橡胶止水带为OMEGA止水带，橡胶止水带在接缝处的作用从防水角度讲和二衬混凝土是相同的，是结构自防水的一部分，橡胶止水带施工时中心线要与施工缝对齐，止水带要安装牢固，安装过程中要一次完成，避免截断。

2.4 二次衬砌抗渗施工技术

衬砌防水是结构自防水的根本。二次衬砌采用抗渗性较高的混凝土材料，施工前要进行配合比实验，严格控制水灰比、水胶比，施工中各类骨料要严格筛选，控制混凝土质量，混凝土中要添加减水剂、膨胀剂等外加剂[11]，外加剂用量要根据实验确定。施工要具有连续性，减少施工缝数量，混凝土浇筑过程中要保证模板支架的相对稳定，防止钢筋网扎破防水层。

2.5 排水盲沟及截水沟施工技术

隧道内的盲沟分为环向盲沟和纵向盲沟，环向盲沟布设沿隧道环向，并且两个盲沟间有一定的间距，一般在开挖后渗漏水点设置，环向盲沟一般采用半圆形PVC管，施工中要严格把控管材质量，防止出现断裂现象，半圆管要与初期支护要锚接牢固，防止脱落。纵向盲沟布设沿隧道轴线方向，纵向盲沟布设坡度和隧道纵坡相同，纵向盲沟每隔一定距离要设置三通，将水流引入到中心排水沟，纵向盲沟施工薄弱环节是三通的连接部位，要严格控制连接质量，防止三通脱落。

截水沟是设置在隧道外的排水设施，排水沟作用是将隧道山体顶部降水排入道路排水系统中，防止山体中地表水下渗流入隧道内[12]。截水沟施工要根据现场水文地质条件选用合适地层，必要时要对地基进行预处理，防止雨水冲刷下结构开裂变形。

3 某公路隧道防排水系统施工分析

3.1 工程概况

某公路隧道位于首都环线高速公路G95承德境内，隧道为双向双洞分幅行驶，上行方向全长1 224 m，下行方向1 256 m。隧道所在山区地层主要有粉质黏土、中砂、中风化石英斑岩，地下水主要为孔隙水和和基岩裂隙水，施工过程中，在上行方向隧道入口500 m处，隧道内渗漏水较严重,见图1。

图1 隧道施工Figure 1 Tunnel construction

3.2 防水卷材施工

防水卷材施工前，隧道初期支护表面有部分凸起，施工前对表面进行喷浆处理，其前后对比如图2所示，施工中对于渗漏点处，先进行注浆封堵，保证渗漏处不滴水，防水卷材的搭接处施工完成后立即进行质量验收，对于质量不符合要求的搭接头立即返工处理。

(a) 初支凸起(b) 处理后的初支面

3.3 混凝土自防水施工

本工程中采用抗渗等级为P8的混凝土材料，工程中严格筛选混凝土所用材料，工程用水泥为硅酸盐水泥并加入减水剂和膨胀剂，混凝土浇筑过程中加强振捣防止骨料不均影响混凝土质量，浇筑完成后加强洒水养护，混凝土配合比见表2。

表2 混凝土配合比Table 2 Concrete Mix Ratio粗骨料细砂水泥粉煤灰水减水剂膨胀剂含量/%8617672881901704.710

3.4 结构缝防水施工

沉降缝和施工缝是隧道内的两种结构缝。本工程中结构缝处采用橡胶止水带和止水胶条，每次结构缝施工前要对周围混凝土进行一次清扫，清除结构表面残渣，止水带和胶条安装前对严格检查质量，避免止水带材料漏水，安装完成后对每条止水带和止水胶条进行质量检验，如图3止水带安装。

图3 止水带安装Figure 3 Installation of waterstop belt

4 结论

地下水对隧道建设是十分不利的。在隧道开挖中地下水涌入隧道发生透水、管涌等事故，轻则延误工期，增加施工成本，重则破坏支护结构，引起掌子面塌方，酿成施工人员伤亡的安全生产事故。因此施工中如何处理地下水是关系到施工进度、成本和安全的重要问题。本文研究了公路隧道防排水系统施工技术，主要得出了以下结论：

a.根据地下水所处的地址环境不同，将地下水分为岩石裂隙水、岩溶水和孔隙水3类，这3类地下水所对隧道施工分别产生不同的影响，施工中处理每类地下水的方法也不同。

b.施工中地下水处理要遵循“防、排、堵、截相结合，因地制宜，综合治理”的原则，介绍了注浆堵水施工技术、防水卷材施工技术、橡胶止水带施工技术、二次衬砌抗渗施工技术、排水盲沟及截水沟施工技术。

c.结合某公路隧道修建过程中隧道防排水系统实例，从材料控制、现场质量控制及施工技术控制角度分析了隧道防排水系统施工。