广东高速公路隧道排水系统淤堵类型及淤堵状态评价

李克俭 刘夏冰 翁建宏 周瑜

摘要：为评估富水区运营公路隧道的排水系统淤堵状态，基于对广东省多座高速公路隧道的调研，总结了公路隧道排水系统病害与淤堵物类型，提出了淤堵状态评价方法，研究结果主要表明：①隧道渗漏水病害在时间上与季节性降雨密切相关，在空间上与岩溶等不良地质的分布紧密相连，排水系统淤堵导致的排水功能下降是隧道水害的重要原因；②公路隧道排水系统的淤堵物类型分为淤泥、砂石、混凝土块或异物、结晶物或结垢物，对淤堵状态提出的评价指标为充盈程度、流动状态、浑浊程度、堆积程度；③基于对淤堵状态评价指标优先级的划分，提出了公路隧道排水系统的淤堵状态评价方法，并将其成功应用于新屋隧道的排水系统整治工程中。研究成果可为公路隧道排水系统的运营养护提供参考。

关键词：隧道工程；排水系统；渗漏水；淤堵物类型；淤堵状态评价

中图分类号：TV21文献标识码：A文章编号：1001-9235（2024）02-0097-09

Blockage Types and Status Evaluation of Drainage System in Highway Tunnels in Guangdong Province

LI Kejian¹，LIU Xiabing^2，3*，WENG Jianhong¹，ZHOU Yu^2，3

（1.Guangdong Provincial Government Repayment Highway Management Center，Guangzhou 510623，China; 2.Guangdong Hualu Traffic Technology Co.，Ltd.，Guangzhou 510420，China; 3.Guangdong Provincial Key Laboratory of Tunnel Safety and Emergency Support Technology & Equipment，Guangzhou 510420，China）

Abstract：In order to evaluate the blockage status of the drainage system in operational highway tunnels，this paper summarized the types of problems and blockage materials in highway tunnel drainage systems and proposed an evaluation method for blockage status based on investigations of several highway tunnels in Guangdong Province.The results primarily indicated the following：① The water leakage problems in tunnels were closely related to seasonal rainfall over time and were spatially connected to the distribution of unfavorable geological conditions such as karst.and the decline of drainage function caused by drainage system siltation was an important cause of tunnel water damage.② The types of blockage materials in the highway tunnel drainage system included silt，sand and gravel，concrete blocks or foreign matter，and crystallization or scale deposits.The proposed evaluation indicators for blockage status were as follows：filling degree，flow status，turbidity degree，and accumulation degree.③ Based on the priority division of evaluation indicators for blockage status， a blockage status evaluation method of highway tunnel drainage systems was proposed，and this method has been successfully applied to the drainage system remediation project of the Xinwu Tunnel.The research results can provide reference for the operation and maintenance of highway tunnel drainage systems.

Keywords：tunneling engineering;drainage system;leaking water;types of blockage materials;blockage status evaluation

目前，中国每年平均约有2 817 km的公路隧道进入运营养护期^［1］，部分隧道長期处于复杂的地下水环境中，易产生因地下水诱发的隧道病害，这对隧道结构及正常行车安全造成了影响^［2］。现有研究表明^［2-3］，隧道排水系统淤堵类病害是造成隧道水害的主要原因之一。

研究人员对运营隧道排水系统的病害及处治对策进行初步研究：蒋雅君等^［3］将隧道排水系统的病害分为结构性病害和功能性病害，提出了隧道病害分级方法；张素磊等^［4］在防水板与二衬间增设了排水板，提出可以有效降低衬砌背后水压的复合式排水系统；马文镇等^［5］针对广东某隧道排水系统结晶淤堵病害，提出了相应的处治措施；蒋雅君等^［6］借助塑料排水板的通水量试验研究了渗水量及隧道排水能力对衬砌承受水压力的影响关系；吴江鹏等^［7］的研究表明，隧道排水系统失效对拱顶部位衬砌外水压力影响较大；基于现有的排水管道检查方法和设备调研结果，文献［8］提出了采用管道机器人和内窥镜对隧道纵向排水盲管检查的方法。然而，纵观现有研究，目前对于公路隧道排水系统养护的研究尚处于起步阶段^［8-11］，针对隧道排水系统的淤堵物分类和淤堵状态评价的方法目前相关报道较少，有待进一步研究和完善。

为完善公路隧道排水系统淤堵状态评价方法，首先，对广东省部分运营高速公路隧道排水系统的淤堵状态进行调研，其次，依据调研结果细化了公路隧道排水系统的淤堵物类型，提出了相应的淤堵状态评价方法，最后，结合工程实例开展了应用研究。研究成果可为公路隧道的养护提供参考。

1 运营高速公路隧道水害调研分析

1.1 广东高速公路隧道渗漏水病害情况

广东是中国降雨最丰富的地區之一，粤东、粤西、粤北地区以山地和重丘地貌为主，局部区域为喀斯特地貌，地下水发育良好。随着广东省高速公路网的持续建设，大量公路隧道已在上述地区投入运营。以广东省交通集团有限公司所管理的高速公路线路为例，截至2022年底，累积运营隧道里程约800 km，运营线路共46条，其中，运营年限超过10 a的线路达20余条，随着运营时间和运营隧道里程的不断增加，部分隧道的渗漏水问题病害不断，已经成普遍性顽疾。据不完全统计，仅2022年需要进行处治的高速公路隧道渗漏水病害分布情况见图1，表中隧道数量是按双线统计的。

根据广东地区1987—2008年降雨量统计^［12］，广东省月平均降雨量分布见图2。由图2可知，广东地区的降雨量主要发生在4—9月，其中，6月份的降雨量超过300 mm，而图1中隧道渗漏水病害最严重的时段也是这一时期，可见，运营公路隧道渗漏水等病害的发生与降雨量存在必然联系，这也表明，每年降雨量最丰富的4—9月份也是公路隧道排水系统养护的重要时间段。

基于现场调研和所收集的资料，图3整理了广东省渗漏水隧道的大致分布。由图3可知，广东地区的高速公路隧道渗漏水分布广泛，部分岩溶区的隧道渗漏水病害最为严重，主要原因有：公路隧道排水系统淤堵导致的渗漏水与地质条件有密切关系，在岩溶区、裂隙发育区、断裂带等地下水存量较大的区域，公路隧道的水害现象也较为严重。

1.2 典型的渗漏水病害隧道情况

广东地区地质分布情况复杂，其中，岩溶地貌与渗漏水隧道都主要集中在粤北地区，同时，由于降雨丰富，非岩溶地区的隧道也存在渗漏水病害。本节选取部分典型渗漏水病害隧道进行简介。

1.2.1 媲双坳隧道

京珠高速粤境北段媲双坳隧道处于低山丘陵区，属岩溶地貌及构造剥蚀地貌，地下水主要为岩溶裂隙水。随着该隧道运营时间的增加，多次发生渗漏水现象，部分渗漏点呈现出喷射状，见图4，严重影响了高速公路隧道的正常运营。通过现场调查发现，隧道纵向排水管排水不畅，导致隧道排水能力不足，降雨量较大时地下水集中在衬砌背后，水压升高导致地下水由隧道衬砌的防水薄弱部位渗出。

1.2.2 东溪山隧道

大潮高速东溪山隧道在建设期和运营期均出较严重的排水系统结晶现象，结晶物导致隧道的排水系统淤堵，影响了正常的排水功能，使得二次衬砌发生了表面浸渗、渗漏水等现象。

1.2.3 鹅步岭隧道

阳阳高速公路鹅步岭隧道的侧式排水暗沟和路基横向排水管存在淤泥和砂石沉积现象，造成了局部淤堵，影响了公路隧道排水系统的正常排水功能，导致隧道衬砌背后的水压力增加，地下水通过衬砌的薄弱部位渗出（图6）。

综上，公路隧道渗漏水病害是地质环境、气候条件等因素共同作用的结果。隧道排水系统的功能缺失是造成隧道渗漏水的主要原因之一，淤堵则是导致排水系统功能缺失的主因，因此在运营养护阶段，合理分析公路隧道排水系统的淤堵类型对养护措施的制定具有重要意义。

1.3 淤堵物质类型

根据调研结果，公路隧道排水系统的淤堵物一般为黏性物、非黏性物、其他杂质等，主要类型包括淤泥、砂石、混凝土或异物、结晶物或结垢物等。

1.3.1 淤泥

淤泥一般沉积在隧道排水沟或排水管的底部，影响其正常的过水断面面积。当地下水流经围岩、支护结构进入隧道排水系统后，地下水溶解或携带了细小的淤泥及其他杂质颗粒，这些物质在排水坡度小的位置容易产生堆积，随着运营时间的增加而逐步造成排水系统的淤堵。图7为某长期运营隧道侧式排水暗沟内部堆积的淤泥。考虑到淤泥的渗透系数较小，堆积部分不再具有过水能力，此时需要采取疏通措施来确保排水系统的正常功能。

1.3.2 砂石

砂石在隧道排水系统堆积的原理与淤泥堆积原理基本一致，但在成因上有所差别。粒径较大的砂石可能由于地下水的裹挟或冲刷作用而进入排水系统内部。当地下水的流动速度低时，砂石易在水力坡度小的位置产生堆积，造成淤堵，影响其过水能力。图8为公路隧道排水暗沟内产生堆积的砂石，随着时间的增加，砂石逐步沉积在排水暗沟底部，影响了地下水的流动状态。

1.3.3 混凝土块或异物

混凝土块造成的淤堵主要存在于设有侧式排水暗沟或中央排水管（沟）的隧道，产生此类淤堵的原因主要有：在施工期间或养护作业期间，建筑垃圾、废弃混凝土块等残留在隧道排水系统内，或在运营期间由于车辆荷载作用导致排水暗沟混凝土盖板垮塌。异物垃圾也是随机分布在隧道排水系统内，使得排水系统功能降低甚或堵塞，部分情况下还可能引发排水构件的功能性风险。图9为检查发现某隧道排水暗沟盖板垮塌造成排水系统上游产生淤堵的现象。

1.3.4 结垢物或结晶物

结垢物或结晶物指的是地下水流经碳酸类岩层后溶解了部分钙离子，进入排水系统后在积水或淤堵位置产生CaCO₃、BaCO₃、MgCO₃、BaSO₄等沉淀物，随着排水时间的增加，这些沉淀会逐步在排水管或排水沟内壁凝结、硬化，形成结垢或结晶堵塞。结垢或结晶类淤堵对隧道排水系统功能的突出危害在于减少了隧道排水沟或排水管的过水面积，且随着结晶物质硬化程度的增加，清理难度也不断增大^［13］。

2 公路隧道排水系统淤堵状态评价方法

2.1 淤堵状态的评价指标

基于对第1节所述多座典型渗漏水病害隧道的现场调研结果，提出了四类指标评价或描述公路隧道排水系统的排水构件淤堵状态。隧道排水构件一般指的是组成公路隧道排水系统的排水管或排水沟，包括隧道纵向排水管、侧式排水暗沟或中央排水管等组成构件。

2.1.1 充盈程度U₁

充盈程度U₁定义为公路隧道排水系統内部地下水的占比，由进入隧道排水构件的地下水体积与隧道排水构件容积之比描述，见式（1）：

U₁=V_w/V    （1）

式中 V_w——一定范围内进入隧道排水构件内地下水体积；V——一定范围内隧道排水构件内部的总容积。

目前，城镇排水管道检测与评估技术规程（CJJ 181—2012）^［14］以“地下水位很低、地下水位常年超过管道”等语句定性描述排水管道的地下水位状态，缺乏对其充盈程度的定量描述。根据对多条运营高速公路隧道排水暗沟的调研，总结发现，当排水暗沟的充盈程度U₁值超过70%时，排水暗沟处于深度积水状态，即对应地下水位常年超过管道时的状态，当充盈程度U₁值小于10%时，认为排水暗沟处于“无水”状态，即对应地下水位很低时的状态；上述两者的中间范围参照文献［14］的定性描述，按2个等级划分，得到充盈程度划分等级见表1。

2.1.2 流动状态U₂

当地下水进入隧道排水系统后，需要对其流动状态U₂进行判断。将流动状态U₂定义为描述地下水在隧道排水构件内的流动程度，根据流动速度v判断隧道排水系统中的物质是否产生了沉积或堆积，进而初步判断排水构件发生淤堵现象的风险。其中，流动速度根据式（2）计算：

v=Q/A    （2）

式中 Q——流量，m³；A——排水构件的过水断面面积，m²。

根据隧道排水构件内地下水的流动状态可根据雷诺数Re判断，雷诺数Re的计算见式（3）：

式中 υ——运动黏度；d——管径或等效管径。

工程中常用临界雷诺数Re_c=2 000作为流态判定依据，即当雷诺数Re<2 000时，可以认为地下水处于层流状态，即其流动状态较差，排水系统内可能存在淤堵点；当地下水的雷诺数Re≥3 000时，地下水可按无黏性流体处理，认为其流动速度处于较快的流动状态；当地下水的雷诺数2 000≤Re<3 000时，介于流动状态较差和快速流动状态之间。

根据公路隧道排水系统的组成特点，根据计算得到的地下水雷诺数Re值，将隧道排水系统内的地下水的流动状态U₂分为3个等级，见表2。由表2所示的流动状态等级，结合隧道排水系统的结构状态等因素可以初步判断排其淤堵程度。

2.1.3 浑浊程度U₃

隧道排水系统内中地下水的浑浊程度U₃定义为地下水溶解细砂、淤泥等的总质量与地下水体积之比。当地下水的浑浊程度越大，隧道排水构件产生堵塞或淤积的可能性越大，尤其是充盈程度U₁值较高时，结合对地下水浑浊程度U₃的描述，可以进一步判断隧道排水系统的淤堵风险。根据定义，浑浊程度U₃的计算见式（4）：

U₃=m_z/V_z（4）

式中 V_z——区段地下水总体积；m_z——区段地下水中溶解的颗粒或杂质的总质量。

式（4）的定义与水质等级评价中的浑浊度定义存在明显区别，根据第2节中对多座公路隧道排水系统运动状态的调研结果，当隧道排水暗沟内有明显淤堵时，地下水中溶解的杂质一般较多，严重时超过甚至超过了地下水总质量的50%，而当排水暗沟无淤堵或淤堵状态轻微时，地下水一般较为澄清，地下水中溶解物的占比一般小于10%，因此，根据上述调研结果，本节将公路隧道排水系统的地下水浑浊程度划分为4个等级，中间等级则按20%的梯度划分（表3）。

2.1.4 堆积程度U₄

当公路隧道排水系统中含有淤堵物时，淤堵物的粒径大小和堆积状态均会影响隧道排水构件的正常功能。根据淤堵物影响隧道排水构件过水面积的程度，定义指标U₄描述淤堵物的堆积程度。将隧道排水构件的截面简化为圆形或正方形，将淤堵物简化为圆形颗粒，堆积模型见图10。

隧道排水构件的堆积程度U₄的计算见式（5）：

U₄=S_a/S    （5）

式中 S_a——隧道排水构件中计算节点淤堵物的堆积面积；S——隧道排水构件的横截面积。

伴隨着某个断面淤堵质堆积程度U₄的增加，隧道排水构件的过水面积减少，其排水功能也不断下降。参考文献［15］对排水管道沉积物厚度的划分方法，本节将堆积程度U₄大于50%时设为重度堆积，低于50%时视为非重度堆积，将非重度堆积按梯度10%递增划分4个堆积等级，结果见表4。

2.2 隧道排水构件淤堵状态评价方法

本节从隧道排水构件的充盈程度出发，建立隧道排水构件的状态评价指标层次见图11。

公路隧道的排水构件由多个独立的排水构件单元组成，因此，其淤堵状态需要综合n个独立排水构件单元的淤堵状态进行整体评价。以公路隧道侧式排水暗沟为例，其排水构件单元可根据检查井的间距进行划分，检查井的间距一般为50 m。

依据图11所示的评价指标层次关系，可以计算单个独立排水构件单元的状态评价因子Δ_n：

式中 λ_{i（i=1，2，3，4）}——各项状态评价指标U_{j（j=1，2，3，4）}的权重因子，反映的是各项评价状态指标对隧道排水构件功能影响的程度分布状况。

根据图11，当充盈程度U₁较高时（U₁≥10%），其余3个评价指标的优先级依次分别为：堆积程度U₄、流动状态U₂、浑浊程度U₃。当充盈程度判定为无水状态时（U₁≤10%），此时隧道排水构件的淤堵状态由淤堵物的堆积程度U₄决定。

根据式（6），为评价整个隧道排水构件的淤堵状态，还需要确定排水构件各项状态评价指标的权重因子λ_{i（i=1，2，3，4）}，此处选用层次分析法计算各项状态评价指标的权重因子^［16］，计算见式（7）—（9）：

式中 α_ij——要素i与要素j的重要性比较结果；CI——一致性指标；λ——最大特征根；n——评价指标的个数（此处为n= 4）；当CI越接近于0时，一致性越强；CI越大时，越不一致。CR——一致性比率；RI——随机一致性指标。

当CR＜0.1 时可认为非一致阵Z在容许范围内具有一定满意度，其特征向量归一化后可作为状态评价指标在该位置对应的权向量；否则，若CR≥0.1时，则应调整α_ij后对非一致阵Z进行重构并验算。

当充盈程度U₁≥10%时，采用式（7）—（9）的方法分别计算得到4个状态评价指标的权重因子如下：λ_{i（i=1，2，3，4）}=（λ₁，λ₂，λ₃，λ₄）=（0.231，0.154，0.154，0.462）。

当充盈程度U₁≤10%时，此时隧道排水构件的淤堵状态完全可以由淤堵物的堆积程度U₄决定，即其权重因子λ₄=1。将单个独立排水构件单元划分为m个计算节点，假设该排水构件单元在节点a到节点b之间发生堆积，则淤堵物的存在影响了原有的过水面积，改变了水流与实体接触截面的粗糙程度，因此，根据式（10）计算得到单个独立排水构件单元的状态评价因子Δ_n：

式中 U_4m——第m个计算节点的堆积程度值。

根据式（6），当堆积程度U₄≥0.5的计算节点超过3个时，此时可认为该独立排水构件单元的状态评价因子应根据这些计算节点确定。

根据文献［15］对排水管道的功能性风险的5类分级，并参考JTG H12—2015《公路隧道排水养护规范》将隧道土建结构等级划分为5级，结合多年公路隧道排水系统淤堵治理经验和本文第2节的调研结果，排水系统作为隧道的重要组成部分，其淤堵程度也应相应划分为5个等级。综上，根据式（6）—（10）可以计算得到单个独立排水构件单元的状态评价因子，以状态评价因子值的10%为分级梯度，最终得到的划分结果见表5。

3 工程实例评价

3.1 新屋隧道水害概况

广东潮漳高速公路新屋隧道为左、右线分离布设，左线隧道长度为764 m，最大埋深约95.6 m；右线隧道长度为794 m，最大埋深约90.2 m。新屋隧道穿过丘陵地貌区，地形起伏大，最大相对高差约125 m。隧址区地层岩性为第四系坡残积粉质黏土、燕山二期花岗岩及其风化层。该隧道于2017年底通车，随着隧道运营年限的增加，在日常养护中发现，新屋隧道两侧的排水暗沟内存在不同程度的淤堵现象。

3.2 排水系统状态评价

采用提出的淤堵物分类及淤堵状态评价方法，选取新屋隧道左线ZK1080+660至ZK1080+860段为研究对象，采用高清潜望镜进行初步检查，结果见图12，依据检查结果对该区段排水暗沟的淤堵情况进行评价。

将该隧道排水暗沟的检查区段划分为4个独立排水单元，依据检查结果计算每个独立排水单元的状态评价指标，根据式（6）得到各独立排水单元的状态评价因子结果见表6。

根据表6的结果，依据层次分析法的权重因子计算结果，得到4个独立排水单元的状态评价因子分别为0.24、0.25、0.23、0.23，计算得到整个区段的状态评价因子Δ_n=0.237 5，根据表5的划分，即新屋隧道排水系统的淤堵程度为II级，与专家根据现场调查的评定结果一致，也表明前文提出的公路隧道排水系统淤堵状态评价方法较为可靠。

3.3 淤堵物整治效果

基于对新屋隧道排水单元状态的评价结果，综合考虑现场地质、经济与社会效益，决定采用高压射水法对该隧道的排水暗沟进行清洗，最终清洗效果见图13，所提出的淤堵状态评价方法得到了较好的工程应用。

4 结论

a）公路隧道渗漏水病害是地质环境、气候条件等因素的综合作用的结果，在时间上与季节性降雨关系密切，在空间上和岩溶等不良地质的分布有关，排水系统淤堵或破损导致的排水功能下降是造成公路隧道渗漏水的主要原因之一。

b）广东高速公路隧道排水系统的淤堵物可以分为淤泥、砂石、混凝土块或异物、结晶物或结垢物，提出公路隧道排水系统淤堵状态评价指标，即：充盈程度、流动状态、浑浊程度、堆积程度，并针对指标优先级提出了淤堵状态的评价方法。

c）采用提出的评价方法评定潮漳高速新屋隧道排水系统淤堵程度为II级，提出公路隧道排水构件淤堵状态评价结果与专家根据现场调查得到的评定结果一致，提出的排水系统淤堵状态评价方法在新屋隧道得到了较好的工程应用。

参考文献：

［1］洪开荣，冯欢欢.中国公路隧道近10年的发展趋势与思考［J］.中国公路学报，2020，33（12）：62-76.

［2］张向礼，范飞，李佳兴，等.高原不良地质铁路隧道水害动态控制技术［J］.中国安全科学学报，2020，30（S1）：84-91.

［3］蒋雅君，刘世圭，周睿，等.运营交通隧道衬砌排水系统病害成因及分級研究［J］.铁道标准设计，2022，66（3）：124-129.

［4］张素磊，鲍彤，YOO C，等.隧道复合式防排水系统的设计、试验及工程应用［J］.中国公路学报，2021，34（4）：198-208.

［5］马文镇，张豹，张彦龙.公路隧道排水系统结晶堵塞机理及处治措施［J］.广东公路交通，2021，47（5）：52-56.

［6］蒋雅君，李彬，杨其新，等.隧道排水系统工作能力对衬砌水压力的影响探讨［J］.铁道学报，2020，42（12）：179-185.

［7］吴江鹏，俞俊平，朱利晴，等.排水系统失效对西南地区某深埋隧道衬砌外水压力的影响［J］.水电能源科学，2021，39（12）：144-146.

［8］蒋雅君，杜坤，陈兴，等.隧道排水系统检查及评估技术初探［J］.隧道与轨道交通，2019（S1）：5-9.

［9］胡恒福.富水岩溶铁路隧道水害成因及排水洞整治效果分析［J］.科技和产业，2023，23（7）：170-176.

［10］李晓兵.深埋隧道富水破碎带区堵水灌浆材料应用［J］.人民珠江，2022，43（5）：154-158.

［11］唐梓豪，王红娟，邓辉，等.考虑含水率的蠕变模型及其在隧道变形中的应用［J］.人民珠江，2020，41（4）：73-80.

［12］廖义善，李定强，卓慕宁，等.近50年广东省降雨时空变化及趋势研究［J］.生态环境学报，2014，23（2）：223-228.

［13］赵鹏，郭小雄，马伟斌.铁路隧道排水管道疏通设备研制及应用［J］.铁道建筑，2018，58（1）：30-32.

［14］城镇排水管道检测与评估技术规程：CJJ 181—2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012．

［15］蒋雅君，魏晨茜，张黎明，等.运营隧道排水管道的功能性风险评估研究［J］.铁道标准设计，2021，65（6）：89-94.

［16］杜栋，庞庆华，吴炎．现代综合评价方法与案例精选［M］．北京：清华大学出版社，2008.

（责任编辑：高天扬）