李治國

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

我國自20世紀(jì)60年代大規(guī)模修建鐵路、公路、市政隧道和地下工程以來，如何防止隧道滲漏水一直是隧道和地下工程界面臨的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)1993年5月的統(tǒng)計(jì)資料顯示[1]，我國5 000余座鐵路隧道，有近1/3的隧道存在著不同程度的滲漏水。2002年底，共修建有鐵路隧道5 711座，其中滲漏水嚴(yán)重的隧道有1 620座，占隧道總數(shù)的28.4%[2]。2013年鐵路運(yùn)營部門對(duì)2005年以來投入運(yùn)營的隧道進(jìn)行了調(diào)查和檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)2 250座隧道中共有23 090處缺陷，并對(duì)缺陷進(jìn)行了整治[3]。從近年來通車的鐵路隧道看，混凝土防水質(zhì)量普遍提高，混凝土本體滲水點(diǎn)和濕漬明顯減少，但高水壓富水隧道施工縫、變形縫、隧道底板滲漏水等問題依然比較突出。此外，部分公路隧道、市政隧道、地鐵隧道、人防隧道等也不同程度地存在滲漏水問題，有的隧道雖經(jīng)多次整治，但滲漏水難以根治，從而影響運(yùn)營。對(duì)此，國內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了研究和探討[4-5]，并提出了很好的解決方法和思路，但由于地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營等方面的原因，一些隧道依然存在比較嚴(yán)重的滲漏水問題。滲漏水不僅會(huì)影響結(jié)構(gòu)承載能力和正常使用，而且可能會(huì)引起地下水位下降、地層沉降或塌陷、建(構(gòu))筑物破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失和安全事故。因此，本文重點(diǎn)從隧道排水量和水壓力分級(jí)、防排水體系、防水效果檢查和評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行分析，研究和探討復(fù)合式襯砌隧道及地下工程防排水設(shè)計(jì)應(yīng)注意的幾個(gè)問題，并提出相應(yīng)的對(duì)策。

1 隧道防排水設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及存在的主要問題

1.1 隧道防排水設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

我國20世紀(jì)70年代以前修建的交通隧道工程，其防排水設(shè)計(jì)理念主要依靠混凝土的自防水，對(duì)于高水壓、富水隧道基本以排為主，例如成昆線沙木拉達(dá)隧道、湘渝線大巴山隧道等主要依靠襯砌混凝土的自防水和排水設(shè)施。從20世紀(jì)80年代開始，復(fù)合式襯砌隧道的防排水設(shè)計(jì)遵循的原則主要是"防、排、截、堵相結(jié)合，剛?cè)嵯酀?jì)，因地制宜，綜合治理"[6]。大部分隧道采用的防排水理念基本是防、堵、排相結(jié)合，在水量小、水壓低的情況下以防、排水為主，在水量大、水壓高的情況下以堵、排為主。一般隧道采用噴射混凝土、防水板或噴涂防水涂料、防水混凝土及接縫防水，并輔以排水措施；對(duì)于高水壓(水壓力大于0.5 MPa)、富水隧道(排水量大于0.5 m3/(m·d))，另外加以注漿、樁(墻)阻斷、旋噴等技術(shù)進(jìn)行堵(阻)水。

渝懷線圓梁山隧道毛壩向斜高水壓富水溶洞區(qū)實(shí)測(cè)最大水壓力達(dá)到3.0 MPa，最大涌水量達(dá)到10 000 m3/h，采用超前全斷面注漿和徑向注漿進(jìn)行堵水，在隧道上方修建了泄水洞，并通過鉆孔埋管引水的方式，將洞頂8.0 m以外的地下水引入平導(dǎo)排出，以減少正洞二次襯砌所承受的水壓力。初期支護(hù)采用25 cm厚噴C20、 P8鋼纖維混凝土，并采用塑料排水板和二次襯砌C40、 P12防水混凝土進(jìn)行全封閉防水，防水板背后未設(shè)置排水盲管。一般富水地段及溶洞影響區(qū)域，在防水板背后設(shè)置排水盲管，允許將防水板后的水引入側(cè)溝排出。

廈門翔安海底風(fēng)化槽Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖段隧道水壓力為0.5～0.7 MPa，最大涌水量為50 m3/h，采用超前注漿堵水和徑向注漿措施。初期支護(hù)采用30 cm厚噴C25、 P8混凝土，并采用塑料排水板和C45、P12高性能防腐蝕混凝土二次襯砌進(jìn)行全封閉防水，防水板背后未設(shè)置排水盲管。一般Ⅱ、Ⅲ級(jí)圍巖地段采取半封閉防水，在防水板背后設(shè)置排水盲管，允許將防水板后的水引入水溝排出，以減小隧道二次襯砌所承受的水壓力。廈門翔安海底公路隧道半封閉防排水如圖1所示，全封閉防排水如圖2所示。

圖1 廈門翔安海底公路隧道半封閉防排水

圖2 廈門翔安海底公路隧道全封閉防排水

1.2 隧道防排水設(shè)計(jì)存在的主要問題

從礦山法隧道設(shè)計(jì)和施工現(xiàn)狀來看，對(duì)于采用復(fù)合式襯砌的大部分隧道，在結(jié)構(gòu)防排水方面，Ⅰ-Ⅲ級(jí)圍巖一般在拱墻部位設(shè)置排水盲管、無紡布和防水板及全環(huán)采用防水混凝土的半封閉結(jié)構(gòu)，通過側(cè)溝或中心水溝進(jìn)行排水；Ⅳ-Ⅵ級(jí)圍巖一般全環(huán)設(shè)置排水盲管、無紡布和防水板及防水混凝土全封閉防水結(jié)構(gòu),為了減少二次襯砌背后的水壓力，一部分隧道設(shè)置橫向排水管將水排入側(cè)溝或中心水溝。這2種防水方式的思路是： 在初期支護(hù)表面安裝環(huán)向和縱向排水盲管或排水板進(jìn)行排水，然后采用無紡布+防水板(或墊層+噴涂防水涂料)作為第1道防線，最后現(xiàn)澆防水混凝土或安裝預(yù)制管片作為第2道防線，施工縫和變形縫處采用止水帶、止水條、后注漿等措施進(jìn)行處理。該防水思路是將隧道作為一個(gè)整體進(jìn)行防水，層層設(shè)防，在水壓較高的情況下，進(jìn)行排水降壓；在水壓較低的情況下，進(jìn)行全封閉抵抗水壓。目前，高水壓富水隧道設(shè)計(jì)和施工存在的主要問題如下。

1.2.1 部分隧道建成后允許排水量和二次襯砌背后的允許水壓力規(guī)定不夠明確和合理

除極少量特殊隧道不允許排水外，大部分復(fù)合式襯砌隧道采用"堵排結(jié)合，限量排放"的防排水原則，而二次襯砌不滲漏的最大水壓力和最長(zhǎng)時(shí)間、隧道限量排水、最大排水量允許值，均缺乏具體和合理的指標(biāo)。有的隧道給出的排水量指標(biāo)偏大，導(dǎo)致隧道大量排水，對(duì)結(jié)構(gòu)安全、運(yùn)營、環(huán)境造成了較大的影響。因此，應(yīng)根據(jù)隧道的地質(zhì)條件、環(huán)境條件、使用功能、耐久性、運(yùn)營維護(hù)等要求進(jìn)一步深入研究隧道允許排水量及二次襯砌背后允許出現(xiàn)的最大水壓力。

1.2.2 對(duì)圍巖的防水重視不夠

有的隧道含水量豐富、水壓力高，但未采取系統(tǒng)的堵水措施，導(dǎo)致大量的地下水進(jìn)入開挖面或貯存在二次襯砌背后的空腔中，在巖體破碎的條件下，由于裂隙聯(lián)通性強(qiáng)和地下水在襯砌背后串流，水壓力很容易擊穿混凝土薄弱環(huán)節(jié)，造成滲漏。一些隧道在進(jìn)行防水層施工前，初期支護(hù)噴混凝土表面仍存在股水、滴水、漏水等現(xiàn)象，噴混凝土質(zhì)量、防水層及二次襯砌澆筑質(zhì)量很難保證；隧道施工后，襯砌背后水壓力不斷上升，造成混凝土薄弱部位滲漏和開裂。

1.2.3 對(duì)隧道底部防水不夠重視

如果隧底圍巖破碎，地下水往往從隧道周邊匯集到隧道仰拱部位，因此在施作仰拱初期支護(hù)時(shí)，隧底的積水很難清理干凈；如果地下水水量豐富，就很容易在隧道仰拱下匯聚，在動(dòng)荷載反復(fù)作用下，仰拱混凝土出現(xiàn)開裂和滲漏水；如果水壓力大，將導(dǎo)致隧底隆起、道床開裂和翻漿冒泥。

1.2.4 現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的均勻性很難滿足高水壓下的抗?jié)B要求

大部分礦山法隧道采用模板臺(tái)車現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土，在模板與防水層之間狹窄的空間中進(jìn)行大體積混凝土施工，受材料質(zhì)量、環(huán)境溫度、濕度、攪拌、運(yùn)輸、泵送、振搗、養(yǎng)護(hù)等條件的限制，施工中斷現(xiàn)象難以避免，很難保證混凝土澆筑的均勻性和連續(xù)性，因此施工冷縫和蜂窩麻面在混凝土表面隨處可見。對(duì)于拱部混凝土，難以灌注和振搗密實(shí)，拱部二次襯砌背后脫空和混凝土不密實(shí)現(xiàn)象比較普遍。

1.2.5 防排水的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不夠全面和合理

目前比較重視試件的室內(nèi)試驗(yàn)和檢驗(yàn)，對(duì)實(shí)體工程的現(xiàn)場(chǎng)抗?jié)B漏試驗(yàn)檢驗(yàn)還缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

因此，受多種因素影響，雖然目前的隧道防水設(shè)計(jì)采用多種措施，層層設(shè)防，工藝復(fù)雜，造價(jià)較高，但部分工程的防水效果并不理想，尤其是高水壓、富水隧道滲漏水現(xiàn)象普遍存在，有的隧道大量排水造成水土流失、地下水位下降、地表沉降和塌陷等不良后果。

2 隧道排水量和水壓力控制值分級(jí)

GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的防水設(shè)計(jì)原則是"防、排、截、堵相結(jié)合，剛?cè)嵯酀?jì)，因地制宜，綜合治理"，并將防水等級(jí)劃分為4級(jí)，規(guī)定了每級(jí)防水所要求的混凝土襯砌表面滲漏標(biāo)準(zhǔn), 但沒有規(guī)定隧道總的排水量和襯砌背后的水壓力，而這2個(gè)值對(duì)隧道防排水控制、結(jié)構(gòu)抗?jié)B和環(huán)境安全非常重要。因此，在針對(duì)具體工程制訂防排水原則時(shí)，應(yīng)根據(jù)環(huán)境、地質(zhì)、使用功能要求、工程使用年限等條件，提出隧道建成后排水量、襯砌背后水壓力的允許值。文獻(xiàn)[7-14]建議將交通隧道允許排水量和襯砌背后水壓力分為6級(jí)，如表1所示。按排水量和水壓力2個(gè)條件之一對(duì)應(yīng)的高級(jí)別確定等級(jí)，當(dāng)達(dá)到第6級(jí)時(shí)，隧道襯砌結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水及長(zhǎng)期大量排水的概率將大大增加，因此在隧道設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營時(shí)，應(yīng)盡量防止出現(xiàn)該情況，若出現(xiàn)該情況，應(yīng)采取特殊措施。

表1 交通隧道允許排水量和水壓力分級(jí)

從國內(nèi)外大量的工程實(shí)踐來看，復(fù)合式襯砌隧道的允許排水量q≤0.01 m3/(m·d)、襯砌背后允許水壓力pw≤0.01 MPa，是一個(gè)非常小的數(shù)值，應(yīng)定為1級(jí)。主要原因?yàn)椋?1)該排水量很小，接近地鐵盾構(gòu)隧道的排水要求，一般不會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)安全和周圍環(huán)境造成不良影響； 2)該排水量一般遠(yuǎn)小于隧道側(cè)溝最大允許排水量； 3)隧道設(shè)計(jì)的抗?jié)B壓力(防水混凝土一般大于P6)遠(yuǎn)大于該水壓值，結(jié)構(gòu)抗?jié)B安全系數(shù)較大。具體解釋為： 假定隧道長(zhǎng)度為30 000 m，若q=0.01 m3/(m·d)，則隧道總排水量為Q1=300 m3； 對(duì)于一般的交通隧道，側(cè)溝的過水?dāng)嗝鏋?.3 m(寬)×0.4 m(高)，如果側(cè)溝中水的流速為0.5 m/s(圓梁山隧道、象山隧道等多座隧道的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，側(cè)溝中水的最大流速可達(dá)1.0 m/s以上)，則其雙側(cè)水溝的最大排水量為Qmax=10 368 m3/d，實(shí)際排水量Q1僅為最大排水量Qmax的2.89%，側(cè)溝具有足夠的排水能力。另外，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前國內(nèi)外地鐵盾構(gòu)隧道的允許排水量一般小于0.2 L/(m2·d)，如果單洞雙線地鐵隧道內(nèi)徑為10.5 m，則其允許排水量為0.007 m3/(m·d)，接近0.01 m3/(m·d)，說明該標(biāo)準(zhǔn)是比較嚴(yán)格的。此外，如果隧道二次襯砌周圍受到的最大水壓力為0.01 MPa，按GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》設(shè)計(jì)要求，隧道防水混凝土的抗?jié)B等級(jí)不得小于P6，也就是一般的防水混凝土襯砌結(jié)構(gòu)在0.6 MPa水壓力作用下一定時(shí)間內(nèi)不發(fā)生滲漏，說明隧道抗?jié)B的安全系數(shù)較大。

據(jù)參考文獻(xiàn)[7]及有關(guān)案例 ，日本青函海底隧道位于海平面下240 m，最大覆蓋層厚度為100 m，水深為140 m，建成后的排水量為0.273 6 m3/(m·d)。丹麥西部沿海奧勒松(Alesund)附近修建有2座海底隧道，一座從奧勒松至埃林索伊島(Ellingsoy)，另一座從埃林索伊島至瓦爾德伊島(Valderoy)，這2座隧道均位于海平面下140 m，海底最小巖石覆蓋層厚度為40 m，2座隧道均為2車道公路隧道，隧道最大常年滲水量為300 L/km/min，相當(dāng)于0.432 m3/(m·d)。中國香港Rote-9號(hào)線沙田嶺隧道排水量要求為36 L/100 m/min，相當(dāng)于0.518 m3/(m·d)。渝懷線歌樂山隧道為單線鐵路電氣化隧道，最大埋深為280 m，最大水壓力為2.2 MPa，施工前期隧道巖溶涌水突泥對(duì)環(huán)境造成了一定的影響，隧道堵水后達(dá)到允許排水量為1.0 m3/h，環(huán)境基本趨于穩(wěn)定。廈門翔安海底隧道為3車道公路隧道，隧道的涌水量控制在0.4 m3/(m·d)左右。青島膠州灣海底隧道[11]的涌水量主洞控制在0.4 m3/(m·d)以內(nèi)，服務(wù)隧道控制在0.2 m3/(m·d)以內(nèi)。長(zhǎng)沙營盤路過江隧道主隧道為雙向4車道公路隧道，隧道排水量控制在0.35 m3/(m·d)以內(nèi)。

據(jù)參考文獻(xiàn)[8]及有關(guān)案例，重慶軌道交通1號(hào)線2期工程中梁山隧道，要求建成后的地下水排放控制標(biāo)準(zhǔn)為1.0 m3/(m·d)，當(dāng)圍巖完整性好且滿足出水量1.0 m3/(m·d)3.0 m3/(m·d)時(shí), 圍巖破碎段必須先進(jìn)行超前帷幕注漿再開挖, 以防發(fā)生突水和突泥。隧道建成后對(duì)環(huán)境無不良影響。

如果隧道排水量q>1.0 m3/(m·d)，隧道排水有可能引起地表水位下降、地表沉降或塌陷[10,14]。因此，對(duì)于環(huán)境和運(yùn)營要求比較嚴(yán)格的隧道，將排水量的上限控制在q=1.0 m3/(m·d)是比較合適的。如果隧道背后的水壓力pw>1.0 MPa，其混凝土薄弱部位及施工縫 、變形縫很容易滲漏。文獻(xiàn)[15]關(guān)于設(shè)置止水條的施工縫長(zhǎng)期抗水壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)施工縫張開寬度為 2.0 mm 時(shí)，止水條耐水壓力極限為 1.0 MPa;當(dāng)水壓力大于1.2 MPa時(shí)，止水條有明顯的擠出現(xiàn)象。因此，表1中的允許排水量和襯砌背后允許水壓力對(duì)隧道抗?jié)B、穩(wěn)定、環(huán)境及運(yùn)營安全影響較大，但只需滿足其中一個(gè)條件即可定級(jí)。

隧道襯砌背后的水壓力對(duì)隧道抗?jié)B、穩(wěn)定性影響較大，據(jù)參考文獻(xiàn)[16]，P10混凝土的滲透系數(shù)k=1.77×10-9cm/s。按照GB 50164-2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，P10混凝土的抗?jié)B試驗(yàn)主要內(nèi)容有： 試件高度為15 cm，在1.1 MPa水壓力作用下，88 h后6個(gè)試件中有3個(gè)試件發(fā)生滲漏。假定滲透速度不變，如果混凝土襯砌厚度為1.0 m，其背后受1.1 MPa水壓力作用，水的滲出時(shí)間將會(huì)是587 h；如果水壓力大于1.0 MPa，即使考慮水分蒸發(fā)的影響，高水壓長(zhǎng)時(shí)間作用在混凝土襯砌背后，混凝土出現(xiàn)慢滲的可能性很大。因此，建議從抗?jié)B的角度分析，一般隧道宜將襯砌背后的最大水壓力控制在1.0 MPa以內(nèi)，如隧道二次襯砌所抵抗的水壓力超過1.0 MPa，襯砌結(jié)構(gòu)及施工縫、變形縫應(yīng)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，應(yīng)盡可能在二次襯砌背后、墻腳、底板等部位采取加強(qiáng)排水措施，降低襯砌背后的水壓力。

此外，我國大部分高速鐵路、地鐵、市政隧道采用的混凝土最大抗?jié)B等級(jí)為P12，為了保證一定的抗?jié)B余量，取1.2倍安全系數(shù)，混凝土背后的水壓力宜控制在1.0 MPa。從渝懷線歌樂山隧道、圓梁山隧道，龍廈鐵路象山隧道，石太客專石板山隧道，重慶軌道交通1號(hào)線中梁山隧道等隧道的設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)看，當(dāng)二次襯砌承受1.0 MPa的水壓時(shí)，襯砌厚度一般達(dá)到80～100 cm，混凝土強(qiáng)度一般達(dá)到C35以上，混凝土一次澆筑體積大，而大體積混凝土溫度控制技術(shù)復(fù)雜，施工難度大，成本高，在高水壓作用下施工縫、變形縫及混凝土薄弱部位的滲漏難以完全避免。因此，從國內(nèi)隧道技術(shù)現(xiàn)狀和安全要求看，高速鐵路、高速公路襯砌背后的水壓力不宜大于1.0 MPa。由于高速鐵路、高速公路行車速度比較快，一旦局部受到高水壓作用，會(huì)出現(xiàn)局部壓潰，發(fā)生涌水突泥、不均勻沉降或坍塌掉塊，對(duì)行車安全影響較大。

為了控制隧道排水對(duì)環(huán)境的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制排水中的泥砂含量。排水中含砂量的制訂宜參考JGJ 111-2016《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》第5.6.3條規(guī)定的"管井抽水30 min內(nèi)的含砂量，粗砂含量應(yīng)小于1/50 000，中砂含量應(yīng)小于1/20 000，細(xì)砂含量應(yīng)小于1/10 000"。通過控制泥砂含量，減少排水對(duì)環(huán)境的影響，并防止初期支護(hù)背后土體的大量流失。含砂量對(duì)于排水量大的長(zhǎng)大、特長(zhǎng)山嶺隧道，大量排水可能會(huì)造成水土流失和排水系統(tǒng)堵塞及圍巖抗力變化，因此，應(yīng)根據(jù)排水量大小和可能造成的后果，建議除以大于2.0的安全系數(shù)進(jìn)行修正。

3 隧道防排水體系

國內(nèi)復(fù)合式襯砌隧道的防排水體系主要采用半包防水和全包防水2種形式。雙線鐵路隧道半包和全包防排水形式如圖3和圖4所示。圖3為不設(shè)置仰拱的雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)防排水，一般適用于Ⅰ-Ⅲ級(jí)圍巖。圖4為設(shè)置仰拱的雙線鐵路隧道結(jié)構(gòu)防排水，一般適用于Ⅳ-Ⅵ級(jí)圍巖。如Ⅲ級(jí)圍巖穩(wěn)定性差、水量大、水壓高，也可采用如圖4所示的防排水形式。

圖3 雙線鐵路隧道半包防排水

圖4 雙線鐵路隧道全包防排水

以上2種排水形式的設(shè)計(jì)思路是： 將隧道排水作為一個(gè)完整的系統(tǒng)來考慮，隧道周邊所有的水都先匯入側(cè)溝，然后再匯入底板混凝土填充層的中心水溝。根據(jù)水壓力理論，一旦水量大、水壓高，側(cè)溝中的水不能及時(shí)排出，造成隧道周邊水位持續(xù)上升，隧道底板承受的水壓力也不斷上升，若底板無法抵抗向上的水壓力，勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致底板隆起、開裂和滲漏水。因此，對(duì)于不受凍害影響的隧道，為了減少隧道底板的水壓力，可將拱、墻部位與底板之間的排水系統(tǒng)分開設(shè)置，拱、墻部位的水可直接排入兩側(cè)側(cè)溝。對(duì)于仰拱部位的水，如果隧道底板不設(shè)仰拱，底板的水可匯入中心水溝直接排出，如圖5所示。對(duì)于設(shè)置仰拱的隧道，在仰拱部位的二次襯砌混凝土中可預(yù)埋橫向盲管，鋪底混凝土和二次襯砌混凝土接觸部位可設(shè)置中心盲管。如果地下水穿過仰拱初期支護(hù)、防水層進(jìn)入二次襯砌混凝土背面，若水壓高、水量大，中心排水管無法排出的水，可沿橫向盲管流入新增設(shè)的側(cè)溝排出，伸入側(cè)溝內(nèi)的橫向排水管可安裝球閥，進(jìn)行限量排放，如圖6所示。如果在排水的條件下，水壓力仍超過底板的抗水壓力，可采取堵水或錨固措施，這樣可能導(dǎo)致隧道兩側(cè)的電纜槽由4個(gè)減少為2個(gè)，通過調(diào)整電纜安裝位置及高度，滿足功能要求。

圖5 上下分離式防排水

圖6 底板限量排水

假定仰拱填充混凝土內(nèi)沿縱向3 m設(shè)置1道橫向排水管，與中心盲管聯(lián)通，中心排水盲管的排水量可參照J(rèn)TG D70《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為

(1)

式中：Q為過水流量，m3/s;n為粗糙系數(shù)，可取為0.025;R為水力半徑，m，取圓管直徑的1/4；I為排水坡度；A為滿水時(shí)的過水?dāng)嗝娣e，m2。

假定中心排水盲管直徑為300 mm，排水坡度為0.003，則中心排水盲管的排水量為0.022 9 m3/s,該排水量比較大，可滿足大部分隧道底板排水的要求。中心排水盲管上方宜每隔30～50 m設(shè)置1個(gè)檢查井及沉淀池，定期檢查和清理，防止堵塞。為了保證隧道底板排水通暢，隧底縱向中心排水盲管應(yīng)全長(zhǎng)設(shè)置。

4 圍巖及初期支護(hù)的防水作用

隧道開挖后地應(yīng)力逐步釋放，圍巖產(chǎn)生松弛和變形，從而引起裂隙張開和地層空隙率變大，漏水率和滲透系數(shù)相應(yīng)增大。在高水壓或富水地層中，地下水容易從巖體裂隙或土體空隙中流出，如不進(jìn)行提前封堵，隧道開挖通過后，掌子面后方壁面上的高壓水呈噴射狀態(tài)；出水點(diǎn)如與周圍裂隙或空隙聯(lián)通性強(qiáng)，注漿時(shí)很容易發(fā)生縱向或環(huán)向串水，注漿封堵難度大、時(shí)間長(zhǎng)、成本高。因此，礦山法隧道通過高水壓、富水地層時(shí)，應(yīng)通過超前注漿加固和堵水，在隧道周圍形成止水帷幕，提高地層強(qiáng)度和完整性，降低滲透系數(shù)和透水率。在埋深比較淺的情況下(一般洞頂埋深宜小于50 m)，如地面有作業(yè)條件，為減少施工干擾，可選擇地面垂直注漿或其他隔離措施，在隧道周圍形成止水帷幕。GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄W規(guī)定的外水壓力折減系數(shù)如表2所示。

表2 外水壓力折減系數(shù)

大量的工程實(shí)踐表明，通過地面注漿、洞內(nèi)超前旋噴、管幕或超前管棚、徑向注漿等措施可以降低隧道的涌水量和水壓力，注漿后巖體和土體的滲透性應(yīng)達(dá)到微透水程度，即： 巖體的透水率應(yīng)小于1.0 Lu，土體的滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s。此外，對(duì)于土體，根據(jù)渝懷線圓梁山隧道、廈門東通道翔安海底隧道、龍廈鐵路象山隧道、廈門西通道海滄海底隧道、廈門軌道交通3號(hào)線五緣灣-劉五店鉆爆法區(qū)間隧道等工程的注漿經(jīng)驗(yàn)[17]，注漿后掌子面土體的含水率不宜大于15%，巖石質(zhì)量指標(biāo)RQD應(yīng)不小于75，掌子面開挖并對(duì)暴露巖面進(jìn)行初噴混凝土后，自穩(wěn)時(shí)間應(yīng)不小于8 h，確保初期支護(hù)所有工序完成且形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)具有一定的承載能力(一般噴射混凝土3 h無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)能達(dá)到1.5 MPa)。注漿后，止?jié){墻或止?jié){巖盤的開挖一般需要3 d以上。為了保證止?jié){墻或止?jié){巖盤前方掌子面在開挖過程中的穩(wěn)定性，注漿膠結(jié)體試件3 d無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度不宜小于2.0 MPa。如果漿液主要以擠密、劈裂的方式進(jìn)入地層，一般無法取出完整巖芯，應(yīng)通過RQD、滲透系數(shù)及含水率等指標(biāo)綜合判斷注漿效果。歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN規(guī)定： 地層旋噴加固后進(jìn)行取芯試驗(yàn)，試件28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不應(yīng)低于2.0 MPa，滲透系數(shù)不應(yīng)大于1×10-7m/s。此處，建議注漿膠結(jié)體試件3 d的無側(cè)限單軸抗壓強(qiáng)度指標(biāo)達(dá)到2.0 MPa，是為了使注漿完成后盡快達(dá)到開挖條件，并且保證掌子面具有一定的穩(wěn)定性。隧道開挖和初期支護(hù)完成后，對(duì)于滲漏水較大部位應(yīng)通過徑向注漿、局部堵水、回填注漿等措施進(jìn)行堵水和加固，進(jìn)一步降低地層和初期支護(hù)的滲透系數(shù)，并適當(dāng)采取引排措施，確保初期支護(hù)表面不出現(xiàn)射水、滴水、淌水等流動(dòng)水，為防水層和二次襯砌施工創(chuàng)造良好條件。廈門軌道交通3號(hào)線五緣灣-劉五店區(qū)間風(fēng)化槽注漿鉆孔布置與注漿效果如圖7和圖8所示，該工程嚴(yán)格按以上注漿標(biāo)準(zhǔn)控制，取得了較好的效果。如需要進(jìn)一步提高地層的堵水率和穩(wěn)定性，全斷面注漿后，可采用超前管幕、大管棚、旋噴樁、咬合樁加固隧道周邊土體，通過玻纖錨桿等加固隧道開挖面，必要時(shí)可增加洞外、洞內(nèi)降水措施。

圖7 廈門軌道交通3號(hào)線五緣灣-劉五店區(qū)間風(fēng)化槽注漿鉆孔布置

圖8 廈門軌道交通3號(hào)線五緣灣-劉五店區(qū)間風(fēng)化槽注漿效果

大部分鐵路、公路、市政、地鐵隧道的開挖斷面一般不大于150 m2，計(jì)算假定為150 m2，其等效半徑為6.91 m、等效周長(zhǎng)為43.40 m。假定地層注漿前水壓力為5.0 MPa，采取超前預(yù)注漿，加固范圍為開挖輪廓線外7.0 m，初期支護(hù)完成后，進(jìn)行徑向注漿，將初期支護(hù)表面水壓力降低到0.1 MPa，地層滲透系數(shù)降低到1.0×10-7m/s，不考慮圍巖對(duì)外水壓力的折減，外水壓力直接作用在注漿加固圈外邊界，且地下水在注漿加固圈中為雷諾數(shù)小于10的層流狀態(tài)，滲流符合達(dá)西定律，若初期支護(hù)達(dá)到GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的二級(jí)防水標(biāo)準(zhǔn)，濕漬面積需占隧道周長(zhǎng)的2/1 000。注漿后隧道的單位長(zhǎng)度滲漏量為：

Q=43.40×0.002×1×1.0×10-7×(500-10)/7.0=6.076×10-7=0.052 5 m3/(m·d)。

該排水量和水壓力可達(dá)到表1中的2級(jí)排水標(biāo)準(zhǔn)。

隧道初期支護(hù)的基面情況及其與圍巖的密貼情況對(duì)防水層和二次襯砌的防水效果影響也很大。為了發(fā)揮初期支護(hù)的防水作用，初期支護(hù)的抗?jié)B等級(jí)不得低于P6，初期支護(hù)和圍巖之間的空隙應(yīng)采用注漿回填，不允許出現(xiàn)空隙和空腔。在鋪設(shè)防排板或噴涂防水涂料之前，基面上的滲漏水應(yīng)采用注漿封堵或引排的方法進(jìn)行處理，以保證基面上無明顯的滲漏水點(diǎn)。在嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)，初期支護(hù)表面的水應(yīng)以封堵為主，不宜引排，堵水后表面應(yīng)無濕漬。初期支護(hù)表面應(yīng)平整，無空鼓、裂縫、松酥、露筋等現(xiàn)象，表面平整度應(yīng)達(dá)到D/L≤1/10(L為基面兩相鄰?fù)姑娴木嚯x，D為基面兩相鄰?fù)姑姘歼M(jìn)去的最大深度)，否則應(yīng)采用補(bǔ)噴混凝土、涂抹防水砂漿或滲透結(jié)晶防水材料等方法進(jìn)行處理。此外，初期支護(hù)壁面平整可以減少二次襯砌環(huán)向的約束應(yīng)力，降低二次襯砌開裂風(fēng)險(xiǎn)；初期支護(hù)表面無滲漏水，可以防止防水板背后凹凸不平部位形成水囊。

5 隧道防水層及防水混凝土

5.1 防水層的設(shè)置及作用

防水層主要包括柔性防水層和剛性防水層，主要起到防水、隔離、阻水(阻止二次襯砌混凝土過快失水)的作用，目前隧道防水層常用柔性防水層。柔性防水層一般采用防水板或防水涂料，根據(jù)GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.3.8、4.3.9、4.4.8-2、4.5.8條關(guān)于防水卷材、涂膜防水層、防水板不透水性的規(guī)定為"壓力0.3 MPa，保持120 min，不透水"。這說明防水卷材、涂膜及防水板可以短時(shí)間內(nèi)承受較低水壓，且能起到隔離作用，但在高水壓長(zhǎng)期作用下，難以起到防水作用。在復(fù)合式襯砌概念引入我國隧道設(shè)計(jì)和施工之前，我國20世紀(jì)50-70年代修建的川黔、貴昆、成昆、寶成等鐵路線上的隧道均采用整體式襯砌，二次襯砌和圍巖(臨時(shí)支護(hù))之間未設(shè)置防水層，目前部分隧道服役期限已經(jīng)超過50年，仍在正常使用，襯砌質(zhì)量好的隧道，防水效果也比較好。這說明混凝土結(jié)構(gòu)自防水對(duì)于保證防水效果非常重要。

我國自1980采用盾構(gòu)修建地鐵試驗(yàn)段以來，截至2019年末，采用盾構(gòu)法/TBM法修建的地鐵隧道超過3 000 km，其管片背后空隙均采用注漿(同步注漿、二次注漿)或回填豆礫石及灌注砂漿進(jìn)行處理，防水效果良好，大部分工程的滲漏量控制在0.2 L/(m2·d)以內(nèi)。自20世紀(jì)80年代引入復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)以來，大部分復(fù)合式襯砌隧道設(shè)置了柔性防水層，但滲漏水現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，說明防水層并不是必須的，其承擔(dān)的防水作用有限，只能起到輔助防水作用和隔離作用，減小二次襯砌的切向應(yīng)力。為了減少二次襯砌混凝土開裂和提高防水效果，可采取其他隔離材料取代防水板或涂料，起到隔離作用。例如對(duì)于初期支護(hù)表面的明水可采用徑向注漿封堵，局部出水點(diǎn)可采用盲管或排水板引排，并采用土工布包裹排水盲管和覆蓋排水板，以防止回填注漿堵塞排水盲管和排水板。在二次襯砌達(dá)到一定強(qiáng)度后進(jìn)行回填注漿，注入低強(qiáng)度的黏土-水泥漿或水泥砂漿等，以阻斷滲水通道，起到防水作用。文獻(xiàn)[18] 根據(jù)深圳地鐵1號(hào)線會(huì)展中心-市民中心區(qū)間正線隧道及西北聯(lián)絡(luò)線隧道的施工經(jīng)驗(yàn)，提出"對(duì)于采用噴錨構(gòu)筑法施工的暗挖隧道或先做防水層的明挖車站 ,建議取消防水層中的防水板, 保留無紡布"。無紡布作為初期支護(hù)與二次襯砌之間的隔離層,允許圍巖在二次襯砌結(jié)束后有少量變形,以減少圍巖對(duì)二次襯砌的約束,并降低二次襯砌的干縮裂紋。蒙華鐵路段家坪隧道、高家山隧道、西坪塬隧道已經(jīng)進(jìn)行了取消二次襯砌背后防水板的試驗(yàn)，取得了較好的效果。

關(guān)于柔性防水層的檢查，目前現(xiàn)場(chǎng)主要通過充氣檢查防水板焊縫質(zhì)量，為了保證整體防水質(zhì)量，需要對(duì)防水層的整體防水性能進(jìn)行檢查。因此，應(yīng)根據(jù)模板臺(tái)車每循環(huán)澆筑長(zhǎng)度，將防水板(涂膜層)鋪設(shè)(噴涂)在預(yù)先鋪好的墊層上，以6～12 m為1個(gè)單元，將防水板(涂膜層)兩端搭接部位的基面用防水砂漿找平，將防水板(涂膜層)一端牢固焊接(或粘結(jié))在基面上，另一端牢固焊接(或粘結(jié))在預(yù)先鋪設(shè)好的防水卷材上(涂膜層)。半包防水層應(yīng)將底邊粘貼在基面上，在拱部、邊墻、底板分別進(jìn)行充水檢查。檢查方法應(yīng)參考防水板搭接縫檢查方法，檢查點(diǎn)數(shù)不應(yīng)少于4個(gè)，其中拱部、左右邊墻、底板至少各1個(gè)，應(yīng)能達(dá)到"壓力0.3 MPa，保持120 min，不透水"的要求。檢查后，將水放掉，再將檢查點(diǎn)補(bǔ)粘或補(bǔ)噴。

5.2 防水混凝土

防水混凝土是隧道防水最重要，也是最后一道防線。GB 50108-2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》第4.1.4條規(guī)定了不同埋深條件下防水混凝土的抗?jié)B指標(biāo)，例如隧道埋深超過30 m，防水混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)達(dá)到P12。按照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的抗?jié)B試驗(yàn)方法，P12防水混凝土可承受1.2 MPa的水壓力，且能夠保證96 h不漏水。圓梁山隧道等工程的水壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，如果高水壓長(zhǎng)期作用，混凝土?xí)l(fā)生慢滲現(xiàn)象。對(duì)于現(xiàn)澆混凝土，采用現(xiàn)場(chǎng)鉆芯進(jìn)行室內(nèi)抗?jié)B試驗(yàn)，以檢驗(yàn)抗?jié)B效果；對(duì)于混凝土預(yù)制管片、鋼管片，主要進(jìn)行拼裝試驗(yàn)，以檢驗(yàn)抗?jié)B效果。然而，這些方法都帶有局限性，無法全面反映混凝土施作完成后的抗?jié)B效果。為了全面反映混凝土施工完成后的抗?jié)B性能，在二次襯砌混凝土拆模后，應(yīng)對(duì)每一環(huán)(一般6～12 m)或幾環(huán)混凝土襯砌的端頭進(jìn)行密封，當(dāng)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，進(jìn)行回填灌漿，當(dāng)回填灌漿達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，在拱頂、邊墻、底板中間位置分別鉆孔進(jìn)行壓水檢查。為了保證結(jié)構(gòu)安全，壓水試驗(yàn)壓力宜小于設(shè)計(jì)抗?jié)B壓力(0.2～0.3 MPa)，壓力保持時(shí)間應(yīng)不少于30 min，檢查點(diǎn)不少于4個(gè)，拱部、左邊墻、右邊墻、底板至少各1個(gè)，檢查孔宜布置在混凝土灌注孔附近，鉆孔深度應(yīng)不小于襯砌厚度；整環(huán)抗?jié)B檢查合格，說明該環(huán)襯砌混凝土及施工縫、變形縫、后澆帶等接縫抗?jié)B也合格。

由于現(xiàn)澆混凝土施工工藝復(fù)雜，受原材料、配合比、攪拌、運(yùn)輸、灌注、振搗、養(yǎng)護(hù)等多種因素影響，施工質(zhì)量存在波動(dòng)現(xiàn)象，有時(shí)局部會(huì)發(fā)生強(qiáng)度不足、厚度不夠、背后脫空或不密實(shí)、溫度裂縫等現(xiàn)象，設(shè)計(jì)的抗?jié)B指標(biāo)難以保證，因此，復(fù)合式襯砌隧道也應(yīng)采用預(yù)制管片拼裝的方法施作二次襯砌。不摻引氣劑的混凝土空隙率為1%左右，而鋼材的空隙率一般在0.2%以下，其密實(shí)度和抗?jié)B性遠(yuǎn)大于混凝土，因此，對(duì)于設(shè)計(jì)水壓力大于1.0 MPa的隧道二次襯砌，宜采用鋼管片、合金管片、鋼混組合管片等強(qiáng)度高、均勻性好、空隙率低的材料，以保證結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期高水壓作用下的抗?jié)B能力和穩(wěn)定性。

預(yù)制拼裝管片面臨加工和安裝需要專用裝備、技術(shù)和工藝復(fù)雜、加工和安裝精度要求高、防水和密封要抗高水壓等挑戰(zhàn)，目前在盾構(gòu)隧道的正洞與聯(lián)通通道交叉位置使用較多，需要在今后的工作中進(jìn)一步深入研究和完善。中鐵隧道局集團(tuán)有限公司等單位聯(lián)合在重慶東環(huán)線襄渝聯(lián)絡(luò)線上的胡家溝隧道V級(jí)圍巖地段，開展了隧道拱部二次襯砌預(yù)制拼裝試驗(yàn)，并取得了成功。為了更好地推廣預(yù)制拼裝管片，應(yīng)進(jìn)一步研究以下問題。

1)結(jié)構(gòu)計(jì)算問題。初期支護(hù)和預(yù)制管片在外荷載作用下的受力變形、承載能力、穩(wěn)定性及耐久性問題，在不同地質(zhì)、環(huán)境、使用條件下，初期支護(hù)、管片的荷載如何分配，結(jié)構(gòu)及連接件安全系數(shù)的確定等。在Ⅰ-Ⅲ級(jí)圍巖中，建議將圍巖和初期支護(hù)作為主要受力結(jié)構(gòu)，適當(dāng)減小管片厚度和配筋率，以降低工程造價(jià)。

2)管片加工和安裝精度問題。建議采用GB 50446-2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定的加工和安裝精度要求，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，該規(guī)范提出的相關(guān)指標(biāo)是比較合理的。

3)接頭問題。管片縱向和環(huán)向的連接方式是采用螺栓連接還是采用榫接，如果管片需要抵抗高水壓，建議采用螺栓連接和榫接組合的方式。

4)防水問題。為了抵抗高水壓，管片端面應(yīng)設(shè)置2道彈性密封墊進(jìn)行防水。管片安裝前，初期支護(hù)表面應(yīng)進(jìn)行注漿堵水，做到?jīng)]有明水(流、滴、流掛等)現(xiàn)象，管片背后應(yīng)安設(shè)環(huán)向、縱向排水盲管、中心排水盲管及排水板，通過排水盲管或排水板、橫向排水管等將管片背后的水排出洞外，以降低和控制管片背后的水壓力。管片背后環(huán)狀空隙應(yīng)灌注豆礫石并進(jìn)行回填灌漿，防止脫空。

5)為了實(shí)現(xiàn)快速拼裝，應(yīng)生產(chǎn)專用設(shè)備用于管片運(yùn)輸、安裝和擠緊，建議在安裝設(shè)備上設(shè)置撐靴，以提供反力，縱向擠緊管片。

6)進(jìn)一步提升信息化、智能化施工水平，在施工和運(yùn)營過程中應(yīng)加強(qiáng)管片受力變形、隆沉、開裂、滲漏水等的監(jiān)測(cè)和智能化分析，監(jiān)控和評(píng)價(jià)構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的安全狀況，并及時(shí)維修養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)信息化、智能化施工和管理。

6 結(jié)論與展望

1)隧道允許排水量和水壓力是隧道設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，關(guān)系到隧道的抗?jié)B要求、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、環(huán)境安全、運(yùn)營成本等，因此，在隧道設(shè)計(jì)中應(yīng)依據(jù)地質(zhì)、環(huán)境、使用功能、運(yùn)營條件進(jìn)行深入分析，合理選擇和確定，并制訂具體的限量排放措施和標(biāo)準(zhǔn)，以保證隧道滲漏水達(dá)標(biāo)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和運(yùn)營、環(huán)境安全。對(duì)于采用復(fù)合式襯砌的隧道，如果能滿足環(huán)境保護(hù)及使用功能要求，其全隧道排水量宜控制在1.0 m3/(m·d)以內(nèi)，二次襯砌背后承受的水壓力最大宜控制在1.0 MPa以內(nèi)。

2)對(duì)于高水壓、富水隧道，隧道底板是防排水的薄弱環(huán)節(jié)，在高水壓和動(dòng)載作用下，容易發(fā)生底板混凝土開裂、隆起及翻漿冒泥。為了減少隧道滲漏水發(fā)生的概率，并保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，可考慮將拱、墻防排水體系和仰拱防排水體系分開設(shè)置，拱部、側(cè)墻部位的滲水直接排入側(cè)溝，仰拱部位的水主要通過縱向中心排水盲管排出。當(dāng)水壓力高時(shí)，通過與中心排水盲管連通的橫向排水管將水引入新增的側(cè)溝，并通過在橫向排水管出水口安裝的閥門進(jìn)行限量排放。

3)降低圍巖滲透系數(shù)和提高圍巖強(qiáng)度及完整性是減小隧道涌水量和二次襯砌背后水壓力的重要措施。應(yīng)通過地面隔離墻(咬和樁)、地面注漿、洞內(nèi)注漿、旋噴、超前管棚、超前管幕、施作雙層襯砌等措施，阻斷和減小來水通道，提高地層強(qiáng)度和完整性，降低隧道涌水量和襯砌背后的水壓力，并降低大量排水對(duì)隧道運(yùn)營和環(huán)境的不利影響。

4)受多種因素的影響，復(fù)合式襯砌隧道現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土的強(qiáng)度、厚度、抗?jié)B性存在一定的波動(dòng)，其整體性能無法和工廠化生產(chǎn)的相同抗?jié)B及強(qiáng)度等級(jí)的預(yù)制混凝土相比，因此，二次襯砌采用預(yù)制拼裝混凝土(鋼管片、鋼混復(fù)合結(jié)構(gòu)等)將是一個(gè)發(fā)展方向。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)實(shí)體工程的整體抗?jié)B檢測(cè)和評(píng)價(jià)也是一個(gè)值得重視的問題，應(yīng)繼續(xù)研究相關(guān)的方法和標(biāo)準(zhǔn)。

5)本文重點(diǎn)對(duì)隧道允許排水量、襯砌背后的水壓力、防排水體系等問題進(jìn)行了探討，但隧道的安全穩(wěn)定與土壓力、動(dòng)荷載、單位長(zhǎng)度出水點(diǎn)個(gè)數(shù)及單點(diǎn)的涌水量、水壓力、泥砂含量等也有很大的關(guān)系，下一步應(yīng)針對(duì)該方面的問題進(jìn)一步分析和探討。