公路隧道復(fù)合排水方案及測試研究

樂晟

（中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司，天津 300308）

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為世界公路里程大國。在遍布全國的公路網(wǎng)系統(tǒng)中，隧道扮演了十分重要的角色[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國公路隧道數(shù)量超過22 000座，位居世界前列。我國公路系統(tǒng)之所以修建了如此很多的隧道，與我國地形復(fù)雜、山體結(jié)構(gòu)較多有關(guān)。隧道可以縮短交通線長度，給公路的運(yùn)營使用帶來更高的效率。但是，隧道會(huì)受到多種因素的干擾，導(dǎo)致安全性降低和使用壽命下降[2]。其中最嚴(yán)重的威脅就是滲漏水問題。滲漏水是由隧道排水方案不合理或者考慮不周所致，并會(huì)引發(fā)隧道局部腐蝕、開裂以及凍炸等一系列繼發(fā)危害[3]。在隧道排水方案的設(shè)計(jì)過程中需要充分考慮隧道本身及附近的地質(zhì)和氣候因素，進(jìn)而進(jìn)行合理的排水材料選擇和排水方案制定。該文將針對公路隧道系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)合排水方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行測試。

1 公路隧道復(fù)合排水方案設(shè)計(jì)

公路隧道一般都要進(jìn)行防水、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如果防水和排水失效，就會(huì)造成隧道襯砌滲漏水。大量的滲漏水會(huì)直接導(dǎo)致公路隧道無法正常通行，同時(shí)還有可能影響隧道使用壽命。即便是少量的滲漏水，也會(huì)造成隧道內(nèi)路面濕滑，使過往車輛打滑。滲漏水也可能威脅隧道內(nèi)的電氣系統(tǒng)，如照明和動(dòng)力電路，這都會(huì)埋下安全隱患。

從隧道滲漏水的具體形式看，又有4種不同的情況，即浸滲式的滲漏水、滴漏式的滲漏水、涌流式的滲漏水和噴射式的滲漏水。其中，發(fā)生第一種情況的滲漏，隧道表面會(huì)呈現(xiàn)濕潤狀態(tài)，但是無法找到確定的滲漏點(diǎn)；發(fā)生第二種情況的滲漏，隧道表面會(huì)表現(xiàn)為水滴形式的滲漏；發(fā)生第三種情況的滲漏，隧道表面會(huì)表現(xiàn)為線狀水流的滲漏；發(fā)生第四種情況的滲漏，隧道表面會(huì)表現(xiàn)為水流噴射而出的滲漏。根據(jù)調(diào)查結(jié)果顯示，公路隧道各種形式的滲漏水占比如圖1所示。

如圖1所示，在這一調(diào)查過程中，參與調(diào)查的公路隧道滲漏水事件一共有400多起，其中浸滲式的滲漏水占比高達(dá)87%以上，是公路隧道滲漏水最主要的形式。其次是滴漏式的滲漏水，占比為12.23%。涌流式的滲漏水占比僅有0.48%。而最嚴(yán)重的噴射式的滲漏水沒有發(fā)生，出現(xiàn)概率為0%。可見，對公路隧道滲漏水，應(yīng)主要預(yù)防浸滲式的滲漏水和滴漏式的滲漏水這2種形式。

圖1 公路隧道各種形式的滲漏水占比

對公路隧道的滲漏水問題，一般采取的處理措施是防排結(jié)合。這里的“防”是指以封堵為主的防范措施。這里的“排”是指以排水為主的防范措施。其中封堵措施更多地體現(xiàn)了被動(dòng)防御，而排水措施更多地體現(xiàn)了主動(dòng)疏導(dǎo)。根據(jù)公路隧道實(shí)際情況的不同，有的采用全防措施，有的采用全排措施，有的采用半防半排措施。

對防水處理，一般采用防水材料制成防水板或防水層。對排水處理，主要是設(shè)計(jì)各種排水管道和溝槽，便于將滲涌出的水分導(dǎo)引到隧道外。常見的排水形式包括中心排水溝槽、橫向排水管道、縱向排水管道以及環(huán)向排水管道。具體采取何種形式，需要視隧道的實(shí)際情況而定。

為了達(dá)到更好的防治滲漏水效果，該文設(shè)計(jì)了一種防排結(jié)合、復(fù)合排水的綜合處理方案，如圖2所示。

圖2 該文提出的公路隧道防滲漏水方案

該方案體現(xiàn)了防水和排水的結(jié)合，在初期支護(hù)和二次防水襯砌之間加入排水板，體現(xiàn)了防水和排水的融合。排水板按照合適的間距沿著隧道方向形成了環(huán)形排列，這樣排水板就間接發(fā)揮了環(huán)向排水管道的作用。同時(shí)，排水板末端接通縱向排水管道，實(shí)現(xiàn)了排水系統(tǒng)的暢通連接。這一方案的特點(diǎn)是防水板起到了第一層防滲漏作用，如果防水板失效，排水板會(huì)將滲漏的水分導(dǎo)入縱向排水管道，并通過橫向排水管道導(dǎo)引到中央排水溝，進(jìn)而形成了第二層防滲漏作用。如果排水失效，還有二次防水襯砌進(jìn)行第三層保護(hù)。

2 排水板材料滲透性能分析

分析圖1可知，浸滲是隧道滲漏水最主要的危害方式。浸滲系數(shù)一般的數(shù)學(xué)描述如公式（1）所示。

式中：KT為一種防水材料在溫度為T攝氏度時(shí)的浸滲系數(shù)；Q為在t時(shí)間內(nèi)透過防水材料的水流量；L為測壓孔之間的距離；H為平均水位。

水位平面高度的計(jì)算如公式（2）所示。

式中：H1為最高水位高度；H2為最低水位高度。

在圖2給出的該文設(shè)計(jì)的公路隧道防滲漏水方案中，排水板扮演著非常重要的角色。一方面，排水板嵌入初期支護(hù)和二次防水襯砌之間，形成了防水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的結(jié)合。另一方面，排水板是滲漏水的第一接收單元，只有它有效工作，才能將滲漏的水分導(dǎo)入縱向排水管道，進(jìn)而導(dǎo)入橫向排水管道和中央排水溝，實(shí)現(xiàn)有效排水。

從實(shí)際使用的情況來看，不同公路隧道使用了不同的排水材料，有的使用毛細(xì)排水板，有的使用凸殼排水板，有的使用土工布。為了找到排水性能更好的材料，該文對這3種材料的排水性能進(jìn)行了測試和分析。

毛細(xì)排水板有2種制作坊式，一種是單面涂覆聚氯乙烯，一種是雙面涂覆聚氯乙烯，進(jìn)而分別形成單面毛細(xì)排水板和雙面毛細(xì)排水管2種規(guī)格。聚氯乙烯具有4個(gè)突出的特點(diǎn)，使其有助于排水功能的實(shí)現(xiàn)。第一個(gè)特點(diǎn)，聚氯乙烯制成的排水板，表面張力特別好；第二個(gè)特點(diǎn)，聚氯乙烯材料會(huì)發(fā)生毛細(xì)現(xiàn)象，這也是其被稱為毛細(xì)排水板的由來；第三個(gè)特點(diǎn)，聚氯乙烯材料具有虹吸能力，有助于排水；第四個(gè)特點(diǎn)，聚氯乙烯材料還可以實(shí)現(xiàn)重力排水。

凸殼排水板制作過程中以密度較高的聚乙烯材料為主要原料。聚乙烯本身就是一種環(huán)保材料，品質(zhì)較高。尤其是聚乙烯材料硬度很大，抗壓強(qiáng)度很高，在較大承載力的情況下也不會(huì)輕易出現(xiàn)破損、塌陷、變形、折斷和撕裂。更難得的是，聚乙烯材料延展性能很好，可以根據(jù)隧道壁的形狀進(jìn)行成型加工。

土工布是一種非常常見的工程建筑材料，主要由合成纖維制成，制作工藝一般是以編織為主。土工布不僅在公路隧道防排水中發(fā)揮作用，還被大量使用在路面養(yǎng)護(hù)、環(huán)境保護(hù)、河堤防護(hù)等建筑施工作業(yè)中，既可以長期使用，也可以臨時(shí)短期使用。

3 3種材料排水性能測試試驗(yàn)與分析

為了能夠給該文的復(fù)合排水方案選擇更好的排水板材料，該文對毛細(xì)排水板、凸殼排水板、土工布3種材料進(jìn)行了排水性能測試。該測試的主要參數(shù)是單位時(shí)間的排水量，其理論計(jì)算公式如公式（3）所示。

式中：Q為單位時(shí)間內(nèi)通過排水板材料的水的流量；Vn為某一時(shí)間段內(nèi)流過的總水量；tE為結(jié)束采集的時(shí)間；tB為開始采集的時(shí)間。

試驗(yàn)過程中，分別選擇毛細(xì)排水板、凸殼排水板和土工布為材料制成排水板，設(shè)定試驗(yàn)中最大進(jìn)水量為1700cm3，隨著時(shí)間的變化不斷改變水流壓強(qiáng)，進(jìn)而得到3種材料的排水性能曲線。毛細(xì)排水板的排水性能曲線如圖3所示。

圖3中，縱軸為排水板的排水流量，橫軸為排水時(shí)間，水流壓強(qiáng)分別設(shè)定為0.75 kPa、7.5 kPa、50 kPa和100 kPa。從圖3可以看出，隨著水流壓強(qiáng)的不斷增大，毛細(xì)排水板的排水流量也不斷增加。在水流壓強(qiáng)為100 kPa的情況下，其排水流量一直保持在750cm3/s以上。而在水流壓強(qiáng)為0.75 kPa、7.5 kPa的情況下，其排水流量一直低于300cm3/s。

圖3 毛細(xì)排水板的排水性能曲線

凸殼排水板的排水性能曲線如圖4所示。

圖4中，縱軸為排水板的排水流量，橫軸為排水時(shí)間，水流壓強(qiáng)設(shè)定為7.5 kPa。從圖4可以看出，在水流壓強(qiáng)為7.5 kPa的情況下，其排水流量一直高于300cm3/s。可見在同等水流壓強(qiáng)的情況下，凸殼排水板的排水性能要優(yōu)于毛細(xì)排水板。

圖4 凸殼排水板的排水性能曲線

土工布的排水性能曲線如圖5所示。

圖5 土工布的排水性能曲線

圖5中，縱軸為排水板的排水流量，橫軸為排水時(shí)間，水流壓強(qiáng)分別設(shè)定為0.75 kPa、7.5 kPa、50 kPa和100 kPa。從圖5可以看出，隨著水流壓強(qiáng)的不斷增大，土工布的排水流量也不斷增加。在水流壓強(qiáng)為100 kPa的情況下，其排水流量一直保持在20cm3/s以上。而在水流壓強(qiáng)為0.75 kPa、7.5 kPa的情況下，其排水流量一直低于10cm3/s。從3種材料的對比結(jié)果可以看出，土工布的排水性能要明顯低于凸殼排水板和毛細(xì)排水板。

4 結(jié)論

滲漏水是公路隧道安全的最常見危害之一。為了有效地防御公路隧道的滲漏水，該文提出了一種復(fù)合排水方案。首先，對公路隧道滲漏水的常見形式進(jìn)行了分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示浸滲式滲漏、滴漏式滲漏、涌流式滲漏的占比較高。其次，設(shè)計(jì)了防排結(jié)合、以排水板為中樞的復(fù)合排水方案。在該文的設(shè)計(jì)方案中，排水板被嵌入初期支護(hù)和二次防水襯砌之間，并連通了縱向排水管道、橫向排水管道和中心排水溝。以毛細(xì)排水板、凸殼排水板以及土工布3種材料制作排水板，并進(jìn)行排水性能測試，結(jié)果顯示：凸殼排水板的排水性能最好，其次是毛細(xì)排水板。土工布的排水性能較差，但具有性價(jià)比優(yōu)勢。