復合式隧道防排水系統的設計與試驗

熊蕓浩

（四川鼎能路橋工程有限公司，四川 宜賓 644000）

0 引言

近年來，我國隧道工程越來越多，尤其交通工程涉及到的隧道工程飛速增長。隧道工程需要良好的日常維護才能確保安全運營。隧道出現滲水、漏水和淤泥堆積等現象會嚴重影響交通安全，車輛經過淤泥可能出現打滑等狀況，從而存在極大的安全隱患。這些問題主要是由于隧道的防排水系統老化、系統設計不合理等原因造成。因此，為保障隧道的正常運行，對其防排水系統進行改進和維護是必然的選擇和面臨的難題，也是眾多學者研究的重點。馬巖[1]等提出了基于模糊綜合評價法的公路隧道防排水系統評價體系，通過模糊評價的方法對隧道安全性進行評估，找出其存在的安全隱患，給出相應的措施和解決方案；馮升[2]等針對利萬高速公路齊岳山隧道，對其內部的防排水系統進行了優化處理，通過增加防水板和排水板，得到復合式系統，一定程度上加強了系統的防排水能力；張進[3]對富水環境下隧道地下水限量排放的襯砌外水進行了壓力分析，通過實際考察和工程試驗后發現，對防排水系統進行加固處理，能夠降低淤泥量，具有一定的可行性。根據以上研究，對傳統防排水系統進行改進，得到復合式防排水系統，通過該系統提升隧道防排水能力，為同領域的防排水研究提供數據參考和技術支持。

1 防排水系統試驗方案

1.1 設計方案

目前，較為常見的隧道防排水系統主要遵循防排堵截的原理進行設計，通過地質雷達法對山區隧道進行勘測，由此獲取隧道的內部構造和巖石等信息。其中，傳統隧道防排水系統主要由初期支護、無紡土工布、二次襯砌、環縱向盲管、防水板和重心排水溝等組成[4]。該系統的防排水流程為：防水措施中，利用地質雷達法對山區隧道進行勘測，獲取隧道地質信息；通過水泥注漿加強隧道防護，降低滲水量[5]；初步進行支架護理，通過防水板對滲水進行隔離，再進行二次襯砌；完成隧道防水。排水過程中，采集滲水后，將其輸入至排水管內，逐漸流出隧道外[6]。傳統的隧道防排水系統存在如盲管施工不規范、盲管堵塞、初期支護表面不平整、土工布分布不均等問題，導致隧道出現裂縫、內部結構變形，嚴重影響隧道的正常運行，為后期隧道維護帶來了嚴重的安全隱患[7]。基于此，在隧道防水板和二次襯砌間增加排水板，得到復合式防排水系統，如圖1。

圖1 復合式防排水系統示意圖

其中，排水板的縱向分布主要根據隧道內的實際情況進行設置，一般設置在2～5m范圍內，排水板鋪設與環向盲管大體相同，選擇在排水板外部邊緣加上土工布，以避免灌注水泥時堵塞排水管[8]。同時將其開槽深度設置為最低50mm，通過結構膠封閉開槽部位。設置維護接頭，將其與電纜溝連接和密封，由此得到整個排水系統[9]。

該系統可以在隧道出現滲漏水時，將滲透的水進行封堵，利用排水通道將其排出隧道。提升隧道日常維護水平，降低工程造價[10]。同時，當盲管中出現淤堵時，該系統采用高壓槍對淤堵進行沖洗，可降低管道淤堵概率，保障隧道安全。

1.2 試驗材料與設備

本次試驗材料選擇厚度為20mm，孔徑1mm的毛細型排水板；凸殼型排水板的厚度為110mm，凸殼高度和間距分別為10mm 和20mm；土工布厚度為40mm，規格為400g∕m2。

毛細型排水板是一種聚氯乙烯，主要分為單面和雙面的型號，通過材料表面張力、毛細現象、虹吸力和重力現象進行排水，具備抗淤堵和抗壓力強的優點，可避免土壤流失，加強排水，適用于邊坡、公路、隧道等工程的排水。凸殼型排水板是一種高密度的聚乙烯環保材料（HDPE），也可稱之為HDPE排水板，具備硬度大、抗壓和抗撕裂強度高等優點。土工布則為合成纖維，通常選擇編織或針刺制成的土工合成材料，可進行隔離、過濾、排水、防護，具備透水性好的優點，在公路路面、堤壩和隧道防護等工程中得到廣泛應用。

為驗證土工合成材料的排水性能，根據實際條件，將設計一個試驗裝置，分別為儲水箱、水壓、液壓和水量采集設備等，儲水箱大小為27cm×85cm×27cm，各零部件組成為高強度螺栓，在水箱內部設置4mm高度的橡膠墊，以確保水箱密封性能。水壓裝置承載力為10kPa。排水板尺寸 為50cm×25cm，支 護 壓 力 分 別 為20kPa、150kPa、250kPa、350kPa、500kPa；水壓力分別為0.75kPa、7.5kPa、50kPa、100kPa。

2 試驗結果

為驗證排水材料的應用效果，將在不同支護壓力下對三種排水材料進行排水能力測試，首先，記錄出水口排水量和時間，求出單位時間內流量，求解公式為：

式中：

Q——水流量；

Vn——n次采集水量；

tn，t′n——第n次采集開始和結束時間。

根據試驗工況，得到不同支護壓力下三種材料的性能。

由圖2可知，同等條件下，土工布的下降速度明顯高于排水板。當水壓從20kPa增加至500kPa時，土工布的排水流量從60cm3∕s降低至25cm3∕s；毛細型排水板的流量從1130cm3∕s降低至760cm3∕s；凸殼型排水板從337cm3∕s降低至308cm3∕s。在100kPa水壓下，三種排水材料的排水性能分別降低了75%、32.74%和8.6%。綜合分析可知，土工布的排水性能受水壓的影響最大，凸殼型排水板受水壓影響最小。由此可知該排水板可以取得較好的排水效果，可取代傳統排水板進行排水，可在隧道排水系統中進行應用。

圖2 不同支護壓力下流量

3 結束語

綜上所述，設計的復合式隧道防排水系統具備可行性和有效性，通過在防水板與二次襯砌間增加排水板后，能夠增強排水能力。實驗發現，在不同支護壓力下，設計的復合排水板的排水效果明顯優于土工布，排水性能比土工布高，排水效果顯著。實踐證明，復合式隧道防排水系統適用于隧道防排水工程，對同領域防排水研究具有一定的參考意義。