高海拔寒區隧道防排水技術與措施研究

李鵬杰 LI Peng-jie；趙科研 ZHAO Ke-yan

（中交二公局第四工程有限公司，洛陽 471000）

0 引言

高海拔嚴寒地帶的防排水施工方法在中國成功經驗還很少，國外研究雖有所突破，但技術限制仍然嚴重。目前，中國在該方面還處在摸索時期，而已建設的少數高海拔嚴寒地帶的隧道，也普遍存在著嚴重的施工病害，其中天山二號隧道[1-3]最為典型。天山二號隧道在建成后沒有使用多久就停止使用其原因是由于施工單位在隧道防排水、防凍抗凍等方面的不良施工造成隧道結構保溫措施失效，襯砌大量結冰且反復循環凍融使得隧道襯砌結構開裂、路面溢水結凍終年不化，造成了嚴重的財產損失。我國在1994年以來，在氣候寒冷的地區，特別是高海拔高寒冷地區修建了70多座鐵路隧道。很多寒區隧道由于氣候和隧道防排水技術處理不當因而出現了大量襯砌漏水等病害[4-6]，1999的隧道資料統計顯示，我國5000余座隧道，有60%以上的隧道存在隧道襯砌結構[7-8]滲漏等情況，這種凍害不僅僅導致混凝土襯砌耐久性大幅度降低，且破壞了隧道內部設施的功能，導致隧道環境惡化。在寒冷地區，隧道襯砌結構表面大量漏水，地表結冰，頂部出現冰柱，導致隧道不能正常使用。

目前，現有的隧道傳統防水措施都是在國內現有的技術標準，以及國外成熟技術的基礎上建立的，在隧道設計施工標準中，盡管國家早已對各類隧道的傳統防水施工技術都作出了具體的規定，但仍有許多問題和缺陷，主要體現在以下兩個方面：①有一部分規范缺乏明確的防水等級劃分。目前規范對鐵路隧道的要求僅按照一般的地下工程防水準則，對隧道防水等級尚未作出確切規定；具體的隧道情況，如隧道的線路等級、隧道的面積或斷面、隧道的不同部位、隧道的長度、隧道的不同結構等，也缺乏相應的防水指標。②隧道防水施工、監理、驗收不規范。雖然隧道設計和施工規范中有明確的防水規定，但是很少有人對各種防水措施的經濟性以及效率進行深入研究，因此很多工程在這方面認識不足。在隧道竣工完成以后，質量管理部門同樣也缺乏有用的檢查方法和與之相對應的驗收標準，單從襯砌表面來看并沒有什么問題，按合格驗收，遠遠不能保證當隧道正式運營后是否會出現滲漏水現象。

隧道防凍害的基礎是防水，應盡量防止水靠近隧道的結構，尤其要防止水通過隧道防水內部構造。本文通過大量調研從寒冷地區隧道襯砌結構防排水的施工技術措施入手，為高海拔寒冷地區隧道防凍設計提供參考。

1 隧道襯砌結構滲漏水的主要因素

隧道滲漏水的原因[9]可分成人為因素和自然因素。

1.1 自然因素產生的影響

隧道襯砌結構發生滲漏水的一個客觀因素是隧道開挖對地下水的影響。由水力學原理可知，地下水流由高壓水位流向低壓水位，存在著固定的流動路線，隧道開挖后，在臨空面上會出現一個低壓區。這種低水壓區會改變隧道圍巖的地下水流路線和力學特性，使得隧道圍巖周圍的地下水流向隧道內部，從而造成隧道襯砌結構及下部滲漏水。隧道開挖影響區大小與地層的滲透系數、水位高低、水斷面大小等因素有關。此外，隧道開挖還受到大氣降水、周圍溶洞、泉水、水庫或河流、湖泊深度的影響。

1.2 人為因素產生的影響

①隧道防排水系統存在缺陷：1）由于隧道排水管道埋設深度不合理，排水溝的深度不夠導致被泥、砂、砂漿堵塞，泥漿不能正常排水；2）混凝土的施工縫、結構連接處、混凝土缺陷部位的防水設計、施工工藝和質量檢驗不嚴格。

②特殊地區（高海拔、高寒地區等）未使用特殊手段：1）混凝土襯砌由于經常受侵蝕性介質作用，表面出現起毛、蜂窩麻面等病害使得降低了混凝土材料強度，混凝土襯砌厚度變薄，導致隧道襯砌結構漏水日益嚴重；2）低溫使襯砌內部的積水結冰，造成襯砌混凝土凍脹開裂襯砌結構滲漏水。

③目前鐵路隧道施工規范還不完善，現有的規范無法指導鐵路隧道的防排水技術施工，只有籠統的要求，規范上的內容更多的是一些定性描述，很少有定量的指標，而且有很多涉及高海拔高寒區隧道的施工內容并沒有提到，有些施工標準的概念比較模糊，造成對防水質量要求認識的存在不同的理解，因此，不能夠有效地指導和約束施工單位及設計單位。

2 防水層施工技術措施

防水層的失效是高海拔寒區隧道襯砌結構凍害產生的重要因素之一。如果防水層在施工過程中接縫嚴密，在使用運營階段，防水層不被壓破，隧道圍巖背后的積水無論是否結冰，都不會穿過防水層而導致隧道襯砌結構產生滲漏、凍害。因此，保證防水層結構的完好不僅是寒區隧道防滲漏的關鍵，也是寒區隧道抗凍防凍的關鍵。

在工程施工當中，隧道襯砌混凝土接觸面的不光滑和隧道襯砌接觸面的法向和切向應力，在運行過程中容易造成防水層的損壞，從而使隧道在運行過程中發生滲漏[10-11]結冰。防水層在長期運營過程中損傷的主要原因是由于噴射混凝土表層不平滑。在隧道建設過程中為了保護防水層長期運營階段不受破壞，需要采取相應的工程措施：

①在鋪設防水層前，將噴射混凝土表面的螺栓端部剪斷并弄平，對射噴混凝土表面明顯凸起部分進行處理。

②噴射混凝土的過程中，噴射的工人須有足夠的經驗，加強噴射的水平，并增強對相關技術人員、監督管理人員的指導、管理和監督。

③噴射混凝土完工后，采用相應的表面抹平措施，即手工抹平和鐵鏟找平，雖然效果比其他的措施更加明顯，但施工起來較為麻煩而且費時又費力。

總的來說，主要原因是由于開挖控制不嚴格造成的噴射混凝土表面不平整。所以，隧道開挖的質量要嚴格把控，在此基礎上并對噴射混凝土的局部表面進行降糙處理。

①要對V級及以上的圍巖表面進行拋光處理。V級及以上圍巖在開挖后應力重分布過程中變形較大。因此，在這種情況下，噴射混凝土表面應仔細打磨，噴射混凝土表面應用砂漿打磨，從而減少混凝土表面的粗糙度。

②Ⅳ級圍巖環強化拋光。與V級及以上圍巖相比，Ⅳ級圍巖的變形相對較小。可考慮噴混凝土表面沿環方向用水泥砂漿進行加固，筋帶表面打磨。

③Ⅳ級以下隧道圍巖表層噴砂漿。即便在爆破效果相對良好的情況下，噴射混凝土的表面粗糙程度仍然很高，所以有必要將噴射混凝土進行表面降糙處理，使其表面光滑耐磨。一種簡單的降糙方法是在原有的噴射混凝土的表面基礎上再進行水泥砂漿的噴射，盡可能達到砂漿表面平整的效果。

以上闡述的防水層的施工方法，總的來看施工過程相對麻煩，而且費時費力，尚未形成一套完整的施工工藝[12]。密貼法的設計關鍵是將有黏結性的填充物質充填于澆注混凝土的凹凸不平的部分和防水鋼板內部，使防水板和隧道初期支護表面可以有效的連接在一起，然后在內部澆注襯砌混凝土，以此完成具有高度耐久性的防密貼構造，其細部結構如圖1所示。

圖1 密貼法結構圖

密貼法和傳統的隧道防水工法構造相較而言，不僅解決了噴射混凝土表面粗糙不平的問題[13-14]，而且讓二次襯砌混凝土厚度均一，從而解決了以往二襯混凝土厚度局部薄弱問題。與傳統的防水工法比較，密貼法的優點有以下幾條：

①提升了二襯保溫層的防水性：1）防水板被加工成1.5m寬的成品搬入隧道，大幅度減少了焊接工作；2）避免了由于錨桿頂部突出因而刮蹭到防水板從而造成防水板的破壞；3）避免了由于鋼筋組裝作業的過程中對防水材料的損壞。

②提高了二次襯砌混凝土的品質：1）二襯混凝土的厚度均勻；2）二襯與噴射混凝土兩者在空間上完全隔離；3）通過混凝土填充防水板的內側，消除了防水板局部脫空和空洞，形成與混凝土密貼的構造，封閉了地下水匯集的通道。

③降低了防水板的成本：1）防水層材料對于抗拉和抗剪的要求很低，因此防水層材料強度可以適當降低，但防水效果是充分的；2）降低了對噴射混凝土表面的粗糙部位的修補，大大減少了施工工序。

圖2 普通防水工法

④減輕了隧道周邊的作業環境負荷：1）用機械以及人力的方式對防水板進行敷設，大大降低了防水板的作業強度；2）施工過程中，可以復原隧道周邊的水位。

圖3 密貼法示意圖

密貼法在施工循環上與傳統鋪設防水板的方法沒有很明顯的區別。傳統防水板施工使用防水板臺車將防水板直接敷設在噴射混凝土的表面上，然后再模筑二襯混凝土；密貼法施工中，防水板臺車變成了加強的活動模板，先將防水板平鋪在防水板臺車上，隨后在防水板和噴射混凝土之間充填注漿材料，最后模筑二襯混凝土。

3 排水體系施工技術

3.1 無接頭止水帶安裝工藝

止水帶的無接縫施工方法不同于常規的止水帶施工方法。止水帶的施工溝按模筑襯砌仰拱的環形，施工縫的寬度提前留出。在布置止水帶前，把頂部的止水帶上的鋼筋固定在襯砌混凝土的模板上，并把止水帶的下部插入預留的施工孔內。將頂端的止水帶上的鋼筋直徑固定在模筑襯砌砼的模板上面，并將止水帶的最下端嵌入預留的施工孔內。在安放止水帶時，首先要將頂部的止水帶用鋼筋直徑卡在模筑襯砌砼的頂端模板上，而后再將止水帶的最下端卡入提前預留好的安裝槽中；然后，再用建筑防水混凝土固定插入在安裝槽中的止水帶；最后一步，再澆灌模筑的襯砌用混凝土。

3.2 止水帶施工工藝

用排水膠管防止施工縫隙滲漏的排水膠管，復合型橡膠止水帶是對圓形施工縫隙防滲“先排后堵”的一類新型止水帶，主要由翼緣、繞道子、止漿濾水帶和膠條等構造而成，以繞圈子和翼緣止水帶為基礎，將止漿濾水帶連接于翼緣上，與繞圈子構成了排水管道[15]。可排水的橡膠止水帶或內置式止水帶，通常設置于襯砌厚度的中部，以橫斷模筑襯砌環或施工縫。當部分滲水物在通過止漿濾水帶后，順著鋼筋和止水帶之間的空隙流淌后，就會遇到碰到粘貼在止水帶翼緣上的橡膠條的圍堵，從而使得滲水沿橫向流動的阻力增大，使止水帶的止水能力得到提高。

3.3 環向排水管

在防水涂料和模筑襯墻之間，設置了環向式排水系統。隧道的防排水措施要做到層層設防，層層排除。目前在工程上普遍被忽視的情況，是在防水涂料和模筑襯砌段間并沒有排水管道，而通過防水層的地下水又無法進入隧洞的內部排水。所以要在隧道圍巖滲水量較大的模筑襯砌段的中間、在防水涂料和模筑襯砌段間設置環向導流管，方法是用土工布制包有洞的φ<20的波紋導流管，然后再用專用膠水將其粘到防水涂料的表面上。

4 結論

①寒區隧道襯砌結構滲漏水的誘因分為自然因素和人為因素，其中人為因素是主要因素，主要體現在施工工藝不合格，對特殊環境沒有采用特殊處理從而使隧道襯砌結構產生凍害。②隧道防凍的關鍵是保證防水層完好。寒區隧道防水層施工方法有密貼法和普通防水工法，應根據實際工程狀況，擇優選取。③由于高海拔寒區隧道的特殊條件氣候，因此高寒地區隧道襯砌的防排水設計施工技術極為關鍵，一方面要以防大于排、截大于堵為基本原則構建完整的防水、排水系統，包括環向排水管等以及止水帶，確保隧道內部排水通暢。