黃土大斷面隧道中防排水設(shè)計(jì)施工優(yōu)化研究

摘要 黃土作為一種特殊類型的巖土材料，在工程中具有重要意義。隨著我國交通事業(yè)的發(fā)展，黃土隧道的數(shù)量和規(guī)模正在顯著增加，對(duì)黃土隧道的防水和排水技術(shù)的研究也日益深入。文章以白鹿原隧道工程為背景，通過優(yōu)化滲井和縱向排水管設(shè)計(jì)，解決了施工過程中的積水和排水不暢等問題，取得了顯著效果，為類似工程提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞 黃土隧道；防水；排水；滲井；縱向排水管；施工優(yōu)化

中圖分類號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）22-0153-04

0 引言

位于我國黃河上中游的黃土高原，是全球黃土分布最廣的地區(qū)之一，也是世界上最大的黃土高原[1]。該地區(qū)涵蓋陜西北部、內(nèi)蒙古東北部、山西西北部、甘肅中部及南部地區(qū)，其邊界從陰山向南延伸至秦嶺，西至日月山，東到太行山，包括青海、寧夏、甘肅、陜西、山西和河南六省，總面積約64萬平方公里，占國土面積的6.3%。黃土的物理力學(xué)性質(zhì)受含水量和飽和度影響，研究其工程特性至關(guān)重要。隨著我國國道主干線“五縱七橫”的規(guī)劃實(shí)施和西部地區(qū)開發(fā)的推進(jìn)，預(yù)計(jì)會(huì)有更多的公路和鐵路穿過黃土區(qū)域。因此，黃土地區(qū)的公路隧道數(shù)量和規(guī)模都將顯著增加，對(duì)黃土及其隧道的研究也將進(jìn)一步深化[2]。

黃土在我國西北地區(qū)分布廣泛，其顯著特性包括大的孔隙、垂直的節(jié)理和管狀的孔道，當(dāng)其天然含水量較高時(shí)，它的強(qiáng)度也相對(duì)較高，能夠支撐一個(gè)很高的垂直邊坡[3]。然而，當(dāng)它遇到水時(shí)，土壤顆粒會(huì)發(fā)生崩解，這也導(dǎo)致它具有很強(qiáng)的濕陷特性[4]。這種獨(dú)特的工程特性受到工程和學(xué)術(shù)界的關(guān)注[5-6]。隨著我國經(jīng)濟(jì)和交通的發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目如鐵路、公路和水利設(shè)施在干旱或半干旱的黃土高原地區(qū)建設(shè)增多。西部地區(qū)高級(jí)公路建設(shè)起步較晚，導(dǎo)致黃土隧道的設(shè)計(jì)、施工和防排水技術(shù)研究相對(duì)落后。隨著鐵路客運(yùn)專線和西北地區(qū)高速公路的建設(shè)，黃土隧道數(shù)量逐漸增加，其安全問題變得尤為重要[7]。因此，需要深入研究隧道的防水和排水技術(shù)。

該文以白鹿原隧道工程作為研究背景，通過優(yōu)化白鹿原隧道的滲井和縱向排水管設(shè)計(jì)，成功地解決了施工過程中的積水和排水不暢等質(zhì)量問題，從而顯著地預(yù)防了可能導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好的效果。這種做法不僅顯著提升了施工效率，還確保了工程的安全性和質(zhì)量，同時(shí)也帶來了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，為未來類似的施工場(chǎng)景提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

白鹿原隧道坐落在西安外環(huán)高速公路的南端，總長度為2 772 m（完整尺寸）。該線路的右側(cè)長度為2 819 m，其最大的埋藏深度達(dá)到135 m；中間為一大型溶洞及斷層破碎帶，地質(zhì)情況復(fù)雜。左側(cè)線路的長度為2 820 m。該隧道的測(cè)量里程YK56+755～YK59+574和ZK56+755～ZK59+480都穿越了山體，是一個(gè)曲線形的長隧道。隧道入口的左右兩條線之間的最小距離為37 m，而出口的左右兩條線之間的最小距離為34.3 m。通過對(duì)該工程地質(zhì)情況及施工條件進(jìn)行分析研究，確定了合理的設(shè)計(jì)方案，并在此基礎(chǔ)上編制了詳細(xì)的設(shè)計(jì)文件。該隧道的開挖寬度為18.7 m，高度達(dá)到12.7 m，并且開挖的截面積超出了192.3 m2，這使其成為國內(nèi)開挖截面積最廣的三車道黃土隧道。

1.2 主要河流

項(xiàng)目區(qū)主要河流為浐河，屬黃河水系的渭河流域，長66.4 km，主河道比降9.9‰，流域面積752.8 km2。渭河流域各級(jí)直流河在上游的基巖山區(qū)，河道下切侵蝕作用強(qiáng)，河道狹窄，比降較大，徑流較短。

由于氣候條件和秦嶺的地形特點(diǎn)，該區(qū)域的河流表現(xiàn)出劇烈的漲落，尤其在夏季和秋季，降雨量相對(duì)較大，河水流量也相對(duì)較大。當(dāng)遭遇暴雨或連續(xù)降雨時(shí)，河水會(huì)迅速上升，降雨結(jié)束后，河水則迅速下降。在此過程中，河道內(nèi)產(chǎn)生大量泥沙沉積，形成了河床淤積區(qū)。在雨季，河流的水位與枯水季的水位存在明顯差異。

1.3 地表水

白鹿塬隧址區(qū)洞身段位于鯨魚溝上游下部，溝內(nèi)常年有水，溝谷底部地下水埋深較淺，約4.5～6 m。

1.4 地下水

隧址區(qū)的地下水主要由孔隙裂隙水構(gòu)成，主要依賴降水和地表水的補(bǔ)給。當(dāng)降雨量較大時(shí)，由于匯水面積大的特性，將導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)水流湍急，沖刷破壞嚴(yán)重，成為地下水的主要補(bǔ)給源，增加地下水的儲(chǔ)量。通過鉆探及物探手段查明了隧道內(nèi)巖溶的發(fā)育情況，并進(jìn)行了初步評(píng)價(jià)。通過鉆孔觀察，發(fā)現(xiàn)地下水位的埋深普遍高于洞室。結(jié)合地層巖性、地形地貌和地質(zhì)構(gòu)造條件的綜合分析，判斷該隧址區(qū)的地下水資源總體上豐富，并且在該區(qū)段的洞室開挖過程中已經(jīng)發(fā)生坍塌，因此應(yīng)當(dāng)給予高度重視；通過水文地質(zhì)調(diào)查及室內(nèi)試驗(yàn)研究，查明了區(qū)內(nèi)基巖巖溶的發(fā)育規(guī)律，為隧道施工提供了依據(jù)。通過對(duì)沿線地下水樣本進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)地下水對(duì)鋼筋和混凝土具有輕微的腐蝕性。

2 原設(shè)計(jì)隧道滲井和縱向排水管設(shè)計(jì)

2.1 原設(shè)計(jì)概況

白鹿原隧道原設(shè)計(jì)滲井位于排水溝中心，滲井排水示意圖見圖1所示。排水井每15 m一處，采用φ150PVC管，管內(nèi)填充3～5 cm碎石，打設(shè)深度為2.5 m，管口位置與中心水溝溝底齊平；縱向排石管位于隧道初支兩側(cè)，采用防水板反包，上部回填2～3 cm碎石，縱向排水管反包示意圖見圖2所示。

2.2 原設(shè)計(jì)存在的問題

經(jīng)過深入調(diào)查和研究，該文對(duì)黃土隧道的水文地質(zhì)狀況及其病害特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。當(dāng)隧道穿越黃土地層時(shí)，會(huì)破壞原有地層的水系平衡狀態(tài)，導(dǎo)致水分逐步向隧道圍巖聚集，從而使圍巖土體的含水率增加，呈現(xiàn)軟塑狀態(tài)，其強(qiáng)度和自穩(wěn)能力急劇減弱，隧道初支承受的土壓力和水壓力也隨之顯著增加。隧道洞的地形相對(duì)平坦，地表水不能通過溝道排出。因此，在雨季，降水主要通過土壤的孔隙進(jìn)行下滲，會(huì)導(dǎo)致短暫的孔隙水或含水現(xiàn)象，從而在洞體內(nèi)形成線狀滴水。

在進(jìn)行隧道建設(shè)時(shí)，由于二襯施工階段圍巖的變形并未完全釋放出來，將導(dǎo)致二襯過早地參與受力過程，一旦超出襯砌結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)裂縫。為了保證工程安全，需要對(duì)仰拱進(jìn)行加固處理，以提高其抗剪能力。隧道的仰拱施工可能會(huì)對(duì)地基土壤造成某種程度的擾動(dòng)，再加上滲水造成的土壤強(qiáng)度下降，都會(huì)導(dǎo)致拱腳和仰拱地基的承載能力急速減弱，最后可能引發(fā)仰拱的過度沉降和結(jié)構(gòu)性裂縫。

通過對(duì)病害原因進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)黃土隧道圍巖水文地質(zhì)條件的變化是導(dǎo)致二襯和底板開裂的關(guān)鍵因素。因此，在隧道建設(shè)過程中，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和測(cè)量，并采用滲井降水技術(shù)降低仰拱水位，以確保隧道工程的結(jié)構(gòu)安全性。

滲井采用PVC管打設(shè)的安裝位置位于中心水溝溝底，中心水溝流水將先從PVC管下滲至仰拱地貌。由于黃土隧道遇水容易造成仰拱底部泥化，因此時(shí)間久了，將會(huì)導(dǎo)致施工完成的仰拱初支和回填出現(xiàn)病害。

縱向排水管是采用φ160HDPE上半斷面打孔的雙臂波紋管，圓管施工在澆筑混凝土?xí)r會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，引起上半斷面孔眼向下或傾斜，造成初支表面滲水不能及時(shí)排除而引排至中心水溝，容易造成二襯表面滲水。

3 優(yōu)化措施

3.1 滲井

通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，該施工將φ150PVC管長度增加65 cm，長度變?yōu)?.15 m，距離中心水溝蓋板10 cm預(yù)留出水口，優(yōu)化后的排水示意圖見圖3所示，這樣水溝水量小的時(shí)候不會(huì)先滲入仰拱底部。仰拱底部有水且水壓達(dá)到一定程度后，將從管內(nèi)自動(dòng)溢出，確保了仰拱底部的施工質(zhì)量。

3.2 縱向排水管

通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)縱向排水管增加了與二襯同標(biāo)號(hào)的水泥砂漿縱向排水管基座，其現(xiàn)場(chǎng)圖見圖4所示。縱向排水管安裝固定是確保防排水的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)，縱向排水管基座的設(shè)置可以有效、快速地解決排水管的定位、安裝、固定等問題，提高了隧道縱向排水管的施工質(zhì)量，同時(shí)保證了縱向排水管的縱坡及線形。鑒于縱向排水管質(zhì)量及排水考慮，發(fā)明了一種輸水管線固定裝置（申請(qǐng)?zhí)枺?01922818595）。

縱向排水管固定裝置施工工序圖見圖5所示，具體施工步驟如下：

（1）基座底面清理。

（2）測(cè)量放線。

（3）基座模板安裝。

（4）基座水泥砂漿砌筑。

（5）排水管安裝。

4 結(jié)束語

綜上所述，隧道的防排水設(shè)計(jì)質(zhì)量與其完工后的實(shí)際應(yīng)用有著緊密聯(lián)系，因此在隧道工程項(xiàng)目的施工階段，優(yōu)化防排水設(shè)計(jì)至關(guān)重要。只有在保證隧道工程質(zhì)量的同時(shí)，才能提高其經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益。特別是在水資源豐富的環(huán)境中進(jìn)行隧道工程施工時(shí)，防排水設(shè)計(jì)的重要性不容忽視。該文結(jié)合白龍港高速公路某特長公路隧道工程實(shí)例，詳細(xì)介紹了該隧道在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行防水處理時(shí)采取的措施及效果，通過優(yōu)化白鹿原隧道的滲井和縱向排水管設(shè)計(jì)，成功地解決了施工過程中的積水和排水不暢等質(zhì)量問題，從而避免了可能導(dǎo)致嚴(yán)重安全事故的風(fēng)險(xiǎn)，取得了顯著效果，并為相關(guān)工程施工提供了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]喻渝，齊春，楊建民，等.黃土隧道修建技術(shù)進(jìn)展與展望[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2024（2）：80-89.

[2]孫長海.公路黃土隧道的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2011.

[3]封鑫.飽和老黃土地區(qū)盾構(gòu)隧道地層擾動(dòng)規(guī)律研究[J].施工技術(shù)（中英文），2024（9）：59-62+68.

[4]康佐，魏琪.西安飽和軟黃土隧道變形控制及其適用性[J].城市軌道交通研究，2023（9）：40-45.

[5]羅斌.濕陷性黃土隧道加固技術(shù)研究[J].山東交通科技，2023（6）：123-126.

[6]楊國良.濕陷性淺埋黃土隧道質(zhì)量控制措施[J]. 中國公路，2023（24）：96-98.

[7]邢慶龍.公路黃土隧道的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2024（6）：50-52.