發布時間：2018-09-01所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:鐵路隧道防排水設計與施工一直困擾著鐵路隧道建設者，完善的防排水理論設計在當前的施工技術條件下難以實現，致使一些地下水發育的隧道仍存在不同程度的滲漏水。結合設計、現場施工及運營后滲漏水病害整治，針對圍巖防水、初期支護防水、仰拱防排水、施
摘要:鐵路隧道防排水設計與施工一直困擾著鐵路隧道建設者，完善的防排水理論設計在當前的施工技術條件下難以實現，致使一些地下水發育的隧道仍存在不同程度的滲漏水。結合設計、現場施工及運營后滲漏水病害整治，針對圍巖防水、初期支護防水、仰拱防排水、施工縫防排水、排水板的設計與施工、無砟道床隆起原因等進行分析，提出取消襯砌背后環縱向盲管外裹無紡布、排水板可采取釘射或自粘的施工工藝、加強無砟道床仰拱防排水及帶模注漿等防排水優化設計措施。
關鍵詞:鐵路隧道;防排水;圍巖注漿;排水板;無砟道床隆起;帶模注漿;給排水中級職稱論文
近些年，我國鐵路建設發展迅速，鐵路隧道建設水平也得到極大的提高，但是鐵路隧道的防排水的設計及施工依舊是目前鐵路隧道建設的瓶頸。鐵路隧道防排水設計與施工存在問題后，會導致以下問題危及行車安全:第一，嚴重影響軌道電路，干擾行車信號系統的正常使用;第二，導致電氣化鐵路接觸網故障，跳閘斷電;第三，寒冷地區會導致道床結冰，襯砌凍脹開裂[1];第四，地下水發育地段會導致仰拱隆起，無砟道床開裂、軌道變形。
另外根據建設部監理司對全國建筑滲漏水原因的調查結論，由材料、設計、施工和維護導致滲漏水原因分別占20%、26%、48%和6%，由設計和施工導致的原因占到74%[2]，在當下鐵路隧道防排水材料由業主統一供應、且鐵路隧道防排水是在一個相對封閉、狹小空間施工的背景下，鐵路隧道滲漏水病害由設計和施工導致的原因將達90%以上。鐵路隧道防排水設計和施工到底哪里存在著盲區和瑕疵，為什么剛開通運營的隧道會出現施工縫滲漏水、巖溶隧道仰拱隆起、環縱向盲管淤堵、施工縫附近二襯厚度嚴重不足、無砟軌道道床板與仰拱填充之間脫縫、拍打等問題，本文就以上問題展開論述，以期業內同行共同研究，解決鐵路隧道防排水之難題。
1圍巖防排水
關于圍巖防排水現行規范中有所提及，但是真正將圍巖防排水納入隧道防排水設計體系并不多見，目前所設計的超前帷幕注漿、開挖后徑向注漿、地表注漿加固，其目的多為確保施工安全，個別工點是因為隧道涌水導致地表飲用水源干涸而被動注漿堵水。根據日本青函隧道的注漿試驗，當注漿材料的充填飽和率達到0.8～0.9時，圍巖的滲透系數可降低10～100倍，圍巖滲透的滲透系數降低到10-6cm/s，基本上可以認為巖體不透水，地下水也基本不會對隧道結構產生水壓[3]。說明圍巖注漿是可以從源頭上減少大量地下水進入隧道內，是隧道防排水體系中一個非常重要的環節，目前受施工進度、注漿工藝、施工質量難以控制、注漿數量無法準確計算等外部因素制約，圍巖注漿堵水作為常規的防排水設計推進緩慢。
1.1圍巖注漿堵水
圍巖注漿堵水可分為超前注漿堵水和開挖后注漿堵水，超前注漿堵水防水主要有超前全斷面帷幕注漿和超前局部注漿，開挖后注漿主要有全斷面徑向注漿和局部注漿，根據宜萬鐵路及其他鐵路項目注漿堵水經驗，可按表1選擇注漿堵水的方式[4]。
為了降低圍巖的滲透系數，確保施工安全并保護環境，注漿加固圈厚度的計算根據注漿目的不同選用不同的計算方法，一般來講以控制隧道出水量為主要目的，采用滲透理論進行計算;以保護巖壁穩定為主要目的，采用厚壁圓筒理論進行計算。根據以往注漿加固堵水經驗，一般情況下注漿加固圈的厚度為3～8m。
常用的注漿材料主要有普通水泥單液漿(簡稱C漿)、普通水泥-水玻璃雙液漿(簡稱C-S漿)、超細水泥單液漿(簡稱MC漿)、超細水泥-水玻璃雙液漿(簡稱MC-S漿)，另外還有一些以水泥基為基礎的特殊漿液。一般情況，充填注漿宜采用C漿或C-S漿，劈裂及擠密注漿宜采用MC漿或MC-S漿。+
1.2圍巖排水
在一些地下水發育且地下水的引排不會對地表造成環境影響的山嶺隧道內，或者是一些地下水對大斷面隧道開挖可能造成較大地質災害的地段，通常會采用泄水洞、平導等輔助坑道的方式提前引排地下水，以達到確保施工安全及避免運營期間水害的目的。另外在一些既有線水害治理方案中，通常會采用打孔排水泄壓、增設泄水洞排水泄壓，或利用平導或泄水洞的空間往正洞施作集水鉆孔等方案，達到引排地下水的目的。隧道周邊圍巖的排水措施也是防止隧道發生水害的一項重要措施，但應注意排水不能引起環境災害，且排水應堅持“排清留固”的原則[5]，不得將巖體內的固體顆粒物排出。
2初期支護防水
噴射混凝土及其與鋼筋網、錨桿、鋼架組成的初期支護作為隧道的一道防水層是被業內許多專家學者所認可的[6]，根據港珠澳大橋珠海連接線拱北隧道建設關鍵技術與應用研究課題成果表明，初期支護背后水壓力和襯砌安全系數隨初期支護厚度增加不斷增大，二次襯砌背后水壓和滲流量隨初期支護厚度增加不斷減小。初期支護背后水壓和二次襯砌安全系數隨初期支護滲透系數的增加不斷減小，二次襯砌背后水壓和滲流量隨初期支護滲透系數的增加不斷增大[7]。另外地下水主要是通過圍巖節理裂隙滲流，而作為噴射混凝土主要功能之一就是及時封閉節理裂隙，保障巖體的整體穩定性的同時，減小了地下水的排出。因而噴射混凝土等組成的初期支護在鐵路隧道防排水體系中起著舉足輕重的作用。
然而在濕噴技術已普遍推廣的情況下，噴射混凝土仍存在以下質量問題:首先，密實度低，強度低，滲透性強;其次，架設鋼架地段，現場施工多數都不進行初噴，而是在架立鋼架后直接一次性噴射，導致初期支護與圍巖不密貼，存在較大的空隙;再次，工字鋼及H型鋼鋼架內緣由于工藝原因很難噴密實，導致初期噴混凝土不連續。由于存在以上缺陷，大大降低了初期支護作為一道防水功能的作用，建議在今后的施工和設計中注意以下幾點:第一，嚴格控制噴漿料的水灰比，減水劑、速凝劑等外加劑的摻量，同時堅持采用高壓機械手噴漿;第二，型鋼鋼架支護地段，從設計上應將初期支護背后填充壓漿作為一道工序納入設計;第三，初期支護盡可能采用格柵鋼架或“T”型鋼[8]。
3初期支護與二襯間的防排水
初期支護與二襯間的防排水主要指環、縱向盲管的排水、無紡布的緩沖及地下水的運移、防水卷材的防水，也是通常意義上防排水的第一道措施，同時也是整個隧道防排水體系中最為重要的環節。
3.1無紡布的功能及作用
無紡布鋪設于初期支護與防水板之間，其主要功能有:第一作為防水鋪設緩沖層，避免由于噴射混凝土不平整，局部凸出部分刺破防水板;第二作為過濾層，防止初期支護背后巖體內固體顆粒物隨地下水流出;第三，作為地下水的運移通道，負責將地下水匯集到環、縱向盲管的排水系統內。從運營后的實際效果分析，無紡布作為地下水運移通道的功能基本上沒有發揮。
3.2環、縱向盲管排水
環、縱向盲管是鋪設于初期支護與無紡布之間的排水系統，負責將通過初期支護噴射混凝土、無紡布的地下水及時引排至隧道內側溝或中心水溝。但是根據近幾年眾多發生水害隧道的調查，發生施工縫滲漏水、甚至局部射水、仰拱隆起地段，附近及周邊環、縱向盲管出水口并不出水，然而在邊墻部位重新施作排水泄壓孔后，襯砌背后的地下水呈射流狀流出。導致環縱向盲管排水不暢的原因有:第一，目前規范要求環縱向盲管都外裹了一層無紡布，就像衛生間的地漏濾網一樣，極易發生淤堵，且發生淤堵后無法處理;第二，無紡布喪失地下水運移的功能，不能將其他區域的地下水引流至環、縱向盲管內;第三，由于材料原因，環、縱向盲管環剛度不夠，在二襯混凝土施工過程中被壓縮;第四，由于施工原因造成環、縱向盲管堵塞，排水不暢。為了防止環、縱向盲管排水不暢而導致各種水害，應注意以下幾點:除集中出水點設置的環向盲管外，其余環向盲管布設于無紡布與防水板之間;取消環、縱向盲管外裹之無紡布;環、縱向盲管采用內壁光滑的雙臂波紋管，加大環、縱向盲管引入側溝的弧度和坡度;加強防排水施工工藝管理，尤其是邊墻腳防水板與縱、環向盲管的定位，具體可參照圖1。
3.3防水板
鋪設于無紡布與二襯之間的防水板，不僅直接將地下水阻隔于二襯結構之外，同時起到將地下水歸集于環、縱向盲管的排水系統內，防水板的廣泛應用極大地緩解了我國之前“十隧九漏”的狀況。防水板采用的厚度隨認識的提高而逐步加厚，從開始0.8、1.0、1.2mm，到目前的1.5mm[9]，隨著防水板厚度的增加，其質量也不斷增加，但是其鋪設工藝并未相應提高，且《鐵路隧道施工技術指南》中要求防水板宜從上往下鋪設，目前現場防水板的鋪設普遍存在松弛度不夠、熱熔對焊點間距過大的問題。二襯混凝土在從下往上澆灌過程中極易將頂部防水板拉脫，造成二襯厚度嚴重不足，并在防水板后留下較大空洞，給運營埋下巨大的安全隱患，圖2為西南地區某隧道由于上述原因而導致襯砌厚度不足10cm，襯砌背后空洞水壓過大將襯砌壓潰。為了進一步加強防水板在整個防排水體系中的作用，防水板的鋪設建議從下往上采用專用臺車進行鋪設，保證防水板松弛度≥1.2、熱熔固定點的間距拱部≤0.5m、邊墻≤0.8m;另外應盡量采用寬幅防水板(≥7m)，減少防水板的搭接焊縫。圖2防水板脫落導致二襯厚度嚴重不足
3.4排水板
鐵路隧道除全封堵襯砌外，其滲漏水主要因為通過初期支護滲流進來的水不能及時引排，進而通過防水板、施工縫的薄弱部位滲漏。2015年5月頒布實施的《鐵路隧道排水板》，是一種具有立體排水結構的防水板，以50mm環向盲管縱向間距10m為例，10m范圍內凸殼式排水板的排水能力約為環向盲管的30倍;同時排水板能夠很好地起到地下水運移的功能，尤其是在暴雨季節達到“局部涌水整體引排”的功能，避免暴雨季節由于局部排水能力不足導致襯砌背后瞬時水壓上升，二襯開裂、錯臺;另外排水板可直接應用于施工縫，改變了傳統施工縫防水的設計理念，由“全防”優化為“外排內防”，極大地降低了施工縫滲漏水的風險[10]。目前囿于防水板必須采用無釘鋪設的思維下，排水板的施工也不能采用釘射，極大限制了排水板的推廣，筆者在成昆線某隧道平導滲漏水極為嚴重的地段，采用普通鋼釘釘射的方式鋪設排水板，經過一個季度的觀察，并未發現滲漏水。地下水是往負壓區流動，采用尾部帶有橡膠止水措施的釘子釘射是傳統環向盲管排水能力30倍的排水板，導致排水板滲漏的機率可以忽略。當然除去成本考慮外，最好采用自粘式排水板，使得排水板和無紡布有效粘結在一起。
4二襯結構防排水
二襯結構根據是否排水可分為全封閉襯砌和排水型襯砌[11]，全封閉襯砌考慮環境保護或瓦斯氣密性要求，襯砌背后不設置環、縱向排水盲管或環、縱向盲管不引入隧道內，同時邊墻不設置泄水孔，全封閉襯砌一般情況下要求地下水壓小于0.3MPa，山嶺隧道中應用較少，不多贅述。排水型襯砌的防排水主要有二襯結構自防水，二襯拱墻、仰拱環向施工縫防水，矮邊墻縱向施工縫防水、溝槽施工縫防水，邊墻泄水孔的引排，側溝水往中心水溝引排，仰拱填充面上積水引排等內容。
4.1結構自防水
目前鐵路隧道二襯結構普遍采用了高性能混凝土，設計要求強度等級不低于C30混凝土、抗滲等級不低于P8[12]。然而仍有許多隧道在運營后二襯出現濕漬、面滲、裂縫滲水等水害，主要原因有:工人施工振搗棒振搗不充分不認真、襯砌臺車面板附著式振搗器數量不足，導致二襯混凝土振搗不充分;二襯端模漏漿[13];二襯澆筑過程中因供料不連續出現冷縫;二襯脫模過早出現變形裂縫等。
4.2施工縫防水
隧道二襯結構里面的施工縫有1縱4環，分別為矮邊墻縱向施工縫、仰拱環向施工縫、拱墻環向施工縫、仰拱填充施工縫、兩側溝槽環向施工縫。其中4個環向施工縫要求在變形縫位置必須同縫，這是業內的共識，但是除此之外這些環向施工縫是應該在同一位置還是要錯開，業內一直沒有統一的說法。筆者認為拱墻、仰拱環向施工縫應同縫布置，而仰拱填充施工縫和溝槽施工縫應錯開拱墻仰拱施工縫布置，這樣可以不增加任何工程代價而延長了地下水沿施工縫的滲流路徑。
關于施工縫的防水措施，各種規范都給出了較為常用的措施，結合現場施工工藝和防水效果，建議采用如下措施。
(1)拱墻、仰拱環向施工縫采用排水板(外貼式橡膠止水帶)+中埋式鋼邊橡膠止水帶，首先選用中埋式鋼邊橡膠止水帶有利于止水帶的定位，另外鋼邊止水帶相對于橡膠止水帶與混凝土粘結性要好;其次排水板能夠及時有效地將地下水引排至底部縱向盲管或泄水孔內，如果本身襯砌采用了排水板，則施工縫可采用外貼止水帶，以實現二襯結構的分區防水。
(2)縱向施工縫采用中埋式鋼邊橡膠止水帶+遇水膨脹止水條，且不得采用外貼止水帶，因外貼止水帶會嚴重影響通過防水板瑕疵處滲漏的地下水流入邊墻底部泄水孔內。
(3)兩側溝槽及仰拱填充施工縫宜采用遇水膨脹止水條或水泥基滲透結晶型防水涂料。
(4)環向中埋式止水帶宜采用鋼邊橡膠止水帶，方便現場固定，同時采用夾板式鋼端模固定[14]，且鋼端模應根據不同的二襯厚度定制不同的端模，否則中埋式止水帶就不能準確定位，且遇到襯砌較厚處端模仍需采用木板等進行堵頭，施工質量難以保障。
4.5仰拱防排水建議
隧道內的滲漏水通常指拱墻范圍的滲漏，但隨著高鐵的快速建設和無砟道床的廣泛應用，隧道仰拱的水害對鐵路隧道安全運營的影響更大，仰拱部分的水害將直接導致仰拱隆起、無砟道床板開裂、鋼軌變形等。很多項目尚未開通運營就發現仰拱隆起，還有些項目在開通的第二天就因仰拱隆起導致全線停運。另外施工現場很多單位將仰拱分兩次施作，第二次的找平層一次施作較長且新舊混凝土之間的鑿毛連接處理不好，導致在兩者之間存在囊狀水，在列車的反復作用下引起無砟道床上鼓。但目前除了仰拱施工縫的防水設計外，針對仰拱的防排水設計幾乎為空白[15]，采用無砟道床的隧道，設計文件中應明確嚴禁將仰拱填充分層施作，同時仰拱必須有完善的防排水設計，建議以下3種方案。
方案1:借鑒拱墻范圍的防排水措施，于仰拱底部設置環向盲管(引入兩側側溝)+無紡布+防水板的防排水系統。其中環向盲管的環剛度應根據實際情況加強，防止仰拱及仰拱填充施工過程中壓扁環向盲管。
方案2:于仰拱底部鋪設一層排水板，排水板將地下水引排至邊墻縱向盲管上方5～8cm處，再通過縱向盲管引排至側溝內。
方案3:于仰拱底部預留排水盲管，并通過排水盲管將地下水引排至中心水溝。
5結論
除全封堵襯砌外，無論設計原則是“以排為主”還是“以堵為主，限量排放”，通過初期支護滲入的地下水都應迅速引排至排水系統內，“以堵為主”是針對圍巖和初期支護系統而言。隧道防排水從設計到施工都是一個系統工程，應不斷根據更新設計理念，尤其在大規模修建鐵路的當下，堅持設計效果評判、摒棄照搬規范，同時施工應從思想上高度重視、施工中精細化。本文結合多個項目的設計、配合施工及運營后的病害整治，提出以下主要觀點，以期業內同行探討進步，不斷提高我國隧道建設水平。
(1)將圍巖注漿堵水作為富水地段防排水施工的一道工序納入設計。
(2)初期采用鋼架支護地段，初期支護背后注漿作為一道工序納入設計。
(3)環、縱向盲管布設于無紡布與防水板之間，同時取消外裹之無紡布。
(4)地下水發育地段應采用排水板替代防水板，達到暴雨季節“局部涌水，整體引排”功能。
(5)縱向施工縫不得采用外貼止水帶作為防水措施。
(6)拱頂回填帶模注漿宜采用“無痕注漿”的方式。
(7)注重無砟道床仰拱的防排水設計。
SCISSCIAHCI
