高速铁路客运专线隧道防排水设计

张慧玲

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

高速铁路客运专线隧道防排水设计

张慧玲

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

结合武广铁路客运专线的建设,对高速铁路客运专线隧道防排水设计、施工进行了分析和总结,针对建设过程中出现的问题,提出对今后高速铁路隧道防排水设计及施工需要完善和改进的建议,主要有初期支护喷混凝土防水、施工缝止水带形式的合理选用、封堵拱顶预埋注浆孔注意事项、无砟轨道基础与侧沟壁之间积水引排措施、隧道基底位置地下水引排措施、洞外排水系统设计的完善和改进措施。

武广铁路客运专线;隧道;防排水;设计

根据 2008年国家批复的《中长期铁路网规划(2008年调整)》和最新铁路规划,我国在建铁路隧道2 500多座,长度超过4500 km,已规划设计、即将开工建设的铁路隧道超过 5000座,总长超过9 000 km。随着我国高速客运专线铁路建设高潮的到来,高速铁路不仅仅在平原、沿海地带建设,也开始在复杂地质情况的山岭地区建设,隧道工程在其土建工程中所占比例也越来越大,而隧道防水问题一直是困扰铁路建设的难题。高速铁路对隧道防水要求非常严格,遵循“防、排、截、堵相结合,因地制宜,综合治理”的原则,防水等级为《地下工程防水技术规范》(GB50108—2001)规定的一级防水标准。为此,在武广铁路客运专线设计阶段,对隧道结构自防水、施工缝和变形缝防水以及排水措施等进行了探讨,并应用到了实践当中,本文对武广铁路客运专线韶花段暗挖段隧道防排水设计及施工情况进行了分析和总结,并提出了需要进一步完善和改进建议,为今后更好地建设高速客运专线隧道打好基础。

1 防排水标准及设计原则

高速铁路隧道防排水遵循“防、排、截、堵相结合,因地制宜,综合治理”的原则。为了保证高速铁路安全运行和设备正常运转,根据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》(TZ214—2005)和《客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准》(铁建设[2005]160号),隧道衬砌和设备洞室衬砌的防水等级应达到《地下工程防水技术规范》(GB50108—2001)规定的一级防水标准,即二次衬砌不允许渗水、二次衬砌表面无湿渍。

2 防水工程措施

隧道防水工程措施包括围岩注浆堵水、初支喷混凝土防水、防水层防水、两缝防水、二衬自防水、拱顶回填注浆防水等。

2.1 注浆堵水

注浆堵水主要适用于大的富水断层破碎带、地下水发育可能引起大量地下水流失的隧道段落,本文对该部分内容不做详细说明。

2.2 初支喷混凝土防水

喷混凝土作为防水层是被国际隧协所提倡的,但这种观点在国内尚未被广泛接受。武广铁路客运专线韶花段隧道在设计阶段虽然对喷混凝土材料及施工工艺有要求,但未从防水的角度做针对性的设计。笔者认为,喷射混凝土层施作质量和防水效果受围岩开挖、施作工艺及目前业内施工现状影响很大,要在初期支护阶段把防水做好很难实现,但作为复合式衬砌的最外层支护及第一道防水屏障,其在整个隧道防水体系中起着重要的作用,作为防水设计,在今后的工作中应考虑对施工提出具体要求,以提高喷混凝土的防水质量,主要有以下几点。

(1)对围岩基面进行处理：包括对松散危石清理加固和对围岩渗漏水的注浆堵漏、引排等。

(2)对喷混凝土和围岩不完全密贴的处理：主要存在于钢架密集地段,对此主要应依托于施工工艺和现场施工管理,必要时可通过围岩补注浆措施解决。

(3)对突出的锚杆、钢筋头的处理：为确保施作下一道防水工序的顺利进行,应在喷混凝土前对其进行切割处理。

(4)对喷混凝土材料本身的要求：包括合理调整配合比及对其有效的湿润养护,提高喷混凝土本身的抗渗性和减少裂纹,并在出现裂纹后及时进行补喷或注浆封闭。

2.3 防水层防水

山岭隧道复合式衬砌中的防水层是隧道防排水技术的核心,对确保隧道防水功能起着决定性的作用。

在之前普速铁路隧道设计中由于对防水等级要求的不同,在设计阶段有针对性地在隧道局部段落设拱墙防水板或拱部防水板,而武广铁路客运专线韶花段隧道在设计阶段对全隧初期支护与二次衬砌之间拱部及边墙部位均铺设 EVA塑料防水板加土工布防水,但武广铁路客运专线隧道建成后仍进行了大量的渗漏水整治。由于防水板是整座隧道拱墙通设,理论上讲,不应该有渗水,但出现渗水,则首先是防水板有破损或焊接没有达到设计要求。

为了解决由于施工阶段防水板破损或焊接不达标而引起的渗漏水,很多专家和科研机构提出了分区防水的概念,其原理是：在复合式衬砌防水设计中,假定防水板在施工中破坏,为了限制渗漏水的范围,用分舱的方法将整个隧道防水分为小区,采用背贴式止水带与防水板热风密实焊接进行分区,同时将背贴式止水带安装在施工缝(或变形缝)的位置上,既可以形成二衬分区防水,又可以保护施工缝处的防水板,并使施工缝处增加了一道有效的防水线。这样,一旦某个区域发生防水板破坏而漏水,不会因“窜流”而影响其他分区。同时在每个分区内预先设置注浆管,可针对漏水的分区进行注浆修补。

由上述可看出,隧道分区防水既要保证背贴式止水带的准确安装,又要保证预留注浆管不被堵塞,施工工艺要求很高,在施工过程中质量控制难以保证。笔者认为,在目前国内的隧道施工中要真正实现分区防水较为困难,与其想办法进行渗漏水的整治,不如从源头抓,较之分区防水的工艺控制,确保防水板在施工中不被破环或少被破坏更容易通过加强现场施工管理来实现。

2.4 两缝防水

施工缝、变形缝是隧道防水的薄弱环节,也是隧道中最易发生渗漏的地方。隧道衬砌施工缝处理不好,不仅造成衬砌混凝土裂缝及洞内漏水,严重影响隧道正常使用和行车安全。

根据《地下工程防水技术规范》中对暗挖法地下工程防水设防衬砌施工缝及变形缝的要求,武广铁路客运专线韶花段隧道对两缝防水采取原则如表1所示。

表1 韶花段隧道两缝防水措施

根据以上原则,施工缝及变形缝的防水设计如图1～图2所示。

图1 韶花段隧道施工缝防水构造(单位：cm)

图2 韶花段隧道变形缝防水构造(单位：cm)

两缝防水的关键是中埋式止水带,其定位安装是否能达到设计要求是两缝防水处理成败的关键。对于环向止水带可采用钢筋卡固定,纵向止水带的固定可直接沿纵向预埋接茬钢筋来定位,但从施工现场来看,环向止水带基本能满足设计要求,纵向止水带在灌注拱墙混凝土时,受混凝土的重力作用的挤压,止水带很难伸入到边墙混凝土中。另外,双组份聚硫密封膏在拱墙施工缝处设于衬砌内缘,施工困难,而且很难起到防水作用。

针对以上问题,对今后两缝防水处理提出以下建议。

(1)改纵向施工缝中的中埋式为外贴式,同时于衬砌接头处设遇水膨胀止水胶 1道。

(2)取消环向施工缝双组份聚硫密封膏嵌缝,于中埋式止水带与防水板间的混凝土接头处设一道环向遇水膨胀止水胶。

2.5 二衬自防水

隧道二衬混凝土既是承载结构,也是隧道防水的最后一道防线,因此要求衬砌既要有足够的强度,还要具有一定的抗渗性,根据《客运专线铁路隧道工程施工技术指南》及相关审查要求,武广铁路客运专线隧道二衬混凝土抗渗等级不低于 P8。

二衬自防水的关键是混凝土本体的施工质量,包括了混凝土的制作、运输和施工,任何一个环节出现问题都将直接影响到其使用功能,故如何确保其施工质量是最为关键的。武广铁路客运专线韶花段隧道设计过程中明确了二衬混凝土抗渗等级的要求,但对于如何控制施工质量,确保混凝土能达到设计要求未做详细说明,在今后设计中应对施工中的质量控制注意事项提出要求。对于施工而言,如何确保设计意图能真实地落实到实践当中就成为了现场的管理和质量控制的目标。

2.6 拱顶回填注浆防水

回填注浆是二衬衬砌施工的一道工序,是为了填充由于重力作用在二次衬砌和防水板之间形成的空隙而注浆。

此项工程的设计及施工技术已较为成熟,但在武广铁路客运专线隧道建成并试运营过程中发生过封堵预留注浆孔的砂浆脱落的现象,故在今后的设计施工应对如何解决此问题进行一定的研究,以确保结构和行车运营安全,可进行如下考虑。

(1)为增加预埋注浆管与封孔砂浆的粘合力,可将 PVC管内壁拉毛,或者预埋注浆管采用内壁带波纹的管材。

(2)封孔砂浆要保证其强度(不低于 M20),并且可适当掺入具有膨胀性的添加材料,如水玻璃。

3 排水工程措施

隧道排水包括：洞内排水系统工程(排水型隧道)、洞外排水系统工程以及洞内外排水系统的有机结合。

3.1 洞内排水系统

在排水型隧道中,必须做好衬砌背后的排水系统,使水能通畅排出,武广铁路客运专线韶花段隧道设计中洞内排水系统主要包括环向排水盲管、纵向排水盲管、侧沟、横向引水管、中心排水沟。

考虑到不同隧道地下水发育情况不同,设计中对长度小于 500m的非可溶岩,且地下水贫乏的隧道不设中心排水沟,其余隧道均设中心排水沟。地下水通过衬砌背后环、纵向盲管汇集至两侧侧沟,若水量大,则再通过横向引水管引入中心排水沟。以往普速铁路设计中环、纵向盲管通过三通接头连接,将环向盲管的水汇集至纵向盲管,再通过三通接头将纵向盲管引入侧沟。在武广铁路客运专线韶花段隧道设计中环、纵向盲管各自独立,环向盲管 10m左右设一道,单独引入侧沟,纵向盲管每隔一段距离断开,单独引入侧沟,这样在运营期间若某一段盲管堵塞不会影响到其他段落的排水,而且纵向盲管采用了 φ150mm的较大管径,在发生堵塞时有利于疏通。洞内排水系统如图3所示。

图3 韶花段隧道洞内排水系统

目前,武广铁路客运专线已进入试运营,韶花段隧道排水系统基本畅通。但在无砟轨道基础与侧沟壁之间有积水无法排出,而且乌韶段部分隧道中出现了由于隧道基底地下水无排水出路而发生无砟轨道上鼓现象。这些现象提醒我们在今后的设计及施工中还应该总结教训,拓展思路。

解决无砟轨道基础与侧沟壁之间积水问题可考虑此处沿纵向每隔一定间距设地漏装置,通过横向引水管引至中心排水沟,横向排水管可单独设置,也可与侧沟至中心沟的横向引水管联通。为引排隧道基底位置地下水,可于中心水沟底预埋引水管,若隧底围岩地下水水位较高,则直接排入中心沟,再沿隧道纵向排出,为确保隧底地下水引排不至使得基础淘蚀,可在管口设无纺布包裹并于管内填充无砂混凝土等透水型混凝土(图4)。

图4 韶花段隧道洞内排水系统

3.2 洞外排水系统

洞外排水系统是指洞口边仰坡天沟、明洞顶回填层排水系统等。洞外排水系统是保证洞口边仰坡及防护工程免受或少受雨水冲刷的重要组成部分。

在武广铁路客运专线韶花段隧道设计中,洞顶截水沟虽然在工点图及相应参考图中均有一定的说明,但不够系统全面,从现场实际施作情况看,多数洞外防排水系统的设计与实际地形条件结合不紧密,在今后的设计过程中应引起重视,主要从以下几方面说明。

(1)加强地质勘察、水文勘察等工作,使基础资料能满足边仰坡防护及防排水工程结构的设计要求。

(2)强化边坡防护及防排水工程设计,加强设计接口管理。隧道洞外排水系统应与路基排水系统有机结合,截水天沟应以较短途径将洞顶地表水引排至自然稳定的沟谷中,若与路堑天沟或涵洞入口相接时,施工时应根据实际情况,确保水沟末端与路堑天沟、涵洞入口无缝顺接。

(3)转变现场配合施工理念。洞外排水系统是否成功,取决于现场施工与设计的密切配合,设计阶段由于对具体地形勘察深细度问题以及铁路工程施工对周围环境的改变影响,无法做到十全十美,这就要求在配合施工阶段及时处理问题。

3.3 洞内外排水系统的有机结合

隧道内地下水经过洞内排水系统的汇集通过侧沟和中心水沟引排至洞外,洞内外排水系统的有机结合主要是指洞口段沟槽过渡。武广铁路客运专线韶花段隧道设计对洞内外沟槽过渡做了详细设计,包括高端洞口及底端洞口的沟槽过渡,对高端洞口水沟无过渡问题,底端洞口于洞外两侧设沉淀池,洞外隧道中线延伸处设检查井,中心水沟的水排入中间检查井后通过隧路过渡段下埋设的钢筋混凝土预制管流入两侧沉淀池。两侧沉淀池同时与洞口仰坡坡脚设置的集水井联通。隧道洞内及洞口仰坡范围水均汇集于两侧沉淀池,经过沉淀后排入路基侧沟,现场施作情况见图5。

4 结语

图5 韶花段隧道洞口沟槽过渡

隧道防排水是个系统工程,要使最终建成的工程满足既定的标准,保证其使用功能,需要各方的共同努力。首先,从设计上要不断地更新设计理念,根据建成既有隧道的经验完善设计,尤其在国内大规模修建高速铁路时期,更应该注意。其次,高质量的施工是实现设计意图的保证,从以往隧道修建经验,包括刚建成的武广铁路客运专线看,仍然存在由于施工管理不到位而造成工程没达到设计要求的现象。本文就是以武广铁路客运专线设计及施工情况为基础,对隧道防排水进行了总结,希望能对今后的工程建设提供参考。

[1]TB10003—2005,铁路隧道设计规范[S].

[2]GB50108—2001,地下工程防水技术规范[S].

[3]TZ214—2005,客运专线铁路隧道工程施工技术指南[S].

[4]铁建设[2005]160号,客运专线铁路隧道工程施工质量验收暂行标准[S].

[5]铁道部工程设计鉴定中心.高速铁路隧道[M].北京：中国铁道出版社,2006：155 165.

[6]殷怀连,张民庆.铁路隧道工程结构防排水设计理念及施工措施的探讨[J].铁道标准设计,2006(6).

U238;U 453.6

A

1004-2954(2010)01-0139-03

2009-11-30

张慧玲(1975—),男,工程师,1998年毕业于西南交通大学建筑工程专业,工学学士。