铁路隧道新型防排水结构应用探讨

2015-06-01张广乾仇玉良

铁道建筑 2015年8期

关键词：排水板土工布铺设

张广乾，仇玉良

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

铁路隧道新型防排水结构应用探讨

张广乾，仇玉良

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710075)

铁路隧道防排水设计是隧道设计的重要内容，隧道防排水的可靠性将严重地制约隧道运营环境和使用寿命，文中介绍的新型防排水结构是对原有隧道防排水的极大优化。本文详述了新型防排水材料——排水板的特性，及其与土工布和防水板组成的复合式新型防排水结构在隧道防排水应用中的优越性，并阐述了这种新型防排水结构在铁路隧道中的具体应用及施工技术，为以后铁路隧道防排水结构的设计和施工提供参考。

铁路隧道新型防排水结构排水板设计和施工

由于防排水观念和经济技术水平的原因，在很长一段时间内，我国隧道渗漏水现象十分严重，隧道渗漏水现象成为铁路建设的通病［1-5］。目前，随着高速铁路隧道和电气化铁路隧道的不断修建，铁路隧道对防排水提出了严格的要求。如果隧道内渗漏水，将极大地恶化隧道内的运营环境，弱化隧道的使用性;渗漏水还会对隧道混凝土衬砌形成侵蚀破坏，引起混凝土内钢筋的锈蚀，导致隧道衬砌材质劣化、剥离;渗漏水会严重影响通信、电力设备等的安全，甚至影响隧道结构的稳定性。特别是在寒冷地区隧道衬砌混凝土长时间处于冻融循环中，混凝土中的渗漏水将在长期的低温环境中形成冰，产生的冻胀力可导致洞内线路起伏不平、地板翻浆冒泥、侧沟开裂、拱墙变形和衬砌开裂、剥落、酥碎、错台等，致使混凝土结构破坏。若渗水量较大，冬天则会在隧道路面结冰，形成冰溜子，影响运营;还会在隧道衬砌与围岩间形成冰楔，冰冻压力使衬砌发生断裂、破碎等现象。而在隧道衬砌壁面结冰(挂冰)或形成的冰柱，会侵入限界，严重威胁行车安全和隧道的正常使用。隧道内渗漏水量大，冻害极严重时甚至导致隧道报废［6］。可见，搞好隧道防水和排水，确保隧道不渗不漏，是保证隧道长久适用性和运营安全的重要因素。隧道发生渗漏水现象除与地下水丰富有关外，主要是隧道设计与施工不当造成的。要使隧道不渗不漏，成功的防排水设计是前提条件，严格的施工是重要的保障。因此，须首先从设计上对防排水结构形式予以不断优化。

目前，大多数隧道防排水均采用在初期支护与二次衬砌之间安设环向盲管或盲沟，然后铺设土工无纺布和塑料防水板的防排水形式。主要通过盲管或盲沟将裂隙水引入纵向排水管，防水板用来阻挡渗漏水通过二次衬砌渗入隧道内［7-9］。但是，这种防排水结构在以往工程中的防排水效果也并不尽如人意，特别是在围岩富水带、岩溶裂隙发育地段或有大量裂隙水的隧道中。为克服单靠线状的盲管来汇集围岩裂隙水将其引流至纵向盲管或盲沟的局限性，在对相关资料研究的基础上，汲取了以往防排水经验，并分析隧道渗漏水原因，设计上采用三维排水板代替盲管来排水挡水。通过面状的排水板来快速地汇集围岩裂隙水，并将其迅速地引流至纵向盲管或盲沟，这样能有效地防止衬砌间积水和渗漏水现象的发生。

1 排水板特性

排水板是采用特殊工艺将聚苯乙烯(HIPS)或高密度聚乙烯塑胶底板经过冲压制成的具有圆锥凸台(或中空圆柱形多孔)和顺畅的排水空间，水可在其间自由流动的防排水功能性材料，结构如图1所示。施工时圆锥突台的顶面胶接一层无纺土工布，以阻止泥土、岩石风化颗粒等微粒通过而阻塞排水通道。这样的结构形成了一个具有汇水、排水和挡水功能的立体式构造，为排水提供了充分的空间，可以有效地解决排水挡水问题。这种新型排水板具有的密度大质量轻、空间刚度高、抗穿刺能力强和不易锈蚀等特点，决定了排水板易于施工、形成的排水挡水结构永久可靠。排水板可根据工程实际，做成不同宽度和长度(最窄可做成10 cm的带状)，以满足工程需求。且排水板具有较好的柔韧性，能随隧道拱墙铺设和拉伸，延伸率大，能有效地根据混凝土开裂而延伸，有效防水和延长防排水结构的使用寿命，使隧道混凝土拱墙在正常使用条件下不受水的压力影响而导致渗漏。

图1 排水板结构

采用排水板、土工布和防水板组成的复合式防排水结构，改变了传统的以堵为主的防排水方法，防水工程做到排、防、堵、截相结合，将被动防水改为主动防水。做到先排后防，将渗漏水快速排出，减小水压，保护防水层，隔绝空气，防止老化。

目前，隧道常用的排水结构为防水板后铺设塑料盲管，塑料盲管为线状，可汇水与导流，汇水区域小，水流通路有限，混凝土振捣易破坏盲管，致使混凝土堵塞管路，排水系统失效。总之，排水板与排水盲管相比具有三维立体透水，排水性强，能有效过滤各种细小颗粒，防止堵塞，不易锈蚀，坚固耐用等优点。

2 防排水设计

防排水施工中，遇围岩股状涌水或局部集中漏水时，需对涌水点或漏水点埋设排水管或排水板(带)，引流至排水沟。并需对涌水点进行径向注浆，减少涌水量，然后再施作无纺土工布、排水板和防水板。排水板安设在拱墙初期支护与二次衬砌之间(必要时仰拱下也设置)，环向设置，需伸入边墙底部纵向盲沟内。排水板宽1 m，厚度不小于8 mm，纵向间距10 m，当水量较大时，可在水量较大处增设1～2道［10］。若隧道穿越含水层、岩溶裂隙发育地段和地下水丰富且埋深较浅地段，则应布设沿隧道纵向连续的排水板引排水，排水板厚度应根据围岩渗水量的大小确定。排水板、无纺土工布(质量＞360 g/m2)和1.3 mm厚的 EVA防水板构成的复合式防排水结构如图2所示。边墙墙角处纵向设φ80 mm透水软管或盲沟，纵向盲管应设在衬砌边墙脚处防水层外侧，纵向坡度不得小于2‰，一般与线路纵向设计坡度一致。排水板可根据隧道开挖后围岩含水量灵活布设，既节省投资，又能有效地引流，阻挡渗漏水。

图2 防排水结构示意

3 排水板施工技术

由排水板、土工布和防水板组成的防排水系统中，各部分施工质量都至关重要。但土工布和防水板的铺设技术已相当成熟，在施工中严格按其施工工艺铺设即可，故此只论述排水板的施工技术。

3.1 工艺原理

排水板施工的核心是悬挂铺设和焊接。排水板的铺设要确保凸面与初期支护接触即朝向有水流一面(如图3所示)，使得渗漏水有出路。对于连续铺设排水板段落，根据排水板宽度，标出每幅排水板接茬部位，然后利用专用台车(架)沿隧道环向铺设排水板，并固定。焊接是利用热熔焊机加热，在高温下使两排水板接茬部位局部熔化、挤压而粘合为一整体。

图3 排水板铺设示意

3.2 基面(初期支护表面)处理要点

铺设防水层以前应对基面(初期支护表面)进行检查，应满足以下要求:

1)排水板铺设区段初期支护应基本稳定，且距掌子面爆破作业处有一定的安全距离。

2)初期支护若为喷钢纤维混凝土，则基面应补喷一层水泥砂浆，以免防水层受到损伤。

3)初期支护的喷射混凝土厚度必须满足设计要求，不足者应予补喷。基面上的凹坑深度h与跨度L (L≤1 m)之比应满足h/L＜1/10，当不满足或凹处连续出现剥落、掉块时应及时回填找平，然后方可铺设排水板。

4)喷射混凝土表面应无疏松、空鼓、裂缝和大量集中渗水等现象，否则应予处理，铺设前认真清理初期支护表面上的所有杂物，喷层表面的凸出棱角、岩包及附着的大颗粒石子均应用锤捶平或用砂浆抹平。

5)对穿出喷射混凝土表面的金属构件，如钢筋头、注浆管等，切除后用锤捶平，抹砂浆;对锚杆头、锚管头不能切除的金属构件，必须用砂浆抹成圆弧，其圆弧半径应＞30 cm，以防刺破排水板。

3.3 铺设工艺流程

1)施工前对操作人员进行岗前培训，了解排水板特性，掌握铺设及焊接要求，并配齐机具设备。

2)铺设缓冲/滤水层，即利用台车(架)把无纺土工布铺设在符合要求的隧道基面上并固定。

3)按隧道基面长度裁取合格的排水板，标出焊接线(连续铺设)和拱顶中线，对称卷起。

4)采用专用台车从拱部向两侧边墙悬挂排水板，铺设松紧应适度并留有余量。

5)采用电热压焊器热熔缓冲层热塑性垫圈，使排水板与热塑性垫圈熔化粘结为一体固定于基面上，对于连续铺设的排水板采用热合机或手持焊枪焊接搭接部位，并检查焊接质量。

6)铺设并固定EVA防水板。

4 工程应用

4.1 工程概况

由排水板、土工布和防水板组成的新型复合式防排水结构已在张家口至唐山新建重载快速铁路中实施应用。此工程为典型的山区铁路，桥隧比较高，全线隧道洞身段围岩节理裂隙发育，富水段较多，应用该新型复合式防排水结构与纵向排水管形成了安全有效的防排水结构。

4.2 防排水结构应用效果

张唐铁路隧道采用的排水板、土工布和防水板组成的新型复合式防排水结构能较好地解决隧道衬砌后围岩裂隙水和网状出水问题。从实施效果看，该新型复合式防排水结构与原来的防水板加盲管结构相比，施工工艺基本相同，造价相当。新型结构将线状汇水改变成面状汇水，并拓宽了过水断面，极大地优化了水流通路，改善了衬砌后水文环境，避免了隧道渗漏水及冻胀病害的发生。且该结构安全可靠，耐久性好，较传统的防排水结构效果明显，达到了预期效果。确保了隧道结构和设备的安全，降低了隧道病害发生几率，为隧道维护和营运提供了良好的环境。