复合式衬砌隧道防排水设计几个问题探讨
2020-12-14李治国
李治国
(1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001； 2. 中铁隧道局集团有限公司， 广东 广州 511458)
0 引言
我国自20世纪60年代大规模修建铁路、公路、市政隧道和地下工程以来，如何防止隧道渗漏水一直是隧道和地下工程界面临的巨大挑战。据1993年5月的统计资料显示[1]，我国5 000余座铁路隧道，有近1/3的隧道存在着不同程度的渗漏水。2002年底，共修建有铁路隧道5 711座，其中渗漏水严重的隧道有1 620座，占隧道总数的28.4%[2]。2013年铁路运营部门对2005年以来投入运营的隧道进行了调查和检测，发现2 250座隧道中共有23 090处缺陷，并对缺陷进行了整治[3]。从近年来通车的铁路隧道看，混凝土防水质量普遍提高，混凝土本体渗水点和湿渍明显减少，但高水压富水隧道施工缝、变形缝、隧道底板渗漏水等问题依然比较突出。此外，部分公路隧道、市政隧道、地铁隧道、人防隧道等也不同程度地存在渗漏水问题，有的隧道虽经多次整治，但渗漏水难以根治，从而影响运营。对此，国内外很多学者进行了研究和探讨[4-5]，并提出了很好的解决方法和思路，但由于地质、设计、施工、运营等方面的原因，一些隧道依然存在比较严重的渗漏水问题。渗漏水不仅会影响结构承载能力和正常使用，而且可能会引起地下水位下降、地层沉降或塌陷、建(构)筑物破坏，造成经济损失和安全事故。因此，本文重点从隧道排水量和水压力分级、防排水体系、防水效果检查和评价等方面进行分析，研究和探讨复合式衬砌隧道及地下工程防排水设计应注意的几个问题，并提出相应的对策。
1 隧道防排水设计现状及存在的主要问题
1.1 隧道防排水设计现状
我国20世纪70年代以前修建的交通隧道工程，其防排水设计理念主要依靠混凝土的自防水，对于高水压、富水隧道基本以排为主，例如成昆线沙木拉达隧道、湘渝线大巴山隧道等主要依靠衬砌混凝土的自防水和排水设施。从20世纪80年代开始，复合式衬砌隧道的防排水设计遵循的原则主要是"防、排、截、堵相结合，刚柔相济，因地制宜，综合治理"[6]。大部分隧道采用的防排水理念基本是防、堵、排相结合，在水量小、水压低的情况下以防、排水为主，在水量大、水压高的情况下以堵、排为主。一般隧道采用喷射混凝土、防水板或喷涂防水涂料、防水混凝土及接缝防水，并辅以排水措施；对于高水压(水压力大于0.5 MPa)、富水隧道(排水量大于0.5 m3/(m·d))，另外加以注浆、桩(墙)阻断、旋喷等技术进行堵(阻)水。
渝怀线圆梁山隧道毛坝向斜高水压富水溶洞区实测最大水压力达到3.0 MPa，最大涌水量达到10 000 m3/h，采用超前全断面注浆和径向注浆进行堵水，在隧道上方修建了泄水洞，并通过钻孔埋管引水的方式，将洞顶8.0 m以外的地下水引入平导排出，以减少正洞二次衬砌所承受的水压力。初期支护采用25 cm厚喷C20、 P8钢纤维混凝土，并采用塑料排水板和二次衬砌C40、 P12防水混凝土进行全封闭防水，防水板背后未设置排水盲管。一般富水地段及溶洞影响区域，在防水板背后设置排水盲管，允许将防水板后的水引入侧沟排出。
厦门翔安海底风化槽Ⅳ、Ⅴ级围岩段隧道水压力为0.5～0.7 MPa，最大涌水量为50 m3/h，采用超前注浆堵水和径向注浆措施。初期支护采用30 cm厚喷C25、 P8混凝土，并采用塑料排水板和C45、P12高性能防腐蚀混凝土二次衬砌进行全封闭防水，防水板背后未设置排水盲管。一般Ⅱ、Ⅲ级围岩地段采取半封闭防水，在防水板背后设置排水盲管，允许将防水板后的水引入水沟排出，以减小隧道二次衬砌所承受的水压力。厦门翔安海底公路隧道半封闭防排水如图1所示，全封闭防排水如图2所示。
图1 厦门翔安海底公路隧道半封闭防排水
图2 厦门翔安海底公路隧道全封闭防排水
1.2 隧道防排水设计存在的主要问题
从矿山法隧道设计和施工现状来看，对于采用复合式衬砌的大部分隧道，在结构防排水方面，Ⅰ-Ⅲ级围岩一般在拱墙部位设置排水盲管、无纺布和防水板及全环采用防水混凝土的半封闭结构，通过侧沟或中心水沟进行排水；Ⅳ-Ⅵ级围岩一般全环设置排水盲管、无纺布和防水板及防水混凝土全封闭防水结构,为了减少二次衬砌背后的水压力，一部分隧道设置横向排水管将水排入侧沟或中心水沟。这2种防水方式的思路是： 在初期支护表面安装环向和纵向排水盲管或排水板进行排水，然后采用无纺布+防水板(或垫层+喷涂防水涂料)作为第1道防线，最后现浇防水混凝土或安装预制管片作为第2道防线，施工缝和变形缝处采用止水带、止水条、后注浆等措施进行处理。该防水思路是将隧道作为一个整体进行防水，层层设防，在水压较高的情况下，进行排水降压；在水压较低的情况下，进行全封闭抵抗水压。目前，高水压富水隧道设计和施工存在的主要问题如下。
1.2.1 部分隧道建成后允许排水量和二次衬砌背后的允许水压力规定不够明确和合理
除极少量特殊隧道不允许排水外，大部分复合式衬砌隧道采用"堵排结合，限量排放"的防排水原则，而二次衬砌不渗漏的最大水压力和最长时间、隧道限量排水、最大排水量允许值，均缺乏具体和合理的指标。有的隧道给出的排水量指标偏大，导致隧道大量排水，对结构安全、运营、环境造成了较大的影响。因此，应根据隧道的地质条件、环境条件、使用功能、耐久性、运营维护等要求进一步深入研究隧道允许排水量及二次衬砌背后允许出现的最大水压力。
1.2.2 对围岩的防水重视不够
有的隧道含水量丰富、水压力高，但未采取系统的堵水措施，导致大量的地下水进入开挖面或贮存在二次衬砌背后的空腔中，在岩体破碎的条件下，由于裂隙联通性强和地下水在衬砌背后串流，水压力很容易击穿混凝土薄弱环节，造成渗漏。一些隧道在进行防水层施工前，初期支护喷混凝土表面仍存在股水、滴水、漏水等现象，喷混凝土质量、防水层及二次衬砌浇筑质量很难保证；隧道施工后，衬砌背后水压力不断上升，造成混凝土薄弱部位渗漏和开裂。
1.2.3 对隧道底部防水不够重视
如果隧底围岩破碎，地下水往往从隧道周边汇集到隧道仰拱部位，因此在施作仰拱初期支护时，隧底的积水很难清理干净；如果地下水水量丰富，就很容易在隧道仰拱下汇聚，在动荷载反复作用下，仰拱混凝土出现开裂和渗漏水；如果水压力大，将导致隧底隆起、道床开裂和翻浆冒泥。
1.2.4 现场浇筑混凝土的均匀性很难满足高水压下的抗渗要求
大部分矿山法隧道采用模板台车现场浇筑混凝土，在模板与防水层之间狭窄的空间中进行大体积混凝土施工，受材料质量、环境温度、湿度、搅拌、运输、泵送、振捣、养护等条件的限制，施工中断现象难以避免，很难保证混凝土浇筑的均匀性和连续性，因此施工冷缝和蜂窝麻面在混凝土表面随处可见。对于拱部混凝土，难以灌注和振捣密实，拱部二次衬砌背后脱空和混凝土不密实现象比较普遍。
1.2.5 防排水的检验标准不够全面和合理
目前比较重视试件的室内试验和检验，对实体工程的现场抗渗漏试验检验还缺乏系统的试验方法和标准。
因此，受多种因素影响，虽然目前的隧道防水设计采用多种措施，层层设防，工艺复杂，造价较高，但部分工程的防水效果并不理想，尤其是高水压、富水隧道渗漏水现象普遍存在，有的隧道大量排水造成水土流失、地下水位下降、地表沉降和塌陷等不良后果。
2 隧道排水量和水压力控制值分级
GB 50108-2008《地下工程防水技术规范》规定的防水设计原则是"防、排、截、堵相结合，刚柔相济，因地制宜，综合治理"，并将防水等级划分为4级，规定了每级防水所要求的混凝土衬砌表面渗漏标准, 但没有规定隧道总的排水量和衬砌背后的水压力，而这2个值对隧道防排水控制、结构抗渗和环境安全非常重要。因此，在针对具体工程制订防排水原则时，应根据环境、地质、使用功能要求、工程使用年限等条件，提出隧道建成后排水量、衬砌背后水压力的允许值。文献[7-14]建议将交通隧道允许排水量和衬砌背后水压力分为6级，如表1所示。按排水量和水压力2个条件之一对应的高级别确定等级，当达到第6级时，隧道衬砌结构发生渗漏水及长期大量排水的概率将大大增加，因此在隧道设计、施工、运营时，应尽量防止出现该情况，若出现该情况，应采取特殊措施。
表1 交通隧道允许排水量和水压力分级
从国内外大量的工程实践来看，复合式衬砌隧道的允许排水量q≤0.01 m3/(m·d)、衬砌背后允许水压力pw≤0.01 MPa，是一个非常小的数值，应定为1级。主要原因为： 1)该排水量很小，接近地铁盾构隧道的排水要求，一般不会对结构安全和周围环境造成不良影响； 2)该排水量一般远小于隧道侧沟最大允许排水量； 3)隧道设计的抗渗压力(防水混凝土一般大于P6)远大于该水压值，结构抗渗安全系数较大。具体解释为： 假定隧道长度为30 000 m，若q=0.01 m3/(m·d)，则隧道总排水量为Q1=300 m3； 对于一般的交通隧道，侧沟的过水断面为0.3 m(宽)×0.4 m(高)，如果侧沟中水的流速为0.5 m/s(圆梁山隧道、象山隧道等多座隧道的现场测试表明，侧沟中水的最大流速可达1.0 m/s以上)，则其双侧水沟的最大排水量为Qmax=10 368 m3/d，实际排水量Q1仅为最大排水量Qmax的2.89%，侧沟具有足够的排水能力。另外，根据有关资料统计，目前国内外地铁盾构隧道的允许排水量一般小于0.2 L/(m2·d)，如果单洞双线地铁隧道内径为10.5 m，则其允许排水量为0.007 m3/(m·d)，接近0.01 m3/(m·d)，说明该标准是比较严格的。此外，如果隧道二次衬砌周围受到的最大水压力为0.01 MPa，按GB 50108-2008《地下工程防水技术规范》设计要求，隧道防水混凝土的抗渗等级不得小于P6，也就是一般的防水混凝土衬砌结构在0.6 MPa水压力作用下一定时间内不发生渗漏，说明隧道抗渗的安全系数较大。
据参考文献[7]及有关案例 ，日本青函海底隧道位于海平面下240 m，最大覆盖层厚度为100 m，水深为140 m，建成后的排水量为0.273 6 m3/(m·d)。丹麦西部沿海奥勒松(Alesund)附近修建有2座海底隧道，一座从奥勒松至埃林索伊岛(Ellingsoy)，另一座从埃林索伊岛至瓦尔德伊岛(Valderoy)，这2座隧道均位于海平面下140 m，海底最小岩石覆盖层厚度为40 m，2座隧道均为2车道公路隧道，隧道最大常年渗水量为300 L/km/min，相当于0.432 m3/(m·d)。中国香港Rote-9号线沙田岭隧道排水量要求为36 L/100 m/min，相当于0.518 m3/(m·d)。渝怀线歌乐山隧道为单线铁路电气化隧道，最大埋深为280 m，最大水压力为2.2 MPa，施工前期隧道岩溶涌水突泥对环境造成了一定的影响，隧道堵水后达到允许排水量为1.0 m3/h，环境基本趋于稳定。厦门翔安海底隧道为3车道公路隧道，隧道的涌水量控制在0.4 m3/(m·d)左右。青岛胶州湾海底隧道[11]的涌水量主洞控制在0.4 m3/(m·d)以内，服务隧道控制在0.2 m3/(m·d)以内。长沙营盘路过江隧道主隧道为双向4车道公路隧道，隧道排水量控制在0.35 m3/(m·d)以内。
据参考文献[8]及有关案例，重庆轨道交通1号线2期工程中梁山隧道，要求建成后的地下水排放控制标准为1.0 m3/(m·d)，当围岩完整性好且满足出水量1.0 m3/(m·d)
如果隧道排水量q>1.0 m3/(m·d)，隧道排水有可能引起地表水位下降、地表沉降或塌陷[10,14]。因此，对于环境和运营要求比较严格的隧道，将排水量的上限控制在q=1.0 m3/(m·d)是比较合适的。如果隧道背后的水压力pw>1.0 MPa，其混凝土薄弱部位及施工缝 、变形缝很容易渗漏。文献[15]关于设置止水条的施工缝长期抗水压试验数据表明，当施工缝张开宽度为 2.0 mm 时，止水条耐水压力极限为 1.0 MPa;当水压力大于1.2 MPa时，止水条有明显的挤出现象。因此，表1中的允许排水量和衬砌背后允许水压力对隧道抗渗、稳定、环境及运营安全影响较大，但只需满足其中一个条件即可定级。
隧道衬砌背后的水压力对隧道抗渗、稳定性影响较大，据参考文献[16]，P10混凝土的渗透系数k=1.77×10-9cm/s。按照GB 50164-2011《混凝土质量控制标准》的规定，P10混凝土的抗渗试验主要内容有： 试件高度为15 cm，在1.1 MPa水压力作用下，88 h后6个试件中有3个试件发生渗漏。假定渗透速度不变，如果混凝土衬砌厚度为1.0 m，其背后受1.1 MPa水压力作用，水的渗出时间将会是587 h；如果水压力大于1.0 MPa，即使考虑水分蒸发的影响，高水压长时间作用在混凝土衬砌背后，混凝土出现慢渗的可能性很大。因此，建议从抗渗的角度分析，一般隧道宜将衬砌背后的最大水压力控制在1.0 MPa以内，如隧道二次衬砌所抵抗的水压力超过1.0 MPa，衬砌结构及施工缝、变形缝应进行特殊设计，应尽可能在二次衬砌背后、墙脚、底板等部位采取加强排水措施，降低衬砌背后的水压力。
此外，我国大部分高速铁路、地铁、市政隧道采用的混凝土最大抗渗等级为P12，为了保证一定的抗渗余量，取1.2倍安全系数，混凝土背后的水压力宜控制在1.0 MPa。从渝怀线歌乐山隧道、圆梁山隧道，龙厦铁路象山隧道，石太客专石板山隧道，重庆轨道交通1号线中梁山隧道等隧道的设计和施工经验看，当二次衬砌承受1.0 MPa的水压时，衬砌厚度一般达到80～100 cm，混凝土强度一般达到C35以上，混凝土一次浇筑体积大，而大体积混凝土温度控制技术复杂，施工难度大，成本高，在高水压作用下施工缝、变形缝及混凝土薄弱部位的渗漏难以完全避免。因此，从国内隧道技术现状和安全要求看，高速铁路、高速公路衬砌背后的水压力不宜大于1.0 MPa。由于高速铁路、高速公路行车速度比较快，一旦局部受到高水压作用，会出现局部压溃，发生涌水突泥、不均匀沉降或坍塌掉块，对行车安全影响较大。
为了控制隧道排水对环境的影响，应严格控制排水中的泥砂含量。排水中含砂量的制订宜参考JGJ 111-2016《建筑与市政工程地下水控制技术规范》第5.6.3条规定的"管井抽水30 min内的含砂量，粗砂含量应小于1/50 000，中砂含量应小于1/20 000，细砂含量应小于1/10 000"。通过控制泥砂含量，减少排水对环境的影响，并防止初期支护背后土体的大量流失。含砂量对于排水量大的长大、特长山岭隧道，大量排水可能会造成水土流失和排水系统堵塞及围岩抗力变化，因此，应根据排水量大小和可能造成的后果，建议除以大于2.0的安全系数进行修正。
3 隧道防排水体系
国内复合式衬砌隧道的防排水体系主要采用半包防水和全包防水2种形式。双线铁路隧道半包和全包防排水形式如图3和图4所示。图3为不设置仰拱的双线铁路隧道结构防排水，一般适用于Ⅰ-Ⅲ级围岩。图4为设置仰拱的双线铁路隧道结构防排水，一般适用于Ⅳ-Ⅵ级围岩。如Ⅲ级围岩稳定性差、水量大、水压高，也可采用如图4所示的防排水形式。
图3 双线铁路隧道半包防排水
图4 双线铁路隧道全包防排水
以上2种排水形式的设计思路是： 将隧道排水作为一个完整的系统来考虑，隧道周边所有的水都先汇入侧沟，然后再汇入底板混凝土填充层的中心水沟。根据水压力理论，一旦水量大、水压高，侧沟中的水不能及时排出，造成隧道周边水位持续上升，隧道底板承受的水压力也不断上升，若底板无法抵抗向上的水压力，势必会产生破坏，从而导致底板隆起、开裂和渗漏水。因此，对于不受冻害影响的隧道，为了减少隧道底板的水压力，可将拱、墙部位与底板之间的排水系统分开设置，拱、墙部位的水可直接排入两侧侧沟。对于仰拱部位的水，如果隧道底板不设仰拱，底板的水可汇入中心水沟直接排出，如图5所示。对于设置仰拱的隧道，在仰拱部位的二次衬砌混凝土中可预埋横向盲管，铺底混凝土和二次衬砌混凝土接触部位可设置中心盲管。如果地下水穿过仰拱初期支护、防水层进入二次衬砌混凝土背面，若水压高、水量大，中心排水管无法排出的水，可沿横向盲管流入新增设的侧沟排出，伸入侧沟内的横向排水管可安装球阀，进行限量排放，如图6所示。如果在排水的条件下，水压力仍超过底板的抗水压力，可采取堵水或锚固措施，这样可能导致隧道两侧的电缆槽由4个减少为2个，通过调整电缆安装位置及高度，满足功能要求。
图5 上下分离式防排水
图6 底板限量排水
假定仰拱填充混凝土内沿纵向3 m设置1道横向排水管，与中心盲管联通，中心排水盲管的排水量可参照JTG D70《公路隧道设计规范》进行计算，计算公式为
(1)
式中：Q为过水流量，m3/s;n为粗糙系数，可取为0.025;R为水力半径，m，取圆管直径的1/4；I为排水坡度；A为满水时的过水断面积，m2。
假定中心排水盲管直径为300 mm，排水坡度为0.003，则中心排水盲管的排水量为0.022 9 m3/s,该排水量比较大，可满足大部分隧道底板排水的要求。中心排水盲管上方宜每隔30～50 m设置1个检查井及沉淀池，定期检查和清理，防止堵塞。为了保证隧道底板排水通畅，隧底纵向中心排水盲管应全长设置。
4 围岩及初期支护的防水作用
隧道开挖后地应力逐步释放，围岩产生松弛和变形，从而引起裂隙张开和地层空隙率变大，漏水率和渗透系数相应增大。在高水压或富水地层中，地下水容易从岩体裂隙或土体空隙中流出，如不进行提前封堵，隧道开挖通过后，掌子面后方壁面上的高压水呈喷射状态；出水点如与周围裂隙或空隙联通性强，注浆时很容易发生纵向或环向串水，注浆封堵难度大、时间长、成本高。因此，矿山法隧道通过高水压、富水地层时，应通过超前注浆加固和堵水，在隧道周围形成止水帷幕，提高地层强度和完整性，降低渗透系数和透水率。在埋深比较浅的情况下(一般洞顶埋深宜小于50 m)，如地面有作业条件，为减少施工干扰，可选择地面垂直注浆或其他隔离措施，在隧道周围形成止水帷幕。GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》附录W规定的外水压力折减系数如表2所示。
表2 外水压力折减系数
大量的工程实践表明，通过地面注浆、洞内超前旋喷、管幕或超前管棚、径向注浆等措施可以降低隧道的涌水量和水压力，注浆后岩体和土体的渗透性应达到微透水程度，即： 岩体的透水率应小于1.0 Lu，土体的渗透系数应小于1×10-5cm/s。此外，对于土体，根据渝怀线圆梁山隧道、厦门东通道翔安海底隧道、龙厦铁路象山隧道、厦门西通道海沧海底隧道、厦门轨道交通3号线五缘湾-刘五店钻爆法区间隧道等工程的注浆经验[17]，注浆后掌子面土体的含水率不宜大于15%，岩石质量指标RQD应不小于75，掌子面开挖并对暴露岩面进行初喷混凝土后，自稳时间应不小于8 h，确保初期支护所有工序完成且形成的支护结构具有一定的承载能力(一般喷射混凝土3 h无侧限抗压强度应能达到1.5 MPa)。注浆后，止浆墙或止浆岩盘的开挖一般需要3 d以上。为了保证止浆墙或止浆岩盘前方掌子面在开挖过程中的稳定性，注浆胶结体试件3 d无侧限单轴抗压强度不宜小于2.0 MPa。如果浆液主要以挤密、劈裂的方式进入地层，一般无法取出完整岩芯，应通过RQD、渗透系数及含水率等指标综合判断注浆效果。欧洲标准EN规定： 地层旋喷加固后进行取芯试验，试件28 d的无侧限抗压强度不应低于2.0 MPa，渗透系数不应大于1×10-7m/s。此处，建议注浆胶结体试件3 d的无侧限单轴抗压强度指标达到2.0 MPa，是为了使注浆完成后尽快达到开挖条件，并且保证掌子面具有一定的稳定性。隧道开挖和初期支护完成后，对于渗漏水较大部位应通过径向注浆、局部堵水、回填注浆等措施进行堵水和加固，进一步降低地层和初期支护的渗透系数，并适当采取引排措施，确保初期支护表面不出现射水、滴水、淌水等流动水，为防水层和二次衬砌施工创造良好条件。厦门轨道交通3号线五缘湾-刘五店区间风化槽注浆钻孔布置与注浆效果如图7和图8所示，该工程严格按以上注浆标准控制，取得了较好的效果。如需要进一步提高地层的堵水率和稳定性，全断面注浆后，可采用超前管幕、大管棚、旋喷桩、咬合桩加固隧道周边土体，通过玻纤锚杆等加固隧道开挖面，必要时可增加洞外、洞内降水措施。
图7 厦门轨道交通3号线五缘湾-刘五店区间风化槽注浆钻孔布置
图8 厦门轨道交通3号线五缘湾-刘五店区间风化槽注浆效果
大部分铁路、公路、市政、地铁隧道的开挖断面一般不大于150 m2，计算假定为150 m2，其等效半径为6.91 m、等效周长为43.40 m。假定地层注浆前水压力为5.0 MPa，采取超前预注浆，加固范围为开挖轮廓线外7.0 m，初期支护完成后，进行径向注浆，将初期支护表面水压力降低到0.1 MPa，地层渗透系数降低到1.0×10-7m/s，不考虑围岩对外水压力的折减，外水压力直接作用在注浆加固圈外边界，且地下水在注浆加固圈中为雷诺数小于10的层流状态，渗流符合达西定律，若初期支护达到GB 50108-2008《地下工程防水技术规范》规定的二级防水标准，湿渍面积需占隧道周长的2/1 000。注浆后隧道的单位长度渗漏量为：
Q=43.40×0.002×1×1.0×10-7×(500-10)/7.0=6.076×10-7=0.052 5 m3/(m·d)。
该排水量和水压力可达到表1中的2级排水标准。
隧道初期支护的基面情况及其与围岩的密贴情况对防水层和二次衬砌的防水效果影响也很大。为了发挥初期支护的防水作用，初期支护的抗渗等级不得低于P6，初期支护和围岩之间的空隙应采用注浆回填，不允许出现空隙和空腔。在铺设防排板或喷涂防水涂料之前，基面上的渗漏水应采用注浆封堵或引排的方法进行处理，以保证基面上无明显的渗漏水点。在严寒和寒冷地区，初期支护表面的水应以封堵为主，不宜引排，堵水后表面应无湿渍。初期支护表面应平整，无空鼓、裂缝、松酥、露筋等现象，表面平整度应达到D/L≤1/10(L为基面两相邻凸面的距离，D为基面两相邻凸面凹进去的最大深度)，否则应采用补喷混凝土、涂抹防水砂浆或渗透结晶防水材料等方法进行处理。此外，初期支护壁面平整可以减少二次衬砌环向的约束应力，降低二次衬砌开裂风险；初期支护表面无渗漏水，可以防止防水板背后凹凸不平部位形成水囊。
5 隧道防水层及防水混凝土
5.1 防水层的设置及作用
防水层主要包括柔性防水层和刚性防水层，主要起到防水、隔离、阻水(阻止二次衬砌混凝土过快失水)的作用，目前隧道防水层常用柔性防水层。柔性防水层一般采用防水板或防水涂料，根据GB 50108-2008《地下工程防水技术规范》第4.3.8、4.3.9、4.4.8-2、4.5.8条关于防水卷材、涂膜防水层、防水板不透水性的规定为"压力0.3 MPa，保持120 min，不透水"。这说明防水卷材、涂膜及防水板可以短时间内承受较低水压，且能起到隔离作用，但在高水压长期作用下，难以起到防水作用。在复合式衬砌概念引入我国隧道设计和施工之前，我国20世纪50-70年代修建的川黔、贵昆、成昆、宝成等铁路线上的隧道均采用整体式衬砌，二次衬砌和围岩(临时支护)之间未设置防水层，目前部分隧道服役期限已经超过50年，仍在正常使用，衬砌质量好的隧道，防水效果也比较好。这说明混凝土结构自防水对于保证防水效果非常重要。
我国自1980采用盾构修建地铁试验段以来，截至2019年末，采用盾构法/TBM法修建的地铁隧道超过3 000 km，其管片背后空隙均采用注浆(同步注浆、二次注浆)或回填豆砾石及灌注砂浆进行处理，防水效果良好，大部分工程的渗漏量控制在0.2 L/(m2·d)以内。自20世纪80年代引入复合式衬砌结构以来，大部分复合式衬砌隧道设置了柔性防水层，但渗漏水现象经常发生，说明防水层并不是必须的，其承担的防水作用有限，只能起到辅助防水作用和隔离作用，减小二次衬砌的切向应力。为了减少二次衬砌混凝土开裂和提高防水效果，可采取其他隔离材料取代防水板或涂料，起到隔离作用。例如对于初期支护表面的明水可采用径向注浆封堵，局部出水点可采用盲管或排水板引排，并采用土工布包裹排水盲管和覆盖排水板，以防止回填注浆堵塞排水盲管和排水板。在二次衬砌达到一定强度后进行回填注浆，注入低强度的黏土-水泥浆或水泥砂浆等，以阻断渗水通道，起到防水作用。文献[18] 根据深圳地铁1号线会展中心-市民中心区间正线隧道及西北联络线隧道的施工经验，提出"对于采用喷锚构筑法施工的暗挖隧道或先做防水层的明挖车站 ,建议取消防水层中的防水板, 保留无纺布"。无纺布作为初期支护与二次衬砌之间的隔离层,允许围岩在二次衬砌结束后有少量变形,以减少围岩对二次衬砌的约束,并降低二次衬砌的干缩裂纹。蒙华铁路段家坪隧道、高家山隧道、西坪塬隧道已经进行了取消二次衬砌背后防水板的试验，取得了较好的效果。
关于柔性防水层的检查，目前现场主要通过充气检查防水板焊缝质量，为了保证整体防水质量，需要对防水层的整体防水性能进行检查。因此，应根据模板台车每循环浇筑长度，将防水板(涂膜层)铺设(喷涂)在预先铺好的垫层上，以6～12 m为1个单元，将防水板(涂膜层)两端搭接部位的基面用防水砂浆找平，将防水板(涂膜层)一端牢固焊接(或粘结)在基面上，另一端牢固焊接(或粘结)在预先铺设好的防水卷材上(涂膜层)。半包防水层应将底边粘贴在基面上，在拱部、边墙、底板分别进行充水检查。检查方法应参考防水板搭接缝检查方法，检查点数不应少于4个，其中拱部、左右边墙、底板至少各1个，应能达到"压力0.3 MPa，保持120 min，不透水"的要求。检查后，将水放掉，再将检查点补粘或补喷。
5.2 防水混凝土
防水混凝土是隧道防水最重要，也是最后一道防线。GB 50108-2008《地下工程防水技术规范》第4.1.4条规定了不同埋深条件下防水混凝土的抗渗指标，例如隧道埋深超过30 m，防水混凝土的抗渗等级应达到P12。按照GB/T 50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》规定的抗渗试验方法，P12防水混凝土可承受1.2 MPa的水压力，且能够保证96 h不漏水。圆梁山隧道等工程的水压力监测结果表明，如果高水压长期作用，混凝土会发生慢渗现象。对于现浇混凝土，采用现场钻芯进行室内抗渗试验，以检验抗渗效果；对于混凝土预制管片、钢管片，主要进行拼装试验，以检验抗渗效果。然而，这些方法都带有局限性，无法全面反映混凝土施作完成后的抗渗效果。为了全面反映混凝土施工完成后的抗渗性能，在二次衬砌混凝土拆模后，应对每一环(一般6～12 m)或几环混凝土衬砌的端头进行密封，当混凝土达到设计强度后，进行回填灌浆，当回填灌浆达到设计强度后，在拱顶、边墙、底板中间位置分别钻孔进行压水检查。为了保证结构安全，压水试验压力宜小于设计抗渗压力(0.2～0.3 MPa)，压力保持时间应不少于30 min，检查点不少于4个，拱部、左边墙、右边墙、底板至少各1个，检查孔宜布置在混凝土灌注孔附近，钻孔深度应不小于衬砌厚度；整环抗渗检查合格，说明该环衬砌混凝土及施工缝、变形缝、后浇带等接缝抗渗也合格。
由于现浇混凝土施工工艺复杂，受原材料、配合比、搅拌、运输、灌注、振捣、养护等多种因素影响，施工质量存在波动现象，有时局部会发生强度不足、厚度不够、背后脱空或不密实、温度裂缝等现象，设计的抗渗指标难以保证，因此，复合式衬砌隧道也应采用预制管片拼装的方法施作二次衬砌。不掺引气剂的混凝土空隙率为1%左右，而钢材的空隙率一般在0.2%以下，其密实度和抗渗性远大于混凝土，因此，对于设计水压力大于1.0 MPa的隧道二次衬砌，宜采用钢管片、合金管片、钢混组合管片等强度高、均匀性好、空隙率低的材料，以保证结构在长期高水压作用下的抗渗能力和稳定性。
预制拼装管片面临加工和安装需要专用装备、技术和工艺复杂、加工和安装精度要求高、防水和密封要抗高水压等挑战，目前在盾构隧道的正洞与联通通道交叉位置使用较多，需要在今后的工作中进一步深入研究和完善。中铁隧道局集团有限公司等单位联合在重庆东环线襄渝联络线上的胡家沟隧道V级围岩地段，开展了隧道拱部二次衬砌预制拼装试验，并取得了成功。为了更好地推广预制拼装管片，应进一步研究以下问题。
1)结构计算问题。初期支护和预制管片在外荷载作用下的受力变形、承载能力、稳定性及耐久性问题，在不同地质、环境、使用条件下，初期支护、管片的荷载如何分配，结构及连接件安全系数的确定等。在Ⅰ-Ⅲ级围岩中，建议将围岩和初期支护作为主要受力结构，适当减小管片厚度和配筋率，以降低工程造价。
2)管片加工和安装精度问题。建议采用GB 50446-2017《盾构法隧道施工及验收规范》规定的加工和安装精度要求，经过实践检验，该规范提出的相关指标是比较合理的。
3)接头问题。管片纵向和环向的连接方式是采用螺栓连接还是采用榫接，如果管片需要抵抗高水压，建议采用螺栓连接和榫接组合的方式。
4)防水问题。为了抵抗高水压，管片端面应设置2道弹性密封垫进行防水。管片安装前，初期支护表面应进行注浆堵水，做到没有明水(流、滴、流挂等)现象，管片背后应安设环向、纵向排水盲管、中心排水盲管及排水板，通过排水盲管或排水板、横向排水管等将管片背后的水排出洞外，以降低和控制管片背后的水压力。管片背后环状空隙应灌注豆砾石并进行回填灌浆，防止脱空。
5)为了实现快速拼装，应生产专用设备用于管片运输、安装和挤紧，建议在安装设备上设置撑靴，以提供反力，纵向挤紧管片。
6)进一步提升信息化、智能化施工水平，在施工和运营过程中应加强管片受力变形、隆沉、开裂、渗漏水等的监测和智能化分析，监控和评价构件及结构的安全状况，并及时维修养护，实现信息化、智能化施工和管理。
6 结论与展望
1)隧道允许排水量和水压力是隧道设计的重要指标，关系到隧道的抗渗要求、结构稳定、环境安全、运营成本等，因此，在隧道设计中应依据地质、环境、使用功能、运营条件进行深入分析，合理选择和确定，并制订具体的限量排放措施和标准，以保证隧道渗漏水达标、结构稳定和运营、环境安全。对于采用复合式衬砌的隧道，如果能满足环境保护及使用功能要求，其全隧道排水量宜控制在1.0 m3/(m·d)以内，二次衬砌背后承受的水压力最大宜控制在1.0 MPa以内。
2)对于高水压、富水隧道，隧道底板是防排水的薄弱环节，在高水压和动载作用下，容易发生底板混凝土开裂、隆起及翻浆冒泥。为了减少隧道渗漏水发生的概率，并保证隧道结构的稳定，可考虑将拱、墙防排水体系和仰拱防排水体系分开设置，拱部、侧墙部位的渗水直接排入侧沟，仰拱部位的水主要通过纵向中心排水盲管排出。当水压力高时，通过与中心排水盲管连通的横向排水管将水引入新增的侧沟，并通过在横向排水管出水口安装的阀门进行限量排放。
3)降低围岩渗透系数和提高围岩强度及完整性是减小隧道涌水量和二次衬砌背后水压力的重要措施。应通过地面隔离墙(咬和桩)、地面注浆、洞内注浆、旋喷、超前管棚、超前管幕、施作双层衬砌等措施，阻断和减小来水通道，提高地层强度和完整性，降低隧道涌水量和衬砌背后的水压力，并降低大量排水对隧道运营和环境的不利影响。
4)受多种因素的影响，复合式衬砌隧道现场浇筑混凝土的强度、厚度、抗渗性存在一定的波动，其整体性能无法和工厂化生产的相同抗渗及强度等级的预制混凝土相比，因此，二次衬砌采用预制拼装混凝土(钢管片、钢混复合结构等)将是一个发展方向。同时，现场对实体工程的整体抗渗检测和评价也是一个值得重视的问题，应继续研究相关的方法和标准。
5)本文重点对隧道允许排水量、衬砌背后的水压力、防排水体系等问题进行了探讨，但隧道的安全稳定与土压力、动荷载、单位长度出水点个数及单点的涌水量、水压力、泥砂含量等也有很大的关系，下一步应针对该方面的问题进一步分析和探讨。
