公路隧道复合排水方案及测试研究

乐晟

（中铁隧道局集团路桥工程有限公司，天津 300308）

随着交通事业的快速发展，我国已经成为世界公路里程大国。在遍布全国的公路网系统中，隧道扮演了十分重要的角色[1]。据不完全统计，我国公路隧道数量超过22 000座，位居世界前列。我国公路系统之所以修建了如此很多的隧道，与我国地形复杂、山体结构较多有关。隧道可以缩短交通线长度，给公路的运营使用带来更高的效率。但是，隧道会受到多种因素的干扰，导致安全性降低和使用寿命下降[2]。其中最严重的威胁就是渗漏水问题。渗漏水是由隧道排水方案不合理或者考虑不周所致，并会引发隧道局部腐蚀、开裂以及冻炸等一系列继发危害[3]。在隧道排水方案的设计过程中需要充分考虑隧道本身及附近的地质和气候因素，进而进行合理的排水材料选择和排水方案制定。该文将针对公路隧道系统进行复合排水方案设计并进行测试。

1 公路隧道复合排水方案设计

公路隧道一般都要进行防水、排水系统设计，如果防水和排水失效，就会造成隧道衬砌渗漏水。大量的渗漏水会直接导致公路隧道无法正常通行，同时还有可能影响隧道使用寿命。即便是少量的渗漏水，也会造成隧道内路面湿滑，使过往车辆打滑。渗漏水也可能威胁隧道内的电气系统，如照明和动力电路，这都会埋下安全隐患。

从隧道渗漏水的具体形式看，又有4种不同的情况，即浸渗式的渗漏水、滴漏式的渗漏水、涌流式的渗漏水和喷射式的渗漏水。其中，发生第一种情况的渗漏，隧道表面会呈现湿润状态，但是无法找到确定的渗漏点；发生第二种情况的渗漏，隧道表面会表现为水滴形式的渗漏；发生第三种情况的渗漏，隧道表面会表现为线状水流的渗漏；发生第四种情况的渗漏，隧道表面会表现为水流喷射而出的渗漏。根据调查结果显示，公路隧道各种形式的渗漏水占比如图1所示。

如图1所示，在这一调查过程中，参与调查的公路隧道渗漏水事件一共有400多起，其中浸渗式的渗漏水占比高达87%以上，是公路隧道渗漏水最主要的形式。其次是滴漏式的渗漏水，占比为12.23%。涌流式的渗漏水占比仅有0.48%。而最严重的喷射式的渗漏水没有发生，出现概率为0%。可见，对公路隧道渗漏水，应主要预防浸渗式的渗漏水和滴漏式的渗漏水这2种形式。

图1 公路隧道各种形式的渗漏水占比

对公路隧道的渗漏水问题，一般采取的处理措施是防排结合。这里的“防”是指以封堵为主的防范措施。这里的“排”是指以排水为主的防范措施。其中封堵措施更多地体现了被动防御，而排水措施更多地体现了主动疏导。根据公路隧道实际情况的不同，有的采用全防措施，有的采用全排措施，有的采用半防半排措施。

对防水处理，一般采用防水材料制成防水板或防水层。对排水处理，主要是设计各种排水管道和沟槽，便于将渗涌出的水分导引到隧道外。常见的排水形式包括中心排水沟槽、横向排水管道、纵向排水管道以及环向排水管道。具体采取何种形式，需要视隧道的实际情况而定。

为了达到更好的防治渗漏水效果，该文设计了一种防排结合、复合排水的综合处理方案，如图2所示。

图2 该文提出的公路隧道防渗漏水方案

该方案体现了防水和排水的结合，在初期支护和二次防水衬砌之间加入排水板，体现了防水和排水的融合。排水板按照合适的间距沿着隧道方向形成了环形排列，这样排水板就间接发挥了环向排水管道的作用。同时，排水板末端接通纵向排水管道，实现了排水系统的畅通连接。这一方案的特点是防水板起到了第一层防渗漏作用，如果防水板失效，排水板会将渗漏的水分导入纵向排水管道，并通过横向排水管道导引到中央排水沟，进而形成了第二层防渗漏作用。如果排水失效，还有二次防水衬砌进行第三层保护。

2 排水板材料渗透性能分析

分析图1可知，浸渗是隧道渗漏水最主要的危害方式。浸渗系数一般的数学描述如公式（1）所示。

式中：KT为一种防水材料在温度为T摄氏度时的浸渗系数；Q为在t时间内透过防水材料的水流量；L为测压孔之间的距离；H为平均水位。

水位平面高度的计算如公式（2）所示。

式中：H1为最高水位高度；H2为最低水位高度。

在图2给出的该文设计的公路隧道防渗漏水方案中，排水板扮演着非常重要的角色。一方面，排水板嵌入初期支护和二次防水衬砌之间，形成了防水系统和排水系统的结合。另一方面，排水板是渗漏水的第一接收单元，只有它有效工作，才能将渗漏的水分导入纵向排水管道，进而导入横向排水管道和中央排水沟，实现有效排水。

从实际使用的情况来看，不同公路隧道使用了不同的排水材料，有的使用毛细排水板，有的使用凸壳排水板，有的使用土工布。为了找到排水性能更好的材料，该文对这3种材料的排水性能进行了测试和分析。

毛细排水板有2种制作坊式，一种是单面涂覆聚氯乙烯，一种是双面涂覆聚氯乙烯，进而分别形成单面毛细排水板和双面毛细排水管2种规格。聚氯乙烯具有4个突出的特点，使其有助于排水功能的实现。第一个特点，聚氯乙烯制成的排水板，表面张力特别好；第二个特点，聚氯乙烯材料会发生毛细现象，这也是其被称为毛细排水板的由来；第三个特点，聚氯乙烯材料具有虹吸能力，有助于排水；第四个特点，聚氯乙烯材料还可以实现重力排水。

凸壳排水板制作过程中以密度较高的聚乙烯材料为主要原料。聚乙烯本身就是一种环保材料，品质较高。尤其是聚乙烯材料硬度很大，抗压强度很高，在较大承载力的情况下也不会轻易出现破损、塌陷、变形、折断和撕裂。更难得的是，聚乙烯材料延展性能很好，可以根据隧道壁的形状进行成型加工。

土工布是一种非常常见的工程建筑材料，主要由合成纤维制成，制作工艺一般是以编织为主。土工布不仅在公路隧道防排水中发挥作用，还被大量使用在路面养护、环境保护、河堤防护等建筑施工作业中，既可以长期使用，也可以临时短期使用。

3 3种材料排水性能测试试验与分析

为了能够给该文的复合排水方案选择更好的排水板材料，该文对毛细排水板、凸壳排水板、土工布3种材料进行了排水性能测试。该测试的主要参数是单位时间的排水量，其理论计算公式如公式（3）所示。

式中：Q为单位时间内通过排水板材料的水的流量；Vn为某一时间段内流过的总水量；tE为结束采集的时间；tB为开始采集的时间。

试验过程中，分别选择毛细排水板、凸壳排水板和土工布为材料制成排水板，设定试验中最大进水量为1700cm3，随着时间的变化不断改变水流压强，进而得到3种材料的排水性能曲线。毛细排水板的排水性能曲线如图3所示。

图3中，纵轴为排水板的排水流量，横轴为排水时间，水流压强分别设定为0.75 kPa、7.5 kPa、50 kPa和100 kPa。从图3可以看出，随着水流压强的不断增大，毛细排水板的排水流量也不断增加。在水流压强为100 kPa的情况下，其排水流量一直保持在750cm3/s以上。而在水流压强为0.75 kPa、7.5 kPa的情况下，其排水流量一直低于300cm3/s。

图3 毛细排水板的排水性能曲线

凸壳排水板的排水性能曲线如图4所示。

图4中，纵轴为排水板的排水流量，横轴为排水时间，水流压强设定为7.5 kPa。从图4可以看出，在水流压强为7.5 kPa的情况下，其排水流量一直高于300cm3/s。可见在同等水流压强的情况下，凸壳排水板的排水性能要优于毛细排水板。

图4 凸壳排水板的排水性能曲线

土工布的排水性能曲线如图5所示。

图5 土工布的排水性能曲线

图5中，纵轴为排水板的排水流量，横轴为排水时间，水流压强分别设定为0.75 kPa、7.5 kPa、50 kPa和100 kPa。从图5可以看出，随着水流压强的不断增大，土工布的排水流量也不断增加。在水流压强为100 kPa的情况下，其排水流量一直保持在20cm3/s以上。而在水流压强为0.75 kPa、7.5 kPa的情况下，其排水流量一直低于10cm3/s。从3种材料的对比结果可以看出，土工布的排水性能要明显低于凸壳排水板和毛细排水板。

4 结论

渗漏水是公路隧道安全的最常见危害之一。为了有效地防御公路隧道的渗漏水，该文提出了一种复合排水方案。首先，对公路隧道渗漏水的常见形式进行了分析，统计结果显示浸渗式渗漏、滴漏式渗漏、涌流式渗漏的占比较高。其次，设计了防排结合、以排水板为中枢的复合排水方案。在该文的设计方案中，排水板被嵌入初期支护和二次防水衬砌之间，并连通了纵向排水管道、横向排水管道和中心排水沟。以毛细排水板、凸壳排水板以及土工布3种材料制作排水板，并进行排水性能测试，结果显示：凸壳排水板的排水性能最好，其次是毛细排水板。土工布的排水性能较差，但具有性价比优势。