新型排水板在富水地层隧道性能试验及施工技术

石良波

( 中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750 )

我国在铁路和公路隧道的防水排水设计及施工中取得了一些成果，积累了一定的经验，但部分隧道仍存在不同程度的漏水情况。目前一些防水产品排水功能不强是影响隧道防排水效果的主要因素之一，特别是传统的排水盲管比较容易被堵塞，不便于维修，导致排水系统不能发挥有效排水功能。

目前，“外排内防”的隧道防排水理念正在大力推广，隧道具有排水功能的凸壳排水板和毛细排水板应用越来越广泛，极大地降低了“全防”隧道施工缝渗漏水的风险[1]。排水板可以有效凸显对地下水的排泄作用，特别是地下水发育地段通过排水板实现富含水地段对渗水的引排，而且排水板的排水效果明显好于环向盲管[2]。本文结合某公路隧道对防水排水板排水和防水进行研究，通过比选，将毛细管排水板因地制宜应用隧道泥沙较多富水软岩区，经监测发现防渗漏水效果良好，本文对更好提高产品性能、优化设计、提升相关规范标准有一定的借鉴意义。

1 复合式防排水系统的优化设计

目前，传统公路或铁路隧道复合式衬砌结构采用的防水材料大多为平板型防水材料，无法实现与二次衬砌混凝土进行密合，自身不具备排水能力，非常容易出现窜水现象，需要配置很多环向、纵向排水管辅助排水。由于传统排水效果欠佳，导致隧道现场水位会升高、二次衬砌压力增大，并导致结构变形开裂，威胁隧道的长期运行安全[3]，传统防排水系统如图1所示。

图1 传统防排水系统

为提高隧道的防排水能力，隧道二衬与防水板中间应布置排水板，如图2所示。排水板纵向间距一般是2～5 m，进行施工时，排水板间距可根据情况适当调整，具体铺设方法基本与环向盲管相同；在实际运用时，能关闭排水管道螺栓清淤防淤积，具有方便维护的功效[3]。

图2 复合式防排水系统示意

2 隧道施工缝新型排水板研究

2.1 新型排水板的分类

1)毛细型排水板。其成分为聚氯乙烯，简称为PVC，通常有单面型及双面型2种形式[4]，如图3所示。

图3 毛细型排水板外观

2)凸壳排水板。凸壳排水板主要由高密度聚乙烯制成，简称为PE，即热塑性树脂塑料板，按照特殊工艺加工而成凸圆柱壳，形成独立的立体空间[5]，如图4所示。

图4 凸壳型排水板外观

2.2 新型排水板的工作原理

凸壳型排水板的凸壳和凹面分别贴近初支和二衬，并留出间隙，借助该间隙实现排水功能。而毛细型排水板是借助该材质具备的表面张力、自重力、毛细力以及虹吸力进行有效排水[6]。

2.3 新型排水板的规格尺寸

凸壳型排水板和毛细型排水板两种新型排水板的具体规格见表1、表2。

表1 凸壳型排水板的规格尺寸 mm

表2 毛细型排水板的规格尺寸 mm

2.4 排水板试验方案

为检验排水板的排水效果以及防淤堵效果，依据试验成果指导实践，遵循《土工布及其有关产品平面内水流量的测定》(GB/T17633—2019)。另外，考虑隧道埋深实际开展试验。

2.4.1 试验装置

传统的试验仪器展开试验时水头差偏小，支护压力偏弱，测试仪器和实际隧道工况有较大出入，因而对排水板的排水性能测试误差较大。因此，通过详细勘察调研，并参考有关试验，通过比选，引入张素磊等研发的排水性能试验装置，该装置包括：液压加载装置，具有可实现液面高度的可视化监测的储水模型箱液压加载装置，水量采集装置，以及水压加载装置等，进行新型排水板的排水能力试验及抗淤堵能力试验，排水板试验装置如图5所示。

图5 新型排水板排水性能试验装置

2.4.2 试验内容

依据《土工布及其有关产品平面内水流量的测定》(GB/T 17633—2019)设置水压力值，确保0.1和1.0两个不同的水压梯度；此外，参考隧道埋深和试验最大水压不超过100 kPa。

根据现场监测资料，结合部分公路隧道、铁路隧道、地铁隧道的监测结果，设置支护压力。完成二衬施工以后，2层支护压力逐步提高，支护压力依次设置为20、150、250、350、500 kPa 5级。

2.4.3 抗淤积能力试验

该试验用水应更换为泥沙混合水，泥沙粒径不超过2 mm，并将泥沙混合水充分混合。开展试验时，水压力和支护压力分别为0.75 kPa和150 kPa，为评测凸壳型排水板和毛细型排水板两种新型排水板抗淤堵能力，把排水流量和含沙量作为重要指标开展观测。

2.4.4 排水能力试验

为了避免水模型箱中水的颗粒干扰试验结果，一般选取纯水展开排水试验，试验参数设置一览表见表3。

表3 试验参数设置

按照试验规程的规范，模拟处于隧道施工状态，凸壳型排水板和毛细型排水板两种新型排水板沿水流动方向长度和宽度要求务必分别超过30 cm和20 cm，该实验中，放置在排水通道中的两种试验排水板长度和宽度设置为60 cm×30 cm，无论是支护压力还是水压力，按照表3每变换一个等级，需要保持6 min，重复两次，获得三组数据。

2.5 试验结果分析

1)为了测试在不同工况下凸壳型排水板和毛细型排水板两种新型排水板的防淤堵性能，泥沙混合水排水试验中单位时间排水量的相对变化曲线如图6所示。

图6 单位时间排水量的相对变化曲线

可以看出，两种排水板排水能力基本不变。通过试验观察，通过凸壳型排水板的排水非常混浊，而通过毛细型排水板的排水比较纯净。完成试验后，水箱内和排水板表面淤积物质量见表4。

表4 淤积物质量 g

从表4可以看出，将毛细型排水板和凸壳型排水板表面与集水箱淤积物质量进行对比，凸壳型排水板都偏高，证明毛细型排水板防淤堵功能优。

2)7.5 kPa水压状态下是凸壳型排水板试验排水流量的峰值，因此只设置一个进水压力。试验期间，凸壳型排水板和毛细型排水板两种新型排水板流量变化规律曲线如图7所示。从图7可以看出，随着支撑压力的增加，流量减少幅度先大后小，后来趋于平缓。

图7 不同支护压力下流量

3)为了把支护压力维持在250 kPa，开展排水能力试验发现，毛细型排水板随着水压的增大，流量也在递增，而凸壳型排水板流量基本维持在310 cm3，证明凸壳型排水板的排水泄压性能更优。

4)对于排水及封堵结合的区域比较适合排水板，比如二衬拱墙施工缝或地下水较丰富地区比较适合采用排水板。另外，根据隧道地质情况和水文环境有针对性地选择地层岩性配置凸壳型以及毛细型排水板。富含水软弱围岩隧道适合毛细型排水板，另外毛细型排水板不容易造成排水系统淤堵，而富含水硬质隧道适合凸壳型排水板。

3 毛细型排水板在实际工程中的应用

3.1 工程简介

某公路隧道左线隧道全长317 m，右线隧道全长464 m，隧道平均涌水量约为1 800 m3/d，最大涌水量接近30 000 m3/d，存在弱富水区、中等富水区。

3.2 试验设计

本段隧道围岩十分破碎，围岩等级是Ⅴ、Ⅵ级，岩性差，透水性强。裂缝处可能有较大涌水，从前面试验分析，因为毛细排水板适用于富水软弱围岩隧道，所以该隧道采用试验测试中的毛细型排水板，施工前应进行试验，选定试验段位于集水区较广的小沟壑中，受大气降水影响较大。圆周方向铺设排水板，周间距2 m；为防止试验段防水板后的渗漏流落衬砌后，采用分区防水技术，对隧道整体防水性能产生影响。

在隧道底部拱脚位置分别安装排水管，试验期间，关闭排水管阀门，利于监测水压的变化。传感器设置于试验段左右壁进行监测。另外挑选半径为12.25 mm左右的渗透压计对孔隙中的水压变化进行监测。压力箱直接固定在第二衬的内筋上，靠近防水板。此时，监测值可以较直接地反映初始支架和第二衬之间的接触压力。

3.3 复合防排水系统优化设计

常规隧道设计施工缝防排水一般采用多通道加强排水，然而，施工缝是隧道排水比较薄弱的环节，该工程通过引入“中埋式止水带+排水板”的施工工艺，设置排水沟，把隧道涌水(渗漏水)排到纵向盲管，最后排入隧道侧沟中，防止施工缝一直承受高水压。

3.4 施工步骤

基础表面处理→结构防水排水施工→排水板测量定位→排水板安装→二次衬砌钢筋绑扎，渠道、衬砌台车安装到位→止水带焊接→二次衬砌混凝土浇筑、顶升保压→模板灌浆。

3.5 施工作业要点

3.5.1 基层表面处理

初支喷混凝土施工经钻孔检测、雷达扫描、断面扫描合格后，在结构防水排水施工前，对初支喷混凝土表面及其漏水情况进行检查处理。

1)初始支撑面平整，无空洞、裂纹、松动。凹坑深宽比小于1/10，当大于1/10时，通过砂浆、喷射混凝土形式将凹坑找平，螺栓头、钢管头、钢筋露头等突出物应切断平整，并用砂浆、喷射混凝土和细骨料混凝土覆盖。

2)初支护面出现股水涌出时，最好进行局部或周边灌浆封堵。进行封堵之后的剩余水，可以通过盲管和排水板引至边沟，或直接钻入基岩不小于50 cm，并用110PVC半管引排到沟内。

3.5.2 防水排水结构施工

仰拱衬砌施工前，土工布、防水板已通过铆钉固定在侧墙，接着安装半径为40 mm纵向盲管和半径为25 mm的环向盲管，并预留拱墙衬砌后结构防水排水施工的一定搭接长度。

1)圆形排水盲管布设：用无纺布包裹好半径25 mm环向打孔波纹管，应靠近初始支护面，按间距50～100 cm，在初始支撑面上固定长20 cm、宽5 cm的带状防水板；两端预留的圆形盲管和侧壁通过包扎无纺布进行有效牢固连接。

2)土工布、防水板敷设：初支护基本稳定后，进行无纺布土工布敷设，通常要求拱高0.5 mm，侧墙以下0.5 m，间距8 m，呈五角形，固定在初始支撑面上，并要求平整、隆起、褶皱。而下一步铺设防水板时，板缝间留有气路，便于焊接质量检测，同时搭接接头，围岩变形、施工缝、集中出水口等弱防水部位错开至少100 cm。

3.5.3 排水板的测量和定位

结构防水排水验收后，根据拱部最易出现孔洞、不压实的范围，勘察组应采用全站仪测量并在防水板标记出隧道中线、线路左右中线、隧道中线与线路左右中线之间的中线，这五条线是排水板的敷设位置。

3.5.4 安装排水板

1)采用spb-c排水板，用土工布包裹。

2)在防水板上把排水板牢固焊接，在台车一端预留30～50 cm位置，方便把积水有效排出，在二衬端以及衬砌台车中心位置142°区间内安装好环向排水板。

3)排水板的严密性应与拱形防水板的紧密性一致，并应确保安装严密。

3.5.5 绑扎二次衬砌钢筋及冲顶持压

将小车就位，排水板安装完毕后，应按设计要求依次安装二次衬砌钢筋和埋槽。验收合格后，才能复核调整，封堵端头模。

衬砌台车检查合格后，逐层、逐窗振捣浇筑混凝土。拱顶浇筑完毕后，为排水板预留一定的排气时间。二次衬砌冠混凝土泵送满后，停止10 min左右，再次泵送1次，接着暂停10 min，再次泵送，如此循环3～5次。判断混凝土冲顶饱满度标准是，泵压连续泵送10 min时，排水板端部滴水的间隔不小于2 s。

3.5.6 带模灌浆

浇筑完二次衬砌混凝土后的1 h内，完成带模灌浆。此时，浸透排水板上的水泥浆已用土工材料包裹，尚未固化，且可继续排出，从而达到滤水灌浆的效果。

3.6 质量控制

混凝土采用合格原材料，在搅拌站拌和，分层浇筑，逐窗进行振捣。浇筑时应控制浇筑质量。冲顶时必须提高混凝土坍落度，冲顶结束前应保持一段时间，以确保完全冲顶。

3.7 试验监测和结果

隧道涌水较大时，带排水板的试验段水压提高，但水压值小于非排水段的一半，由此证明排水板发挥了排水泄压的功能，通过雷达自检，衬砌无空洞，质量有保证，经济效益显著。

4 结论

凸壳型排水板和毛细型排水板可以改变在施工缝和二次衬砌后长期高压下隧道渗漏问题。随着支护压力的不断增大到一定的峰值，流量的减小范围受到限制。富含水软弱围岩隧道适合毛细型排水板，另外毛细型排水板不容易造成排水系统淤堵，而富含水硬质隧道适合凸壳型排水板。最好采用自粘排水板，可与防水板、无纺布紧密粘贴，也可串联排料。总之，排水板应结合工程实际合理选择，不得盲目使用。排水板的类型必须适应工程建设的实际情况，才能保证最佳排水效果。