复合式隧道防排水系统的设计与试验

熊芸浩

（四川鼎能路桥工程有限公司，四川 宜宾 644000）

0 引言

近年来，我国隧道工程越来越多，尤其交通工程涉及到的隧道工程飞速增长。隧道工程需要良好的日常维护才能确保安全运营。隧道出现渗水、漏水和淤泥堆积等现象会严重影响交通安全，车辆经过淤泥可能出现打滑等状况，从而存在极大的安全隐患。这些问题主要是由于隧道的防排水系统老化、系统设计不合理等原因造成。因此，为保障隧道的正常运行，对其防排水系统进行改进和维护是必然的选择和面临的难题，也是众多学者研究的重点。马岩[1]等提出了基于模糊综合评价法的公路隧道防排水系统评价体系，通过模糊评价的方法对隧道安全性进行评估，找出其存在的安全隐患，给出相应的措施和解决方案；冯升[2]等针对利万高速公路齐岳山隧道，对其内部的防排水系统进行了优化处理，通过增加防水板和排水板，得到复合式系统，一定程度上加强了系统的防排水能力；张进[3]对富水环境下隧道地下水限量排放的衬砌外水进行了压力分析，通过实际考察和工程试验后发现，对防排水系统进行加固处理，能够降低淤泥量，具有一定的可行性。根据以上研究，对传统防排水系统进行改进，得到复合式防排水系统，通过该系统提升隧道防排水能力，为同领域的防排水研究提供数据参考和技术支持。

1 防排水系统试验方案

1.1 设计方案

目前，较为常见的隧道防排水系统主要遵循防排堵截的原理进行设计，通过地质雷达法对山区隧道进行勘测，由此获取隧道的内部构造和岩石等信息。其中，传统隧道防排水系统主要由初期支护、无纺土工布、二次衬砌、环纵向盲管、防水板和重心排水沟等组成[4]。该系统的防排水流程为：防水措施中，利用地质雷达法对山区隧道进行勘测，获取隧道地质信息；通过水泥注浆加强隧道防护，降低渗水量[5]；初步进行支架护理，通过防水板对渗水进行隔离，再进行二次衬砌；完成隧道防水。排水过程中，采集渗水后，将其输入至排水管内，逐渐流出隧道外[6]。传统的隧道防排水系统存在如盲管施工不规范、盲管堵塞、初期支护表面不平整、土工布分布不均等问题，导致隧道出现裂缝、内部结构变形，严重影响隧道的正常运行，为后期隧道维护带来了严重的安全隐患[7]。基于此，在隧道防水板和二次衬砌间增加排水板，得到复合式防排水系统，如图1。

图1 复合式防排水系统示意图

其中，排水板的纵向分布主要根据隧道内的实际情况进行设置，一般设置在2～5m范围内，排水板铺设与环向盲管大体相同，选择在排水板外部边缘加上土工布，以避免灌注水泥时堵塞排水管[8]。同时将其开槽深度设置为最低50mm，通过结构胶封闭开槽部位。设置维护接头，将其与电缆沟连接和密封，由此得到整个排水系统[9]。

该系统可以在隧道出现渗漏水时，将渗透的水进行封堵，利用排水通道将其排出隧道。提升隧道日常维护水平，降低工程造价[10]。同时，当盲管中出现淤堵时，该系统采用高压枪对淤堵进行冲洗，可降低管道淤堵概率，保障隧道安全。

1.2 试验材料与设备

本次试验材料选择厚度为20mm，孔径1mm的毛细型排水板；凸壳型排水板的厚度为110mm，凸壳高度和间距分别为10mm 和20mm；土工布厚度为40mm，规格为400g∕m2。

毛细型排水板是一种聚氯乙烯，主要分为单面和双面的型号，通过材料表面张力、毛细现象、虹吸力和重力现象进行排水，具备抗淤堵和抗压力强的优点，可避免土壤流失，加强排水，适用于边坡、公路、隧道等工程的排水。凸壳型排水板是一种高密度的聚乙烯环保材料（HDPE），也可称之为HDPE排水板，具备硬度大、抗压和抗撕裂强度高等优点。土工布则为合成纤维，通常选择编织或针刺制成的土工合成材料，可进行隔离、过滤、排水、防护，具备透水性好的优点，在公路路面、堤坝和隧道防护等工程中得到广泛应用。

为验证土工合成材料的排水性能，根据实际条件，将设计一个试验装置，分别为储水箱、水压、液压和水量采集设备等，储水箱大小为27cm×85cm×27cm，各零部件组成为高强度螺栓，在水箱内部设置4mm高度的橡胶垫，以确保水箱密封性能。水压装置承载力为10kPa。排水板尺寸 为50cm×25cm，支 护 压 力 分 别 为20kPa、150kPa、250kPa、350kPa、500kPa；水压力分别为0.75kPa、7.5kPa、50kPa、100kPa。

2 试验结果

为验证排水材料的应用效果，将在不同支护压力下对三种排水材料进行排水能力测试，首先，记录出水口排水量和时间，求出单位时间内流量，求解公式为：

式中：

Q——水流量；

Vn——n次采集水量；

tn，t′n——第n次采集开始和结束时间。

根据试验工况，得到不同支护压力下三种材料的性能。

由图2可知，同等条件下，土工布的下降速度明显高于排水板。当水压从20kPa增加至500kPa时，土工布的排水流量从60cm3∕s降低至25cm3∕s；毛细型排水板的流量从1130cm3∕s降低至760cm3∕s；凸壳型排水板从337cm3∕s降低至308cm3∕s。在100kPa水压下，三种排水材料的排水性能分别降低了75%、32.74%和8.6%。综合分析可知，土工布的排水性能受水压的影响最大，凸壳型排水板受水压影响最小。由此可知该排水板可以取得较好的排水效果，可取代传统排水板进行排水，可在隧道排水系统中进行应用。

图2 不同支护压力下流量

3 结束语

综上所述，设计的复合式隧道防排水系统具备可行性和有效性，通过在防水板与二次衬砌间增加排水板后，能够增强排水能力。实验发现，在不同支护压力下，设计的复合排水板的排水效果明显优于土工布，排水性能比土工布高，排水效果显著。实践证明，复合式隧道防排水系统适用于隧道防排水工程，对同领域防排水研究具有一定的参考意义。