高海拔寒区隧道防排水技术与措施研究

李鹏杰 LI Peng-jie；赵科研 ZHAO Ke-yan

（中交二公局第四工程有限公司，洛阳 471000）

0 引言

高海拔严寒地带的防排水施工方法在中国成功经验还很少，国外研究虽有所突破，但技术限制仍然严重。目前，中国在该方面还处在摸索时期，而已建设的少数高海拔严寒地带的隧道，也普遍存在着严重的施工病害，其中天山二号隧道[1-3]最为典型。天山二号隧道在建成后没有使用多久就停止使用其原因是由于施工单位在隧道防排水、防冻抗冻等方面的不良施工造成隧道结构保温措施失效，衬砌大量结冰且反复循环冻融使得隧道衬砌结构开裂、路面溢水结冻终年不化，造成了严重的财产损失。我国在1994年以来，在气候寒冷的地区，特别是高海拔高寒冷地区修建了70多座铁路隧道。很多寒区隧道由于气候和隧道防排水技术处理不当因而出现了大量衬砌漏水等病害[4-6]，1999的隧道资料统计显示，我国5000余座隧道，有60%以上的隧道存在隧道衬砌结构[7-8]渗漏等情况，这种冻害不仅仅导致混凝土衬砌耐久性大幅度降低，且破坏了隧道内部设施的功能，导致隧道环境恶化。在寒冷地区，隧道衬砌结构表面大量漏水，地表结冰，顶部出现冰柱，导致隧道不能正常使用。

目前，现有的隧道传统防水措施都是在国内现有的技术标准，以及国外成熟技术的基础上建立的，在隧道设计施工标准中，尽管国家早已对各类隧道的传统防水施工技术都作出了具体的规定，但仍有许多问题和缺陷，主要体现在以下两个方面：①有一部分规范缺乏明确的防水等级划分。目前规范对铁路隧道的要求仅按照一般的地下工程防水准则，对隧道防水等级尚未作出确切规定；具体的隧道情况，如隧道的线路等级、隧道的面积或断面、隧道的不同部位、隧道的长度、隧道的不同结构等，也缺乏相应的防水指标。②隧道防水施工、监理、验收不规范。虽然隧道设计和施工规范中有明确的防水规定，但是很少有人对各种防水措施的经济性以及效率进行深入研究，因此很多工程在这方面认识不足。在隧道竣工完成以后，质量管理部门同样也缺乏有用的检查方法和与之相对应的验收标准，单从衬砌表面来看并没有什么问题，按合格验收，远远不能保证当隧道正式运营后是否会出现渗漏水现象。

隧道防冻害的基础是防水，应尽量防止水靠近隧道的结构，尤其要防止水通过隧道防水内部构造。本文通过大量调研从寒冷地区隧道衬砌结构防排水的施工技术措施入手，为高海拔寒冷地区隧道防冻设计提供参考。

1 隧道衬砌结构渗漏水的主要因素

隧道渗漏水的原因[9]可分成人为因素和自然因素。

1.1 自然因素产生的影响

隧道衬砌结构发生渗漏水的一个客观因素是隧道开挖对地下水的影响。由水力学原理可知，地下水流由高压水位流向低压水位，存在着固定的流动路线，隧道开挖后，在临空面上会出现一个低压区。这种低水压区会改变隧道围岩的地下水流路线和力学特性，使得隧道围岩周围的地下水流向隧道内部，从而造成隧道衬砌结构及下部渗漏水。隧道开挖影响区大小与地层的渗透系数、水位高低、水断面大小等因素有关。此外，隧道开挖还受到大气降水、周围溶洞、泉水、水库或河流、湖泊深度的影响。

1.2 人为因素产生的影响

①隧道防排水系统存在缺陷：1）由于隧道排水管道埋设深度不合理，排水沟的深度不够导致被泥、砂、砂浆堵塞，泥浆不能正常排水；2）混凝土的施工缝、结构连接处、混凝土缺陷部位的防水设计、施工工艺和质量检验不严格。

②特殊地区（高海拔、高寒地区等）未使用特殊手段：1）混凝土衬砌由于经常受侵蚀性介质作用，表面出现起毛、蜂窝麻面等病害使得降低了混凝土材料强度，混凝土衬砌厚度变薄，导致隧道衬砌结构漏水日益严重；2）低温使衬砌内部的积水结冰，造成衬砌混凝土冻胀开裂衬砌结构渗漏水。

③目前铁路隧道施工规范还不完善，现有的规范无法指导铁路隧道的防排水技术施工，只有笼统的要求，规范上的内容更多的是一些定性描述，很少有定量的指标，而且有很多涉及高海拔高寒区隧道的施工内容并没有提到，有些施工标准的概念比较模糊，造成对防水质量要求认识的存在不同的理解，因此，不能够有效地指导和约束施工单位及设计单位。

2 防水层施工技术措施

防水层的失效是高海拔寒区隧道衬砌结构冻害产生的重要因素之一。如果防水层在施工过程中接缝严密，在使用运营阶段，防水层不被压破，隧道围岩背后的积水无论是否结冰，都不会穿过防水层而导致隧道衬砌结构产生渗漏、冻害。因此，保证防水层结构的完好不仅是寒区隧道防渗漏的关键，也是寒区隧道抗冻防冻的关键。

在工程施工当中，隧道衬砌混凝土接触面的不光滑和隧道衬砌接触面的法向和切向应力，在运行过程中容易造成防水层的损坏，从而使隧道在运行过程中发生渗漏[10-11]结冰。防水层在长期运营过程中损伤的主要原因是由于喷射混凝土表层不平滑。在隧道建设过程中为了保护防水层长期运营阶段不受破坏，需要采取相应的工程措施：

①在铺设防水层前，将喷射混凝土表面的螺栓端部剪断并弄平，对射喷混凝土表面明显凸起部分进行处理。

②喷射混凝土的过程中，喷射的工人须有足够的经验，加强喷射的水平，并增强对相关技术人员、监督管理人员的指导、管理和监督。

③喷射混凝土完工后，采用相应的表面抹平措施，即手工抹平和铁铲找平，虽然效果比其他的措施更加明显，但施工起来较为麻烦而且费时又费力。

总的来说，主要原因是由于开挖控制不严格造成的喷射混凝土表面不平整。所以，隧道开挖的质量要严格把控，在此基础上并对喷射混凝土的局部表面进行降糙处理。

①要对V级及以上的围岩表面进行抛光处理。V级及以上围岩在开挖后应力重分布过程中变形较大。因此，在这种情况下，喷射混凝土表面应仔细打磨，喷射混凝土表面应用砂浆打磨，从而减少混凝土表面的粗糙度。

②Ⅳ级围岩环强化抛光。与V级及以上围岩相比，Ⅳ级围岩的变形相对较小。可考虑喷混凝土表面沿环方向用水泥砂浆进行加固，筋带表面打磨。

③Ⅳ级以下隧道围岩表层喷砂浆。即便在爆破效果相对良好的情况下，喷射混凝土的表面粗糙程度仍然很高，所以有必要将喷射混凝土进行表面降糙处理，使其表面光滑耐磨。一种简单的降糙方法是在原有的喷射混凝土的表面基础上再进行水泥砂浆的喷射，尽可能达到砂浆表面平整的效果。

以上阐述的防水层的施工方法，总的来看施工过程相对麻烦，而且费时费力，尚未形成一套完整的施工工艺[12]。密贴法的设计关键是将有黏结性的填充物质充填于浇注混凝土的凹凸不平的部分和防水钢板内部，使防水板和隧道初期支护表面可以有效的连接在一起，然后在内部浇注衬砌混凝土，以此完成具有高度耐久性的防密贴构造，其细部结构如图1所示。

图1 密贴法结构图

密贴法和传统的隧道防水工法构造相较而言，不仅解决了喷射混凝土表面粗糙不平的问题[13-14]，而且让二次衬砌混凝土厚度均一，从而解决了以往二衬混凝土厚度局部薄弱问题。与传统的防水工法比较，密贴法的优点有以下几条：

①提升了二衬保温层的防水性：1）防水板被加工成1.5m宽的成品搬入隧道，大幅度减少了焊接工作；2）避免了由于锚杆顶部突出因而刮蹭到防水板从而造成防水板的破坏；3）避免了由于钢筋组装作业的过程中对防水材料的损坏。

②提高了二次衬砌混凝土的品质：1）二衬混凝土的厚度均匀；2）二衬与喷射混凝土两者在空间上完全隔离；3）通过混凝土填充防水板的内侧，消除了防水板局部脱空和空洞，形成与混凝土密贴的构造，封闭了地下水汇集的通道。

③降低了防水板的成本：1）防水层材料对于抗拉和抗剪的要求很低，因此防水层材料强度可以适当降低，但防水效果是充分的；2）降低了对喷射混凝土表面的粗糙部位的修补，大大减少了施工工序。

图2 普通防水工法

④减轻了隧道周边的作业环境负荷：1）用机械以及人力的方式对防水板进行敷设，大大降低了防水板的作业强度；2）施工过程中，可以复原隧道周边的水位。

图3 密贴法示意图

密贴法在施工循环上与传统铺设防水板的方法没有很明显的区别。传统防水板施工使用防水板台车将防水板直接敷设在喷射混凝土的表面上，然后再模筑二衬混凝土；密贴法施工中，防水板台车变成了加强的活动模板，先将防水板平铺在防水板台车上，随后在防水板和喷射混凝土之间充填注浆材料，最后模筑二衬混凝土。

3 排水体系施工技术

3.1 无接头止水带安装工艺

止水带的无接缝施工方法不同于常规的止水带施工方法。止水带的施工沟按模筑衬砌仰拱的环形，施工缝的宽度提前留出。在布置止水带前，把顶部的止水带上的钢筋固定在衬砌混凝土的模板上，并把止水带的下部插入预留的施工孔内。将顶端的止水带上的钢筋直径固定在模筑衬砌砼的模板上面，并将止水带的最下端嵌入预留的施工孔内。在安放止水带时，首先要将顶部的止水带用钢筋直径卡在模筑衬砌砼的顶端模板上，而后再将止水带的最下端卡入提前预留好的安装槽中；然后，再用建筑防水混凝土固定插入在安装槽中的止水带；最后一步，再浇灌模筑的衬砌用混凝土。

3.2 止水带施工工艺

用排水胶管防止施工缝隙渗漏的排水胶管，复合型橡胶止水带是对圆形施工缝隙防渗“先排后堵”的一类新型止水带，主要由翼缘、绕道子、止浆滤水带和胶条等构造而成，以绕圈子和翼缘止水带为基础，将止浆滤水带连接于翼缘上，与绕圈子构成了排水管道[15]。可排水的橡胶止水带或内置式止水带，通常设置于衬砌厚度的中部，以横断模筑衬砌环或施工缝。当部分渗水物在通过止浆滤水带后，顺着钢筋和止水带之间的空隙流淌后，就会遇到碰到粘贴在止水带翼缘上的橡胶条的围堵，从而使得渗水沿横向流动的阻力增大，使止水带的止水能力得到提高。

3.3 环向排水管

在防水涂料和模筑衬墙之间，设置了环向式排水系统。隧道的防排水措施要做到层层设防，层层排除。目前在工程上普遍被忽视的情况，是在防水涂料和模筑衬砌段间并没有排水管道，而通过防水层的地下水又无法进入隧洞的内部排水。所以要在隧道围岩渗水量较大的模筑衬砌段的中间、在防水涂料和模筑衬砌段间设置环向导流管，方法是用土工布制包有洞的φ<20的波纹导流管，然后再用专用胶水将其粘到防水涂料的表面上。

4 结论

①寒区隧道衬砌结构渗漏水的诱因分为自然因素和人为因素，其中人为因素是主要因素，主要体现在施工工艺不合格，对特殊环境没有采用特殊处理从而使隧道衬砌结构产生冻害。②隧道防冻的关键是保证防水层完好。寒区隧道防水层施工方法有密贴法和普通防水工法，应根据实际工程状况，择优选取。③由于高海拔寒区隧道的特殊条件气候，因此高寒地区隧道衬砌的防排水设计施工技术极为关键，一方面要以防大于排、截大于堵为基本原则构建完整的防水、排水系统，包括环向排水管等以及止水带，确保隧道内部排水通畅。