公路隧道排水系統堵塞成因及防治方法

毛意軍，周 明，孫 偉，岑佳能

（1.慈溪晨陸建設發展有限公司，浙江 寧波 315300；2.慈溪市交通建設工程質量監督站，浙江 寧波 315300；3.慈溪晟陸建設發展有限公司，浙江 寧波 315300）

引言

隨著隧道數量不斷增加，隧道修建也逐漸向崇山峻嶺蔓延，然而在隧道修建過程中也暴露出了一些問題，如排水系統堵塞。尤其在我國西南、西北地區，隧道排水系統出現了大量的結晶堵塞情況，如重慶中梁山隧道[1]、甘肅胡麻嶺隧道[2]、貴州天水隧道[3]等。而排水系統堵塞是誘發隧道襯砌滲漏水的一個重要因素，對隧道結構穩定及車輛駕駛造成巨大隱患。鑒于此，專家學者及相關工程從業人員已開展大量研究，高春君等[4]采用ABAQUS有限元軟件，研究了隧道在四種不同水頭高度下，堵塞后襯砌結構力學性能的變化情況；劉坤等[5-6]通過現場試驗和數值計算，研究了隧道排水系統發生非對稱堵塞情況下襯砌水壓分布規律及襯砌應力的變化情況；楊云軒等[7]采用數值模擬分析了隧道環向盲管及縱向盲管發生不同程度堵塞情況下隧道水壓力的變化規律；葉飛等[8]通過模型試驗，采用自制的試驗裝置再現了隧道排水系統堵塞的過程；郭小雄[9]通過試驗，分析了導致排水系統結晶的因素，并研發了一種防結晶排水系統；于清浩[10]結合實際工程，以廈門翔安海底隧道為研究對象，研究了海水滲流作用下排水系統的堵塞情況；ZHOU等[11]通過室內試驗和現場試驗，對導致盲管堵塞晶體成分進行了分析，并將不易結晶的新型盲管材料應用于隧道排水系統并取得良好效果；ZHANG等[12]對重慶地區排水系統結晶堵塞進行了現場調研，分析了排水系統堵塞的過程及解決方案?，F有研究已經取得一定成果，但針對不同時期的隧道排水系統堵塞機理研究不夠系統，且未考慮施工、設計中導致的堵塞。

1 隧道排水系統設計

中國絕大部分公路隧道采用新奧地利隧道法（NATM）建造。為了提高支撐結構的安全性，隧道設計、施工采用復合式襯砌。在初期支護與現澆混凝土的二次襯砌之間設防排水系統。隧道的防水排水標準體系比較健全，多數公路隧道結構防排水設計遵循“防排堵截相結合，因地制宜，綜合治理”的原則。圖1反應了我國山嶺隧道的典型防排水系統，環向盲管通常設置于初期支護與防水板之間，用于收集初期支護表面滲水，并將滲水統一排泄到縱向排水盲管，環向盲管的布設間距應根據施工現場地下水發育情況而定，其環向間距通常為10 m或每個施工縫附近設置一道，將水引入兩側的縱向盲管，然后由橫向排水管引入排水溝。初期支護和二次襯砌之間設置無紡土工布和EVA防水卷材組成的復合式排水層。該系統可以根據實際工程應用中的水文地質條件進行改進，例如，設置注漿圈、調節環向盲管間距、盲管尺寸等。雖然現行防排水系統具有良好的適用性，理論上也具有良好的防水排水效果，但在實際使用中仍存在滲漏水，沉淀物堵塞排水盲管等問題。

圖1 隧道排水系統斷面

2 隧道排水系統堵塞成因

2.1 人為因素

在巖溶隧道設計、施工過程中，多數工程未按照防止結晶的相應要求進行材料選擇和規格設計?？v向排水盲管在安裝時，盲管底部設混凝土基座，然后鋪設3～5 cm厚碎石反濾層，然而在施工現場經常不設混凝土基座，縱向盲管隨意安裝，導致盲管高低起伏不平，無法滿足縱向盲管坡度要求。同時，縱向排水盲管上半斷面開孔的設計，使得地下水通過透水孔進入縱向盲管，而由于施工過程的忽視，透水口傾斜或向下安裝，導致縱向盲管無法很好地收集地下水，不能發揮應有的功能，嚴重時甚至會導致局部堵塞。此外，隧道拱腳位置的縱向盲管，通常外裹一層無紡土工布，土工布主要發揮濾水的作用，而土工布內部空隙易堵塞，導致地下水無法透過土工布滲入排水盲管，也會間接導致排水系統的堵塞。

2.2 非人為因素

混凝土由于材料、施工、溫度以及承受荷載的原因出現了裂隙，使地下水能夠通過混凝土的裂隙進入到隧道內。當混凝土表面裂縫較小時，水流所裹挾的大部分泥土顆粒以及圍巖碎屑被阻擋在外，這時僅有極少量的泥土進入襯砌內部排水管中，細顆粒會隨水流一同排走，不會引起排水盲管堵塞。隨著運營時間增加，襯砌縫隙表面存在滲漏水，受水流中礦物元素的侵蝕裂縫寬度、長度不斷增大，導致泥土顆粒隨水流進入隧道內部排水系統。在季節性流水的作用下，泥土顆粒在排水盲管內部淤積，堵塞排水盲管。

在我國西南部分地區隧址區內巖性主要為可溶性碳酸巖，當巖溶水滲流經過白云巖等碳酸鈣礦質的巖層時，將會攜帶大量的鈣鹽等物質。流水進入隧道排水系統后，當流速較緩時，存在積水的位置將會產生 CaCO3、BaCO3、MgCO3、BaSO4等化學沉淀物，長期排水過程中，結晶物凝結成塊并不斷積累，最終引起排水盲管局部堵塞。

3 盲管堵塞的數值模擬研究

3.1 模型參數

采用 ABAQUS 軟件建立數值模型，模型尺寸 210 m× 250 m（寬×高），為節約計算時間，模型高度僅設130 m，剩余120 m通過荷載施加模擬，見圖 2。根據設計隧道尺寸，跨度為12.2 m，隧道高度為10.8 m，水位為地表面。

圖2 計算模型

隧道襯砌厚度50 cm，襯砌周圍設5 m厚注漿圈，襯砌兩側設置有排水口，設置在隧道拱腳位置處，計算過程認為排入隧道內的地下水全部被排水口排走，將排水口位置水壓固定為零，其余節點水壓處于自由狀態，見圖3。

圖3 隧道模型

隧道圍巖及襯砌結構選擇各向同性彈性模型。圍巖干密度2 350 kg/m3，孔隙率0.25。圍巖滲透系數為2×10-6m/s，襯砌滲透系數為 1×10-9m/s，排水盲管正常情況下滲透系數為 5×10-5m/s。材料參數見表1 。

表1 材料參數

在排水系統堵塞程度工況中，假設各部位盲管同時發生堵塞，分別計算五種堵塞情況。在計算過程中通過調節盲管滲透系數來模擬不同堵塞程度，由于實際工程中盲管為空心管道，計算過程中通過實體單元進行簡化。對于圍巖及支護結構的滲透系數，通過工程類比法和文獻調研獲得[13]。各工況對應滲透系數見表2。

表2 不同堵塞程度工況

3.2 數值模擬結果

數值模擬得到了盲管堵塞程度對襯砌外水壓力的影響規律，排水口完全通暢時和完全堵塞時襯砌水壓力分布見圖4 。

圖4 襯砌水壓

由圖4可以看出，高水壓位置主要位于隧道仰拱底部，襯砌所受最大水壓由1 489 kPa增至1 782 kPa， 水壓力增長了約20%。在正常排水工況下，拱腳處（排水口處）水壓最小，而完全堵塞后，拱頂處水壓最小，此時承受靜水壓力。為分析襯砌外側不同位置水壓力分布規律，選取拱頂、拱腰、拱腳、仰拱處監測點記錄數據變化，見圖5。

圖5 襯砌水壓

由圖5可知，在正常排水時，襯砌結構上的水壓分布是仰拱部位大于拱頂部位，拱腰部位稍大于拱頂部位，考慮排水管排水效果時，拱腳部分二襯水壓突變，監測數值遠小于其他位置。襯砌底部仰拱部位一直承受最大的水壓力，是因為相對于襯砌其它部位，仰拱部位在水頭之下，且襯砌底部不設排水孔，因此，仰拱部位水壓力也較大。

隨著堵塞程度的加劇，各部位的水壓都出現了不同程度的增長，拱頂、拱腰位置因離排水口距離較遠，受排水作用影響較大，水壓僅小幅度增長。而仰拱、拱腳處水壓迅速增加，兩側拱腳處的排水口泄壓作用明顯降低，當排水口由完全暢通至完全堵塞時，水壓力增長了近一倍。當拱腳部位的排水口完全堵塞后，說明此時襯砌的排水系統已完全失效，各位置將承受巨大的靜水壓力?？梢娕潘到y一旦堵塞，導致橫截面各點水壓增大，由于排水不暢，襯砌結構承受較大的水頭，因此，保證排水系統的施工質量及運營過程中的疏通維護極其重要。

4 防治方法

4.1 規范隧道施工

橫向排水盲管、縱向排水盲管設計上通常與隧道坡度保持一致，而施工過程中經常出現倒坡、平坡。由于坡度不順暢易導致泥沙顆粒、圍巖碎屑在盲管內淤積，造成局部堵塞。因此，施工過程中應采用標準化施工，嚴格控制排水盲管的坡度，設計混凝土基座固定排水盲管，使排水盲管發揮應有的功能。

4.2 提高混凝土密實度

若混凝土密度不達標，混凝土疏松多孔，結晶體易析出；反之，若提高混凝土密實度，可提高混凝土強度，不易產生裂縫。施工現場應適當調整噴射混凝土配合比，使強度、抗滲性滿足規范要求?；炷羶炔靠蓳诫s粉煤灰，改善混凝土密度。

4.3 設計可維護防排水系統

從堵塞成因來看，由于泥沙、結晶物導致的物理、化學堵塞難以完全避免，需要考慮排水系統在長期運營過程中的可維護性。而傳統防排水系統由于不設檢修結構，在排水系統堵塞后難以維護。對于目前防排水系統中的不足之處，設計研發可維護防排水系統，并選用高壓水射流、氣壓脈沖、排淤機器人等新興技術對排水盲管進行清淤處理。

5 結語

（1）隧道排水堵塞成因分為人為因素和非人為因素，人為因素主要有盲管選材不當、施工操作不當等，非人為因素主要有泥沙顆粒、圍巖碎裂，長期淤積在排水盲管內結晶堵塞。（2）正常排水時，排水盲管可以有效排水泄壓，拱腳處水壓最小，仰拱承受較大水壓，而排水系統一旦堵塞，襯砌結構整體將承受較大的水頭。（3）規范施工可以減少或避免人為因素造成的堵塞，因非人為因素導致的排水系統堵塞難以避免，可以設計研發可維護防排水系統，結合現有技術對隧道排水管進行清淤處理。