公路隧道排水設計與防災功能的思考

1排水系統與防災系統集成結構較舊,生態(tài)和水環(huán)境保護意識薄弱,生態(tài)和水環(huán)境保護意識相對薄弱,環(huán)保意識薄弱,環(huán)保意識相對20世紀90年代以來，道路隧道施工技術取得了很大進步，排水材料的性能不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，但排水設計理念相對陳舊。人們不太關心排水系統和防災系統的綜合設計，缺乏環(huán)境保護的意識，以及排水結構的檢查和維修職能。排水系統與防災系統的協調是工程使用性能的重要指標,生態(tài)和環(huán)境保護是實現可持續(xù)發(fā)展的重點,同時排水系統可維護性也是保障公路隧道運營安全和使用壽命的重要因素,應引起更多的重視。2目前，道路隧道的排水系統建設不足2.1暗溝蔓延的范圍公路隧道為引排洞內隧道清潔污水及火災情況下消防水、泄露的易燃性有害液體,避免其在路面大面積漫流,在路面兩側(或路面低側)設置路面邊溝,洞外路面邊溝直接引入路基路面?zhèn)葴稀Ｂ访孢厹弦话悴捎瞄_口式明溝或暗溝型式。圖1開口式Ω溝開口式路面邊溝往往自進口縱向拉通至出口布置,此種設置型式對路面污水及有害液體收集效果顯著,減少污水及有害液體在路面蔓延的范圍?！豆匪淼涝O計規(guī)范》未對開口式明溝(如圖1)是否設置檢查井做明確規(guī)定,而公路隧道內車輛運行中車輪攜帶泥沙隨路面進入明溝內并淤積于溝底,影響路面邊溝過水能力。傳統開口式邊溝開口寬度較窄,一般清淤工具難以發(fā)揮作用,采用高壓水槍也只能短距離沖走淤積泥沙,難以實現全隧清淤,乃至運營期間邊溝只能作為擺設。從防災功能講,易燃性有害液體泄露匯集至開口式邊溝內,一旦易燃液體被引燃,明火將由事故發(fā)生點順路面邊溝一直蔓延至隧道外路基段,開口式邊溝將變成了擴大火災范圍的工具。圖2濾水箅暗溝通常設于路面之下,沿隧道縱向每25～30m設置濾水箅(如圖2)收集路面污水及易燃性有害液體。從視覺效果而言,暗溝較開口式明溝更加隱蔽;從運營檢修難度而言,暗溝更易檢修;但濾水箅縱向按一定間距設置,削弱了暗溝收集路面污水及有害液體的能力。從防災功能講,燃燒的易燃性有害液體在路面蔓延的范圍較大,且暗溝并無隔斷流體與空氣接觸的結構(檢查井僅為沉砂檢修之用),匯入暗溝后,仍可沿暗溝蔓延至洞外路基段。同時,當前眾多設計對洞內排水邊溝型式的選擇未考慮隧道長度,往往一個項目一個邊溝型式,往往得不到最優(yōu)的引排效果。2.2路面排水設計路面下滲水指路面污水通過面板縫隙下滲或路面結構以下圍巖水通過路面縫隙浸入面板,包裹在路面結構周圍的少量滲水。路面下滲水引排是保障路面結構使用壽命、避免路面病害的重要措施。不少設計未重視路面下排水,未設計路面下排水設施;部分設計僅對無仰拱襯砌結構段路面下設有排水設施,有仰拱襯砌段未考慮排水設計。無仰拱段路面基層直接或整平層直接與圍巖接觸,圍巖水可通過面板下基層內橫向坡面滲流入低側排水溝內。但仰拱襯砌防水設計等級低于拱墻襯砌,施工縫處更是防水的軟肋,有仰拱襯砌段路面下排水與無仰拱段路面下排水同樣重要。傳統的路面下排水設計有三種:①路面下設橫向、縱向打孔排水管。排水管采用開孔率10%左右的打孔聚乙烯管,沿路面底網格布置。排水管的設置預留了排泄的通道,但滲水不會自覺全部匯入排水管內,大部分仍然包裹于路面結構周圍,使路面結構長期處于浸水狀態(tài)下工作,大大縮短路面結構壽命;②路面下設碎石層。碎石層透水效果好,但整體穩(wěn)定性差,易引起面板不均勻沉、路面結構受彎扭組合力而開裂破壞;③路面下設大孔隙無砂混凝土。大孔隙無砂混凝土開孔率30%左右,整體穩(wěn)定性好、透水性較好,沿路面底連續(xù)布置。但施工中路面結構現澆混凝土漏漿順無砂混凝土孔洞下滲,對排水效果有較大不利影響。2.3襯砌前后排水管堵塞圍巖水引排指對開挖面滲入隧道二襯外的地下水加以疏導和排除,包括地表滲水和圍巖內潛水。圍巖水引排設計由三部分組成:初支與防水層之間排水管、橫向導水管和洞內排水溝(管)。下面我們分四點敘述傳統引排方案中可優(yōu)化之處:(1)排水管。從選材而言,初支與防水層之間排水管通常選用軟式透水管、打孔聚氯乙烯管、排水半管等(如圖3)。其中軟式透水管和排水半管排水能力較強,能有效降低襯砌背后水壓;而打孔聚氯乙烯管開孔率有限,透水率相對較低,使用過程中透水孔易被滲水中的顆粒堵塞失效。洞內排水溝(管)的設計通常根據地下水涌水量及水質確定;但在滿足基本功能情況下,還應利于檢修,利于交安設施安裝。(2)從材料使用壽命而言,初支與防水層之間的排水管都不能滿足永久工程的使用年限需要。(3)從排水管的可維護性而言,傳統圍巖水引排系統僅在洞內排水溝(管)處設置檢查井,襯砌背后排水管沒有預留可行的維修空間,對某些隧道而言是極大的隱患。例如泥質圍巖段排水管內容易形成泥沙顆粒沉積堵塞管道,可容巖段地下水易在管內壁形成硫酸鈣、氯化鈣、氯化鈉、碳酸鈣等結晶體堵塞管道。襯砌背后排水管堵塞,將造成襯砌背后水壓升高,將隧道結構環(huán)境由無水壓環(huán)境變?yōu)橛袎涵h(huán)境。(4)從圍巖水引排對地下水環(huán)境影響而言,傳統隧道僅對于引排可能造成環(huán)境嚴重破壞或地下水威脅施工安全時,方采用封堵裂隙改良圍巖降低涌水量,其它大多數隧道工程均采取以排為主的引排方案,以環(huán)境代價換取短期的經濟利益。2.4洞內分污水排放洞口排水系統常常直接與路基路面排水溝連通,洞內分開引排的污水、圍巖水在洞口排入路基邊溝中混合,與《公路隧道設計規(guī)范》中污水與圍巖水分開排放的環(huán)境保護原則相違背。3隧道支護結構的設計原則隧道排水系統作為隧道工程的主體結構之一,應按永久性結構設計,建成后配合隧道支護結構長期運營,并應與隧道防災結合,應具有方便維修的功能。3.1大懸挑下側溝排壓機及管道設計短隧道采用10×10cm(長×寬)梯形開口槽(如圖4)引排少量路面污水和有害液體。矩形開口槽寬度總寬為15cm,占用路面空間小,淡化視覺效果,與道路輪廓標不沖突,易清洗,可為路面下側溝檢查井預留足夠空間?？紤]到短隧道發(fā)生災況時,一般將事故源轉移到洞外處理,故洞內排水邊溝可不必考慮防災功能。長度大于500m的隧道采用開口式Ω型排水邊溝,邊溝采用預制件,斷面尺寸盡量不大于30×30(cm),以減小對路面的視覺影響和路面下側溝檢查井的影響。排水邊溝縱向每100m設虹吸功能檢查井(如圖5),以便清潔邊溝內沉積物,同時在易燃性有害液體燃燒情況下隔斷開口式邊溝內明火。3.2層間縱向的設計結合圍巖巖性、地下水水量設計引入中心水溝或排水側溝的橫向滲水結構,建議采用空隙率大的立體網狀塑料盲溝。無仰拱段在路面底與整平層間縱向每1m設置一道,地下水發(fā)育地段適當加密亂絲盲溝縱向間距;有仰拱段對應仰拱環(huán)向施工縫位置設置。塑料盲溝具有較傳統橫向排水設施更優(yōu)秀的特性:①表面開孔率極高,空隙率大,可達82～90%,是聚氯乙烯管的8倍,無砂混凝土的2.5倍;②體積小,占用空間小,直徑100mm的塑料盲溝等同于直徑300mm的打孔聚氯乙烯管;③在每次路面結構維修時可以整體更換,操作簡單。3.3隧道排水管方案針對傳統排水設計,提出以下三點建議。(1)從選材和使用壽命而言,初支與防水層之間的排水管使用壽命均在20～30年左右,但在建設中及建成后支護體系徐變過程中,環(huán)、縱向排水管雖被擠壓變形,但仍支撐出一個排水的通道,支護體系變形穩(wěn)定后即使排水材料老化,這個排水通道仍可繼續(xù)服務。所以,選材是應選擇透水性好的排水管,保證建設初級排水管道良好的暢通性。(2)從排水管的可維護性而言,洞內排水溝、管均設檢查井,檢修技術比較成熟,檢修手段同市政給排水系統檢查維修手段,本文不再敘述。初支與防水層之間排水管檢查維修較局限。目前最新的Exavision防水管道檢測儀可檢測的最小管徑為130mm,但小管徑排水管的維修手段仍然非常有限,設計中應考慮排水分段分區(qū)(分區(qū)排水見下文),以便于檢查、維修。(3)圍巖水引排方案在考慮保證隧道施工安全、施工質量情況下,還應注重分析圍巖水的來源及引排方案對地下水環(huán)境、地表生態(tài)系統、圍巖結構的影響。對地下水可能會成為施工安全隱患、影響施工質量的情況,引排對地下水環(huán)境、地表生態(tài)系統影響不可恢復的情況,均應采用堵水限排的原則,封堵圍巖裂隙改善圍巖本身滲透系數,最大限度的保持原地下水平衡狀態(tài)。例如:渝懷鐵路歌樂山隧道(全長4050m)的修建可能會造成地表10座水庫、100多處魚塘、上千處泉井及森林等嚴重環(huán)境破壞,設計大膽摒棄了“以排為主”的傳統做法,引入“堵水限排”的設計理念,從而保護了地下水環(huán)境同時保證了施工安全。對于地下水含有雜質的情況(例如泥巖、巖溶水含可沉淀的鈣鎂離子),應采用封堵圍巖裂隙,減少圍巖水滲出。否則,隧道開挖后,隧道作為山體的出水口,地下水不斷往隧道開挖周邊滲流,同時滲流中搬運著圍巖顆粒,導致襯砌外圍巖空隙逐漸增大,隧道建成后的圍巖水水量越來越多。3.4排水區(qū)域分區(qū)排水分圍巖內分區(qū)排水和隧道襯砌背后排水管道分區(qū)排水,分區(qū)排水對后期檢查維修排水系統,延長使用壽命有重大意義。3.4.1節(jié)理裂隙發(fā)生快移隧道開挖后,開挖面周邊圍巖受人為擾動,產生新的節(jié)理裂隙,原本相對隔水層可能會成為新的滲水通道。此時應在來水破碎帶端頭對圍巖注漿封堵,防止破碎帶地下水隨隧道周邊裂隙流失。3.4.2縱向盲管檢查井縱向盲管應分段接入洞內排水溝(管),并在接入處設置縱向盲管檢查井(如圖,方便目