公路隧道排水設(shè)計(jì)與防災(zāi)功能的思考

1排水系統(tǒng)與防災(zāi)系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)較舊,生態(tài)和水環(huán)境保護(hù)意識薄弱,生態(tài)和水環(huán)境保護(hù)意識相對薄弱,環(huán)保意識薄弱,環(huán)保意識相對20世紀(jì)90年代以來，道路隧道施工技術(shù)取得了很大進(jìn)步，排水材料的性能不斷優(yōu)化和創(chuàng)新，但排水設(shè)計(jì)理念相對陳舊。人們不太關(guān)心排水系統(tǒng)和防災(zāi)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)，缺乏環(huán)境保護(hù)的意識，以及排水結(jié)構(gòu)的檢查和維修職能。排水系統(tǒng)與防災(zāi)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)是工程使用性能的重要指標(biāo),生態(tài)和環(huán)境保護(hù)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重點(diǎn),同時(shí)排水系統(tǒng)可維護(hù)性也是保障公路隧道運(yùn)營安全和使用壽命的重要因素,應(yīng)引起更多的重視。2目前，道路隧道的排水系統(tǒng)建設(shè)不足2.1暗溝蔓延的范圍公路隧道為引排洞內(nèi)隧道清潔污水及火災(zāi)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(cè)(或路面低側(cè))設(shè)置路面邊溝,洞外路面邊溝直接引入路基路面?zhèn)葴?。路面邊溝一般采用開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(jìn)口縱向拉通至出口布置,此種設(shè)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。《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》未對開口式明溝(如圖1)是否設(shè)置檢查井做明確規(guī)定,而公路隧道內(nèi)車輛運(yùn)行中車輪攜帶泥沙隨路面進(jìn)入明溝內(nèi)并淤積于溝底,影響路面邊溝過水能力。傳統(tǒng)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(shí)現(xiàn)全隧清淤,乃至運(yùn)營期間邊溝只能作為擺設(shè)。從防災(zāi)功能講,易燃性有害液體泄露匯集至開口式邊溝內(nèi),一旦易燃液體被引燃,明火將由事故發(fā)生點(diǎn)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(kuò)大火災(zāi)范圍的工具。圖2濾水箅暗溝通常設(shè)于路面之下,沿隧道縱向每25～30m設(shè)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(yùn)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(shè)置,削弱了暗溝收集路面污水及有害液體的能力。從防災(zāi)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(jié)構(gòu)(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(shí),當(dāng)前眾多設(shè)計(jì)對洞內(nèi)排水邊溝型式的選擇未考慮隧道長度,往往一個(gè)項(xiàng)目一個(gè)邊溝型式,往往得不到最優(yōu)的引排效果。2.2路面排水設(shè)計(jì)路面下滲水指路面污水通過面板縫隙下滲或路面結(jié)構(gòu)以下圍巖水通過路面縫隙浸入面板,包裹在路面結(jié)構(gòu)周圍的少量滲水。路面下滲水引排是保障路面結(jié)構(gòu)使用壽命、避免路面病害的重要措施。不少設(shè)計(jì)未重視路面下排水,未設(shè)計(jì)路面下排水設(shè)施;部分設(shè)計(jì)僅對無仰拱襯砌結(jié)構(gòu)段路面下設(shè)有排水設(shè)施,有仰拱襯砌段未考慮排水設(shè)計(jì)。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(nèi)橫向坡面滲流入低側(cè)排水溝內(nèi)。但仰拱襯砌防水設(shè)計(jì)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(tǒng)的路面下排水設(shè)計(jì)有三種:①路面下設(shè)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(wǎng)格布置。排水管的設(shè)置預(yù)留了排泄的通道,但滲水不會(huì)自覺全部匯入排水管內(nèi),大部分仍然包裹于路面結(jié)構(gòu)周圍,使路面結(jié)構(gòu)長期處于浸水狀態(tài)下工作,大大縮短路面結(jié)構(gòu)壽命;②路面下設(shè)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(jié)構(gòu)受彎扭組合力而開裂破壞;③路面下設(shè)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(jié)構(gòu)現(xiàn)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(dǎo)和排除,包括地表滲水和圍巖內(nèi)潛水。圍巖水引排設(shè)計(jì)由三部分組成:初支與防水層之間排水管、橫向?qū)芎投磧?nèi)排水溝(管)。下面我們分四點(diǎn)敘述傳統(tǒng)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(qiáng),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(nèi)排水溝(管)的設(shè)計(jì)通常根據(jù)地下水涌水量及水質(zhì)確定;但在滿足基本功能情況下,還應(yīng)利于檢修,利于交安設(shè)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(hù)性而言,傳統(tǒng)圍巖水引排系統(tǒng)僅在洞內(nèi)排水溝(管)處設(shè)置檢查井,襯砌背后排水管沒有預(yù)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(zhì)圍巖段排水管內(nèi)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(nèi)壁形成硫酸鈣、氯化鈣、氯化鈉、碳酸鈣等結(jié)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(jié)構(gòu)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(tǒng)隧道僅對于引排可能造成環(huán)境嚴(yán)重破壞或地下水威脅施工安全時(shí),方采用封堵裂隙改良圍巖降低涌水量,其它大多數(shù)隧道工程均采取以排為主的引排方案,以環(huán)境代價(jià)換取短期的經(jīng)濟(jì)利益。2.4洞內(nèi)分污水排放洞口排水系統(tǒng)常常直接與路基路面排水溝連通,洞內(nèi)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(shè)計(jì)規(guī)范》中污水與圍巖水分開排放的環(huán)境保護(hù)原則相違背。3隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則隧道排水系統(tǒng)作為隧道工程的主體結(jié)構(gòu)之一,應(yīng)按永久性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),建成后配合隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)長期運(yùn)營,并應(yīng)與隧道防災(zāi)結(jié)合,應(yīng)具有方便維修的功能。3.1大懸挑下側(cè)溝排壓機(jī)及管道設(shè)計(jì)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(biāo)不沖突,易清洗,可為路面下側(cè)溝檢查井預(yù)留足夠空間?？紤]到短隧道發(fā)生災(zāi)況時(shí),一般將事故源轉(zhuǎn)移到洞外處理,故洞內(nèi)排水邊溝可不必考慮防災(zāi)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(yù)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(cè)溝檢查井的影響。排水邊溝縱向每100m設(shè)虹吸功能檢查井(如圖5),以便清潔邊溝內(nèi)沉積物,同時(shí)在易燃性有害液體燃燒情況下隔斷開口式邊溝內(nèi)明火。3.2層間縱向的設(shè)計(jì)結(jié)合圍巖巖性、地下水水量設(shè)計(jì)引入中心水溝或排水側(cè)溝的橫向滲水結(jié)構(gòu),建議采用空隙率大的立體網(wǎng)狀塑料盲溝。無仰拱段在路面底與整平層間縱向每1m設(shè)置一道,地下水發(fā)育地段適當(dāng)加密亂絲盲溝縱向間距;有仰拱段對應(yīng)仰拱環(huán)向施工縫位置設(shè)置。塑料盲溝具有較傳統(tǒng)橫向排水設(shè)施更優(yōu)秀的特性:①表面開孔率極高,空隙率大,可達(dá)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(jié)構(gòu)維修時(shí)可以整體更換,操作簡單。3.3隧道排水管方案針對傳統(tǒng)排水設(shè)計(jì),提出以下三點(diǎn)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(shè)中及建成后支護(hù)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(gè)排水的通道,支護(hù)體系變形穩(wěn)定后即使排水材料老化,這個(gè)排水通道仍可繼續(xù)服務(wù)。所以,選材是應(yīng)選擇透水性好的排水管,保證建設(shè)初級排水管道良好的暢通性。(2)從排水管的可維護(hù)性而言,洞內(nèi)排水溝、管均設(shè)檢查井,檢修技術(shù)比較成熟,檢修手段同市政給排水系統(tǒng)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(shè)計(jì)中應(yīng)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(zhì)量情況下,還應(yīng)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(tǒng)、圍巖結(jié)構(gòu)的影響。對地下水可能會(huì)成為施工安全隱患、影響施工質(zhì)量的情況,引排對地下水環(huán)境、地表生態(tài)系統(tǒng)影響不可恢復(fù)的情況,均應(yīng)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(shù),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(huì)造成地表10座水庫、100多處魚塘、上千處泉井及森林等嚴(yán)重環(huán)境破壞,設(shè)計(jì)大膽摒棄了“以排為主”的傳統(tǒng)做法,引入“堵水限排”的設(shè)計(jì)理念,從而保護(hù)了地下水環(huán)境同時(shí)保證了施工安全。對于地下水含有雜質(zhì)的情況(例如泥巖、巖溶水含可沉淀的鈣鎂離子),應(yīng)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(shí)滲流中搬運(yùn)著圍巖顆粒,導(dǎo)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(nèi)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(tǒng),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(dòng),產(chǎn)生新的節(jié)理裂隙,原本相對隔水層可能會(huì)成為新的滲水通道。此時(shí)應(yīng)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(yīng)分段接入洞內(nèi)排水溝(管),并在接入處設(shè)置縱向盲管檢查井(如圖,方便目