山东荣成环山路北段穿山隧道是荣成市建设的首个隧道工程, 属于重大城建民生项目。荣成环山路北段二期公路南起青龙路, 北至花村路, 全长1 850m, 总投资约1.6亿元, 本工程采用分离式独立双洞形式隧道, 隧道东洞封闭段线长1 300.17m, 隧道西洞封闭段线长1 317.29m, 双向4车道。隧道断面为马蹄形, 单洞断面净宽10m, 净高8.4m, 两洞最大净距20m, 隧道最深处距山顶180m (见图1) 。

本工程设计初期, 曾考虑采用复合防排水系统, 其结构如图2所示。由图可见, 复合防排水系统除设置喷锚支护防水层以及主防水层外, 还在初期支护与二次衬砌之间普遍设置防水板和无纺布中间防水层。其他工程项目实践证明, 由于喷锚支护的喷射混凝土厚度不均匀, 回弹量较大、存在空洞等缺陷, 导致不能有效防水。锚杆钻孔有时会引来深层地下水。竣工验收期间, 由于新建成的夹层防水层和排水系统的设置, 渗漏水往往被排水盲管排除或被夹层隔水层阻挡, 现浇混凝土主防水层未发挥作用, 从而使得现浇混凝土主防水层的隐蔽渗漏点、渗漏缝难以发现, 为后期渗漏埋下隐患。

此外, 复合防水系统主要靠夹层中隐蔽的排水盲管解决排水问题。集中地下水依靠设置在初期支护与围岩之间的集中水排水盲管排除, 分散渗漏水依靠设在初期支护和二次衬砌之间沿隧道长度方向每隔10~30m设置的渗漏水盲管排除。由于位于外层或者夹层的排水盲管易受人为因素 (砂浆、压浆等) 或自然因素 (地下水与混凝土化学反应产生的白色泡沫析出物堵塞排水盲管, 地层中泥质细小颗粒堵塞盲管) 影响, 引起盲管堵塞, 使渗水漫流至夹层防水层的防水板空洞或缝隙处渗入。即使防水板施工质量满足要求, 随着围岩压力增大, 会引起衬砌变形, 使得尖石、锚杆头等压破防水板, 渗水便会通过防水板孔洞、缝隙轻易流到二次衬砌外表面, 或经过防水混凝土的施工缝、沉降缝、温度缝以及钢筋锈蚀形成的通缝渗入隧道内部。

由于复合防水衬砌是目前国内外常用的防排水系统, 其在工艺、技术、材料方面有诸多创新, 应用技术成熟, 相关做法在JTG D70—2004《公路隧道设计规范》和JTG F60—2009《公路隧道施工技术规范》等相关规范中有明确的设计、施工及验收标准。

针对传统防排水系统未能解决隧道渗漏的实际情况, 根据笔者多年从事公路隧道防排水施工咨询及科研的相关经验, 研发了新型隧道自防排水系统 (见图3) 。

与传统的隧道复合防排水系统相比, 图3所示新型公路隧道衬砌自防排水系统具有如下创新点。

1) 改变了防排水的布局设计, 把先排后防改为先防后排, 用现浇自防水混凝土衬砌作为防水主体, 取代喷射混凝土、中间夹层防水层和现浇混凝土防水层3层防水的现状, 改变3层防水层互相依赖又都未解决防水问题的现状。

2) 强化防水主体的防水功能, 通过隧道结构优化设计和防排水设计, 阻止衬砌产生受力变形裂缝, 取消传统的抗震缝、沉降缝和变形缝, 改变衬砌受力钢筋的布局, 堵塞可能渗漏的通道, 并实现带水严格验收, 提高隧道防排水能力。

3) 舍弃间隔设置的环形排水盲管设计, 采用无间隔的衬砌防水并设置排水槽, 从传统的固定排水模式转换为无缝排水模式。采用活动排水槽, 既便于清除, 又能根据地下水流变化随时变化设置, 保障排水性能可靠。

4) 新型衬砌自防排水系统为隧道突发危险源设置良好的防治预案和简便可操作的措施, 可系统解决集中涌水对周边薄弱处危害问题、地下水流及渗漏点变化问题、排水通道长期运行堵塞问题、地震危害、水库渗漏、灾害天气、地下水位升高、地下暗河串通引起突水问题等。

因此, 经多次与建设方等相关方沟通, 经过多次讨论和专家论证, 最终确定采用新型隧道衬砌自防排水系统。

传统方案是先设置盲管排水, 后设置中间防水层。这种先排后防使得渗水水压大幅度减小, 夹层防水层干燥施工。但中间防水层设置后, 渗水从排水盲管系统排出, 少量渗水被中间防水层阻挡, 防水层内侧的防水混凝土基本无渗水, 混凝土防渗效果无法检验, 虽然有利于顺利通过竣工验收, 却不能保证后期使用过程中完美防漏。

本新型隧道衬砌自防排水系统将顺序改为先防后排, 在防水混凝土外部不进行排水, 从而有条件使得防水混凝土经过严格的直观渗漏检验, 促进混凝土防水质量的提高。特别是工程后期, 关闭预埋引水管或堵塞集中涌水渗漏点使得外部水压升高后, 仍然能在预制拱片的内部全面查渗堵漏、维修补救, 确保了隧道衬砌防水的可靠性。对一时难以堵塞的渗水, 无论在任何位置都可通过拱片内空间悬挂的活动排水槽排出, 从而保证隧道长期正常使用。

现行环向排水盲管视施工渗漏情况灵活确定。渗漏严重时, 环向排水盲管纵向间距减小, 渗水量小时, 纵向间距加大, 渗水极少或没有渗水则可以不设。但是众所周知, 地下水随着年度、季节、气候、地质水文条件和人为因素等变化, 这种设置容易产生有水无处排或者有管无处排的情况。

本新型衬砌隧道自防排水系统利用多功能预制拱片, 随时在渗漏处悬挂活动排水槽, 可有针对性地按需排水, 既能应对变化有效防漏, 又能简化施工, 加快进度, 节约投资。同时, 所采用的多功能预制拱片可以“一专多能”, 其既是支撑模板, 又是初期支护和永久支护的组成部分。遇到渗漏情况时, 只需在渗漏处悬挂活动排水槽, 即可解决渗漏问题, 获得事半功倍的效果。

本新型隧道衬砌自防排水系统的防排水拱片结构如图4所示。其防水方面的设计特点如下。

本系统除了对防水混凝土的常规要求外, 用“隧道及地下洞室智能优化系统”自动选择合理拱轴, 使各截面处于小偏心受压状态, 防止或减小受力裂缝的产生。施工过程中, 先安装预制混凝土优化拱片多铰拱, 之后在多铰预制拱、围岩和堵头板形成的有限空间内, 利用人工压力灌注防水混凝土, 以及自密实混凝土和围岩压力、弹性抗力的自然压密作用, 增加防水混凝土的密实性, 提高系统的整体抗渗性能。

1) 取消沉降缝和伸缩缝, 消除渗漏主通道, 对可能产生不均匀沉降的地段, 通过设计进行地基压浆加固处理、扩大基础宽度, 设置混凝土反拱, 在拱片背后预设菱形钢筋网205和环向受力钢筋206 (见图4) , 解决不均匀沉降问题。施工过程中, 除了控制一次浇筑高度过长、水泥量过大、水化热增高引起的防水混凝土收缩裂缝外, 菱形钢筋网205对控制收缩裂缝也有效果, 对温度变化剧烈引起的收缩裂缝, 在预制拱片上增设保温层或在拱片内部局部加热, 对防止冻融裂缝也有显著效果。

2) 用化整为零的方法优化施工缝。拱片层施工缝和现浇混凝土主防水层施工缝全部错缝, 既简化了施工缝又解决了施工缝通透漏水问题。预制拱片替代模板, 避免了早期拆模引起的变形裂缝。用减小温差的办法取消伸缩缝, 利用扩大基础增设纵向后张预应力拉筋方法, 减少不均匀沉降的产生, 达到取消沉降缝的目的。用单层菱形钢筋网取代现有技术双层配筋的构造, 以解决防水混凝土保护层太薄、水流沿着锈蚀钢筋周边通风渗入问题, 以杜绝通透钢筋渗水通道。用预制拱片代替模板, 可使现浇混凝土一次浇筑长度减少到1~3mm, 从而避免了大体积混凝土硬化收缩产生的收缩裂缝。

对防水层进行严格的带水防漏检验, 对于小股可堵渗水及时堵漏;对于大股难堵的渗水, 先插管导流, 为后期堵漏做好准备。

本项目所采用的预制防水拱片结构如图5所示。其在排水方面的优化设计如下。

排水盲管是隐蔽和固定的, 也无法随着地下渗水变化而改变, 而且如产生堵塞也不能疏通, 破损的防水板不能修补, 导致渗水通过防水板孔、缝深入未经严格检验的防水混凝土, 再沿着防水混凝土的“三缝”、空洞顺利流入隧道内部。本系统用可见、可变的活动排水槽代替隐蔽、固定的盲管排水系统, 不仅减少了大量施工工序、有效缩短了工期、减少了围岩暴露地工程和施工安全的影响, 而且由于排水系统是在预制拱片上安装活动排水槽构成的, 因此可以随时开启检查, 当衬砌混凝土全面达到强度后, 可以补充堵漏。当排水通道堵塞时可以进行清淤, 当渗水通道自然堵塞, 可以拆除活动排水槽, 因此其设置机动灵活, 保障了排水可靠性和耐久性。

对软弱围岩有大量地下涌水的情况, 如强行急堵, 不仅效果不理想, 还容易迫使水流从其他薄弱处涌出, 造成大涌水或大塌方, 使得工程失稳或产生人身伤害。传统方法是通过集中排水盲管, 将水引至纵向排水盲管排出, 但是纵向排水盲管与间隔式环向或竖向排水盲管连通, 如果压浆堵水势必引起渗漏水盲管排水系统失效。

本新型防排水系统是先预埋引水管, 将渗漏水引排到预制混凝土排水层的内部空间内, 预埋引水管与活动排水槽互不影响, 而且可见、可堵、可排。对于地面水库渗水不宜排除情况, 可在工程结构全面达到设计强度后进行后期安全堵水, 既能体现设计意图, 又能防止安全事故, 也可设置阀门限量排放, 以满足洞内用水或战备、灾害用水需要。

地下水流变化必然引起渗漏变化。传统方案是根据地下水流设计不同间隔距离的环向排水管道, 当管道堵塞或者有新的渗水进入时, 地下渗水会从防水层破损处流出。为了防止已经穿过防水层的渗水在衬砌段背后沿着隧道纵向漫流, 通常采用隧道分区防水技术, 让渗漏水从分区内专设排水管排出。但是, 这仅仅对分区内防水质量很好没有渗漏时才起作用, 否则渗水仍会从孔、缝中流入隧道内部。本技术无论从哪里渗漏, 都可在渗漏处安装活动排水槽直接排水, 既可满足实际需要, 又可保证防水排水效果。

隧道是长条形构筑物, 随着隧道施工进展, 常由于围岩压力大小及分布突然变化产生超载或裂缝问题, 常规动态检测反馈到设计方时为时已晚。本系统由于取消了中间柔性防水层并设计成与围岩自稳相适应的拱形, 为围岩、防水混凝土主受力层和预制拱片层3层共同受力创造了条件, 能有效抵抗超载影响, 一般很少有裂缝产生。即使偶然产生局部裂缝和局部压碎的破坏, 可用应力调整方法解决。当衬砌受正弯矩作用, 内侧受拉产生纵向或者横向裂缝时, 可通过预制拱片预留孔设置后张预应力横向拉筋、环向拉筋或纵向拉筋控制裂缝发展 (见图6) 。必要时可在裂缝明显拱片有效空间内增设工字钢刚架, 可以有效减少变形, 阻止裂缝发展, 从而为反推实际围岩压力、修改尚未施工的设计创造条件。

地震危害、水库渗漏、灾害天气、地下水位升高、地下暗河串通都有可能使得隧道突水, 产生涌水量大大超过设计估算流量的灾害事故。如何不增加工程投资又能有效降低灾害损失非常重要, 本技术进行了如下考虑。

利用预制拱片减少的混凝土体积加大排水面积, 保证极端涌水时的排水需要。拱片和悬挂式活动引水槽组成的排水空间是跨度85cm、矢高14cm的拱形空间, 其有效排水面积达到953cm², 对于排除1m隧道长度范围内积水能力足够;相对于传统隐藏在夹层内5~8cm直径的环向排水盲管, 排水能力增大很多, 加上大面积纵向排水盲沟和中心排水沟, 组成隧道应急排水系统, 对防止突发性水害有明显作用。

利用边墙扩大基础和反拱扩展的纵向排水盲管与中心排水沟, 起到有备无患的作用。当纵向排水沟满流时, 渗水会从纵向排水沟溢水孔流入纵向排水盲沟和中心排水沟, 而且不会将泥砂带入, 泥砂沉淀到纵向排水沟内, 便于清理, 避免了中心沟设置沉砂检查井, 在运营期间检查维修影响较大的问题。

本新型排水系统具有构造简单、防排可靠、便于维修、节约成本等优势, 实现了由隐蔽到可见、由固定到可变、由单设到附建、由渗漏发展到渗漏收敛的变化。

本工程于2017年8月正式开工, 参考新奥法原理进行组织施工, 部分光面爆破, 洞身开挖Ⅱ, Ⅲ级围岩采用全断面开挖。具体施工工艺为:超前支护→钻炮孔→爆破→出碴→安装预制混凝土拱片→安装拱片横向拉筋、纵向拉筋→灌注自防水混凝土层→检验防水混凝土层渗漏情况并进行修补, 再次检验直至不渗漏水→混凝土仰拱、铺底施工→铺设排水沟、排水盲沟、排水槽。

采用本防排水技术, 自防水混凝土层施工质量控制和检验以及排水沟和排水槽铺设是施工控制重点。现场施工时应严格按照设计和规范要求控制与检验, 做好第三方检测和检验资料保存, 以达到预定设计效果。

根据项目实际情况, 从结构防水的概念出发, 研发了新型隧道衬砌自防排水系统。项目组在综合分析传统复合防水层+盲管防排水系统使用现状的前提下, 研发了新型隧道衬砌自防排水系统并对该系统在项目中的应用进行具体研究, 系统在应用和施工方面存在如下优势, 值得在适用地区大力推广。

突出以混凝土自防水为根本, 取消了中间柔性防水层, 强化了现浇混凝土主防水层的设计、施工和质量检查, 使防水可靠性显著增加。例如, 通过优化设计, 实现小偏心受压整体共同受力, 防止受力裂缝的产生和发展。通过取消伸缩缝、沉降缝、优化施工缝, 避免钢筋穿透, 减少了缝隙、孔洞漏水。通过密闭压力灌注混凝土施工, 加强了防水混凝土密实性, 通过直观、长期的混凝土渗漏检查和修补, 减少了可见渗漏点。这种可见的渗漏检查和修补保证了混凝土自防水长期可靠性。

可变的排水系统可以在全隧道范围内实现哪里有水哪里排, 因此无论地下水流如何变化, 都不影响这种可变的排水系统的正常工作。悬挂式活动排水槽可以随时实现清淤, 完美解决排水通道堵塞问题。纵向排水盲沟和中心排水盲沟扩排能力很大, 可以做到线路基床底部无积水。

本新型系统取消了现有夹层防水层、无纺布缓冲层、防水板、伸缩缝、沉降缝以及渗漏水盲管排水系统等结构, 不仅节能降耗, 而且缩短工期, 经济效益显著。由于采用预制钢筋混凝土拱片作为支撑、模板、初期支护和永久支护的构成部分, 能保证施工和周边建筑、构筑物安全, 省去了锚杆、喷射混凝土, 隧道施工简化。

本系统可在不影响隧道净空的条件下, 方便长期维护, 做到堵、排、限量排放, 应用自如, 能适应复杂条件下随机应变, 使防排水系统长期正常工作。