CN108457696B - 空壁排水防水隧道 - Google Patents

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Abstract

空壁排水防水隧道可用于公路、铁路、城市及渡河隧道。它离不开岩土工程，因此，本发明属于土木建筑领域。本发明主要解决隧道中的排水防水问题。改隧道围岩中的排水沟管为空壁空间，使围岩面上的水自由流动，全部自动流出隧外，变有压力水为无压力水。改隧道的厚、重、大、钉、焊、挂防水层为薄、轻、软，层铺、粘贴式排水防水层。其技术方案要点是将隧道排水制造成空壁，可直接接纳来水，随时随地排除。空壁由锚喷支护、混凝土垫块和复合排水防水层组成。锚喷支护起墙壁护壁及提供流水面作用。混凝土垫块起制造空壁及传递围岩压力作用；复合式排防水层为空壁另一壁，也构成排防水层作用。隧道路面及以下排水经由边墙基础槽洞及通气承重墙边口与地下纵横排水沟排除隧外。

Description

空壁排水防水隧道
技术领域
本发明的空壁排水防水隧道是指隧道中的水将由围岩、初期衬砌的喷射混凝土、承重混凝土垫块、排防水结构、二次衬砌混凝土等组成的中空墙壁排除，不渗透到二次衬砌之内。
隧道排水与防水工程是隧道中的重要组成部分，隧道病害主要由水所造成，特别是季节性冰冻地区隧道更是如此，冬季排水与防水存在问题，致使水害、冰冻灾害常于冬春季节发生，最终隧道因耐久性不良而毁坏。
隧道防水是防止围岩渗出水经过防水层和隧道二次衬砌流到隧道面的水。隧道排水是指围岩中的渗出水或路面下的水在其表面或其内部排到隧道外，使隧道免遭水、冻害。隧道排水与防水是既简单而又艰难的工程，以前做法都达不到预期效果，所以提出空壁排水防水隧道。
铁路隧道、公路隧道、城市隧道及渡河工程隧道它们都同铁路、公路、桥梁、市政工程及水利工程相连接，离不开岩土工程，因此本发明领域属于土木建筑领域。
技术背景
一、公路铁路隧道设计和施工规范中对隧道防水和排水工程做法大致相同，基本遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和营运设备的正常使用和行车安全。隧道防排水应对地表水、地下水妥善处理，洞内外应形成一个完整通畅的防排水系统。
1.隧道地表沟谷、坑洼积水、渗水采用疏导、勾补、铺砌和填平等处置措施。废弃的地穴、钻孔等应填实封闭。隧道附近水源有可能渗入隧道时，应采取防渗措施。
2.隧道一般采用复合式衬砌，在初期支护喷射混凝土与二次衬砌模筑混凝土之间设置防水板及无纺布防水层。无纺布要求密度不小于300g/m2，防水板采用易焊接的防水卷材，厚度不小于1.0mm。
3.隧道二次衬砌混凝土抗渗等级在最冷月平均气温低于-15℃及有冻害部位不低于S8，其余地区不低于S6。
4.隧道二次衬砌的施工缝、沉降缝及伸缩缝采用可靠的防水措施，设置背贴式止水带和预埋式止水带。
5.有侵蚀性水时，针对侵蚀类型，对混凝土、注浆及防水层采取抗侵蚀措施。
6.围岩破碎、涌水、易坍塌地段，应用围岩内预注浆堵水。
7.隧道洞内设置纵向排水系统，随时排除清洗污水、地下水、渗涌水，避免洞内积水。
8.隧道路面底下排水设置纵向中心水沟(管)，集中引排地下水和衬砌外水。隧底下面设横向导水管，用以连接中心水沟(管)与衬砌外排水盲管。
9.隧道衬砌外两侧墙后底部沿纵向设置排水盲管(沟)。沿竖(环)向设置导水盲管。纵横向导水管连通，环(竖)向盲管与边墙底部纵向排水盲管(沟)连通，这样使其形成完整的纵横向排水防水系统。
二、现对隧道工程的防水排水通用做法逐项予以详述
“截”是将隧道外面的水拦截在其范围以外随时排走，不渗入围岩之内，如：对沟谷、坑穴、空洞填平封堵，勾缝铺砌，疏干积水，对隧道附近水源采取防渗措施。但，对此项往往做的不彻底或多有遗漏。“堵”是将渗入隧道围岩中的水阻隔在距岩面一定范围之外，不渗到岩面。如：对围岩破碎、涌水、易塌陷地段采用岩内预注浆堵水。这虽然是一项理想措施，但段落难以确定，注浆效果难以评价，有待深入研究。“防”是防止围岩渗(流)出水渗入二次衬砌混凝土中和透过连接缝或渗过混凝土流出衬砌体的拱部及墙部，造成危害。如：喷射混凝土与二次衬砌之间的防水层和接缝之间的止水带就起到防水作用。但，目前隧道防水做得都不理想，其原因是防水层、防水板过厚过重，无纺布过重过硬，不便于焊接、连接和整形，施工质量难以保证。二次衬砌接缝止水带质量不良、接头不牢、安装不实，止水带失效。二衬混凝土浇注不密实，与接缝止水带连接变形，致使漏水。“排”是将进入到喷射混凝土面的水及隧道路面下的水排到泄水、导水管(沟)中，再由纵向排水管(沟)引到隧道外，避免损坏衬砌。如：二次衬砌侧设置的竖(环)向、横向、纵向排(导)水盲管，路面下设置的纵向中心排水沟(管)和横向导水管等全部沟管。但是，这些沟管大部分是盲沟(管)，即盲目设置，水是否能流入，是否会流出，不是完全可知，喷射混凝土与二次衬砌混凝土之间防水层无流水空间，甚至间隙都被混凝土充满。所以隧道围岩面上的水是一种有压水，是一种盲流水，随意无序流动，遇有缝隙即便流出。
发明内容
1.空壁排水防水隧道主要解决隧道结构常年四季时时刻刻排水问题，彻底解除隧道冻水不排，无压水不排，水受阻不排，冰冻季节照排。除非隧道中没有水不排，其他条件都排水。
2.隧道排水不良主要是没有排水空间，初次喷射混凝土、防水层和二次衬砌混凝土是紧密结合在一起的，所以隧道岩面中的水在量小、无压、受阻的条件下不能排除，只有渗入二衬混凝土才排除。季节性冰冻地区隧道的冰、冻害都是因冬季排水不良所造成的：隧道下部水先结冰，堵塞水的出路，致使隧道的墙部、拱部结冰瘤、冰棍，直到充水的全部空间冻结，冰瘤、冰棍停止，混凝土冻害继续。次年春季隧道顶部最先解冻，冰瘤、冰棍陆续发生，直到排水管道及空间中的冰全部融化。本发明针对这些冻害现象提出。
3.空壁排水防水隧道如图1所示。由隧道岩面锚喷衬砌、空壁混凝土垫块、复合式排防水层、二次衬砌混凝土、边墙基础排水槽洞及路面下纵横排水沟等组成。
4.岩面锚喷衬砌是隧道围岩永久支护结构，同时又是岩面排水结构。它起着封闭岩面、防止岩石风化松动、填充坑凹裂隙、维持和提高围岩的整体性，防止掉块、坍塌，还能帮助围岩发挥其结构作用，调整围岩应力分布、防止应力集中、控制围岩变形的作用。空壁排水防水隧道中，围岩锚喷衬砌面为排水提供良好的水流面和稳固传力垫块的作用。锚喷衬砌的锚杆起加固喷射混凝土与围岩联结作用和提高围岩强度作用。还起固定传力垫块位置和承担水平力的作用。因此，对锚喷衬砌应有更高的要求：喷射混凝土的强度不小于C25，抗渗等级大于S8级，抗冻等级不低于F200级，混凝土厚度不小于200mm，表面平整度误差小于5mm。锚杆设计位置与传力垫块布置相同。锚杆长度2～2.5m，直径20～32mm，采用全长粘接形式。围岩有渗水部位，用化学浆液喷射混凝土，快速凝结阻水，强化与围岩结合程度。围岩较差部位设置钢筋网或钢筋骨架，喷射混凝土必须将钢制构件埋覆，保护层大于30mm。
5.空壁混凝土垫块用以形成排防水空间，设计成圆柱体有利于水流顺畅，直径根据围岩压力经计算确定；一般可取100～120mm；高度由所设定的排水空间流量确定；一般100～150mm即可；块件混凝土强度用C30级。垫块中心预留锚杆孔，孔径较锚杆径大于2～4mm。为固定复合防水层，在垫块一端预埋连接铁线。垫块布置间距、位置根据隧道围岩压力和垫块面积通过计算确定，按三角形摆布较好，如图2。具体计算如例：
某段隧道围岩级别S为V级，岩石重度γ为25kN/m3，隧道宽度B为12m，系数i取为0.1，a为垂直压力与水平压力比，a取0.4，α为垂直力与径向压力或水平力与切向剪力夹角，α为22°，求垫块设计面积和间距布设。
围岩垂直均布压力 q＝0.45γ×2S-1[1+i(B-5)]＝0.45×25×25-1[1+0.1×(12-5)]＝306
径向压力
Figure BSA0000141214990000021
切向剪力 τ＝ag＝0.4×330＝132
选用垫块直径110mm，每平米用3块，面积为0.0285m2，垫块压力
N＝Afcd＝0.0285×12500＝356.2＞330可以。
垫块布成三角形，间距L按下式解得：
Figure BSA0000141214990000022
切向剪应力由Φ16锚杆承担，每平方米围岩平面设3根。
6.复合式排防水层是由防水土工布，抗腐钢(塑)丝网、喷射或抹制水泥砂浆层及粘贴式聚乙烯丙纶布防水层组成，如图3。
a土工布底层起初始支撑、排水、防水及隔挡水泥砂浆作用，因此，可选用机织布CEF-2000型或相当产品，其参数要求可参考下表。
Figure BSA0000141214990000031
b抗腐钢(塑)丝网供形成加筋水泥砂浆排水防水层之用。要求具有足够强度并可挂住喷射或抹制水泥砂浆。丝网孔尺寸可选用4.23～6.35mm，网丝直径0.711～0.914mm，可用一层或二层组成。丝网宽度2～5m。
c水泥砂浆可用一次拌制的较高标号的砂浆，也可以用水泥裹砂的喷射砂浆。砂浆中的水泥用量为350～400kg/m3，水灰比0.4～0.5，砂率为65～75％，砂浆强度C30级以上。砂浆层厚度必须透过丝网达到25～30mm。砂浆层表面要平整，喷射后适时抹平压光。起到防水和对防水层的粘附作用。
d高分子聚乙烯丙纶防水片材是防止锚喷面下落水进入隧道二次衬砌的最后防线。过去用的塑料防水板本身可起到防水作用，可在铺装后功能大减，主要是材料宽、厚、重、大，铺装不良，接缝不好，平整性差，二次衬砌易造成坏损。聚乙烯丙纶是一种非常轻软的粘贴卷材，产品符合GB18173.1-2006标准。此防水材料用胶粘贴于水泥砂浆面上，分2～3层用水泥胶粘贴。无需钉钉或焊接，可做到连接平顺，接缝严密，排水通畅，经久耐用，简单易行。
7.二次衬砌混凝土只要强度满足要求，其抗渗、抗冻、接缝止水带等都将成为加强性作用。只要满足要求即可。
8.边墙基础排水槽洞供隧道围岩中的水最终由此排入到路面下纵向排水沟中。因此，基础深度要大于纵向沟深度。排水槽洞设于空壁以下，以利于排水通畅。排水槽洞面积按隧道渗流量确定，一般每延米隧道留一个30*50cm长方形洞以便疏通。排水洞间距设置不可减弱隧道基础承载力。
9.路面下纵横排水沟是隧道围岩拱部、墙部的渗水及全部水最终排除的通道，同时对季节性冰冻地区也可作为调解隧道空壁排水部位的温度之用，冬季减轻冰冻对隧道的损害，夏季减少隧道冷凝水对行车的影响，提高隧道耐久性和行车安全性。因此，纵横向排水沟除了排水能力要求外还要相互通气，所以宜窄而密。纵向排水沟共设5道，横向20～30米设一道，沟的深度设于冻结线以下，一般2m左右，沟的宽度50～60cm。沟壁软弱处加以防护。
附图说明
图1是空壁排水防水隧道的横剖面图。标示出空壁排水防水结构组成构件及排水防水原理。①是锚喷衬砌，形成排水外壁；②是空壁混凝土垫块及锚杆
Figure BSA0000141214990000032
与⑥二次衬砌混凝土承担作用力；③是复合式排防水层，形成排防水另一壁；三者共同组成路面以上排防水系统空壁⑦；④是边墙基础及其排水槽与排水洞，将隧道水排入边部纵向沟(管)⑧，再经横向排水沟(管)⑨，排入中心纵向排水沟(管)⑩，排到隧道外；⑤是纵向沟(管)通气承重墙，并作为路面排水设施；
Figure BSA0000141214990000033
为隧道围岩。
图2中a)为混凝土垫块，垫块中心预留锚杆串入孔，一端埋2根供挂钢(塑)丝网的Φ3～Φ4mm钢丝。b)为混凝土垫块三角形布置图，L等于等边三角形边长。
图3为复合式排防水层由防水土工布
Figure BSA0000141214990000034
、钢(塑)丝网层
Figure BSA0000141214990000035
、水泥砂浆与钢(塑)丝网混合层
Figure BSA0000141214990000036
、高分子聚乙烯丙纶防水层
Figure BSA0000141214990000037
组成。
图4是空壁排水防水隧道图1节点A放大详图，说明全部排水防水结构构件相互组成及其单独构造特点。
图中①～⑥为隧道排防水实体结构相互之间连接与位置关系；⑦～⑩为隧道锚喷、基础排水槽、洞及纵横向排水沟的排水空间；⑤纵向边沟通气承重墙，如用实体承重墙砌筑时，应预留通气孔。
具体实施方式
空壁排水防水隧道具体实施程序基本遵循以往作法，将不需做的项目除去，将补充的项目填入。主要程序有：隧道开挖、锚杆施工、喷射混凝土或构件支护、混凝土垫块施工(预制及安装)、排水防水层施工(防水土工布、钢(塑)丝网、水泥砂浆及高分子聚乙烯丙纶)、边墙基础及其排水槽洞施工、二次衬砌混凝土浇筑、隧道路面下纵向排水沟、横向排水沟及中央排水沟建筑、通气承重沟体建筑、路面修筑及水、电、通讯设备安装。
1.隧道开挖按以往通用方法进行，按设计断面尺寸控制，如设计未考虑空壁排水，应考虑排水空间。开挖断面应严格限制超挖欠挖量，以便做好锚喷混凝土。
2.锚喷混凝土的锚杆按设计要求设置，锚杆之间间距不得大于混凝土垫块布设间距L。锚杆应垂直围岩面，全部注浆粘结，外端与垫块齐平。
3.混凝土垫块按设计制作，强度、尺寸误差满足要求，中心两端锚杆孔应居中，以使各垫块垂直、平整、高度一致。垫块安装与喷射混凝土同步进行，使垫块底端坐于混凝土中，按设计深度预埋，使露出高度一致，顶面平顺，线形平滑。
4.喷射混凝土初期支护除与常规排水隧道同样作用外，更主要的是做为流水平面直接排水，无需设排水沟管等结构，因此，这个面除坚固耐久外，还力求平整光滑，流水顺畅。喷射混凝土可多次完成，先喷底层，再埋设混凝土垫块，最后喷找平层。如需设构件支护应埋入喷射混凝土中，最后设混凝土垫块。如喷射混凝土表面达不到标准要求，应再次抹平压光。
5.复合排水防水层是阻止隧道锚喷面上的水落到或渗入二次衬砌或由此排出造成危害。为使水在复合排水防水层面上排除，必须对复合排水防水层逐层粘贴，最终形成完整的一层。首先于水泥混凝土垫块上铺筑防水土工布，局部固定；其次在土工布上铺设钢(塑)丝网2～3层，全部固定于垫块上；再在钢(塑)丝网上喷射或人工抹制水泥砂浆，形成钢(塑)丝水泥砂浆网排防水层承重结构，它应满足强度和渗水等级要求，并且表面要平整，以便粘贴防水层，最后于砂浆面上粘贴高分子聚乙烯丙纶防水卷材，此种卷材柔软轻便，用建筑粘胶与水泥加水粘贴。铺装简便，易于操作，粘贴牢固。可根据设计铺设2～3层高分子聚乙烯丙纶布。
6.隧道边墙基础及其排水槽洞施工。复合排防水层施工之后，即开始挖基，做边墙基础，在基础上预留排水槽及排水洞，按设计尺寸位置施工。排水槽用于基础立面排水，排水洞用于基础平面排水，二者连通。
7.隧道二次衬砌在基础施工之后接续进行。注意接缝止水带按规定操作，满足标准要求。注意通风、照明、机电设备安装预埋构件，以便准确设置。二次衬砌混凝土强度抗渗性及密实度要求仍应按设计标准浇注，应使混凝土充满所有角落并充分捣固，使其与排防水层密贴。
8.隧道路面地下边部纵向排水通气沟、中央纵向排水通气沟和横向排水通气沟开挖砌筑或填充承重传温材料，按设计要求材料和标准施工。纵横沟宽度50cm，深度根据气温区、隧道长短、二次衬砌、围岩各部位的温度确定。
9.如果地下纵横向排水沟用排水管代替，可用承重传温材料填充管道沟，用以调节围岩面的排水温度，防止冻害及冷凝水害。承重传温材料宜选用耐久、强度适应、重度较轻者。
10.隧道路面及通风、照明、安全、机电设施按常规做法即可。

Claims (5)

1.一种空壁排水防水隧道，是使隧道中的围岩来水自由排出的一种结构形式，其特征是：不用设置排水沟管，由制造空壁将围岩来水排除；
包括：
喷射混凝土，其是锚喷衬砌形成的排水外壁；
空壁混凝土垫块、锚杆及二次衬砌混凝土，所述空壁混凝土垫块及所述锚杆与所述二次衬砌混凝土承担作用力；
复合式排防水层，形成排防水另一壁；所述喷射混凝土、所述空壁混凝土垫块及所述复合式排防水层共同组成路面以上排防水系统空壁。
2.如权利要求1所述的空壁排水防水隧道，其特征在于，排水防水结构，一面是由锚喷支护，一面由复合式排防水层组成；所述复合式排防水层是由逐层粘贴式土工布层、钢丝和/或塑丝网砂浆层及高分子聚乙烯丙纶防水片材粘贴复合而成，排水防水作用良好。
3.如权利要求1所述的空壁排水防水隧道，其特征在于，空壁排水防水隧道路面排水，由路面两侧预留的连续边沟排入地下边部纵向排水沟，随来随排，不会留存；
所述边部纵向排水沟设置于所述排防水系统空壁下方。
4.如权利要求1所述的空壁排水防水隧道，其特征在于，空壁排水防水隧道地下排水，首先经由边墙基础槽洞排出，排水槽洞在基础上留出，结构耐久，排水通畅。
5.如权利要求1所述的空壁排水防水隧道，其特征在于，空壁排水防水隧道的路面下部分为排水兼通气传热结构，既能排水又能调节隧道各部温度，同时能承受路面荷载。
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