高速公路隧道防排水技术研究.pdf

r l , l l l l lr l t l l , p lr t r l l i Iplrlll：!itrl,rll,llllp i m Y 15 2 7 7 4 8 分类号：U 4 4 ，U 4 5 1 0 7 1 0 一学号一2 0 0 4 0 1 0 8 谖步太海 硕士学位论文 高速公路隧道防排水技术研究 导师姓名职称 申请学位级别 论文提交日期 学位授予单位 宁忠贤 吕康成教授 答辩委员会主席 学位论文评阅人 韩晓雷 韩晓雷张恩强 摘要 高速公路隧道的防排水技术涉及到设计、材料、施工等多方面因素，虽然国内学者 和工程师在这方面作了较大的努力，也取得了很大的进步，但由于目前还没有十分完善 的设计、施工措施，国内已建成的隧道大多存在渗漏水的问题。本文以湖南邵怀高速雪 峰山隧道为依托工程，对高速公路隧道的防排水技术问题进行了研究。 本文在对国内外公路隧道防排水技术发展的调研分析的基础上，总结出我国隧道防 水技术存在的主要问题。通过分析和研究隧道地下水在各种含水介质中的赋存状态、分 布规律，摸清地下水对隧道结构的作用机理。本文还通过对帷幕注浆工艺、注浆材料、 注浆参数、注浆设备及注浆方法等关键技术进行研究和分析，攻克雪峰山隧道富水段围 岩地质差，涌水压力高、水量大等难题，达到了限量排放的标准，保护了地下水资源和 地表生态环境，取得了帷幕注浆堵水成功。对于复合式衬砌防水，本文以雪峰山隧道为 例，提出了隧道动态防水和可维护性防排水理念。动态防水主要从材料和工艺两个方面 来阐述材料和结构工艺动态适应隧道工程环境的动态变化，可维护性防排水主要从分区 防水，预埋注浆设施防水、网络化可控制排水等工艺来研究，通过以上工艺及其有机组 合实现防排水的可维护。 本文通过对雪峰山隧道防排水技术的设计和施工进行研究，解决在施工中遇到的各 种问题，为今后隧道防排水的设计与施工起到借鉴作用。 关键词：公路隧道 防排水 地下水注浆 A b s t r a c t T h ew a t e r p r o o fa n dd r a i n a g et e c h n o l o g yo fe x p r e s s w a yt u n n e lc o m e sd o w nt om a n y a s p e c tf a c t o r s ，s u c ha Sd e s i g nm a t e r i a la n dc o n s t r u c t i o n A l t h o u g ht h es c h o l a r sa n de n g i n e e r s a th o m eh a v em a d eg r e a te f f o r t sa n dh a v eg a i n e dal o to fa d v a n c e m e n t , b e c a u s et h e r ea r en o p e r f e c td e s i g na n dc o n s t r u c t i o nm e a s u r e s ，t h ep r o b l e mo fw a t e rl e a k a g ee x i s t e di nm o s t l y t u n n e l sc o n s t r u c t e da th o m e T h et h e s i si sb a s e do nt h eX u e f e n g s h a ne x t r a - l o n gt u n n e lo f H u n a np r o v i n c eS h a o - h u a ie x p r e s s w a y , s t u d y i n go nt h ew a t e r p r o o fa n dd r a i n a g et e c h n o l o g y o f e x p r e s s w a yt u n n e l A f t e ri n v e s t i g a t i n ga n da n a l y s i so nt h ew a t e r p r o o fa n dd r a i n a g et e c h n o l o g yo f e x p r e s s w a yt u n n e l sa th o m ea n da b r o a d ，t h em a i np r o b l e m so ft h et u n n e lw a t e r p r o o fa n d d r a i n a g ei no u rc o u n t r ya r ec o n c l u d e d I tf i n d so u tt h em e c h a n i s mo ft h eg r o u n dw a t e rt ot h e s t r u c t u r eo ft h et u n n e l ，v i ar e s e a r c h i n ga n da n a l y s i si nt h ec o n t a i n i n gs t a t ea n dd i s t r i b u t i n g o r d e r l i n e s so ft h et u n n e lg r o u n dw a t e ri ne a c hm e d i u m T h et h e s i sa n a l y s i st h ep u r d a h s l u r r y - i n f u s i n gc r a f t 、s l u r r y - i n f u s i n gm a t e r i a l 、s l u r r y - i n f u s i n gp a r a m e t e r 、s l u r r y - i n f u s i n g e q u i p m e n t s 、a n ds l u r r y - i n f u s i n gm e t h o d s ，r e s o l v e dt h ep r o b l e m so ft h e a b u n d a n t - w a t e r s e g m e n ti nx u e f e n g s h a nt u n n e l ，s u c ha sb a dg e o l o g i co fw a l lr o c k ，h i g hp r e s s u r ea n db i g q u a n t i t yo fg u s h - w a t e r , a c h i e v et h es t a n d a r df o rl i m i t e dd r a i n a g e ，p r o t e c t e dt h eg r o u n dw a t e r r e s o u r c ea n dt h ee a r t h Ss u r f a c e e n t i r o n m e n t ，a c q u i r e dt h e s u c c e s so ft h e p u r d a h s l u r r y - i n f u s i n g T h et h e s i sa d v a n c e st h ei d e ao fd y n a m i ca n dm a i n t a i n a b i l i t yf r o mc o m p o s i t e l i n i n gw a t e r p r o o f i n g F o rd y n a m i cw a t e r p r o o f i n g ，i ts h o w st h ed y n a m i ct h o u g h tw h i c ht h e c h a n g eo fm a t e r i a la n ds t r u c t u r es h o u l da d a p tf o rt h eu n d e r g r o u n de n v i r o n m e n tf r o m c o n s i d e r i n ga b o u tm a t e r i a l sa n dc r a f t s ；f o rt h em a i n t a i n a b l ew a t e r p r o o f i n g ，t h ep a p e ra t t e m p t s t or e s e a r c hi tf r o mt h ec r a f t sw h i c hc o n t a i n sp a r t i t i o nw a t e r p r o o f i n g ，g r o u t i n gw a t e r p r o o f i n g b ye m b e d d e dp a r t sa n dc o n t r o l l a b l en e t w o r kd r a i n a g es y s t e m I tm a k e st h es y s t e mo f w a t e r p r o o f i n ga b o u tm a i n t a i n a b i l i t ys u c c e s s f u l l yf r o mt h ec r a f t so fo r g a n i cc o m b i n a t i o n T h i st h e s i sr e s e a r c ht h ew a t e r p r o o fa n dd r a i n a g et e c h n o l o g yo fX u e f e n g s h a nt u n n e l ， r e s o l v et h ep r o b l e m sf a l l e na c r o s si nc o n s t r u c t i o n ，a n do f f e rs o m er e f e r e n c ee x p e r i e n c ef o rt h e d e s i g na n dc o n s t r u c to f t h et u n n e lw a t e r p r o o fa n dd r a i n a g et e c h n o l o g y K e y w o r d s ：h i g h w a yt u n n e lw a t e r p r o o fa n dd r a i n a g eg r o u n dw a t e r s l u r r y - i n f u s i n g l I 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 妒6 月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝储虢毒嫂 导师签名： 严6 月7 厢 砰年j 其| p 胗乙 步 三D 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 在复杂地质条件下，影响深埋特长公路隧道的主要地质灾害有高地应力、高地温、 地下水等，其中，地下水问题尤其突出。隧道构筑在地表之下，处在各种地下水的包围之 中。地下水无孔不入，由于隧道设计、施工或运营过程中的有害扰动而造成的隧道防排 水体系的任何缺陷，都可能引起隧道渗漏水。现阶段我国虽然具有修筑长大隧道和地下 铁道等地下工程的能力和经验，但是，从工程结构的防水角度来看，尽管设计时有所考 虑，但总的防水效果不是很理想。目前国内己竣工营运的隧道普遍存在隧道衬砌结构渗 漏水的情况。据资料显示在全国的铁路隧道中，有近1 3 的隧道存在着衬砌结构的渗漏 水问题。近年来南方山岭地区因交通事业的需要，修建了很多公路隧道，但绝大部分隧 道仍有不同程度的渗漏，成为我国公路工程的常见病害之一【l 】。渗漏水病害的表现形式 主要有拱顶渗水、滴水、拱脚处渗水、淌水，伸缩缝部位渗水、淌水，侧墙的渗水、淌 水、局部涌水、涌泥，道床积水等，在冬天则表现为顶部形成冰挂，侧墙形成冰柱，在 道床形成冰堆、冰坡等【2 】。目前，国内有的隧道的渗漏状况还相当严重，如于1 9 9 5 年 1 2 月竣工通车的大茅隧道，由于地质构造、施工等各种原因，目前隧道结构出现了较为 严重的病害问题。其中最主要的问题之一就是全隧道范围内大部分衬砌表面存在不同程 度的渗漏水现象，特别是原施工中发生过大坍方的地段和施工缝处及公路隧道两端渗漏 水严重，出现隧道衬砌漏水甚至涌水现象，对安全行车构成极大威胁。 隧道渗漏水与其它病害是密切相关的。由于水的可流动性和水压的传递性，隧道的 衬砌结构往往都要承受较高的水头压力，在这样的条件下，衬砌中的任何缺陷和病害都 可能成为渗漏水的通道。反过来，渗漏水又会加速各类病害的发生和发展，影响隧道的 使用性能和使用寿命。因此，隧道渗漏水实际上是隧道各种病害的综合反映【2 】。 因此，隧道防排水工程的设计与施工极为重要，其质量的好坏直接关系到隧道建成 后的运营环境、结构的坚固性和耐久性、运营成本和运营安全。 1 2 公路隧道防排水研究现状 公路隧道作为一类地下建筑，它的防排水技术经过几十年的发展，已有了许多成功 的经验。目前国内外对隧道的施工t 要有沉埋法、新奥法和历构法三种：沉埋法常用于 第一章绪论 水下隧道的施工；新奥法主要用于山岭隧道：而盾构法常用于城市地下工程，如地下铁 道等。隧道防水技术主要有三种类型，一是从围岩、结构和附加防水层着手以防为主的 水密型防水，二是从疏水、泄水着手以排为主的泄水型或引流自排型防水，三是防排结 合的混合型防水。主要做法有：( 1 ) 复合衬砌。由一次支护、二次模注混凝土以及防 水层组成，防水层常采用P V C 、E C B ( 乙烯一醋酸乙烯与沥青共聚物) 、E V A ( 乙烯一醋酸 乙烯共聚物) 、L D P E ( 低密度聚乙烯膜) 及H D P E 等材料。复合衬砌防水是隧道新奥法 施工的基本形式，被广泛应用于国内外大量隧道工程。如日本的北陆新干线一间獭隧道、 东京湾渡海公路海底隧道、北京西单折返线隧道以及京九铁路五指山隧道等等，都采取 复合衬砌防水。复合衬砌的防水层设于一次支护与二次模注之间，表面光滑，除了防水， 它还能减少喷射混凝土与二次衬砌模注混凝土之间约束应力，防止二次模注混凝土产生 裂缝。但复合衬砌也存在许多问题，主要是：初期支护难以保护；施工期长，施 工工艺复杂；防水层材料难以选择：P V C 板及H D P E 膜作防水层时，P V C 板幅宽仅1m ， 接缝多，板间接缝采用热楔焊，焊缝严密性差，防水可靠性降低；防水板用射钉穿破， 固定于喷射混凝土上，防水整体性遭破坏；P V C 板间接缝焊接时分解出有害气体，对人 体危害极大；H D P E 膜幅宽9m ，接缝虽少，但铺设困难，且接缝需用专用焊枪焊接，要 用与膜同材质的专用焊条，成本较高。专用焊枪重达2 0 k g ，在隧道拱顶部操作使用不便， 连接方式不易得到保证，焊接工艺要求高；二次衬砌施工时易将防水板撞破。( 2 ) 二次衬砌防水。二次衬砌防水是盾构隧道的一种防水技术，在盾构隧道内侧，增加二次 衬砌，使隧道内的水分和氧气与一次衬砌隔绝，这样不但可以防水，而且可以对一次衬 砌接头的金属构件和螺栓起防腐作。( 3 ) 单一衬砌防水。单一衬砌防水可认为是新奥 法的一种延伸，分内防水和外防水两种。( 4 ) 排水法防水。这种方法通常与其它防水 方法结合使用，很少单独使用。( 5 ) 注浆防水。注浆能起到提高隧道围岩整体性、有 利于改善衬砌所受压力，它属于隧道介质防水，其有效性可以通过注浆后达到的渗透性 来评价。 1 2 1 国内公路隧道防排水技术发展 我国起步较早的是铁路隧道，2 0 世纪7 0 年代之前的铁路隧道都采用矿山法修建， 料石衬砌，没有采取任何防水措施，隧道的漏水量完全取决于地下水本身水量的大小及 其渗流方式；7 0 年代后，新奥法逐渐引入我国，一些隧道开始采用混凝土衬砌，但由 于在衬砌的施工缝处未采取任何防水措施，加上衬砌的各种裂缝比比皆是，隧道的渗漏 长安大学硕士学位论文 状况较之以前并未得到多大改善；8 0 年代后，随着电气化机车的广泛使用和一些长大铁 路的出现，对铁路隧道的防水提出了新的要求，铁路隧道的防渗漏问题得到普遍重视， 公路隧道自2 0 世纪8 0 年代起，才逐渐增多。由于当时公路隧道的建设经验不足，对公 路隧道的特点缺乏认识，公路隧道的设计理念和施工方法都照搬铁路隧道的经验。由于 公路隧道断面大且形状扁平，按当时的技术水平，公路隧道的施工难度较铁路隧道的施 工难度大，因而先拱后墙施工法在当时的公路隧道施工中相当盛行，这种方法在拱墙接 茬会形成水平施工缝，成为隧道渗漏的主要发生点。 2 0 世纪8 0 年代中后期起，工程界对公路隧道的防排水技术提出了更高的要求，不 仅提出了与铁路隧道相似的防排水系统和施工工艺，还对防排水材料提出了比铁路隧道 更为严格的要求。我国地下工程防水技术规范( G B J l 0 8 - - 8 7 ) 对地下工程的防水提 出了总的治理原则，即“防、排、截、堵相结合，因地制宜、综合治理 。公路工程技 术标准( J T J 0 1 8 8 ) 要求根据综合治理原则，对地表水和地下水作妥善处理，对高速 公路和一级公路上的隧道，应有可靠的防排水措施，保证行车安全及隧道结构和设备的 正常使用。而公路隧道设计规范( J T J 0 2 6 - - - 9 0 ) 规定一般公路隧道的防水应做到： 拱部不滴水、边墙不滴水；路面不冒水、不积水、设备箱洞处不渗水；冻害地区隧道衬 砌背后不积水，排水沟不冻结。 我国隧道及地下工程推广新奥法施工二十多年来，其结构防水一般在喷混凝土层和 二次衬砌之间设置防水层来解决防水问题，普遍被认为是比较合理的方法。这与1 9 8 8 年1 0 月开始施行的“铁路隧道新奥法指南( T B J 3 8 5 ) 中规定的防排水原则是一致的。 目前构筑防水层主要有下列方法：l 、喷涂防水膜。在初期支护与二衬之间喷涂防水膜， 这样形成的防水膜要求初期支护的底层比较平整，否则将影响防水膜的附着力，降低防 水效果。所以这种防水膜只适用于没有涌水和滴水的隧道，此法的不足之处在于防水膜 的厚度较难控制；此外，由于这种防水层完全隔断水的渗漏而不能把水疏导排出，所以 二次衬砌结构要承受外水压力。2 、设置防水隔板。在初期支护与二衬之间设置平板或 带肋板。平板材料为聚乙烯或聚酯。采用平板做防水层的优点是：能在涌水条件下施工， 质量易于保证，对初期支护底层的平整度的要求比喷涂防水膜法低。采用带肋板做防水 层的特点是：不仅可以隔断渗漏水或者滴水，并且还可以把隔断在板后面的水疏导排出， 即在墙基部位设置集中导水管把水排出。因此用此法时，二次衬砌一般不会受到外水压 力的作用，这在很大程度上就克服了因隧道超挖而造成的防水难题。但是，必须指出， 这种防排水方法在欧洲的法国、德国、意大利等国家己有二十多年的经验；日本、韩国 第一章绪论 也有十多年的经验。因这些国家多采用全断面掘进机和机械预切槽的施工方法，即便是 钻爆法，其光面爆破效果好，再经找平，也能使其防水板与喷混凝土层基本吻合。加上 接缝采用机具，焊缝均匀牢固，固定点又加橡胶垫圈，会达到较好的效果。而我国的许 多隧道由于其光面爆破效果不佳，喷混凝土面难以吻合；加上接缝采用电烙铁，焊缝不 均匀、不牢固，防水板很容易产生空鼓开裂：因局部超挖过量，回填又不好，这样就会 使塑料防水板的防水效能无法发挥。另外，因有的施工单位一味追求施工速度，忽视二 次衬砌质量，施工上粗心大意，混凝土配合比掌握得不好，浇筑时不按要求施工，也不 捣固，结果必然造成混凝土内部空隙、衬砌表面不光滑，对排水设施不按要求砌筑而是 随意设置，施工缝、沉降缝及穿墙管、锚杆露头、预埋件等的防水工序处理不当，做工 不精，这些都会使地下水丰富地区的隧道造成严重的渗漏水【1 】。随着高等级公路的发展， 我国隧道防排水设施吸取国外标准，除了在洞内外进行防排水设置外，对衬砌自防水、 二次衬砌铺设复合式防水层、注浆堵水和施工缝、沉降缝、伸缩缝的止防水等方面也日 益引起重视，大量采用复合式防水层、软式透水管、弹簧引水管、H O P E 波纹网管和P V C 、 E V A 、L D P E 、P E 等各种防排水板材与卷材。基于上述高分子聚合物防水材料的新型法拉 格( F L A c ) 防水材料体系在我国也开始得到借鉴、运用。F L A C 防水体系主要由结构层、 找平层、排水层、防水层、保护层、紧固件、分隔体系、检察和注入体系等八部分组成， 防水效果好，但费用较高，目前还未得到普遍推广。 1 2 2 国外公路隧道防排水技术发展 随着隧道新奥法( N A T M ) 设计施工技术的逐步推广和应用，在隧道初期支护与二次 衬砌之间敷设防水隔层材料成为一种效果良好的防水形式。原西德在1 9 6 7 年至1 9 7 6 年 间的铁路与公路隧道修建中，防水采用装配式衬砌的合成树脂垫片、防水混凝土结构接 头处止水以及合成树脂和多层沥青的防水膜等技术。之后，瑞士、奥地利、西德等国家 相继采用聚氯乙烯和聚乙烯防水材料，在世界各地普遍得到推广【4 】。 2 0 世纪9 0 年代以来，国外在隧道防排水技术上采用了( 1 ) 渗透灌浆( P e r m e a t i o n G r o u t i n g ) 给钻孔中灌浆形成一个地下帷幕从而拦截地下水，( 2 ) 喷射灌浆( J e t G r o u t i n g ) 往孔内高压喷射水泥浆或水泥浆混合物阻隔地下水并具有支撑土层作 用，及( 3 ) 冷冻截水等一些新方法【4 】。 防水等级上，英国C I R I A ( 建筑工业研究和情报协会) 的隧道防水等级标准是率先 提出的防水等级标准，也是公认为比较科学、合理的分级指标，它将防水分为7 个等级， 长安大学硕士学位论文 0 级代表无可见的渗水，A 级最大渗水量为1 L d m 2 。此外，国际上权威的防水技术研究 机构德国地下交通设施研究协会( S T U V A ) 的标准也很有意义：不仅规定整条隧道 的平均漏水量，更注重单位长度内每昼夜、每m 2 的平均渗漏量。日本专家提出日本城市 道路隧道防水等级为第3 级，与我国的相当【7 1 。 法国于1 9 9 2 年1 月出版实施的法国公路工程技术手册，汇集了地下结构防水工 程标准。标准主要包括四类产品：( 1 ) 工地结构物内侧使用的涂刷或喷射掺聚合物材料； ( 2 ) 填土结构物外侧使用的聚合物沥青防水土工膜；( 3 ) 外防水合成材料板；( 4 ) 结 构内侧使用的防水水泥。1 9 9 8 年法国对该地下工程防水技术标准进行了修订，将 2 0 世纪7 0 年代以来运用的膨润土与膨推土板、硅段压缩缝与水膨胀缝两种施工缝和双 层防水系统( 在二次衬砌之间议无纺布保护层与防水土工膜，并在外面再设一层防水保 护层) 的技术产品作了改进【4 1 。 日本的防水设计考虑的因素十分周到，对不同类型的隧道往往采用不同的方法。如 山岭隧道的防水采用以排为主，堵排结合原则；对海底隧道和城市隧道等则是以堵为主， 堵排结合原则，但在防水设计、施工的指导思想上都是要求把防水一次做好，不留后患， 严格要求施工质量，隧道及地下工程的防水皆由专业公司承担设计、施工，每道工序都 有人检查把关，严格做到按图施工。日本的防水材料先进，有专门的研究单位从事材料 的开发和生产，如为解决混凝土施工缝的防水问题，日本开发生产了异丁基橡胶止水板， 这种材料中夹钢片，易于施工，效果可靠，我国目前尚未有类似产品。当前，日本随着 都市地下工程不断深层化，对高水压下的防水材料的性能要求也不断提高，在隧道防水 方面，已经不再局限于防水措施之类的就事论事的方法，而是从地下工程的结构与整体 设施的全局考虑。日本隧道施工技术的发展现状是：电脑技术己经广泛用于隧道及地下 工程，对作业面实施自动记录、监理、绘图；应用激光导向和光电传感器，与微机联网， 自动采集数据，分析、绘图。日本很重视新技术的开发，也善于吸收和引进别国的先进 技术【钔。 当前，国外隧道防排水技术出现了如下发展趋势： ( 1 ) 由多道设防向一道设防方向发展。多道设防效果好、费用高，一道设防可以 胜任较高防水要求、造价较低、施工方便，如新加坡隧道东北线的防水设计施工就是采 用一道设防的【7 1 。 ( 2 ) 防水材料开发与施工工艺要求相结合。防水材料要便于施工、经济可靠、质 量控制。如国外近几年研发的新型土工合成防水材料膨润土防水毯，原材料成本低；防 第一章绪论 水性能好，在同比条件下，膨润土防水效能可达传统的五层防水，且耐久性能优良；自 我愈合能力强；安装、施工方便。目前在世界上许多重要工程中使用，并证明具有很好 的防水防渗效果。 ( 3 ) 结构自防水是防排水效果的基础，难题在于衬砌结构施工缝的防水，水一般 不会通过喷射混凝土本身，而是通过施工缝或钢筋嵌入处渗出。有资料显示：在衬砌施 工缝处采用聚氨醋基喷涂防水膜是最具潜在动向的优势之一，特别是对于是对于永久性 喷射混凝土衬砌，虽然这种产品目前仅在在矿井的岩石支护上得到成功运用。 ( 4 ) 复合式防排水材料的发展。国外的橡胶止水条多采用氯丁橡胶和水膨胀材料 的复合型。发挥两种材料各自的作用，取得良好的经济效益和工程效益。 1 3 我国隧道防水技术存在的问题 由上述内容及作者所查阅的国内外的文献资料可以看出，尽管目前对隧道的防排水 及渗漏水的防治的研究和工程实践已取得了丰硕的成果和经验，但还存在一定的问题， 有待于深入研究。现有资料表明，已建隧道的防水都是按照现有的各种技术规范规程， 借鉴国外成熟的技术方法来进行的。然而，尽管一些设计施工规范对各种隧道的防水做 出了相应的规定，但这些规定仍存在着许多不足。主要有以下4 个方面n 1 ： ( 1 ) 隧道防水的等级不明确。大部分隧道规范对防水等级的划分比较模糊，相对 国外的隧道防水规范，各种隧道的防水要求和等级都不明确，定性而不定量。由于许多 国标没有定量指标，过于笼统，执行起来就很困难。不同的隧道工程，采用不同的等级 划分标准。 ( 2 ) 隧道防水的设计依据不充分【l 】。由于地质情况复杂，勘探费用昂贵，因此很难 仅通过勘探来掌握隧道的地质情况，大都要经过试验和估算推测。地下水的运动是一个 非常复杂且目前还不能准确计算的问题，他对地下结构主要产生渗透作用，目前在结构 计算中地下水的作用被简化为静水压力作用，没考虑到它的渗透作用。从宏观上讲，抗 渗防水一般是按地下层流流态的达西定律计算，计算结果仅能作为地下工程抗渗设计的 参考。目前国内外许多学者将渗流场与应力场结合起来考虑，采用有限元的方法，研究 地下水渗流的理论和计算问题，并取得了一些成果。但是总的来说，目前还缺乏可供地 下工程抗渗防水设计的实际研究成果，当前的隧道防水设计及规定仍缺乏可靠的理论依 据。其次，设计人员在设计隧道与地下工程时，往往只重视建筑和结构上的要求，而忽 视了防排水的设计要求；在防水设计之前，对其工程地质及水文地质情况了解得不够仔 长安大学硕士学位论文 细，对衬砌周围地下水源、水量、流向及水质勘察不全。 ( 3 ) 隧道防水的施工做法不规范【l 】。尽管规范对不同隧道的防水进行了规定，但国 内对不同的防水措施没有从经济上、效率上进行过系统的研究，对防水施工措施缺乏规 范。通常是，不同的工程根据不同的要求，按照自己的意愿来实施防水，没有统一的评 价标准，在细部做法方面更是如此。因此建设设计和施工单位对采取哪种防水方法，如 何实现防水措施，主要参照以往经验和国外的做法，这就存在很大的盲目性。许多隧道 经使用证明，常常出现防水措施不防水或不经济两种极端。另外，有些施工队伍工作质 量不高，不能保证精心施工，工程质量低劣，为隧道渗漏埋下隐患。 ( 4 ) 科研、设计、施工单位之间缺乏学科之间的交叉渗透，缺乏组织协调和分工 协作。科研开发又往往是低水平、重复多，着眼主导产品多，而对配套材料和施工技术 的研究不够，从而妨碍了隧道防水技术总体水平的提高。隧道洞内防排水是一项系统工 程，应该以排为主，防、排、堵、截相结合的综合治理办法。要注意避免排而不防或者 排而不堵的倾向，一味的排水可能会流尽隧道之上潜水和排干水塘、水库、农田等地表 水，影响附近人们生产与生活，甚至造成植被失水枯死；防而不排或者堵而不排，就会 使衬砌周围的水无路可走、越积越多，最终因水害而导致隧道损坏。 1 4 雪峰山隧道工程水文地质特征 雪峰山特长隧道是邵阳至怀化高速公路上最大的控制性工程，也是目前国内在建的 第四长的高速公路隧道。隧道的开通可缩短公路里程约3 0 公里，大大节约运营费用。 雪峰山特长隧道上下行分离，其中左线隧道长6 9 4 6 m ，右线隧道长6 9 5 6 m , 隧道最大埋 深约8 5 0 m ，穿过雪峰山主山脉。 1 4 1 工程地质 1 4 1 1 地层岩性 隧道范围穿越地层，浅埋段地层岩性为第四系( Q ) ，其余洞身范围为震旦系江口群 长滩组( Z c ) 与前震旦系荚蓉溪群岩门寨组。以变质砂岩、硅化砂质板岩基岩为主。浅 埋段构造主要表现为F 2 和F 5 断层，其对隧道浅埋段有非常大的影响。 ( 1 ) 第四系( Q ) 亚粘土：分布在较平稳的地段，为残积、坡积成因。 碎石块石土：在山坡上及小的溪沟中广泛分布，为坡积、崩积成因。 第一章绪论 漂石土：主要分布在5 条主溪沟中，为冲积成因。 ( 2 ) 震旦系江口群长滩组( Z c ) 以硅化砂质板岩为主，灰绿色，中厚层状，常见颜色深浅不一的水平纹层，纹层较 窄，多为毫米级。该段分布在羊皮洞、葛立坪一线以西，厚度约3 0 0 m 。据岩石特征分析， 该段应属陆棚前海相沉积。 ( 3 ) 以硅化砂质板岩为主，灰绿色，中厚层状，常见颜色深浅不一的水平纹层， 纹层较窄，多为毫米级，局部纹层厚度达l - - 3 c m 4 引。 1 4 1 2 地质构造 ( 1 ) 皱褶 山顶倒转背斜：背斜核部位前震旦系芙蓉溪群岩门寨组，构成山脊，核部地层中 小褶曲发育。两翼地层为震旦系江口群长滩组第一段，对陈出露在山脊的两侧。皱褶轴 面倾向S E E ，倾角陡，其N w 翼地层倒转。皱褶枢纽倾伏向在木古界以北为S W l O 。 - 1 5 。， 以南变为S W 3 5 。 - - 4 5 。，倾伏角较小。 王公店锅塘冲复式向斜：位于西侧山坡的前震旦系芙蓉溪群雁门寨组中，核 部大致沿王公店、锅塘冲一线展布，地貌上可见一系列面积不大的山问洼地。综合分析 可知：该皱褶带由两个向斜及一个背斜组成，在核部岩石以韧性变形为主，存在脆性破 坏，但不强烈，两翼岩层较完整。 ( 2 ) 断层 经确认的规模较大的断层共有8 条，对隧道影响最大的两条为： F 2 ：通过东侧山坡之葛立坪与羊皮洞，横贯测区，为区域性大断层。产生在震旦 系江口群长滩组中。综合分析后，判定其总体的产状为倾向1 1 0 。- - - 1 3 0 6 ，倾角5 0 。 6 0 。总的宽度约2 1 0 m 。断层带内局部为碎裂岩、构造角砾，还可见到变形的围岩透镜 体。 F 5 ：位于前震旦系芙蓉群岩门寨组，为一区域性大断层，倾向为1 2 5 。 - - 1 4 0 。， 倾角5 0 。- - - 6 0 。，宽约3 0 0 一- - 4 0 0 m ，断层带内岩石以韧性变形为主，主要表现为片岩化， 伴有强硅化、铁矿化，岩石易沿片理面裂开，含水量极大，存在突水等地质灾害问题【4 8 1 。 1 4 2 水文地质 雪峰山山脉地表植被丰富，富水量大，也是古老地层。由于多次受造山运动的影响， 造成地表沟谷纵横；隧道内断层、节理特别发育。地质探明有五条大的断层，5 组节理， 长安大学硕士学位论文 两个大的褶皱，层理发育，裂隙纵横交错。构造裂隙与地表相通，造成雪峰山隧道涌水 量特别大。据地质勘察表明，隧道中透水、涌水的水源主要有下列四类：( 1 ) 覆盖层中 的孔隙水；( 2 ) 基岩裂隙水；( 3 ) 断层带的裂隙水：( 4 ) 褶皱核部的裂隙水。 1 5 本文研究的主要内容 本论文在收集整理国内外有关隧道防排水技术方面的资料的基础上，结合雪峰山隧 道断层带围岩破碎、涌水量大等特点，通过理论分析和施工实践，对特长公路隧道防排 水的各项关键技术进行研究，其主要的研究内容为： ( 1 ) 地下水环境对隧道工程，尤其是隧道工程防排水的设计与施工具有重要的作 用和意义。研究国内外公路隧道防排水技术的发展状况，以及我国隧道防水技术存在的 问题。 ( 2 ) 通过分析和研究隧道地下水在各种含水介质中的赋存状态、分布规律，摸清 地下水对隧道结构的作用机理。并阐述了地下水对隧道围岩稳定的影响、对隧道施工的 影响、对隧道衬砌结构的影响及对隧道运营环境的影响等四个方面的内容。 ( 3 ) 通过对雪峰山隧道围岩破碎，涌水量大的断层地带所采取的超前地质预报和 涌水监测进行研究与分析，预报及监测结果为全断面帷幕注浆的实施提供了重要的依 据，保障了施工安全。 ( 4 ) 通过对帷幕注浆工艺、注浆材料、注浆参数、注浆设备及注浆方法等关键技 术进行反复的研究和分析，成功解决雪峰山隧道富水段围岩地质差，涌水压力高、水量 大等难题，达到了限量排放的标准，保护了地下水资源和地表生态环境，取得了帷幕注 浆堵水成功。 ( 5 ) 以雪峰山隧道复合衬砌为例，提出了隧道动态防水和可维护性防排水理念。 动态防水主要从材料和工艺两个方面来阐述材料和结构工艺动态适应隧道工程环境的 动态变化，可维护性防排水主要从分区防水，预埋注浆设施防水、网络化可控制排水等 工艺来研究，通过以上工艺及其有机组合实现防排水的可维护。 第二章隧道地下水分类及其对隧道的影响 第二章隧道地下水分类及其对隧道的影晌 地下水广泛存在于地下岩土体中，与人类工程活动( 尤其是隧道与地下工程) 关系 密切。地下水与岩土体的相互作用会使岩土体的强度和稳定性降低，产生各种不良的自 然地质现象和工程地质现象，如滑坡、道路冻胀、翻浆、岩溶、潜蚀、地基沉降等，给 公路工程的建筑和正常使用造成危害。地下水的存在不仅可能造成施工困难，还会不同 程度地降低围岩强度，留下安全隐患，而地下水的侵入和渗出造成的隧道渗漏，已经成 为隧道运营期间的主要病害。此外，在地下水中的大量化学成分中，侵蚀性C O 。2 一或C l 、 S 0 4 2 一等的存在，可能对混凝土、钢筋产生腐蚀作用。腐蚀性地下水在隧道内的渗出，不 仅对隧道衬砌和路面造成影响，还将影响到隧道内机电设施的运营安全和运营效率。 因此，了解地下水环境，对隧道工程，尤其是隧道工程防排水的设计与施工具有重 要的作用和意义。 2 1 隧道地下水分类 隧道地下水按其赋存介质的特性可分为基岩裂隙水、岩溶水和孔隙水。而前两种类 型是隧道中最常见、研究困难的地下水。 2 1 1 基岩裂隙水 2 1 1 1 基岩裂隙水的分类及基本特征 基岩裂隙水是赋存在火成岩、沉积岩、变质岩等各类岩石缝隙中的地下水，因此它 的储存和运移都严格受基岩裂隙的制约。这样，研究基岩裂隙水，很大程度便成为研究 其赋存的裂隙介质中的裂隙成因、分布及各种特性。 按裂隙介质的成因，基岩裂隙水可分为构造裂隙水、成岩裂隙水和风化裂隙水。构 造裂隙水储存和运移在构造裂隙中，由于构造裂隙极强的方向性，并由定向展布的裂隙 组构成了不均一的裂隙网络。因此，构造裂隙水的显著特征是含水介质的渗透性具有较 强的各向异性和非均质性，特别在断层带中，这种特征更加明显。成岩裂隙水是储存和 运移在成岩裂隙中的地下水，由于成岩裂隙是由于岩石固结和收缩而成，因此，成岩裂 隙水渗透的各向异性和非均质性较构造裂隙水差，且多受到一定层位和岩性的限制。风 化裂隙中储存和运移的地下水称为风化裂隙水，由于风化裂隙是构造裂隙和成岩裂隙经 过多次物理、化学和生物风化作用形成，因此后期改造使裂隙的方向性和不均一性大 长安大学硕士学位论文 大减弱，所以，风化裂隙水的基本特征是含水介质的渗透性各向异性和非均质性很弱， 近似于孔隙介质【1 3 】。 2 1 1 2 地质构造对基岩裂隙水赋存的控制作用 裂隙理论证明，岩石的应力大小及岩石的力学强度是产生裂隙的两个主要因素。地 质构造作用是通过第一个因素影响基岩的裂隙，从而控制其地下水的赋存状态和特点。 在地质构造运动中，构造应力在背斜轴部和断裂带岩层中不断集中，当岩石的应力超过 了自身的力学强度极限，则发生破裂，并释放应力，同时产生大量裂隙。由于构造各部 位岩石应力分布不等，产生破裂各异，因此裂隙的隙宽，密度和延伸长度也不同。大量 的研究业已证实这种分布呈现如下规律： ( 1 ) 在背斜构造区，距背斜轴越近，裂隙的隙宽，延伸长度越大，这样大大提高 了裂隙含水介质的渗透性，使背斜轴部具有较强的富水性。 ( 2 ) 在断裂构造区，断裂带附近的裂隙隙宽，延伸长度具有与背斜轴部相似的分 布规律，特别断裂带常形成迭瓦状构造，使大裂隙延伸方向往往平行于断裂带，因此， 裂隙含水介质不仅渗透性强，而且各向异性明显，主渗透方向近似平行断裂带，沿断裂 带形成了富集地下水的廊道。地质构造对裂隙水赋存的控制，正是通过含水介质裂隙隙 宽、密度、延伸长度的分布规律对裂隙水的影响体现出来。这样的例子很多，如成昆线 。 沙木拉达隧道通过白垩系下统紫红色泥岩、粉砂岩及砂岩组成的红色地层时，在断层破 碎带和背斜轴部施工中隧道有四处严重涌水，雨季涌水总量可达1 2 0 0 0 m 3 d 以上，旱季 仍可达6 0 0 0 m a d ，因此可以认为隧道内的裂隙水赋存主要受到地质构造的控制。 ( 3 ) 岩石性质对基岩裂隙水赋存的影响。如果说地质构造是通过岩石应力变化影 响裂隙的发育，从而控制裂隙水的赋存状态，那么，岩石性质对裂隙发育的影响则是表 现在岩石力学强度的变化上。不同的岩石有不同的力学强度和变形特征，当地应力超过 了岩石的力学强度极限时，砂岩、石灰岩、花岗岩，闪长岩等具有弹脆性变形特征的岩 石便产生裂隙，而页岩、泥灰岩等具有塑性变形特征的岩石则发生揉皱或层问滑动。 由于裂隙在不同的岩性中发育不同，所以，在构造条件相同时，不同岩石性质的含 水介质中，裂隙水富集程度由大到小，大致可分为纯石灰岩、大理岩、泥质石灰岩、砂 岩、花岗岩、片麻岩、板岩等【13 1 。 2 2 2 岩溶水 岩溶水是储存和运动在岩溶含水介质中的地下水，因此，研究岩溶水赋存的首要问 第二章隧道地下水分类及其对隧道的影响 题则是分析岩溶含水介质的形成和形态特征。 2 2 2 1 岩溶介质的形成条件 岩溶介质形成必须具各四个条件：( 1 ) 岩石的可溶性。岩溶形成首先必须具备有可 溶性的岩石，包括分布最广的碳酸盐岩类( 石灰岩、白云岩、硅质灰岩和泥灰岩) ，以 及硫酸盐类岩石( 石膏，芒硝) ，卤盐类岩石( 岩盐和钾盐) 。( 2 ) 水的侵蚀性。纯水对 碳酸盐岩的溶解是很微弱的，但当水中溶有c 0 2 时，对碳酸盐岩的溶解则显著增大，因 此，水的侵蚀性是岩溶介质形成的另一个必要条件。( 3 ) 岩石的透水性。可溶岩如果透 水性很差，甚至不透水，那么侵蚀性水与岩石的接触面有限，仍然不能产生岩溶。因此 岩石具有一定的孔隙，特别是裂隙，成为岩溶形成的必要条件。( 4 ) 水的流动性。如果 地下水流动很缓慢，成停滞状态，那么，水中的侵蚀性C 0 ：将不断消耗，使水失去侵蚀 能力，因此，水的流动成为岩溶形成的又一个必要条件【3 6 1 。 在上述四个条件具备时，可溶性岩石在侵蚀性水作用下，形成了岩溶，由于地下水 主要在可溶岩的裂隙中运动，而裂隙一般发育是不均匀的，其隙宽、密度、延伸长度、 连通性等差异较大。这样，在隙宽较大，延伸性和连通性较好的裂隙中，地下水因阻力 小，流速则较大；而隙宽较小、延伸性和连通性较差的裂隙中，地下水因阻力大，流速 则较小。因此，前者的溶蚀速度远远大于后者，可溶性岩石的差异溶蚀导致了裂隙的不 均匀性加大，一些大裂隙的空间不断扩大，水量越来越集中，形成了规模较大的汇水通 道，甚至地下暗河，而其它小裂隙则形成宽度不等的溶隙网和细小的溶孔。这样，造就 了由规模较大的溶洞、管道、各种不同宽度的溶隙细小溶孔共同构成的层次重叠，形态 复杂的岩溶介质。这种介质无论空隙的大小，还是其透水性都极不均匀，并且渗透具明 显的各向异性。 2 2 2 2 岩溶水的赋存特征 在上述岩溶介质的控制下，岩溶赋存的最大特点是在空间和时间上的极不均匀。 在空间上，岩溶水赋存沿剖面上一般分为四个水动力带。( 1 ) 垂直入渗带。位于地 下水最高水位以上的包气带，主要赋存垂直下渗暂时性水流，岩溶以垂直形态的溶隙、 落水洞等为主。( 2 ) 垂直水平交替带。位于地下水最高水位与最低水位之间的季节变动 带，主要赋存垂直下渗和水平流动的暂时性水流，枯水期以前者为主，丰水期以后者为 主。岩溶以垂直和水平形态兼有，常形成间歇性地下暗河。( 3 ) 水平循环带。位于地下 水最低水位以下的饱水带，赋存的地下水流向当地最低侵蚀基准面，岩溶以水平发育的 溶洞暗河为主。( 4 ) 深循环带。位于局部侵蚀基准面以下的深部，地下水在水头压力作 长安大学硕士学位论文 用下向远处的区域性基准面缓慢流动，岩溶以细小的溶隙和溶孔为主。另外，在剖面上， 可溶与非可溶岩层，或可溶性强与可溶性弱的岩层交界面附近，以及地下水面附近，岩 溶水赋存较丰富。在平面上，一般可分为三个区：( 1 ) 垂直入渗区。位于远离河谷的分 水岭地区，多发育漏斗、落水洞等垂直岩溶，降水入渗后作垂直运动，地下水水位埋深 较大。( 2 ) 水平运移区。位于河流中游地区，赋存的地下水水流分散，无统一的水位， 因此岩溶发育成水平管道，连通性较差。( 3 ) 集中排泄区。位于河流下游及河谷地区， 以水平岩溶为主，溶蚀作用强烈，岩溶含水介质的渗透具有较强的非均质性和各向异性， 赋存的地下水水流集