鐵路隧道排水盲管施工質量現狀及控制

黃國富，陳覓杭，汪淼，余扶遙，郭威，雷明鋒

鐵路隧道排水盲管施工質量現狀及控制

黃國富1，陳覓杭1，汪淼1，余扶遙1，郭威1，雷明鋒2, 3

(1. 中建隧道建設有限公司，重慶 401320；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；3. 重載鐵路工程結構教育部重點實驗室，湖南 長沙 410075)

針對當前隧道工程中排水盲管的設計方法、質量控制尚缺乏系統完善的規范標準的現狀，從隧道縱向排水盲管的工作原理出發，系統總結分析其在設計方法、控制指標及施工質量方面的不足，指出：排水盲管的設計應緊密結合隧道工程地下水環境，根據其實際滲水量和國家管材生產標準來計算確定，而不應盲目套用臨近專業的規范規程；對于隧道排水盲管設計應統一確定為聚乙烯含量、環剛度、滲水能力和管徑4個控制指標；排水盲管的安裝應充分考慮其運營過程中的堵塞風險，提前預留足夠的滲流通道。結合工程實踐，從優化排水盲管的安裝位置和采用管卡具代替定位鋼筋2方面，給出排水盲管的施工優化方法，并成功應用于實際工程。

排水盲管；工作原理；設計方法；控制指標；安裝優化

防排水是鐵路隧道設計、施工過程中的重點環節[1]，其設計原則通?？蓺w納為“防、堵、截、排相結合，因地制宜，綜合治理”[2]。其中，“防”主要指“土工布+防水板”以及混凝土結構的自防水；“排”分暗排與明排，即襯砌背后設滲水盲管進行暗排以及兩側及中間設排水溝進行明排。相對而言，明排施工質量容易保證，而暗排則為防排水中的重點控制項目，一旦暗排(如排水盲管)施作效果不理想，裂隙水便被堵在襯砌背后，進而引起較大的襯砌水壓力，導致結構產生滲漏水，嚴重時會損毀襯砌結構[3]。如懷邵衡鐵路隧道建設過程中，由于縱向排水盲管前期施工質量不理想，致使在施工過程中混凝土將縱向盲管砸落、壓扁等問題，嚴重影響后期排水，襯砌背后水壓力不斷上升[4]。陳健蕾等[5]專門調研了貴州省46座隧道的滲漏水情況，發現滲水下排不暢是主要原因之一。因此，在隧道施工中應該嚴格控制暗排設施的施工質量。然而，因參建各方對排水盲管重視程度不夠，排水盲管的驗收標準缺乏，以及諸多建設者對排水盲管的設計原理存在理解偏差等原因，致使當前對排水盲管施工質量的控制標準不統一，甚至出現一些管理誤區。針對該現象，本文基于工程實踐，系統總結分析隧道縱向排水盲管的工作原理及施工質量控制方法，并提出隧道縱向排水盲管設計施工方法，可為隧道的防排水的設計施工提供參考。

1 排水盲管的工作原理

盲管又稱塑料盲管、滲排水盲管/盲溝。滲排水盲管是將熱塑性合成樹脂加熱熔化后通過噴嘴擠壓出纖維絲疊置在一起，并將其相接點熔結而成的三維立體多孔材料。在主體外包裹土工布作為濾膜，其材質憎水、阻力小，具有極高的表面滲水和內部通水、抗壓及適應形變的能力，以及極佳的化學惰性，在巖土工程使用中能保持長久的壽命；且其重量輕、易裁剪、施工安裝方便。

排水盲管在隧道中的工作原理是隧道巖體里的裂隙水沿著防水板背后的土工布、土工布與隧道初支面之間的空隙往下滲漏至排水盲管，通過盲管往隧道排水溝中及時排出。其目的是排出隧道襯砌背后的裂隙水，防止隧道背后積水，避免隧道襯砌背后裂隙水未能及時排出而堵壓在襯砌背后，致使襯砌結構被破壞，產生裂縫，最終導致隧道滲漏水，甚至危及結構安全，造成安全事故。

2 排水盲管的質量要求與設計方法

雙壁波紋管廣泛應用于市政排水、排污管道系統工程；公寓、住宅小區地下埋設排水排污；高速公路預埋管道，高爾夫球場地下滲水管網；地下管線的保護套管和通信電纜護套管等，其執行標準為“GB/T19472.1?2004”[6]。為保證排水管的排水量，其需要具有一定的內徑。此外，波紋管埋置于地下，需進一步考慮水壓力與外回填土的壓力，故標準中對波紋管有環剛度的指標要求。

為了確保其質量與使用壽命，隧道排水盲管常采用HDPE打孔波紋管，但當前國內沒有排水盲管的質量要求標準文件，基本參照上述標準[6]。該標準針對排水盲管來說又存在一定的不合理性、不科學性，故現在國內所有生產廠家生產出來的排水盲管與此標準有一定的偏差，工程上出現各種參差不齊的排水盲管。因此，為了規范國內排水盲管的生產制作和保證其排水質量，需要制定一個統一的標準。根據隧道排水盲管工作原理，筆者認為隧道排水盲管的主要滿足指標為聚乙烯含量、環剛度和滲水能力，至于管徑可根據隧道的實際滲水量進行確定，但考慮國內生產情況應統一按照外徑尺寸 要求。

2.1 聚乙烯含量

HDPE打孔波紋管主要成分為聚乙烯(PE)樹脂，標準中規定聚乙烯樹脂含量(質量分數)為80%以上。檢測操作必須符合GB/T12010中的規定，但由于其檢測操作難度較大，本文建議采用生產廠家提供的檢測報告。

2.2 環剛度要求

隧道排水盲管所受的唯一外力作用是由混凝土澆筑產生的，其荷載大小可根據襯砌及仰拱的結構尺寸，按照規范的公式進行計算。通常來說，HDPE打孔波紋管的環剛度達到4 kN/m2就能滿足質量要求。根據《埋地聚乙烯排水管管道工程技術規程》(CECS164—2004)管道上的永久作用標準值應為作用在管道每延米上的豎向壓力標準值，可按下式計算：

埋地聚乙烯排水管道在外壓作用下其豎向直徑的變形量為：

表1 管道變形系數Kd

埋地聚乙烯排水管道在外壓力作用下其豎向直徑的變形率應小于管道直徑允許變形率的5%。而管道豎向直徑變形率可按下式計算：

式中：為管道豎向直徑變形率。

2.3 滲水能力

2.3.1 圍巖滲水量

隧道的開挖會改變地下水的滲流場[8]，襯砌附近處的水壓力將變為0，由于水頭差的作用，襯砌周邊會出現滲水的現象。襯砌背后滲水量的計算模型如圖1，建立以隧道中心點為原點，隧道半徑方向為軸的柱坐標系統，可得地下水滲流連續方 程為：

式中：c為每延米襯砌表面滲水量；1為襯砌外半徑；0為影響半徑；0為隧道中心處的水頭；為圍巖的滲透系數。

2.3.2 開孔設計

為了減少襯砌背后的水壓力，需要將襯砌背后的部分圍巖滲水排走，所以襯砌背后的縱向排水盲管需要具備足夠的滲水能力，衡量其滲水能力的是管壁中的開孔面積，其開孔設計公式如下：

式中：s為滲水管每米設計滲入量；0為滲水管每米每排開孔數目；為備用系數，按是否易堵塞等條件選定，一般＞5；為每米開孔排數；0為每個孔眼面積。

2.4 管徑

波紋管作為排水管使用，其排水量必須要大于其滲水量，而直接影響排水量大小的是排水管內徑，管徑可根據設計管道排水量進行計算：

式中：p為排水管設計流量；為排水管內徑；是流速；為管壁粗糙系數；為水力半徑；為水力坡度。

結合鐵路隧道“防、堵、截、排結合，因地制宜，綜合治理”的原則，排水管的設計排水量應根據實際工程情況而定。為規范排水盲管的使用，應該制定統一的管道內徑尺寸，常用的排水盲管外徑為φ80 mm，φ100 mm，φ150 mm和φ200 mm。

3 排水盲管的施工方法

3.1 施工現狀

3.1.1 HDPE波紋管打孔方式

當前常用的排水管均為波紋管，由于這種波紋管是專門用于供排水或電力電信套管的，故管表面沒有孔洞；當作為隧道排水盲管應用時，需要進行人工打孔以保證其滲水能力，其打孔方式直接影響滲水能力。

圖2(a)為電鉆打孔方式，每圈3個孔洞，孔徑為5 mm，沿管道縱向方向每隔10 cm施作一圈；圖2(b)為小鋼鋸鋸口方式，每圈均勻鋸3小條，每條3 cm長，沿管道縱向方向每隔10 cm施作一圈。實際工程應用發現，上述2種人工打孔方式均不能滿足滲水能力的要求，特別是當安裝不到位時，圍巖裂隙水甚至不能滲入排水盲管中，從而導致裂隙水積累在圍巖與襯砌之間，使襯砌背后的水壓力不斷地增大，長期下來將會造成襯砌的破壞，造成較高的維修成本。

圖3(a)和圖3(b)為第2種波紋管，但通常作為排水盲管或盲溝使用，因此，這兩者的打孔方式相對來說比較嚴格。圖3(b)采用人工鋸口，每圈6個孔，孔洞成長方形，尺寸為3 mm×10 mm，沿管道縱向方向每6 cm施作一圈。實際效果證明，這種打孔方式的排水盲管的滲水能力至少比圖2的大1倍。按照圖3(b)的打孔方式制作而成的波紋管才是嚴格意義上的排水盲管，作為隧道排水盲管或盲溝應用可以取得良好的滲水效果。

(a) 電鉆打孔；(b) 小鋼鋸鋸口

(a) 電鉆打孔；(b) 小鋼鋸鋸口

3.1.2 安裝方法

施工流程：測量定位→安裝定位鋼筋→安裝排水盲管(同時用土工布包裹)→防水板覆蓋→驗收→澆筑仰拱混凝土。上述施工流程較為簡單，具體可參考文獻[9]。當前施工方法存在的問題是：為了固定排水盲管，其必須緊貼著隧道初支面或者巖面，從而嚴重減少排水盲管的滲水面積，如圖4。

3.2 施工方法優化

為保證排水盲管的滲水能力，本文在現有施工工藝的基礎上，提出以下2個方面的優化措施。

1) 優化排水盲管的位置，圖4中的排水盲管是貼住初支面的，打孔波紋管的滲水面積只有15 cm2/m，襯砌背后裂隙水被堵的風險較大。按照本文提出的排水盲管安裝位置，如圖5，打孔波紋管的滲水面積為24 cm2/m，比當前的施工方法增加了9 cm2/m，大大提升了排水盲管的滲水能力，從而降低裂隙水被堵在襯砌背后的風險。

圖4 排水盲管安裝

圖5 排水盲管安裝優化

2) 采用管卡具代替定位鋼筋，如圖5，如此不僅可以保證排水盲管位置準確，也不會因為澆筑混凝土時排水盲管發生變位而影響滲排水效果。最關鍵的是，可以使排水盲管與初支面之間存在2 cm的間隙，間隙里用土工布填塞，增大了滲水能力。

4 工程應用

4.1 工程概況

太陽灣隧道位于硐村背斜南翼，根據地質勘查報告：隧址地層依次為卵石土、崩坡積塊石土、粉質黏土，泥巖夾砂巖，地下水位到隧道中心位置的最大垂直距離為230 m，隧道初支半徑為7.1 m，穿越的地層主要為泥巖夾砂巖，該地層的滲透系數為2×10?8m/s，于是根據第2.3節可計算得到單位延米圍巖的滲水量為8.3×10?6m3/s。

4.2 排水盲管選取

為減少襯砌背后的水壓力，將圍巖滲水量限量排走，采用管徑為100 mm的波紋管，管道的打孔方式為：每圈6個孔，孔洞成長方形，尺寸為3 mm×10 mm，沿管道縱向方向每10 cm一圈，孔洞堵塞系數取8，根據式(6)，可得排水管的滲水量為1.4×10?5m3/s；進一步根據式(8)可得排水管的最大排水量為3.7×10?2m3/s，能夠滿足實際工程對排水盲管的質量要求。

4.3 排水盲管施工安裝

太陽隧道縱向排水盲管的安裝工藝與現有的相近，但采用了管卡具代替定位鋼筋，同時保證了排水盲管與初支面之間2 cm的間隙，間隙里用土工布填塞。

5 結論

1)為規范鐵路隧道排水盲管的質量要求，將鐵路隧道排水盲管的質量指標歸納為聚乙烯含量、環剛度、滲水能力和管徑，并確定各指標相應計算方法及控制閾值。

2)結合工程實踐，總結提出鐵路隧道縱向排水盲管安裝的2個優化措施，即優化排水盲管的位置和采用管卡具代替定位鋼筋，并進行工程應用，取得良好應用效果。

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Construction quality and control of blind drainage pipe in railway tunnels

HUANG Guofu1, CHEN Mihang1, WANG Miao1, Yü Fuyao1, GUO Wei1, LEI Mingfeng2, 3

(1. China Construction Tunnel Construction Co., Ltd., Chongqing 401320, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 3. Key Laboratory of Engineering Structure of Heavy Haul Railway (Central South University), Changsha 410075, China)

Based on the analysis of blind drainage pipe in the tunnel engineering design method, quality control, and there is no perfect standard system of the status quo, from the tunnel longitudinal drainage pipes, according to the working principle of the system in design method, the control index were analyzed and summarized in this paper and the construction quality is insufficient, pointed out that: the design of blind drainage pipe should be closely combined with the tunnel project of groundwater environment, according to its actual seepages and national standard to calculate and determine the pipes production, and should not blindly to paraphrase near professional standard procedures. The design of tunnel blind drainage pipe should be determined as four control indexes: polyethylene content, ring stiffness, seepage capacity and pipe diameter. The installation of upstream drainage blind pipe should fully consider the risk of blockage in operation and reserve adequate seepage channels in advance. Finally, combining with the engineering practice, the construction optimization method of drainage blind pipe is given from two aspects: the installation position of drainage blind pipe is optimized and the pipe clamp is used to replace the positioning steel bar.

blind drainage pipe; action principle; design method; quality index; construction optimization

U25

A

1672 ? 7029(2019)07? 1751 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.020

2018?09?19

中建股份科技研發課題(CSCEC-2016-Z-21-1)；中建五局科技研發課題(cscec5b-2016-06)

雷明鋒(1983?)，男，湖南祁東人，副教授，從事隧道及地下工程結構理論與應用研究；E?mail：mingdfenglei@csu.edu.cn

(編輯 陽麗霞)