隧道及地下工程防排水技术探讨

隧道及地下工程防排水技术探讨•李治国•中铁隧道集团有限公司科学技术研究所•一前言二隧道及地下工程防排水技术的现状及发展趋势三、隧道及地下工程施工防排水技术四、隧道及地下工程结构防排水技术五防排水新技术、新设备、新材料和新工艺六几点认识汇报提纲一、前言隧道及地下工程正在迅猛发展公路水电地铁城市轻轨地下商场人防工程地下停车厂贮气洞二十一世纪将是地下工程大发展的世纪铁路我国铁路建设将实现飞速发展•根据《中长期铁路网规划》，我国将规划建设省会城市及大中城市间的快速客运通道，建设客运专线1.2万公里以上，规划“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。“四纵”分别是北京－上海客运专线、北京－武汉－广州－深圳客运专线、北京－沈阳－哈尔滨（大连）客运专线、杭州－宁波－福州－深圳客运专线。“四横”分别是徐州－郑州－兰州客运专线、杭州－南昌－长沙客运专线、青岛－石家庄－太原客运专线、南京－武汉－重庆－成都客运专线。三个城际快速客运系统分别是环渤海地区、长江三角洲地区和珠江三角洲地区城际客运系统。到2020年，全国铁路营业里程达到10万公里，主要繁忙干线实现客货分线，复线率和电化率均达到50％，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。根据有关资料，1997年全路有运营隧道5000余座，共计近2500km，其中严重漏水（包括拱部滴水、边墙渗水、流水，隧道底部翻浆冒泥、严寒地区隧道结冰、冻胀），影响隧道运营的达1502座，占全路隧道总数的30%左右。2002年我国有铁路隧道６８７６座，总长度３６７０公里，为世界第一；我国公路隧道总数已达１７８２座，总长度７０４公里，2003年我国公路隧道2175座，总长度1001公里，是世界上公路隧道最多的国家。近年来，虽然隧道施工的防排水质量不断提高，竣工时基本能够达到设计要求，但隧道及地下工程防排水面临的形势仍不容乐观，尤其是地质条件比较复杂的隧道，渗漏水现象比较普遍。有的虽经多次整治，效果仍不理想。二、隧道防排水现状及发展趋势铁路隧道病害情况统计调查时间隧道座数及长度修建时间主要病害隧道病害情况94座67座占93.2%197280.7km1930～1970衬砌开裂裂缝长度占19.2%19954855座2261.56km1930～1995严重漏水1428座占29.4%19975000余座（2500km）1930～1995严重漏水1502座占30.0%郑局管段1152座翻浆冒泥230座占20.0%2001湘渝线六里坪工务段76座1960～2001翻浆冒泥34座占44.7%1998年隧道翻浆冒泥情况整治方法及整修长度(m)线名病害隧道座数病害长度(m)整治费用(万元)密井暗管加深水沟单沟改双沟道床翻修增设整修平导襄渝68648493136.8392073155991512572贵昆7278162618.2611340323802成昆37167871673.71985449221728138太岗3100551051.077901270995京通111301678.011100201宝成612579465.682692494061大秦11440397.0135090湘黔179812371.379101102800焦柳258290279.1825535京广112688219.14632225合计17616561710889.88632913104120872979523802隧道冻胀问题也比较严重牙林线岭顶隧道：1962年冻害使隧道不能继续使用。牙林线翠岭二号隧道：1973年泄水洞结冰堵塞，造成隧道内结冰。七十年代，青藏线西格段关角隧道：道床冬季冻胀上鼓洞内结冰侵限，基底翻浆冒泥，影响行车。七十年代，南疆线吐库段奎先隧道：冬季发生边墙结冰侵冻胀开裂等现象，严重影响了行车安全。防排水原则不断完善和创新二十年代六、七十年代，人们对防水和堵水不太重视，隧道基本上是以排为主。二十世纪八十年代，人们开始关注环境，大部分隧道仍采用以排为主，但已经认识堵水的重要性，一部分隧道采取堵排结合的方法。二十世纪九十年代后，防排水原则：防、排、截、堵相结合、因地制宜、综合治理。2001年国标防排水规范中又加入了“钢柔相济”。随着地下水资源的日益紧张及环保意识的增强，堵水将越来越重要，随着我国国民经济的发展，隧道防排水未来的发展方向将是以堵水主、堵排结合。英国隧道防水等级划分CIRIA级最大容许漏量（L/d.m2）O无漏水或明显漏水A1B3C10D30E100U不限量新加坡地铁系统规定:•隧道结构内表面每小时每平方米的渗水量控制在5ml的容许值。任意10m区间不得大于10ml,如换算成每天允许的渗水量则为:0.12L/d.m2。匈牙利布达佩斯地下铁道设计规定：•每天隧道渗漏量小于0.12L/m2,并且无集中渗漏水,即满足防水要求。德国慕尼黑地下铁道设计规定：•渗漏量为0.07～0.2L/d.m2。防水等级标准一级不允许渗水，结构表面无湿渍二级不允许渗漏结构表面可有少量湿渍工业与民用建筑：总湿面积不应大于总防水面积（包括顶板、墙面、地面）的1/1000；任意100m2防水面积上的湿不超过一处，单个湿渍的面积不大于0.1m2。其他地下工程：总湿渍面积不应大于总防水面积的6/1000，任意100m2防水面积上的湿不超过4处，单个湿的面积不大于0.2m2。三级有少量的漏水点，不得有线流和漏泥砂任意100m2防水面积上的渗漏点数不超过7处，单个漏水点的最大漏水量不大于2.5L/d，单个湿渍的最大面积不大于0.3m2。四级有漏水点，不得有线流和漏泥砂整个工程平均漏水量不大于2L/m2.d,任意100m2防水面积的平均渗漏量不大于4L/m2.d。地下工程防水技术规范(GB50108-2001)的有关防水等级的规定上海地铁一号线•车站和区间隧道的渗水量应控制在0.1L/m2.d,严禁渗漏泥砂。•每小时每公里区间隧道的渗漏量不大于1.1L,这个标准十分严格。•此标准基于1979～1982年上海地铁新村试验隧道的实际渗漏水量观测值确定,1982年为0.02L/m2.d,1989年5月4日为0.12L/m2.d。我国客运专线要求隧道不渗不漏，需达到一级防水标准。尤其是混凝土耐久性为100年。防排水技术不断发展第一阶段：盲沟、排水沟排水/平导排水/泄水洞排水；第二阶段：排水盲沟、排水沟排水/混凝土自防水；第三阶段：注浆加固圈/防水隔离层/混凝土自防水/排水体系排水/施工缝、变形缝防水处理的综合防排水系统；•1、开挖阶段防排水-施工防排水•主要方法：引排法、注浆法、降水法、冷冻法、旋喷法等。•2、主体结构施工阶段防排水-结构防排水•（1）初期支护防排水•①引排②局部和补充注浆（2）防水隔离层及排水盲管•（3）防水混凝土•（4）施工缝和变形缝处理•防排水的分类三、隧道及地下工程施工防排水技术•主要内容•1、钻孔探测•2、预警标准•3、注浆堵水•4、洞内沟、管排水•5、泄水洞排水•6、降水法•7、冻结法•8、旋喷法3.1防水的主要方法之一：钻孔探测•(1)钻孔数量一般4～8个（根据断面大小确定）；•(2)钻孔深度一般在30m左右；采用潜孔钻和取芯钻相结合；•(3)终孔位置，一般应在隧道开挖轮廓线外(0.5～1)D,且不应小于3.0m。相邻两个钻探循环应搭接５～10m。•(4)如遇到涌水、突泥应观察、分析、判断：在确保安全的条件下，进行水压、水压测试。•(5)风钻钻孔，长度和范围有限，只能作为补充方法，不能作为主要方法。•超前钻探的作用主要为：防止隧道坍塌、涌水、突泥。•(1)判断掌子面及隧道周边围岩的稳定；•(2)判断隧道涌水突泥的规模、危害；•(3)在一定程度上，可以起到泄压作用；•(3)制订对策和防范措施，调整施工预案。•岩溶隧道施工掌子面坍塌及爆喷型涌水、突泥问题，容易引发重大地质灾害，应引起高度重视。3.2预警标准(建议值）•预警级别涌水连量（m3/s)水压(MPa)•１(特大）52•２（重大）1-51-2•３（中等）０.1-1０.5-1•４（少量）0.01-0.1０.5-0.2•５（微量）0.010.2•注意：以上条件具备其中之一者，即可判定为相应级别，不必两者都具备。此外洞内水深和水的流速也是重要的条件。•如果洞内水深大于0.5m，或水的流速大于0.5m/s，也应该按特大预警级别对待。3.3注浆堵水•(1)注浆目的：加固地层和堵水，提高地层承载能力和稳定性，在地下贮气库中，提高地层气密性。•(2)注浆机理•渗透注浆：充填空隙或裂隙，排出孔中的自由水和气体，不改变土的结构；•劈裂灌浆：通过压力，克服地层的初始应力和岩体的抗拉强度，使地层出现新的裂隙，浆液充填裂隙。•挤密灌浆：注浆点周围形成浆泡，压密土体。•电动化学灌浆：渗透系数很小的地层中，通过电渗透，使水由阳极（注浆管周围）流向阴极（滤水管），浆液充填空隙。是电渗排水和灌浆法的结合。(3)种注浆方法方法1：大范围超前预注浆：注浆有效加固范围为：开挖轮廓线外(１～２）Ｄ，包括开挖工作面；方法2：小范围超前预注浆：注浆有效加固范围为：开挖轮廓线外(0.5～1）Ｄ，一般不小于3m，包括开挖工作面；方法3：开挖后周边径向注浆：注浆加固范围为隧道开挖轮廓线３～5m；方法4：局部注浆和补充注浆，主要针对掌子面及初期支护结构表面的局部出水点或渗漏水点进行局部钻孔封堵，一般为1～3m。(4)注浆材料选择原则：•(a)浆液的初始黏度要低，流动性好，可注性强。•(b)凝胶时间调整比较方便。•(c)稳定性好；•(d)胶结体早强、高强、耐久性好；•(e)无毒、无污染；•(f)材料来源广，配置方便，注浆工艺简单。•（5）6种注浆材料及浆液配比表浆液名称原材料浆液配比普通水泥单液浆32.5R硅酸盐水泥W:C=0.6:1～0.8:1超细水泥单液浆D90≦15μm超细水泥W:MC=0.8:1～1:1硫铝酸盐水泥浆（ＨＳＣ、ＴＧＲＭ）D90≦10μmW:C=0.8:1～1:1无机双液浆D90≦１0μmＡ:Ｂ=0.６:1～1:1普通水泥-水玻璃浆32.5R硅酸盐水泥35Be′以上水玻璃W:C=0.6:10.8:1C:S=1:0.3～1:1超细水泥-水玻璃浆超细水泥水玻璃W:MC=0.6:1～0.8:1MC:S=1:0.3～1:1（6）超前注浆主要参数(a)每循环注浆长度20～30m(b)扩散半径R=0.5～2.0m（e)终孔间距及排距(1.5～１.7)R(c)注浆速度5～50l/min(d)注浆终压水压力＋（２～３）ＭＰa(e)单段注浆量：根据地层情况确定(f)总注浆浆量：根据加固体体积、地层空隙率及地层地质条件定。（7）５种注浆工艺(a)全孔一次(安设孔口管或注浆花管，一次钻孔，一次注浆）;(b)前进式注浆(安设孔口管，钻一段,注一段)；(c)后退式注浆（安设袖阀管或ＴＳＳ管，采用止浆塞进行注浆）;(c)跟踪注浆（安设袖阀管，采用双向止浆塞或孔内混合器注浆）;（8）常用的钻孔、注浆设备•(1)大型液压钻机•例如：MEDIAN钻机为法国TEC公司设计制造的最新一代多功能岩土工程钻机，适用于钻进灌浆孔、锚固孔、管棚孔及多种工艺成孔。MEDIAN钻机配备的TPI700型回转动力头，动力头的回转钻速的范围从50rpm～600rpm，分成四档变速。最大钻孔孔径250mm，最大成孔深度达到150m。•合采用潜孔锤进行钻孔施工，通常的成孔速到可以达到•10～15m/h。•(2)MK-5S钻机：•回转扭矩：1850N.M，给进能力：105KN起拔能力：73KN，钻孔最大深度350m,终孔直径94mm。•(3)ZJB/BP-110/30（单液泵）：•最高压力30MPa，最大流量110l/min。(4)KBY50/70（双液泵）：：最高压力7MPa，最大流量70l/min。•(5)砂浆泵：最高压力3.5MPa，最大流量100l/min。（9）注浆效果检验•（1）钻孔取芯：测试取芯率和试件强度；•（2）出水量测定：钻孔不塌孔、不涌泥沙，出水量小于0.2l/min.m。•（3）压水试