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        公路隧道排水系統(tǒng)堵塞成因及防治方法

        2021-11-27 02:33:22毛意軍岑佳能
        山東交通科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:混凝土施工設計

        毛意軍,周 明,孫 偉,岑佳能

        (1.慈溪晨陸建設發(fā)展有限公司,浙江 寧波 315300;2.慈溪市交通建設工程質(zhì)量監(jiān)督站,浙江 寧波 315300;3.慈溪晟陸建設發(fā)展有限公司,浙江 寧波 315300)

        引言

        隨著隧道數(shù)量不斷增加,隧道修建也逐漸向崇山峻嶺蔓延,然而在隧道修建過程中也暴露出了一些問題,如排水系統(tǒng)堵塞。尤其在我國西南、西北地區(qū),隧道排水系統(tǒng)出現(xiàn)了大量的結(jié)晶堵塞情況,如重慶中梁山隧道[1]、甘肅胡麻嶺隧道[2]、貴州天水隧道[3]等。而排水系統(tǒng)堵塞是誘發(fā)隧道襯砌滲漏水的一個重要因素,對隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及車輛駕駛造成巨大隱患。鑒于此,專家學者及相關(guān)工程從業(yè)人員已開展大量研究,高春君等[4]采用ABAQUS有限元軟件,研究了隧道在四種不同水頭高度下,堵塞后襯砌結(jié)構(gòu)力學性能的變化情況;劉坤等[5-6]通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值計算,研究了隧道排水系統(tǒng)發(fā)生非對稱堵塞情況下襯砌水壓分布規(guī)律及襯砌應力的變化情況;楊云軒等[7]采用數(shù)值模擬分析了隧道環(huán)向盲管及縱向盲管發(fā)生不同程度堵塞情況下隧道水壓力的變化規(guī)律;葉飛等[8]通過模型試驗,采用自制的試驗裝置再現(xiàn)了隧道排水系統(tǒng)堵塞的過程;郭小雄[9]通過試驗,分析了導致排水系統(tǒng)結(jié)晶的因素,并研發(fā)了一種防結(jié)晶排水系統(tǒng);于清浩[10]結(jié)合實際工程,以廈門翔安海底隧道為研究對象,研究了海水滲流作用下排水系統(tǒng)的堵塞情況;ZHOU等[11]通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗,對導致盲管堵塞晶體成分進行了分析,并將不易結(jié)晶的新型盲管材料應用于隧道排水系統(tǒng)并取得良好效果;ZHANG等[12]對重慶地區(qū)排水系統(tǒng)結(jié)晶堵塞進行了現(xiàn)場調(diào)研,分析了排水系統(tǒng)堵塞的過程及解決方案?,F(xiàn)有研究已經(jīng)取得一定成果,但針對不同時期的隧道排水系統(tǒng)堵塞機理研究不夠系統(tǒng),且未考慮施工、設計中導致的堵塞。

        1 隧道排水系統(tǒng)設計

        中國絕大部分公路隧道采用新奧地利隧道法(NATM)建造。為了提高支撐結(jié)構(gòu)的安全性,隧道設計、施工采用復合式襯砌。在初期支護與現(xiàn)澆混凝土的二次襯砌之間設防排水系統(tǒng)。隧道的防水排水標準體系比較健全,多數(shù)公路隧道結(jié)構(gòu)防排水設計遵循“防排堵截相結(jié)合,因地制宜,綜合治理”的原則。圖1反應了我國山嶺隧道的典型防排水系統(tǒng),環(huán)向盲管通常設置于初期支護與防水板之間,用于收集初期支護表面滲水,并將滲水統(tǒng)一排泄到縱向排水盲管,環(huán)向盲管的布設間距應根據(jù)施工現(xiàn)場地下水發(fā)育情況而定,其環(huán)向間距通常為10 m或每個施工縫附近設置一道,將水引入兩側(cè)的縱向盲管,然后由橫向排水管引入排水溝。初期支護和二次襯砌之間設置無紡土工布和EVA防水卷材組成的復合式排水層。該系統(tǒng)可以根據(jù)實際工程應用中的水文地質(zhì)條件進行改進,例如,設置注漿圈、調(diào)節(jié)環(huán)向盲管間距、盲管尺寸等。雖然現(xiàn)行防排水系統(tǒng)具有良好的適用性,理論上也具有良好的防水排水效果,但在實際使用中仍存在滲漏水,沉淀物堵塞排水盲管等問題。

        圖1 隧道排水系統(tǒng)斷面

        2 隧道排水系統(tǒng)堵塞成因

        2.1 人為因素

        在巖溶隧道設計、施工過程中,多數(shù)工程未按照防止結(jié)晶的相應要求進行材料選擇和規(guī)格設計??v向排水盲管在安裝時,盲管底部設混凝土基座,然后鋪設3~5 cm厚碎石反濾層,然而在施工現(xiàn)場經(jīng)常不設混凝土基座,縱向盲管隨意安裝,導致盲管高低起伏不平,無法滿足縱向盲管坡度要求。同時,縱向排水盲管上半斷面開孔的設計,使得地下水通過透水孔進入縱向盲管,而由于施工過程的忽視,透水口傾斜或向下安裝,導致縱向盲管無法很好地收集地下水,不能發(fā)揮應有的功能,嚴重時甚至會導致局部堵塞。此外,隧道拱腳位置的縱向盲管,通常外裹一層無紡土工布,土工布主要發(fā)揮濾水的作用,而土工布內(nèi)部空隙易堵塞,導致地下水無法透過土工布滲入排水盲管,也會間接導致排水系統(tǒng)的堵塞。

        2.2 非人為因素

        混凝土由于材料、施工、溫度以及承受荷載的原因出現(xiàn)了裂隙,使地下水能夠通過混凝土的裂隙進入到隧道內(nèi)。當混凝土表面裂縫較小時,水流所裹挾的大部分泥土顆粒以及圍巖碎屑被阻擋在外,這時僅有極少量的泥土進入襯砌內(nèi)部排水管中,細顆粒會隨水流一同排走,不會引起排水盲管堵塞。隨著運營時間增加,襯砌縫隙表面存在滲漏水,受水流中礦物元素的侵蝕裂縫寬度、長度不斷增大,導致泥土顆粒隨水流進入隧道內(nèi)部排水系統(tǒng)。在季節(jié)性流水的作用下,泥土顆粒在排水盲管內(nèi)部淤積,堵塞排水盲管。

        在我國西南部分地區(qū)隧址區(qū)內(nèi)巖性主要為可溶性碳酸巖,當巖溶水滲流經(jīng)過白云巖等碳酸鈣礦質(zhì)的巖層時,將會攜帶大量的鈣鹽等物質(zhì)。流水進入隧道排水系統(tǒng)后,當流速較緩時,存在積水的位置將會產(chǎn)生 CaCO3、BaCO3、MgCO3、BaSO4等化學沉淀物,長期排水過程中,結(jié)晶物凝結(jié)成塊并不斷積累,最終引起排水盲管局部堵塞。

        3 盲管堵塞的數(shù)值模擬研究

        3.1 模型參數(shù)

        采用 ABAQUS 軟件建立數(shù)值模型,模型尺寸 210 m× 250 m(寬×高),為節(jié)約計算時間,模型高度僅設130 m,剩余120 m通過荷載施加模擬,見圖 2。根據(jù)設計隧道尺寸,跨度為12.2 m,隧道高度為10.8 m,水位為地表面。

        圖2 計算模型

        隧道襯砌厚度50 cm,襯砌周圍設5 m厚注漿圈,襯砌兩側(cè)設置有排水口,設置在隧道拱腳位置處,計算過程認為排入隧道內(nèi)的地下水全部被排水口排走,將排水口位置水壓固定為零,其余節(jié)點水壓處于自由狀態(tài),見圖3。

        圖3 隧道模型

        隧道圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)選擇各向同性彈性模型。圍巖干密度2 350 kg/m3,孔隙率0.25。圍巖滲透系數(shù)為2×10-6m/s,襯砌滲透系數(shù)為 1×10-9m/s,排水盲管正常情況下滲透系數(shù)為 5×10-5m/s。材料參數(shù)見表1 。

        表1 材料參數(shù)

        在排水系統(tǒng)堵塞程度工況中,假設各部位盲管同時發(fā)生堵塞,分別計算五種堵塞情況。在計算過程中通過調(diào)節(jié)盲管滲透系數(shù)來模擬不同堵塞程度,由于實際工程中盲管為空心管道,計算過程中通過實體單元進行簡化。對于圍巖及支護結(jié)構(gòu)的滲透系數(shù),通過工程類比法和文獻調(diào)研獲得[13]。各工況對應滲透系數(shù)見表2。

        表2 不同堵塞程度工況

        3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

        數(shù)值模擬得到了盲管堵塞程度對襯砌外水壓力的影響規(guī)律,排水口完全通暢時和完全堵塞時襯砌水壓力分布見圖4 。

        圖4 襯砌水壓

        由圖4可以看出,高水壓位置主要位于隧道仰拱底部,襯砌所受最大水壓由1 489 kPa增至1 782 kPa, 水壓力增長了約20%。在正常排水工況下,拱腳處(排水口處)水壓最小,而完全堵塞后,拱頂處水壓最小,此時承受靜水壓力。為分析襯砌外側(cè)不同位置水壓力分布規(guī)律,選取拱頂、拱腰、拱腳、仰拱處監(jiān)測點記錄數(shù)據(jù)變化,見圖5。

        圖5 襯砌水壓

        由圖5可知,在正常排水時,襯砌結(jié)構(gòu)上的水壓分布是仰拱部位大于拱頂部位,拱腰部位稍大于拱頂部位,考慮排水管排水效果時,拱腳部分二襯水壓突變,監(jiān)測數(shù)值遠小于其他位置。襯砌底部仰拱部位一直承受最大的水壓力,是因為相對于襯砌其它部位,仰拱部位在水頭之下,且襯砌底部不設排水孔,因此,仰拱部位水壓力也較大。

        隨著堵塞程度的加劇,各部位的水壓都出現(xiàn)了不同程度的增長,拱頂、拱腰位置因離排水口距離較遠,受排水作用影響較大,水壓僅小幅度增長。而仰拱、拱腳處水壓迅速增加,兩側(cè)拱腳處的排水口泄壓作用明顯降低,當排水口由完全暢通至完全堵塞時,水壓力增長了近一倍。當拱腳部位的排水口完全堵塞后,說明此時襯砌的排水系統(tǒng)已完全失效,各位置將承受巨大的靜水壓力??梢娕潘到y(tǒng)一旦堵塞,導致橫截面各點水壓增大,由于排水不暢,襯砌結(jié)構(gòu)承受較大的水頭,因此,保證排水系統(tǒng)的施工質(zhì)量及運營過程中的疏通維護極其重要。

        4 防治方法

        4.1 規(guī)范隧道施工

        橫向排水盲管、縱向排水盲管設計上通常與隧道坡度保持一致,而施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)倒坡、平坡。由于坡度不順暢易導致泥沙顆粒、圍巖碎屑在盲管內(nèi)淤積,造成局部堵塞。因此,施工過程中應采用標準化施工,嚴格控制排水盲管的坡度,設計混凝土基座固定排水盲管,使排水盲管發(fā)揮應有的功能。

        4.2 提高混凝土密實度

        若混凝土密度不達標,混凝土疏松多孔,結(jié)晶體易析出;反之,若提高混凝土密實度,可提高混凝土強度,不易產(chǎn)生裂縫。施工現(xiàn)場應適當調(diào)整噴射混凝土配合比,使強度、抗?jié)B性滿足規(guī)范要求?;炷羶?nèi)部可摻雜粉煤灰,改善混凝土密度。

        4.3 設計可維護防排水系統(tǒng)

        從堵塞成因來看,由于泥沙、結(jié)晶物導致的物理、化學堵塞難以完全避免,需要考慮排水系統(tǒng)在長期運營過程中的可維護性。而傳統(tǒng)防排水系統(tǒng)由于不設檢修結(jié)構(gòu),在排水系統(tǒng)堵塞后難以維護。對于目前防排水系統(tǒng)中的不足之處,設計研發(fā)可維護防排水系統(tǒng),并選用高壓水射流、氣壓脈沖、排淤機器人等新興技術(shù)對排水盲管進行清淤處理。

        5 結(jié)語

        (1)隧道排水堵塞成因分為人為因素和非人為因素,人為因素主要有盲管選材不當、施工操作不當?shù)龋侨藶橐蛩刂饕心嗌愁w粒、圍巖碎裂,長期淤積在排水盲管內(nèi)結(jié)晶堵塞。(2)正常排水時,排水盲管可以有效排水泄壓,拱腳處水壓最小,仰拱承受較大水壓,而排水系統(tǒng)一旦堵塞,襯砌結(jié)構(gòu)整體將承受較大的水頭。(3)規(guī)范施工可以減少或避免人為因素造成的堵塞,因非人為因素導致的排水系統(tǒng)堵塞難以避免,可以設計研發(fā)可維護防排水系統(tǒng),結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)對隧道排水管進行清淤處理。

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