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项目建议书
编号:
关于开展2015年度藏区高速公路科技攻关
立项申请书
项目名称:
公路隧道地下水限量排放关键技术研究
项目类别:
承担单位:
重庆交通大学(盖章)
起止年限:
2015年09月—2018年07月
填报时间:
2015年08月24日
四川藏区高速公路有限责任公司
1、项目的背景和必要性
1.1项目研究目的
公路隧道地下水的防排水问题一直困扰着工程界。
地下水一方面通过降低岩土体内摩擦角、粘聚力等物理力学参数,从而降低地层结构自稳承载力导致隧道结构发生破坏,主要表现在洞口处及洞身浅埋段;另一方面地下水对衬砌结构的损害主要表现为侵蚀、冻裂、渗漏水、涌水,严重威胁隧道结构的使用性能和使用寿命。
隧道施工过程中盲目采用排水措施,以解决隧道周围水环境问题,会导致地下水位下降,地面草木枯萎,甚至会导致覆盖隧道建设区域内以开采地下水作为饮用水的人畜饮水出现危机,更为严重的是由于地下水水位的下降会导致地层压密、地表下沉,从而使地面建筑物产生不均匀沉降甚至破坏。
因此,隧道工程防排水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。
地下水的预防和控制,需要控制隧道防排水结构系统,传统的防排水技术措施包括:
①完善地表水或地下水的排水方案;②在不良地质下提前拦截和堵截渗水使地下水远离隧道结构;③通过原始的隧道排水系统;④采用灌浆堵水;⑤在墙上设置排水水槽;⑥衬砌内设防水层。
⑦衬砌结构的接缝、施工缝和扩张变形处采用橡胶密封材料进行堵水、防水,渗漏水严重时在顶拱采取加强的措施。
尽管有不少的技术措施,根据大量的实践统计,仍有不少隧道内会出现不同程度的水害,因此,做好隧道防排水技术的研究工作,具有很重要的现实意义和明显的经济意义。
对于隧道渗漏水问题,必须仔细分析其成因,从根本入手,采取针对性的措施,才能较为彻底地根治渗漏水病害,若盲目封堵,治标不治本,只能欲速则不达。
在遵循排堵结合的同时,一定要结合隧道具体情况来确定该隧道。
同时,对隧道建设不能完全采用“以排为主”或者“以堵为主”的方式,而应选用更加合理科学的“以堵为主,限量排放”的新型防排水原则,来指导隧道防排水系统设计、施工。
1.2市场需求前景分析
21世纪隧道及地下空间的大发展已成必然,我国地域广阔,江河湖海水体
广布,很大一部分隧道在建设过程中会不可避免的遇到地下水害。
目前,国内公路隧道设计规范在确定衬砌结构地下水荷载时,对渗漏水处理原则是“以排为主”,基本不考虑地下水的作用。
有时甚至直接参照现行隧道设计规范,根据开挖后围岩渗水情况,采用折减系数的方法对地下水位进行折减,以此来估算隧道衬砌所承受的外水压。
由此可见,公路隧道在设计中对地下水釆取“以排为主”的设计思想应当随工程实际情况改变。
此外,若隧道釆用全封堵方案,作用在衬砌上的水压力将会非常巨大,这样会大大提高隧道结构设计和施工的难度,其造价必将大大提高。
因此,公路隧道应根据工程地质条件和周围环境的要求,适当釆取“以堵为主,限量排放”的防排水设计准则。
“堵”是通过各种工程技术手段减少由围岩渗出的地下水即控制流量;而“排”则是通过设置排水盲管等排水系统将定量渗出的地下水排出,同时也是可以有效的减小作用在衬砌结构上水压力。
这样既通过“堵”来减少总的围岩渗水量,又通过“排”减小了作用在衬砌上的水压力,而且又不需要大量地无限制地排出地下水,从而降低运营排水费用。
然而,目前对于“堵水限排”条件下隧道渗流场和应力场的分布规律还没有系统的研究,确定隧道防排水形式,注浆工艺和方法,分析在衬砌上水压力值及其分布规律,地下水的渗流对隧道围岩稳定性影响,应力场和渗流场耦合作用下结构受力特征等各方面具有很重要的研究意义,从而进一步优化隧道防排水的关键技术。
研究成果也将为我国今后复杂地质条件下公路隧道等地下工程的地下水处治技术与施工等方面提出了新思路,为工程实际提供具有实践意义的理论依据,推动隧道注浆技术的基础理论和施工实践的进步,促进隧道科学的发展,为隧道工程的设计和施工起到了极大地推动作用。
研究所形成的施工工法将为我国具有富水隧道不良地层的注浆施工提供技术保障,也为我国隧道的防排水系统设计理论提供依据。
这也为我国修建各种高速公路隧道提供了一个可靠的施工方法,消除地下水对隧道的影响,从而可以节省大量的施工费用,因此而产生的市场经济效益将是巨大的。
1.3拟达到的技术水平及在国民经济发展中的作用
通过注浆的方式对隧道进行的“以堵为主,限量排放”的防排水技术方案,不仅提高了隧道结构的安全可靠性,同时也不会对隧道所处的生态环境,植被发育,水土保持产生影响。
通过对隧道工程的防排水技术进行优化研究,对地下水涌水量较大的地段进行注浆,有利于隧道建设和运营过程中避免和整治水害,为隧道的设计和施工提供了理论基础,特别是隧道运营阶段渗漏水病害的预测和评价,这在隧道渗漏水病害的评价和病害的整治方面迈出了具有重要意义的一步。
优化隧道防排水关键技术,能较好地解决施工过程和运营过程中的渗漏水,涌水等危害,不仅降低风险成本和后期的运营成本,对隧道结构安全稳定,对保证施工安全和确保工期都有非常重要的作用。
同时,也能避免了生态环境破坏造成的巨额索赔。
掌握本项目施工新技术还可以为施工企业占领国内外地下工程建筑市场奠定坚实的基础。
2、项目前期科研及工作基础
2.1国内外在该领域的研究现状分析与评价
对隧道的防排水处理,我国多个规范均有相关要求。
《公路工程技术标准》(JTGB01-2003)[1]要求隧道防水与排水应遵循排放截堵相结合的原则进行设计,使洞内、洞口和洞外组建成完善的防水排水系统,还应留心防治水土流失和保护自然环境。
《公路隧道设计规范》(JTGD70-2004)[2]对高等级公路隧道的防水做出规定:
隧道排防水应恪守“防、排、截、堵结合,因地制宜,综合治理”的原则,确保隧道结构物与营运设计的正常运用、行车安全,隧道防排水设计应对地表水、地下水妥善处理,洞外应形成一个完整通长的防排水系统。
拱部、边墙、路面、设备箱洞不渗水;有冻害地带的隧道衬砌背后不积水,排水沟不冻结;车行横通道、人行横通道等服务通道拱部不滴水;边墙不滴水。
《地下工程防水技术规范》(GB50180—2008)[3]提出了对地下工程的防水的治理原则。
并对地下工程的防水的设防的要求进行规定,应依据使用的功能、使用的年限、水文的地质、结构形式、环境条件、施工方法和材料性能等因素确定。
目前国内外隧道防水技术主要有三种类型[4]:
①以防为主的水密型防水(又称为全包式防水),主要从围岩、结构与附加防水层入手,该方法主要用于城市隧道等对沉降及地下水严格要求的区域;②以排为主的泄水型、引流自排型防水(又称半包式防水),主要从泄水、疏水入手;③防排结合的控制型防排水,也称综合型,大多在山岭隧道使用。
国内外隧道基本上本着“多道设防”的原则,它的防排水技术主要表现在以下几个方面[5,6]:
①复合衬砌是由一次支护、二次模注混凝土和防水层构成的,目前在新奥法中应用最为广泛。
②二次衬砌自防水,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,增添二次衬砌,将一次衬砌和隧道内的水分与氧气隔绝,这样不仅可防水,还可防止一次衬砌接头的金属构件与螺栓腐坏。
③单一衬砌防水,单一衬砌防水被当作是新奥法的一种延伸,分为内防水与外防水两种。
④排水法防水,通常将该方法结合其他防水方法一起使用,极少单独使用。
⑤注浆防水,注浆能够加强隧道围岩整体性、改善衬砌所受压力,它属于隧道介质防水,通过注浆后达到的渗透性可评定其有效性,此方法通常在富水区隧道施工中应用。
当前,国内外对于隧道渗漏处理注重事先防御,即隧道防排水设计,公路隧道的防排水设计形式大多采取全封闭型,从围岩、结构或附加层着手,将水拒于工程结构外,采取各种措施,避免地下水进入结构内部。
而对于修建中或已建成隧道的渗漏问题的研究和治理还相对落后。
一旦隧道出现渗漏,对其进行治理会变得更有难度,同预防渗漏相比,治理渗漏施工成本高、难度大、效果差,而且常常是治标不治本。
治理时采取局部的、短时的、表象的措施,势必造成治理工程的定时反复,耗费大量的人力、物力、财力[7,8]。
根据使用方法和手段的差别,国内外隧道渗漏防预措施和防水预处理做法被分成材料防水与结构防水两类。
材料防水是靠建筑防水材料来阻断水流通道,达到防水或是增强结构抗渗漏能力的目的,常用的材料防水有抹面防水,卷材防水,涂抹防水等方式。
结构防水则是选用适当的结构形式,阻断水流通路,达成防水的目的,如在底板设盲沟排水系统、离壁式衬砌等。
然而,无论选用何种防水方法,最终防水程度大多取决于混凝土的自防水能力,即混凝土的防渗质量。
大量的工程实践表明,对于地下工程来说,结构自防水是根本[9]。
地质条件的不同,导致隧道采取的防渗措施也不同。
岩石隧道使用岩层控制的基本方法,与灌浆理论结合,形成并发展了多种防渗技术。
而对于土质隧道,多数国家采取高压旋喷技术作为防渗技术,这种技术在沙土类隧道防渗上取得了不错的成绩。
但是,国内外隧道的渗漏水处理技术仍比较落后,主要表现于理论上的不足、施工工艺的优化、防渗材料的发展等方面[10]。
强调防水材料的研究和工艺相结合,尤其在防水材料开发的同时要考虑施工环境及与之相匹配的新颖、实用、简便的施工工艺和施工检测方法是一种趋势;结构自防水的设计、材料、施工和工艺也是防排水技术发展的一个方向;国际上防水材料的发展,越来越呈现出一种复合材料的趋势。
如隧道上选用的橡胶止水条如今很多国家大都选取氯丁橡胶与遇水膨胀材料复合,既发挥两种材料各自的作用,也获得了良好的经济效益与工程效益[11]。
注浆是岩土工程中的经典技术,是将具有胶凝能力和一定强度的浆液压入岩土体中,将岩土体中的水与空气挤出并充满孔隙、裂隙等,经过注浆材料的胶结作用使松散破碎的岩土体胶结起来,以达到改善岩土体稳定性能,降低岩土体的渗透性[12]。
就现代化的注浆技术而言,我国起步较晚,50年代后开始初步掌握注浆技术。
1956年在山东溜博夏家林煤矿用地面预注浆法恢复了淹没20余年的矿井。
60年代幵始在水电行业采用静压注浆法进行坝基基础注浆[13],随后冶金、煤炭、建筑、交通和铁道等部门相继应用在矿山井巷、软岩加固、涌水治理等[14-16]。
我国70年代末在铁道行业开始进行高压喷射注浆法的研究和应用。
特别在公路、铁路建设中,山岭隧道的施工广泛应用了注浆工法,或釆用帷幕注浆截断地下水,或对隧道幵挖的工作面上进行超前管棚预注浆以加固围岩,如京广复线上的大瑶山隧道与京九线的歧岭隧道的施工中既使用了帷幕注浆,也使用了工作面超前管棚预注浆的方法,顺利通过特大断层带涌水层,优质高速地完成了隧道修建工作[17]。
国内外的隧道工程中,地下水的处理方式包括全封堵和排导方式两种类型,全封堵处理方式不设置衬砌背后的地下水排导系统,衬砌结构要承受同地下水位相应的水压力;排导方式则在衬砌背后设置包括盲管、透水填层等地下水排导系统[18]。
两种方式相比,由于全封堵方式衬砌要承受同地下水水头基本相当的水压力,因此全封堵方式不适合隧道埋深较大,地下水水头较高的隧道。
例如采用排导方案的日本海底隧道(青函隧道),排水盲管及透水填层设置在衬砌背后。
根据国外的情况,地下水位一般小于30m采用全封堵方式的隧道,从技术上可以将60m作为临界值。
排导方案的最大优点是可以折减衬砌上的水压力,大大减少二次衬砌渗漏水的概率。
排导系统的防堵塞以及地下水排放量的控制是排导方案要考虑的问题[19-22]。
综合分析国外和国内的防排水实际情况,研究认为:
隧道应采用“以堵为主,限量排放”的原则,达到堵水有效、防水可靠、经济合理的目的。
防排结构应考虑以下几个方面:
(1)根据隧道所处的工程地质和水文条件,确定隧道合理埋深,选择经济有效地注浆方案。
(2)研究地下水作用在衬砌规律,合理选择防水板的铺设范围,选择防水板的合理铺设方法。
(3)密切关注渗水量的监测数据的大小,加大量测频率,对防水板铺设之后防水效果进行评价,对防排水系统进行深入研究。
当前,国内外隧道一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[23]。
(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隧道,原材料成本低,防水性能好,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[24]。
(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和变形缝的防水,水一般不会通过混凝土衬砌渗漏,而是通过施工变形缝或钢筋嵌入处渗出。
为杜绝隧道接缝处的渗水,对取消变形缝的可行性进行了研究,并在相关水下隧道中应用[25]。
(4)复合式防排水材料的发展。
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,取得了良好的经济效益和工程效益[26,27]。
近年来,尽管我国在隧道建设方面取得了不错的成绩,在隧道的防排水及渗漏水的防治研究和工程实践也取得了丰硕的成果和经验,但部分隧道仍出现不同程度的渗漏水,有些隧道的渗漏状况相当严重。
这是由于隧道作为一个地下工程,其防排水是一个系统工程,它与工程地质及水文地质勘察、防排水设计、防排水材料选择、施工技术与工艺、管理水平等都密切相关。
所以在勘测、设计、施工、管理等任何一个方面的不足都可能引起隧道渗漏水问题,目前隧道防排水技术存在的问题集中体现在以下四个方面:
(1)隧道防排水的等级不明确。
大部分规范对防水等级的划分比较模糊,我国相对于国外的隧道防排水规范,各种隧道的防水要求和等级都相对不明确。
(2)隧道防水的设计依据不充分。
由于地质情况的复杂性,勘探费用昂贵,因此很难通过勘探来掌握隧道所处的地质情况。
同时地下水的运动时一个非常复杂且不能准确计算的问题,他对结构主要产生渗透作用。
而设计人员在设计之前,对其工程地质及水文地质情况了解的不够细,对衬砌周围地下水水源、水量、流向及水质勘察不全。
(3)隧道防水的施工做法不规范。
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、效率上进行系统的研究,对防水施工措施缺乏规范。
另外,施工队伍专业技能水平较差,施工质量难以保证,这都为隧道的渗漏埋下了隐患。
(4)科研、设计、施工单位之间缺乏交叉渗透,缺乏组织协调和分工协作。
科研开发又往往是低水平、着眼主导产品多,而对配套洞内防水和施工技术的研究不够,妨碍了隧道防排水技术总体水平的提高。
随着隧道技术的不断发展,近年逐渐提出了一种适合高地下水位隧道的防排水技术,即“以堵为主,限量排放“为原则的控制型防排水技术,它综合了“以排为主”和“以堵为主”两种技术的优点,既可以降低工程造价,又能保护生态环境。
采用限制排放的措施主要是基于以下考虑:
(1)隧道如果完全防水,将大幅度提高注浆加固圈与防水层的造价,而且在一些防水不严格隧道地段,造成经济浪费。
(2)鉴于水文地质条件的多变性,对高水位隧道而言,实现隧道完全防水在技术上是不可行的。
(3)如果采用完全防水进行地下水水头很高的隧道衬砌设计,衬砌承受同水头相当的压力,大幅度加厚衬砌厚度;另一外,一旦地下水积聚衬砌背后,如果不及时引排,将会增加支护外荷载,导致衬砌破坏失稳,导致隧道结构渗漏水。
(4)由于水下隧道水位高,补给量大,如果采取全排的防水措施,则会造成运营排水费用的增加。
(5)釆取堵水限排的防排水方案,尽量减少或者避免对地下水环境的影响的同时,将作用在衬砌上的水压力减少至可以承受的水平。
对于高水位地区的公路隧道,当大量排水对地表环境的影响较大时,“堵水限排”无疑是一种合理的防排水方式,但是在给定排放量下如何确定衬砌所承受的水压力,就成为隧道设计施工急待解决的关键问题之一。
优化隧道防排水技术,通过注浆等措施有效地控制地下水的排放,防止地下水位下降引起岩土工程及生态环境问题,以达到隧道结构安全上可靠,施工技术上可行,经济上合理的目标。
2.2技术发展水平应有具体指标
(1)注浆参数
不同方式的注浆主要目的是通过对破碎带上断面周边注浆,使之在隧道开挖轮廓外形成一道止水帷幕,以减小渗流量、防止渗漏水对断层破碎带产生渗流破坏,以便形成一个有利于快速施工的环境,同时可以减少后期渗漏水处理难度和处理费用。
注浆加固范围、注浆压力、浆液扩散半径、注浆孔终孔间距、注浆量和注浆速度等注浆参数的确定。
(2)限量排放的允许排水量
设计一定厚度的目标注浆加固圈在隧道衬砌外面的围岩中,衬砌背后的总渗流量减少,设置排水盲管在隧道衬砌背后排出剩余的水量来降低外水压力。
地下水荷载在围岩和目标注浆加固圈中表现为渗流体积力,而在二衬上为边界力,即衬砌外水压力。
对于富水量的隧道,完全避免渗水是不可能的也是不必要的,主要的工作是降低渗水,达到经济合理的水平。
降低渗水的手段是将存储在隧道衬砌后的水排出。
隧道的允许排水量到底取多大值,需要根据每个工程实际来确定。
(3)岩体渗流特性及流固耦合规律
岩体的力学特性和渗流特性不同于一般的均匀介质。
岩体赋存于一定地质环境中,经过漫长的地质构造作用,形成连续性状的岩石材料和非连续性状的各种地质结构面组成的复杂地质体。
在分析研究各类裂隙岩体渗流理论及其基本方程的基础上,综合论述了裂隙岩体的渗流特征、结构特征以及渗流理论的发展与演变。
在调研了流固耦合相关理论及其基本方程的基础上,介绍裂隙岩体数值模拟常用的三类模型,综合论述了地下水对岩体的作用效应,主要包括地下水对岩体的力学作用、地下水对岩石强度的弱化作用、渗流对围岩应力场的影响等。
(4)隧道区植被情况
隧道工程对生态环境的影响主要发生在隧道的施工期,其重点是水土流失的影响和地下水位下降对生态环境影响效应,水土保持是生态环境建设的主体,在采取措施恢复和重建生态系统时,必须符合生态学规律,从生态系统、水土保持的观点出发,否则,一个措施使用不当,就会对生态环境造成损害。
2.3主要参考文献
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3、项目实施方案
3.1拟解决的关键问题
(1)隧道堵水限排的注浆控制研究
(2)不同防排水方式下隧道围岩及衬砌背后水压力分布规律及渗流场研究
(3)限量排放与隧道结构安全、生态环境的辩证关系研究
(4)隧道地下水综合处置方法研究
3.2实施的具体内容及方案
(1)现场试验是本文研究的主要手段之一,根据理论研究的结果,制定出多种止水注浆方案,以实际工程为依托,对不同地层的注浆工艺进行研究。
(2)利用数值模拟,仿真分析隧道水压力、涌水量及开挖过程中应力、位移的变化,来验证理论分析结果的正确性,并指导实际工程施工,尤其研究不同防排水方式下隧道围岩及衬砌背后水压力分布规律及渗流场。
(3)通过文献调研,查阅国内外关于隧道防排水技术,注浆技术,岩体渗流理论,裂隙岩体流固耦合模型等方面文献资料,掌握了其最新的研究成果以及发展状况。
(4)通过水力调研,确定隧道所在地址的地下水来源、类型和水量,着重分析涌水、渗漏水等对隧道结构安全的危害和地下水与生态环境之间的关联,因此,收集整理好现场的资料与数据,了解整个工程的实际情况,是建立优化隧道防排水技术的措施的前提。
3.3研究的创新点
(1)提出基于注浆成本与排水成本平衡的公路隧道地下水允许排放量标准确定方法,提出多
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