隧道工程防排水技术优化研究项目建议书.doc

一、立项背景综合分析公路隧道的防排水实际情况，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。 二、国内外研究概况（一）隧道防排水技术分类研究隧道作为常见的地下工程，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主要有沉埋法、新奥法和盾构法三种：沉埋法常用于水下隧道的施工；新奥法主要用于山岭隧道；盾构法常用于城市地下工程。隧道防排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、二次衬砌以及防水层组成，防水层常采用PVC、ECB(乙烯一醋酸乙烯与沥青共聚物)、EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物)等材料。复合衬砌防水是隧道新奥法施工的基本形式，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等。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：①初期支护难以保护；②施工期长，施工工艺复杂；③防水层材料难以选择：PVC板及HDPE膜作防水层时，PVC板幅宽仅lm，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；PVC板间接缝焊接时分解出有害气体，对人体危害极大；HDPE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；④二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。此外，20世纪90年代以来，国外在隧道防排水技术上采用了：（1）渗透灌浆，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，往孔内高压喷射浆液阻隔地下水并具有支撑土层作用；（3）冷冻截水等方法。其中法国、瑞士、奥地利等国相继采用了聚氯乙烯、聚乙烯等防水卷材进行隧道防排水。日本的防排水设计考虑相对全面，针对不同的隧道往往采用不同的方法。对山岭隧道的防水采取以排为主，堵排结合；对海底隧道和城市隧道是以堵为主，堵排结合原则，其防水设计、施工的指导思想是要求把防水一次做好，不留后患，严格要求施工质量，隧道防水皆由专业公司承担设计、施工，每道工序都有人检查，严格按图施工。日本的防水材料先进，他们有专门的研究单位从事材料的开发和生产。日本在对隧道的防水方面，已经不再局限与防水措施之类的就事论事，而是从地下工程的结构与整体设施全面考虑。其在施工技术上，以把电脑技术广泛用于隧道施工，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。（二）隧道防水层研究隧道的结构防水一般是通过在初期支护和二次衬砌 之间设置防水层来解决隧道防水问题，普遍被认为是比较合理的方法。这与1988年10月就开始施行的“铁路隧道新奥法指南”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：（1）喷涂防水膜。在初期支护与衬砌结构之间喷涂防水膜，这样形成的防水膜要求初期支护的底层平整，否则将影响防水膜的附着力，降低防水效果。一般采用喷涂防水膜的防水措施，只适用于没有涌水隧道，不足之处在于防水膜的厚度难以控制。此外，防水层完全隔断水的渗漏而不能把渗水排出，所以二次衬砌结构要承受一定的外水压力。（2）设置防水隔板。在初期支护与衬砌结构之间铺设平板或带助板。平板材料为聚乙烯或聚酯。采用平板防水层的优点是：能在涌水条件下施工，质量易于保证，对初期支护底居的平整度的要求比喷涂防水膜低。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。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。对于围岩注浆堵水，减小隧道周边岩体的渗透系数来降低渗水量；抗渗喷射混凝土与模筑混凝土的研究的施工技术已经比较成熟。通过这几个方面的研究，我国隧道目前最终形成了洞内外进行放排水的设计，即衬砌自防水，二次衬砌铺设复合式防水层、注浆堵水和三缝的止防水等措施，在隧道防排水方面取得了较大的成绩。（三）隧道防排水常见问题研究近年来，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，但绝大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。从近几年国内外隧道的防水技术可发现，一道设防能胜任较高的防水要求是一个发展趋势；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。 隧道的地下水处理一直是个难题，它不但影响工程的正常使用，而且影响隧道的施工安全和建成后的结构安全，还可能导致一系列的生态环境问题。隧道工程对生态环境的影响主要发生在隧道的施工期，会不同程度地干扰和破坏工程所在地的地下水平衡，其重点影响因素主要为隧道废渣和地下水。隧道开挖都要产生大量废渣，通常为各种岩石碎块，或风化岩类与泥土的混合物，无法当作种植土来直接利用。由此可见，如何经济、合理地处理好地下水问题，往往关系到隧道工程的成败。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。因此，研究隧道工程的防排水设计、施工技术对隧道结构安全和水土保持、生态保护都具有相当重要的意义。三、项目研发方案项目研发方案主要分为4个专题：专题1：隧道地下水作用研究及危害评价指标体系建立通过对隧道工程中地下水环境效应的分析，建立隧道工程与地下水相互作用链，通过收集水文地质资料和现场勘测资料，建立隧道结构和地层的水文地质概念模型，通过对国内外部分具有代表性的隧道地下水危害状况的数理统计，建立可能出现的地下水危害指标评价体系，指导隧道防排水系统的设计、施工。专题2：隧道防排水工程措施提出及量化研究 通过收集和实测水文地质资料，对隧道防排水工程措施的提出依据、注意事项等进行研究，同时某隧道为实例，根据ANSYS和涌水量预测程序对隧道的涌水量进行预测，结合隧道区水文地质条件和其他的因素，提出隧道各区段的防排水工程措施，将所提出的工程措施作为约束条件代入初始的数学模型，通过计算量化评估工程措施的安全有效性，从而为分析治理同类地区隧道施工中的涌水灾害提供理论基础。专题3：隧道堵水限排的注浆控制研究在调研流固耦合相关理论及其基本方程的基础上，建立裂隙岩体数值模拟常用的三类模型，分析地下水对岩体的力学作用、强度的弱化作用、对围岩应力场的影响等。同时，研究地下水位、注浆与否、注浆厚度等渗流场控制因素对渗流场、围岩应力和位移分布的影响规律，为实际隧道堵水限排时的应力与变形控制提供相应的理论依据。围岩的地下水位对渗流场影响较大，注浆与否对围岩的渗流场与应力场的影响均很大，如注浆前tresca应力值约比注浆后应力值大，而注浆厚度、系数的改变可以明显的从各场的数值变化判断注浆堵水的效果，从而选取最合理的注浆方案。建立隧道三维流固耦合模型，并对比注浆堵水前后模型，对该工程的堵水限排效果进行论证。专题4：隧道工程中的水土保持主要影响因素及控制体系研究研究隧道工程对生态环境的主要影响因素和生态环境保护条件下控制型防排水的设计体系研究，严格控制地下水位的下降。同时研究植被生长与地下水位的关系，对该水位条件下衬砌结构尤其是止水措施的优化设计，最终确定隧道围岩注浆形式、注浆材料、导排系统、自动排水装置等。四、研究方法及技术路线 （1）研究方法以某隧道为依托，采用理论研究与分析、数值模拟、现场试验及现场监控相结合的方法进行研究，各种研究手段分别解决相应的关键技术难题，并且互为印证。主要研究方法如下：研究采取的试验包括：理论研究与分析、数值模拟、现场试验及现场监控。现场试验及现场监控：主要监测水量、来源及地下水与防排水系统间联系；试验主要是验证注浆效果和渗漏水路况，地下水位和生态之间的关联。数值模拟：运用ANSYS软件分析隧道中地下水与岩体间的作用效应，主要包括：地下水对岩体的力学作用，地下水对围岩力学参数的弱化作用，应力场对渗流场的影响等，用涌水量预测程序对隧道的涌水量进行预测。理论分析：综合流固耦合相关理论及其基本方程,从理论上分析流固耦合计算的合理性与可靠性，为流固耦合三维有限元分析打下基础。研究隧道工程中的水土保持主要影响因素及控制体系。（2）技术路线专题1：隧道地下水作用研究及危害评价指标体系建立技术路线：通过现场勘查研究的前提下，采用理论推导数理统计和结构模型试验方法。专题2：隧道防排水工程措施提出及量化研究技术路线：示范工程现场应用统计分析，采取数值模拟试验，程序模拟软件的方法。专题3：隧道堵水限排的注浆控制研究 技术路线：现场勘查后，依据理论推导、数值模拟和数理统计方法进行验证。专题4：隧道工程中的水土保持主要影响因素及控制体系研究技术路线：通过研究文献综述结合现场试验和监控量测，研究隧道工程中的水土保持主要影响因素及控制体系，在保证隧道结构安全的同时，对生态环境也不能损害。五、推广应用前景及经济效益预测六、申报单位和协作单位及分工申报单位：协作单位：分工安排：七、项目进度计划 八、项目经费（一）项目总经费100万元项目总经费（万元）其中（万元）自筹承担单位拨款协作单位拨款股份公司拨款国家拨款其它10010（二）经费支出明细表序号支出科目年度金额(万元)1技术引进 2方案研讨3隧道监控4资料印刷5材料及设备购置6检测费7差旅费8其他九、项目负责人及主要研究人员序号姓名年龄单位技术职务项目职务项目分工1中交路桥高级工程师项目负责人项目总体负责2中交路桥高级工程师技术负责项目研究与项目实施负责3翁其能38重庆交通大学教授技术负责项目总体、技术路线制订与实施4吴玲玲38重庆交通大学副教授理论研究与报告撰写理论研究与研究报告负责 5韦良文33重庆交通大学副教授试验负责现场试验方案制订与负责6谢廷雷24重庆交通大学硕士生现场试验现场试验7胡晶25重庆交通大学硕士生现场试验现场试验8彭浩淼24重庆交通大学硕士生现场试验现场试验9张丽珺25重庆交通大学硕士生现场试验现场试验十、申请单位和主管单位审核意见 审核单位意见：法人代表：申报单位（盖章）：年月日审核意见：主管领导：主管单位（盖章）：年月日