铁路隧道排水盲管施工质量现状及控制

现状及控制

黄国富1，陈觅杭1，汪淼1，余扶遥1，郭威1，雷明锋2,3(1.中建隧道建设有限公司，重庆401320；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；3.重载铁路工程结构教育部重点实验室，湖南长沙410075)摘要：针对当前隧道工程中排水盲管的设计方法、质量控制尚缺乏系统完善的规范标准的现状，从隧道纵向排水盲管的工作原理出发，系统总结分析其在设计方法、控制指标及施工质量方面的不足，指出：排水盲管的设计应紧密结合隧道工程地下水环境，根据其实际渗水量和国家管材生产标准来计算确定，而不应盲目套用临近专业的规范规程；对于隧道排水盲管设计应统一确定为聚乙烯含量、环刚度、渗水能力和管径4个控制指标；排水盲管的安装应充分考虑其运营过程中的堵塞风险，提前预留足够的渗流通道。结合工程实践，从优化排水盲管的安装位置和采用管卡具代替定位钢筋2方面，给出排水盲管的施工优化方法，并成功应用于实际工程。关键词：排水盲管；工作原理；设计方法；控制指标；安装优化中图分类号：U25文献标志码：A文章编号：1672−7029(2019)07−1751−06Constructionqualityandcontrolofblinddrainagepipeinrailwaytunnels

HUANGGuofu1,CHENMihang1,WANGMiao1,YÜFuyao1,GUOWei1,LEIMingfeng2,3

(1.ChinaConstructionTunnelConstructionCo.,Ltd.,Chongqing401320,China;2.SchoolofCivilEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410075,China;3.KeyLaboratoryofEngineeringStructureofHeavyHaulRailway(CentralSouthUniversity),Changsha410075,China)Abstract:Basedontheanalysisofblinddrainagepipeinthetunnelengineeringdesignmethod,qualitycontrol,andthereisnoperfectstandardsystemofthestatusquo,fromthetunnellongitudinaldrainagepipes,accordingtotheworkingprincipleofthesystemindesignmethod,thecontrolindexwereanalyzedandsummarizedinthispaperandtheconstructionqualityisinsufficient,pointedoutthat:thedesignofblinddrainagepipeshouldbecloselycombinedwiththetunnelprojectofgroundwaterenvironment,accordingtoitsactualseepagesandnationalstandardtocalculateanddeterminethepipesproduction,andshouldnotblindlytoparaphrasenearprofessionalstandardprocedures.Thedesignoftunnelblinddrainagepipeshouldbedeterminedasfourcontrolindexes:polyethylenecontent,ringstiffness,seepagecapacityandpipediameter.Theinstallationofupstreamdrainageblindpipeshouldfullyconsidertheriskofblockageinoperationandreserveadequateseepagechannelsinadvance.Finally,combiningwiththeengineeringpractice,theconstructionoptimizationmethodofdrainageblind收稿日期：2018−09−19基金项目：中建股份科技研发课题(CSCEC-2016-Z-21-1)；中建五局科技研发课题(cscec5b-2016-06)通信作者：雷明锋(1983−)，男，湖南祁东人，副教授，从事隧道及地下工程结构理论与应用研究；E−mail：mingdfenglei@csu.edu.cn1752铁道科学与工程学报2019年7月pipeisgivenfromtwoaspects:theinstallationpositionofdrainageblindpipeisoptimizedandthepipeclampisusedtoreplacethepositioningsteelbar.Keywords:blinddrainagepipe;actionprinciple;designmethod;qualityindex;constructionoptimization防排水是铁路隧道设计、施工过程中的重点环节[1]，其设计原则通常可归纳为“防、堵、截、排相结合，因地制宜，综合治理”[2]。其中，“防”主要指“土工布+防水板”以及混凝土结构的自防水；“排”分暗排与明排，即衬砌背后设渗水盲管进行暗排以及两侧及中间设排水沟进行明排。相对而言，明排施工质量容易保证，而暗排则为防排水中的重点控制项目，一旦暗排(如排水盲管)施作效果不理想，裂隙水便被堵在衬砌背后，进而引起较大的衬砌水压力，导致结构产生渗漏水，严重时会损毁衬砌结构[3]。如怀邵衡铁路隧道建设过程中，由于纵向排水盲管前期施工质量不理想，致使在施工过程中混凝土将纵向盲管砸落、压扁等问题，严重影响后期排水，衬砌背后水压力不断上升[4]。陈健蕾等[5]专门调研了贵州省46座隧道的渗漏水情况，发现渗水下排不畅是主要原因之一。因此，在隧道施工中应该严格控制暗排设施的施工质量。然而，因参建各方对排水盲管重视程度不够，排水盲管的验收标准缺乏，以及诸多建设者对排水盲管的设计原理存在理解偏差等原因，致使当前对排水盲管施工质量的控制标准不统一，甚至出现一些管理误区。针对该现象，本文基于工程实践，系统总结分析隧道纵向排水盲管的工作原理及施工质量控制方法，并提出隧道纵向排水盲管设计施工方法，可为隧道的防排水的设计施工提供参考。1排水盲管的工作原理

盲管又称塑料盲管、渗排水盲管/盲沟。渗排水盲管是将热塑性合成树脂加热熔化后通过喷嘴挤压出纤维丝叠置在一起，并将其相接点熔结而成的三维立体多孔材料。在主体外包裹土工布作为滤膜，其材质憎水、阻力小，具有极高的表面渗水和内部通水、抗压及适应形变的能力，以及极佳的化学惰性，在岩土工程使用中能保持长久的寿命；且其重量轻、易裁剪、施工安装方便。排水盲管在隧道中的工作原理是隧道岩体里的裂隙水沿着防水板背后的土工布、土工布与隧道初支面之间的空隙往下渗漏至排水盲管，通过盲管往隧道排水沟中及时排出。其目的是排出隧道衬砌背后的裂隙水，防止隧道背后积水，避免隧道衬砌背后裂隙水未能及时排出而堵压在衬砌背后，致使衬砌结构被破坏，产生裂缝，最终导致隧道渗漏水，甚至危及结构安全，造成安全事故。2排水盲管的质量要求与设计方法

双壁波纹管广泛应用于市政排水、排污管道系统工程；公寓、住宅小区地下埋设排水排污；高速公路预埋管道，高尔夫球场地下渗水管网；地下管线的保护套管和通信电缆护套管等，其执行标准为“GB/T19472.1−2004”[6]。为保证排水管的排水量，其需要具有一定的内径。此外，波纹管埋置于地下，需进一步考虑水压力与外回填土的压力，故标准中对波纹管有环刚度的指标要求。为了确保其质量与使用寿命，隧道排水盲管常采用HDPE打孔波纹管，但当前国内没有排水盲管的质量要求标准文件，基本参照上述标准[6]。该标准针对排水盲管来说又存在一定的不合理性、不科学性，故现在国内所有生产厂家生产出来的排水盲管与此标准有一定的偏差，工程上出现各种参差不齐的排水盲管。因此，为了规范国内排水盲管的生产制作和保证其排水质量，需要制定一个统一的标准。根据隧道排水盲管工作原理，笔者认为隧道排水盲管的主要满足指标为聚乙烯含量、环刚度和渗水能力，至于管径可根据隧道的实际渗水量进行确定，但考虑国内生产情况应统一按照外径尺寸要求。2.1聚乙烯含量HDPE打孔波纹管主要成分为聚乙烯(PE)树脂，标准中规定聚乙烯树脂含量(质量分数)为80%以上。检测操作必须符合GB/T12010中的规定，但第7期黄国富，等：铁路隧道排水盲管施工质量现状及控制1753由于其检测操作难度较大，本文建议采用生产厂家提供的检测报告。2.2环刚度要求隧道排水盲管所受的唯一外力作用是由混凝土浇筑产生的，其荷载大小可根据衬砌及仰拱的结构尺寸，按照规范的公式进行计算。通常来说，HDPE打孔波纹管的环刚度达到4kN/m2就能满足质量要求。根据《埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程》(CECS164—2004)管道上的永久作用标准值应为作用在管道每延米上的竖向压力标准值，可按下式计算：Fsv,ksHsD1(1)式中：Fsv,k为每延米管道上管顶的竖向土压力标准值；γs为回填土的重力密度；Hs可取管顶至设计地面的覆土高度；D1为管道的外径。埋地聚乙烯排水管道在外压作用下其竖向直径的变形量为：WKd,maxD1d(Fsv,kqqvkD1)8S(2)p0.061Ed式中：Wd,max为管道在荷载准永久组合作用下的最大竖向变形量；Kd为管道变形系数根据管道敷设基础中心角2α，按表1选用；D1为变形滞后效应系数，可根据管道胸腔回填密实度取1.2~1.5；q为可变荷载准永久值系数取0.5；qvk为地面车辆荷载传至管顶单位面积上的竖向压力标准值(4kN/m2)；Sp为管材环刚度；Ed为管侧土的综合变形模量由试验确定。表1管道变形系数Kd

Table1DeformationparameterKdofpipe敷设中心角2α/(°)20456090120150变形系数0.1090.1050.1020.0960.0890.083埋地聚乙烯排水管道在外压力作用下其竖向直径的变形率应小于管道直径允许变形率的5%。而管道竖向直径变形率可按下式计算：Wd,maxD100%(3)1式中：ε为管道竖向直径变形率。2.3渗水能力2.3.1围岩渗水量隧道的开挖会改变地下水的渗流场[8]，衬砌附近处的水压力将变为0，由于水头差的作用，衬砌周边会出现渗水的现象。衬砌背后渗水量的计算模型如图1，建立以隧道中心点为原点，隧道半径方向为r轴的柱坐标系统，可得地下水渗流连续方程为：1ddhrdrrdr0(4)图1渗水量计算模型Fig.1Calculationmodelofwaterpercolatingcapacity根据Darcy定律，有：Q2πrKdh/dr，边界条件：r=r0，h=0；r=r1，h=H0，可得：Qc2πHlnr0K0/r(5)1式中：Qc为每延米衬砌表面渗水量；r1为衬砌外半径；r0为影响半径；H0为隧道中心处的水头；K为围岩的渗透系数。2.3.2开孔设计为了减少衬砌背后的水压力，需要将衬砌背后的部分围岩渗水排走，所以衬砌背后的纵向排水盲管需要具备足够的渗水能力，衡量其渗水能力的是管壁中的开孔面积，其开孔设计公式如下：Qsm0NF0v(6)vK/15(7)1754铁道科学与工程学报2019年7月式中：Qs为渗水管每米设计渗入量；m0为渗水管每米每排开孔数目；ξ为备用系数，按是否易堵塞等条件选定，一般ξ＞5；N为每米开孔排数；F0为每个孔眼面积。2.4管径波纹管作为排水管使用，其排水量必须要大于其渗水量，而直接影响排水量大小的是排水管内径，管径可根据设计管道排水量进行计算：Qpvπr2(8)21v1nR3I2(9)式中：Qp为排水管设计流量；r为排水管内径；v是流速；n为管壁粗糙系数；R为水力半径；I为水力坡度。结合铁路隧道“防、堵、截、排结合，因地制宜，综合治理”的原则，排水管的设计排水量应根据实际工程情况而定。为规范排水盲管的使用，应该制定统一的管道内径尺寸，常用的排水盲管外径为φ80mm，φ100mm，φ150mm和φ200mm。3排水盲管的施工方法

3.1施工现状3.1.1HDPE波纹管打孔方式当前常用的排水管均为波纹管，由于这种波纹管是专门用于供排水或电力电信套管的，故管表面没有孔洞；当作为隧道排水盲管应用时，需要进行人工打孔以保证其渗水能力，其打孔方式直接影响渗水能力。图2(a)为电钻打孔方式，每圈3个孔洞，孔径为5mm，沿管道纵向方向每隔10cm施作一圈；图2(b)为小钢锯锯口方式，每圈均匀锯3小条，每条3cm长，沿管道纵向方向每隔10cm施作一圈。实际工程应用发现，上述2种人工打孔方式均不能满足渗水能力的要求，特别是当安装不到位时，围岩裂隙水甚至不能渗入排水盲管中，从而导致裂隙水积累在围岩与衬砌之间，使衬砌背后的水压力不断地增大，长期下来将会造成衬砌的破坏，造成较高的维修成本。图3(a)和图3(b)为第2种波纹管，但通常作为排水盲管或盲沟使用，因此，这两者的打孔方式相对来说比较严格。图3(b)采用人工锯口，每圈6个孔，孔洞成长方形，尺寸为3mm×10mm，沿管道纵向方向每6cm施作一圈。实际效果证明，这种打孔方式的排水盲管的渗水能力至少比图2的大1倍。按照图3(b)的打孔方式制作而成的波纹管才是严格意义上的排水盲管，作为隧道排水盲管或盲沟应用可以取得良好的渗水效果。(a)电钻打孔；(b)小钢锯锯口图2HDPE波纹管Fig.2HDPEcorrugatedpipe(a)电钻打孔；(b)小钢锯锯口图3波纹管Fig.3Corrugatedpipe3.1.2安装方法施工流程：测量定位→安装定位钢筋→安装排水盲管(同时用土工布包裹)→防水板覆盖→验收→浇筑仰拱混凝土。上述施工流程较为简单，具体可参考文献[9]。当前施工方法存在的问题是：为了固定排水盲管，其必须紧贴着隧道初支面或者岩面，从而严重减少排水盲管的渗水面积，如图4。3.2施工方法优化为保证排水盲管的渗水能力，本文在现有施工第7期黄国富，等：铁路隧道排水盲管施工质量现状及控制1755工艺的基础上，提出以下2个方面的优化措施。1)优化排水盲管的位置，图4中的排水盲管是贴住初支面的，打孔波纹管的渗水面积只有15cm2/m，衬砌背后裂隙水被堵的风险较大。按照本文提出的排水盲管安装位置，如图5，打孔波纹管的渗水面积为24cm2/m，比当前的施工方法增加了9cm2/m，大大提升了排水盲管的渗水能力，从而降低裂隙水被堵在衬砌背后的风险。图4排水盲管安装Fig.4Installationofblinddrainagepipe图5排水盲管安装优化Fig.5Installationoptimizationofblinddrainagepipe2)采用管卡具代替定位钢筋，如图5，如此不仅可以保证排水盲管位置准确，也不会因为浇筑混凝土时排水盲管发生变位而影响渗排水效果。最关键的是，可以使排水盲管与初支面之间存在2cm的间隙，间隙里用土工布填塞，增大了渗水能力。4工程应用

4.1工程概况太阳湾隧道位于硐村背斜南翼，根据地质勘查报告：隧址地层依次为卵石土、崩坡积块石土、粉质黏土，泥岩夹砂岩，地下水位到隧道中心位置的最大垂直距离为230m，隧道初支半径为7.1m，穿越的地层主要为泥岩夹砂岩，该地层的渗透系数为2×10−8m/s，于是根据第2.3节可计算得到单位延米围岩的渗水量为8.3×10−6m3/s。4.2排水盲管选取为减少衬砌背后的水压力，将围岩渗水量限量排走，采用管径为100mm的波纹管，管道的打孔方式为：每圈6个孔，孔洞成长方形，尺寸为3mm×10mm，沿管道纵向方向每10cm一圈，孔洞堵塞系数取8，根据式(6)，可得排水管的渗水量为1.4×10−5m3/s；进一步根据式(8)可得排水管的最大排水量为3.7×10−2m3/s，能够满足实际工程对排水盲管的质量要求。4.3排水盲管施工安装太阳隧道纵向排水盲管的安装工艺与现有的相近，但采用了管卡具代替定位钢筋，同时保证了排水盲管与初支面之间2cm的间隙，间隙里用土工布填塞。5结论

1)为规范铁路隧道排水盲管的质量要求，将铁路隧道排水盲管的质量指标归纳为聚乙烯含量、环刚度、渗水能力和管径，并确定各指标相应计算方法及控制阈值。2)结合工程实践，总结提出铁路隧道纵向排水盲管安装的2个优化措施，即优化排水盲管的位置和采用管卡具代替定位钢筋，并进行工程应用，取得良好应用效果。参考文献：[1]袁海清,傅鹤林,郑浩,等.山岭隧道防排水设计原则与设计方法研究[J].公路工程,2015,40(2):163−168，173.YUANHaiqing,FUHelin,ZHENGHao,etal.Studyon1756铁道科学与工程学报2019年7月waterproofanddrainagedesignprinciplesanditsmethodsformountaintunnel[J].HighwayEngineering,2015,40(2):163−168,173.[2]马志富.铁路隧道防排水设计探讨[J].铁道标准设计,2011(5):76−79.MAZhifu.Waterproofanddrainagedesignprinciplesanditsmethodsforrailtunnel[J].RailwayStandardDesign,2011(5):76−79.[3]李自夺.隧道防排水施工质量控制及防治措施[J].交通建设与管理,2014(12):117−119.LIZiduo.Qualitycontrolandpreventionmeasuresforwaterproofanddrainageontunnel[J].TransportationConstruction&Management,2014(12):117−119.[4]谭潘成.新型铁路隧道纵向排水盲管安装施工技术[J].现代工业经济和信息化,2018,8(1):57−60.TANPancheng.Installationandconstructiontechnologyofanewtypeofrailwaytunnellongitudinaldrainageblind[J].ModernIndustrialEconomyandInformationization,2018,8(1):57−60.[5]陈健蕾,刘学增,张文正,等.贵州省公路隧道渗漏水调查及统计分析[J].现代隧道技术,2011,48(5):7−11.CHENJianlei,LIUXuezeng,ZHANGWenzheng,etal.InvestigationandstatisticalanalysisofwaterleakageinhighwaytunnelsinGuizhouprovince[J].ModernTunnelingTechnology,2011,48(5):7−11.[6]GB/T19472.1—2004,埋地用聚乙烯(PE)结构壁管道系统[S].GB/T19472.1—2004,Polyethylene(PE)structurewallpipesystemforburiedground[S].[7]CECS164—2004,埋地聚乙烯排水管管道工程技术规程[S].CECS164—2004,Engineeringspecificationforburiedpolyethylenedrainagepipes[S].[8]颜佳林,黄武.隧道地下水渗流场和水位的变化规律[J].交通科学与工程,2015,31(2):58−63.YANJialin,HUANGWu.Thechangeofgroundwaterseepagefieldandwaterlevelforthetunnelexcavation[J].JournalofTransportScienceandEngineering,2015,31(2):58−63.[9]曹军.浅谈高速铁路隧道防排水系统施工技术[J].价值工程,2015(21):129−132.CAOJun.Discussionontheconstructiontechnologyofwaterproofinganddrainagesysteminthehigh-speedrailwaytunnel[J].ValueEngineering,2015(21):129−132.(编辑阳丽霞)