隧道工程防排水技術(shù)優(yōu)化研究項(xiàng)目建議書

1、一、立項(xiàng)背景綜合分析公路隧道的防排水實(shí)際情況，應(yīng)采用“以堵為主，限量排放”的原則，達(dá)到堵水有效、防水可靠、經(jīng)濟(jì)合理的目的。防排結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮以下幾個方面：（1）根據(jù)隧道所處的工程地質(zhì)和水文條件，確定隧道合理埋深，選擇經(jīng)濟(jì)有效地注漿方案。（2）研究地下水作用在襯砌規(guī)律，合理選擇防水板的鋪設(shè)范圍，選擇防水板的合理鋪設(shè)方法。（3）密切關(guān)注滲水量的監(jiān)測數(shù)據(jù)的大小，加大量測頻率，對防水板鋪設(shè)之后防水效果進(jìn)行評價，對防排水系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。二、國內(nèi)外研究概況（一）隧道防排水技術(shù)分類研究隧道作為常見的地下工程，它的防排水技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已有了許多成功的經(jīng)驗(yàn)。目前國內(nèi)外對隧道的施工主要有沉埋法、新奧法和盾構(gòu)

2、法三種：沉埋法常用于水下隧道的施工；新奧法主要用于山嶺隧道；盾構(gòu)法常用于城市地下工程。隧道防排水技術(shù)主要有三種類型，一是從圍巖、結(jié)構(gòu)和附加防水層著手以防為主的水密型防水，二是從疏水、泄水著手以排為主的泄水型或引流自排型防水，三是防排結(jié)合的混合型防水。主要做法有：（1）復(fù)合襯砌。由一次支護(hù)、二次襯砌以及防水層組成，防水層常采用PVC、ECB(乙烯一醋酸乙烯與瀝青共聚物)、EVA(乙烯一醋酸乙烯共聚物)等材料。復(fù)合襯砌防水是隧道新奧法施工的基本形式，廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外大量隧道工程。如日本的北陸新干線一間獺隧道、東京灣渡海公路海底隧道等。復(fù)合襯砌的防水層設(shè)于一次支護(hù)與二次模注之間，表面光滑，除了防水，

3、它還能減少噴射混凝土與二次襯砌模注混凝土之間約束應(yīng)力，防止二次模注混凝土產(chǎn)生裂縫。但復(fù)合襯砌也存在許多問題，主要是：初期支護(hù)難以保護(hù)；施工期長，施工工藝復(fù)雜；防水層材料難以選擇：PVC板及HDPE膜作防水層時，PVC板幅寬僅lm，接縫多，板間接縫采用熱楔焊，焊縫嚴(yán)密性差，防水可靠性降低；防水板用射釘穿破，固定于噴射混凝土上，防水整體性遭破壞；PVC板間接縫焊接時分解出有害氣體，對人體危害極大；HDPE膜幅寬9m，接縫雖少，但鋪設(shè)困難，且接縫需用專用焊槍焊接，要用與膜同材質(zhì)的專用焊條，成本較高；二次襯砌施工時易將防水板撞破。（2）二次襯砌防水。二次襯砌防水是盾構(gòu)隧道的一種防水技術(shù)，在盾構(gòu)隧道內(nèi)側(cè)

4、，增加二次襯砌，使隧道內(nèi)的水分和氧氣與一次襯砌隔絕，這樣不但可以防水，而且可以對一次襯砌接頭的金屬構(gòu)件和螺栓起防腐作。（3）單一襯砌防水。單一襯砌防水可認(rèn)為是新奧法的一種延伸，分內(nèi)防水和外防水兩種。（4）排水法防水。這種方法通常與其它防水方法結(jié)合使用，很少單獨(dú)使用。（5）注漿防水。注漿能起到提高隧道圍巖整體性、有利于改善襯砌所受壓力，它屬于隧道介質(zhì)防水，其有效性可以通過注漿后達(dá)到的滲透性來評價。此外，20世紀(jì)90年代以來，國外在隧道防排水技術(shù)上采用了：（1）滲透灌漿，給鉆孔中灌漿形成一個地下帷幕從而攔截地下水；（2）噴射灌漿，往孔內(nèi)高壓噴射漿液阻隔地下水并具有支撐土層作用；（3）冷凍截水等方法

5、。其中法國、瑞士、奧地利等國相繼采用了聚氯乙烯、聚乙烯等防水卷材進(jìn)行隧道防排水。日本的防排水設(shè)計(jì)考慮相對全面，針對不同的隧道往往采用不同的方法。對山嶺隧道的防水采取以排為主，堵排結(jié)合；對海底隧道和城市隧道是以堵為主，堵排結(jié)合原則，其防水設(shè)計(jì)、施工的指導(dǎo)思想是要求把防水一次做好，不留后患，嚴(yán)格要求施工質(zhì)量，隧道防水皆由專業(yè)公司承擔(dān)設(shè)計(jì)、施工，每道工序都有人檢查，嚴(yán)格按圖施工。日本的防水材料先進(jìn)，他們有專門的研究單位從事材料的開發(fā)和生產(chǎn)。日本在對隧道的防水方面，已經(jīng)不再局限與防水措施之類的就事論事，而是從地下工程的結(jié)構(gòu)與整體設(shè)施全面考慮。其在施工技術(shù)上，以把電腦技術(shù)廣泛用于隧道施工，對作業(yè)面實(shí)施自

6、動記錄、監(jiān)理、繪圖；應(yīng)用激光導(dǎo)向和光電傳感器與微機(jī)聯(lián)網(wǎng)自動采集數(shù)據(jù)，分析、繪圖。（二）隧道防水層研究 隧道的結(jié)構(gòu)防水一般是通過在初期支護(hù)和二次襯砌之間設(shè)置防水層來解決隧道防水問題，普遍被認(rèn)為是比較合理的方法。這與1988年10月就開始施行的“鐵路隧道新奧法指南”中規(guī)定的防排水原則是一致的。目前構(gòu)筑防水層主要有下列方法：（1）噴涂防水膜。在初期支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)之間噴涂防水膜，這樣形成的防水膜要求初期支護(hù)的底層平整，否則將影響防水膜的附著力，降低防水效果。一般采用噴涂防水膜的防水措施，只適用于沒有涌水隧道，不足之處在于防水膜的厚度難以控制。此外，防水層完全隔斷水的滲漏而不能把滲水排出，所以二次襯砌結(jié)

7、構(gòu)要承受一定的外水壓力。（2）設(shè)置防水隔板。在初期支護(hù)與襯砌結(jié)構(gòu)之間鋪設(shè)平板或帶助板。平板材料為聚乙烯或聚酯。采用平板防水層的優(yōu)點(diǎn)是：能在涌水條件下施工，質(zhì)量易于保證，對初期支護(hù)底居的平整度的要求比噴涂防水膜低。采用帶肋板做防水層的特點(diǎn)是：不僅可以隔斷滲漏水或者滴水，并且還可以把隔斷在板后面的水疏導(dǎo)排出，即在墻基部位設(shè)置集中導(dǎo)水管把水排出。二次襯砌一般不會受到外水壓力的作用，這在很大程度上就克服了因隧道超挖而造成的防水難題。對于圍巖注漿堵水，減小隧道周邊巖體的滲透系數(shù)來降低滲水量；抗?jié)B噴射混凝土與模筑混凝土的研究的施工技術(shù)已經(jīng)比較成熟。通過這幾個方面的研究，我國隧道目前最終形成了洞內(nèi)外進(jìn)行放排

8、水的設(shè)計(jì)，即襯砌自防水，二次襯砌鋪設(shè)復(fù)合式防水層、注漿堵水和三縫的止防水等措施，在隧道防排水方面取得了較大的成績。（3） 隧道防排水常見問題研究 近年來，盡管我國在隧道建設(shè)方面取得了不錯的成績，在隧道的防排水及滲漏水的防治研究和工程實(shí)踐也取得了豐碩的成果和經(jīng)驗(yàn)，但絕大部分隧道仍出現(xiàn)不同程度的滲漏水，有些隧道的滲漏狀況相當(dāng)嚴(yán)重。這是由于隧道作為一個地下工程，其防排水是一個系統(tǒng)工程，它與工程地質(zhì)及水文地質(zhì)勘察、防排水設(shè)計(jì)、防排水材料選擇、施工技術(shù)與工藝、管理水平等都密切相關(guān)。所以在勘測、設(shè)計(jì)、施工、管理等任何一個方面的不足都可能引起隧道滲漏水問題，目前隧道防排水技術(shù)存在的問題集中體現(xiàn)在以下四個方面

9、：（1）隧道防排水的等級不明確。大部分規(guī)范對防水等級的劃分比較模糊，我國相對于國外的隧道防排水規(guī)范，各種隧道的防水要求和等級都相對不明確。（2）隧道防水的設(shè)計(jì)依據(jù)不充分。由于地質(zhì)情況的復(fù)雜性，勘探費(fèi)用昂貴，因此很難通過勘探來掌握隧道所處的地質(zhì)情況。同時地下水的運(yùn)動時一個非常復(fù)雜且不能準(zhǔn)確計(jì)算的問題，他對結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生滲透作用。而設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)之前，對其工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況了解的不夠細(xì)，對襯砌周圍地下水水源、水量、流向及水質(zhì)勘察不全。（3）隧道防水的施工做法不規(guī)范。盡管規(guī)范對不同隧道的防水進(jìn)行了規(guī)定，但國內(nèi)對不同的防水措施沒有從經(jīng)濟(jì)、效率上進(jìn)行系統(tǒng)的研究，對防水施工措施缺乏規(guī)范。另外，施工隊(duì)伍專

10、業(yè)技能水平較差，施工質(zhì)量難以保證，這都為隧道的滲漏埋下了隱患。（4）科研、設(shè)計(jì)、施工單位之間缺乏交叉滲透，缺乏組織協(xié)調(diào)和分工協(xié)作?？蒲虚_發(fā)又往往是低水平、著眼主導(dǎo)產(chǎn)品多，而對配套洞內(nèi)防水和施工技術(shù)的研究不夠，妨礙了隧道防排水技術(shù)總體水平的提高。從近幾年國內(nèi)外隧道的防水技術(shù)可發(fā)現(xiàn)，一道設(shè)防能勝任較高的防水要求是一個發(fā)展趨勢；強(qiáng)調(diào)防水材料的研究和工藝相結(jié)合，尤其在防水材料開發(fā)的同時要考慮施工環(huán)境及與之相匹配的新穎、實(shí)用、簡便的施工工藝和施工檢測方法是一種趨勢；結(jié)構(gòu)自防水的設(shè)計(jì)、材料、施工和工藝也是防排水技術(shù)發(fā)展的一個方向；國際上防水材料的發(fā)展，越來越呈現(xiàn)出一種復(fù)合材料的趨勢。如隧道上選用的橡膠止水

11、條如今很多國家大都選取橡膠與遇水膨脹材料復(fù)合，既發(fā)揮兩種材料各自的作用，也獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與工程效益。隧道的地下水處理一直是個難題，它不但影響工程的正常使用，而且影響隧道的施工安全和建成后的結(jié)構(gòu)安全，還可能導(dǎo)致一系列的生態(tài)環(huán)境問題。隧道工程對生態(tài)環(huán)境的影響主要發(fā)生在隧道的施工期，會不同程度地干擾和破壞工程所在地的地下水平衡，其重點(diǎn)影響因素主要為隧道廢渣和地下水。隧道開挖都要產(chǎn)生大量廢渣，通常為各種巖石碎塊，或風(fēng)化巖類與泥土的混合物，無法當(dāng)作種植土來直接利用。由此可見，如何經(jīng)濟(jì)、合理地處理好地下水問題，往往關(guān)系到隧道工程的成敗。隧道洞內(nèi)防排水是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，應(yīng)該以排為主，防、排、堵、截相結(jié)合

12、的綜合治理辦法。要注意避免排而不防或者排而不堵的傾向，一味的排水可能會流盡隧道之上潛水和排干水塘、水庫、農(nóng)田等地表水，影響附近人們生產(chǎn)與生活，甚至造成植被失水枯死；防而不排或者堵而不排，就會使襯砌周圍的水無路可走、越積越多，最終因水害而導(dǎo)致隧道損壞。因此，研究隧道工程的防排水設(shè)計(jì)、施工技術(shù)對隧道結(jié)構(gòu)安全和水土保持、生態(tài)保護(hù)都具有相當(dāng)重要的意義。三、項(xiàng)目研發(fā)方案 項(xiàng)目研發(fā)方案主要分為4個專題：專題1：隧道地下水作用研究及危害評價指標(biāo)體系建立通過對隧道工程中地下水環(huán)境效應(yīng)的分析，建立隧道工程與地下水相互作用鏈，通過收集水文地質(zhì)資料和現(xiàn)場勘測資料，建立隧道結(jié)構(gòu)和地層的水文地質(zhì)概念模型，通過對國內(nèi)外部

13、分具有代表性的隧道地下水危害狀況的數(shù)理統(tǒng)計(jì)，建立可能出現(xiàn)的地下水危害指標(biāo)評價體系，指導(dǎo)隧道防排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工。專題2：隧道防排水工程措施提出及量化研究通過收集和實(shí)測水文地質(zhì)資料，對隧道防排水工程措施的提出依據(jù)、注意事項(xiàng)等進(jìn)行研究，同時某隧道為實(shí)例，根據(jù)ANSYS和涌水量預(yù)測程序?qū)λ淼赖挠克窟M(jìn)行預(yù)測，結(jié)合隧道區(qū)水文地質(zhì)條件和其他的因素，提出隧道各區(qū)段的防排水工程措施，將所提出的工程措施作為約束條件代入初始的數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算量化評估工程措施的安全有效性，從而為分析治理同類地區(qū)隧道施工中的涌水災(zāi)害提供理論基礎(chǔ)。專題3：隧道堵水限排的注漿控制研究在調(diào)研流固耦合相關(guān)理論及其基本方程的基礎(chǔ)上，建立

14、裂隙巖體數(shù)值模擬常用的三類模型，分析地下水對巖體的力學(xué)作用、強(qiáng)度的弱化作用、對圍巖應(yīng)力場的影響等。同時，研究地下水位、注漿與否、注漿厚度等滲流場控制因素對滲流場、圍巖應(yīng)力和位移分布的影響規(guī)律，為實(shí)際隧道堵水限排時的應(yīng)力與變形控制提供相應(yīng)的理論依據(jù)。圍巖的地下水位對滲流場影響較大，注漿與否對圍巖的滲流場與應(yīng)力場的影響均很大，如注漿前tresca應(yīng)力值約比注漿后應(yīng)力值大，而注漿厚度、系數(shù)的改變可以明顯的從各場的數(shù)值變化判斷注漿堵水的效果，從而選取最合理的注漿方案。建立隧道三維流固耦合模型，并對比注漿堵水前后模型，對該工程的堵水限排效果進(jìn)行論證。專題4：隧道工程中的水土保持主要影響因素及控制體系研究

15、研究隧道工程對生態(tài)環(huán)境的主要影響因素和生態(tài)環(huán)境保護(hù)條件下控制型防排水的設(shè)計(jì)體系研究，嚴(yán)格控制地下水位的下降。同時研究植被生長與地下水位的關(guān)系，對該水位條件下襯砌結(jié)構(gòu)尤其是止水措施的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定隧道圍巖注漿形式、注漿材料、導(dǎo)排系統(tǒng)、自動排水裝置等。四、研究方法及技術(shù)路線（1）研究方法以某隧道為依托，采用理論研究與分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)控相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，各種研究手段分別解決相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)難題，并且互為印證。主要研究方法如下：研究采取的試驗(yàn)包括：理論研究與分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)控?，F(xiàn)場試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)控：主要監(jiān)測水量、來源及地下水與防排水系統(tǒng)間聯(lián)系；試驗(yàn)主要是驗(yàn)證注漿效果

16、和滲漏水路況，地下水位和生態(tài)之間的關(guān)聯(lián)。數(shù)值模擬：運(yùn)用ANSYS軟件分析隧道中地下水與巖體間的作用效應(yīng)，主要包括：地下水對巖體的力學(xué)作用，地下水對圍巖力學(xué)參數(shù)的弱化作用，應(yīng)力場對滲流場的影響等，用涌水量預(yù)測程序?qū)λ淼赖挠克窟M(jìn)行預(yù)測。理論分析：綜合流固耦合相關(guān)理論及其基本方程,從理論上分析流固耦合計(jì)算的合理性與可靠性，為流固耦合三維有限元分析打下基礎(chǔ)。研究隧道工程中的水土保持主要影響因素及控制體系。（2）技術(shù)路線專題1：隧道地下水作用研究及危害評價指標(biāo)體系建立技術(shù)路線：通過現(xiàn)場勘查研究的前提下，采用理論推導(dǎo)數(shù)理統(tǒng)計(jì)和結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn)方法。專題2：隧道防排水工程措施提出及量化研究技術(shù)路線：示范工程現(xiàn)

17、場應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析，采取數(shù)值模擬試驗(yàn)，程序模擬軟件的方法。專題3：隧道堵水限排的注漿控制研究技術(shù)路線：現(xiàn)場勘查后，依據(jù)理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。專題4：隧道工程中的水土保持主要影響因素及控制體系研究技術(shù)路線：通過研究文獻(xiàn)綜述結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)和監(jiān)控量測，研究隧道工程中的水土保持主要影響因素及控制體系，在保證隧道結(jié)構(gòu)安全的同時，對生態(tài)環(huán)境也不能損害。五、推廣應(yīng)用前景及經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測 六、申報單位和協(xié)作單位及分工申報單位：協(xié)作單位： 分工安排： 七、項(xiàng)目進(jìn)度計(jì)劃八、項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)（一）項(xiàng)目總經(jīng)費(fèi)100萬元項(xiàng) 目總經(jīng)費(fèi)（萬元）其 中（萬元）自 籌承擔(dān)單 位撥款協(xié)作單位撥款股份公司撥 款國 家撥 款其 它10010（二）經(jīng)費(fèi)支出明細(xì)表序 號支 出 科 目年 度金 額(萬元)1技術(shù)引進(jìn)2方案研討3隧道監(jiān)控4資料印刷5材料及設(shè)備購置6檢測費(fèi)7差旅費(fèi)8其他9、 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及主要研究人員序號姓 名年齡單 位技術(shù)職務(wù)項(xiàng)目職務(wù)項(xiàng)目分工1中交路橋高級工程師項(xiàng)目負(fù)責(zé)人項(xiàng)目總體負(fù)責(zé)2中交路橋高級工程