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1、公路隧道的防、排水设计,岩土与地下工程专业毕业设计,防排水工程是公路隧道工程的重要组成部分之一。防止地下水侵入隧道内部，保持隧道内干燥是保证隧道结构安全和运营安全的重要前提。然而由于隧道修建在地表之下，地层中存在各种不同类型的地下水，这些地下水总是试图通过各种孔隙侵入隧道内部，从而造成隧道渗漏水。,隧道防排水设计原则与要求,隧道防排水工程是一个复杂的有机联系的系统工程，无论是设计、施工还是运营过程中的任何细小的疏忽或缺陷，都可能造成隧道防排水失败。因此，隧道防徘水工程应当合理设计、横心施工和有效养护。其中合理设计是做好隧道防排水的前提条件。为了保证公路隧道结构安全和必需的运营条件，我国公路隧道
2、设计规范(JTG D70一2004)规定公路隧道应达到下列防水要求：(1)高速公路、一级公路、二级公路隧道防排水应做到拱部、边墙、路面、设备箱洞不渗水，有冻害地段的隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结，车行横洞、人行横洞等服务通道拱部不滴水，边墙不淌水。(2)三级公路、四级公路隧道应做到拱部、边墙不滴水，路面不积水，设备箱洞不渗水，有冻害地段的隧道衬砌背后不积水，排水沟不冻结。,针对公路隧道的防徘水要求和目前公路隧道普遍出现的渗水情况，隧道防排水应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”的原则，保证隧道结构物和运营设备的正常使用和行车安全。“防”是指采取防水混凝土或附加防水层等措施，使隧道工
3、程具有一定防止地下水渗入的能力，防止地下水透过防水层、衬砌结构渗入洞内。隧道工程设计时应优先考虑采用防水混凝土提高隧道结构的自防水能力。“排”是指对已经渗入隧道区域的地下水采取自流排水或机械排水的方式排出隧道区域，以减小渗水压力，防止积水和冻害发生，创造良好的防水环境和隧道运营环境。“截”是指采用截水沟、截水导坑等措施，裁断流向隧道区域的水流，即把所有利能流向隧道的地表水、地下水的通道裁断，减轻隧道防排水压力。“堵”是指采用注浆或嵌填等各种方法对隧道围岩裂缝、隧道结构本身存在的渗漏水路径进行封堵。防、排、截、堵应有机结合，达到排水通畅、防水可靠、经济合理、不留后患的防水目的。,进行隧道防排水设
4、计时，应根据隧道所处的地下水环境、结构特点和施工特点，因地制宜地采取各种有效的防排水措施，对地表水、地下水妥善处理，形成完整洞内外防排水系统，使隧道取得良好的防排水效果。对于地表水，主要采用截排和封堵措施，即对地表水进行截流和疏导，尽量使地表水不进人隧道区域，同时，对于地表存在的坑洼、钻孔、裂隙等容易使地表水下掺的通道进行填平封闭。对于地下水，按照新奥法设计施工的隧道一般都采用复合式衬砌结构。复合式衬砌结构的防排水体系，可用“一堵两排两防”来概括，即围岩注浆堵水，喷射混凝土与防水层间、防水层与衬砌间两圈排水，专用防水层和衬砌混凝土两层防水。,一般山岭隧道防、排水设计的具体要求为：,(一)防水要
5、求 隧道防水设计应根据地下水的渗流路径层层设防，在不同的位置进行不同的防水设计。越靠近渗水上游的防水措施越重要，也越有效。上游防水成功，对减少地下水排泄，减轻下游防水压力有重要意义。而下游防水措施是对上游防水措施的补充和预防。1在隧道地表，对洞顶的坑洼地区进行填平、充填或开挖排水沟槽，使洞顶不积水；对洞顶存在的塌入、地裂缝、钻孔等地表水下渗通道进行充填和封闭，防止地表水下渗。2对围岩破碎地段、断层破碎带、涌水易坍塌地段等地下水丰富区段，应首先选用注浆堵水，防止地下水过度排泄，破坏环境，影响施工。注浆堵水可在开挖后向隧道围岩压注浆液，必要时也可以通过洞内超前注浆或地表压浆等方法进行预注浆加固。,
6、3.隧道开挖后，采用喷射防水混凝土的方法封闭围岩表面，减小渗水压力，为隧道防水创造有利条件。如隧道围岩存在较集中的裂隙渗水，可先用o形弹簧排水管进行排水，以免喷射混凝土在水压力作用下开裂。4在隧道初期支护与二次材砌之间全断面设置专用防水层进行隧道防水。5采用满足结构抗渗要求的混凝土进行隧道二次衬砌，寒冷地区冻害地段和严寒地区所采用混凝土的抗渗等级不低于s8，其余地区不宜低于s6。6对隧道衬砌中不可避免的施工缝、变形缝等，应进行专门的防水设计。(二)排水要求 隧道排水系统应当设计成为一个完整的排水体系。整个体系应连接可靠、排水通畅，其中任何一个环节的排水不畅，都会导致整个排水系统排水失效，从而使
7、水压升高，发失渗漏事故,1隧道首先应当设计完善的地表及洞口排水管沟，使隧道具有一个良好的水流外排环境 2采用复合式衬砌的隧道，应当设计完整的排水系统：“环向排水盲管-纵向排水管-横向排水管-路面排水沟(或路基中央排水管)-洞外”。3对于具有明显渗水裂隙、渗水点的隧道，在明射混凝土初期支护之前，应采用弹簧排水管或软管引排渗水，减轻防水压力。4对于被防水层封堵的地下水，应采用环向盲管、土工布垫层等措施将其通畅的排入隧道排水系统。5对于透过隧道防水层，被衬砌混凝土及其止水带封堵的渗水，应采用可排水止水带等设施，将其引排到隧道排水系统，以避免水压力的升高。6隧道排水系统不同位置的排水能力应根据水力计算
8、确定。排水管沟应设置必要的沉井、检查井，便于检查、维修和疏通。寒区隧道的排水出口应做好防寒抗冻措施。,一般公路隧道防、排水设计 一、隧道洞外防排水设计,洞外防排水设计是指设计合理的隧道洞外地表水防排水措施，防止地表水下渗或向隧道内汇集。隧道洞顶地表水下渗合大量补充地下水，使隧道围岩内地下水增加，水压升高，给洞内防排水带来不良影响，因此，应采取措施防止地表水下渗。在隧道洞口区域，地表水容易通过边、仰坡向洞门汇集，地表水的浸泡、冲刷容易引起边、仰坡失稳滑塌、洞门失稳或开裂等事故，因此，也应该采取措施防止地表水向洞口汇集。常用的洞外防排水措施有：洞顶地表处理、洞顶截水沟、明洞防排水措施、洞门排水和洞
9、口路堑排水等。,(一)洞顶地表处理 隧道要求重视防止地表水的下渗，其处理措施为填充、铺砌、勾补、抹面等。对洞坑穴、钻孔等均加采用防水材料充填密实封闭，隧道进出口段一定范围地表采用注桨加固措施。1.洞外排水应根据地形、地质、气象等情况，结合环境保护全面规划，综合治理，因地制地设置疏水、截水、引水设施。2隧道洞顶及其附近有井、泉、池塘、水库、水田等，要考虑因修建隧道而造成地表水和地下水位降低、流失、井泉干枯，影响居民生活和农田灌溉的可能，应采用相应措施防止水土流失，注意不要将水源截断和堵死。3当洞顶有沟谷通过，且沟底岩石节理裂隙发育，确认地表水对隧道影响较大时，可采用桨砌片石铺砌沟底，铺砌厚度不小
10、于30 cm。当沟底岩石破碎和隧道埋深较浅时，应结合隧道支护设计采用注浆加固措施。,(二)洞项截水天沟 洞顶截水天沟是修筑在距洞门边仰坡一定距离外，环抱隧道洞门的截水沟。洞顶截水的主要目的是截断洞口边仰坡地表水来源，防止地表水冲刷边、仰坡和洞门区域。水沟采浆砌片石铺砌，厚度不小于30cm，断面形式以梯形为主，石质地段可采用矩形。截水天沟设计应满足以下要求：1天沟设于边仰坡坡顶以外不应小于5m，黄土地区不应小10m。天沟一般沿等高线一侧或两侧排水。2天沟坡度根据地形没置，但不应小于0.5，以免淤积。当纵坡过陡时，一般在地面自然坡度陡于10%时，水沟应做成阶梯式，以减少冲刷。土质地面纵坡大于20或
11、石质地段水沟纵坡大于40时，应设置抗滑基座，以确保纵向稳定。3.天沟断面应根据流入截水沟的汇水区流量确定。水沟深度应高出计算水位20cm，宽度和深度均不小于60cm。4天沟长度应使边仰坡坡面不受冲刷为宜，下游应将水引至适当地点排泄，不宜将水引入路基排水边沟排泄，应根据地形将水引至附近沟谷或涵洞.,(三)明洞防排水 相对于隧道暗洞，明洞防排水条件要优越得多。一方面，明洞属于明挖回填结构，可以迎水面(衬砌结构外侧)设置防水层，其施工条件和防水效果要好得多；另一方面，明洞口冲刷方式可以人为设制，从而也能控制回填后明洞洞周的地下水流量和路径。在控制明洞洞周地下水方面，防排水措施主要有：1明洞开挖边坡以
12、外应设置天沟。路堑对称型、路堑偏压型应于洞顶设置纵向排水沟，坡度与路线一致且不小于5，条件允许时可在山坡较低一侧拉槽排水。洞顶排水沟采用矩形或梯形断面，浆砌片石厚度不小于30cm，以防冲刷。2洞项回填土石表面一般应铺设粘土隔水层，且应与边坡连接良好，以防地表水渗入。表面种草防护，可防雨水冲刷。3明洞回填前和回填过程中，可在回填土石底层或层间埋设排水盲管(盲沟)：防止地表水下渗后在回填土石中滞留积水，增大水压和明洞荷载。在结构性防水方面，明洞防排水应采取以下措施：1.防水卷材采用两布一膜，接缝采用双焊缝热融粘结技术。2在明洞与洞门、明洞与暗洞措接处，采取可靠的变形缝防水措施，搭接结构外铺设防水层
13、。,(四)洞门截排水 洞门截水的主要目的是截流洞口边仰坡流下来的地表水，防止水流在洞门处下渗进入洞门结构，影响洞门结构安全、行车安全和美观，采取的主要措施为：1削竹式洞门应沿洞脸环向设置高度不小于30cm厚的钢筋混凝土帽石，沿洞门环框内壁面设置滴水线，以防雨水漫流影响美观。2对于带有冀墙的各类隧道洞门及明洞洞门，洞口仰坡坡脚至洞门墙背的水平距离不小于150 cm，洞门冀墙与仰坡之间水沟的沟底至衬砌拱顶外缘的高度不应小于100cm，洞门墙高出仰坡坡脚0.5m以上。,二、隧道洞内防排水设计,隧道洞内防排水设计可以分成洞内防水设计和洞内排水设计。隧道洞内防水措施主要包括围岩注浆堵水、复合防水层防水和
14、衬砌混凝土防水；洞内排水措施主要有形弹簧排水管排水、环向排水管、纵向排水管、横向排水管和路基路面排水系统。(一)洞内防水材料 1防水卷材 主要用于防水层、防腐层、建筑防潮、简易防水及临时性建筑防水等，目前防水卷材主要为沥青系防水卷材、高聚物改性系防水卷材、合成高分子防水卷材三大系列，若干品种规格，分类如图,2结构自防水材料 结构自防水材料又统称刚性防水材料，是指以水泥、砂石为原料，掺人少量外加剂、高分子聚合物等材料，通过调整配合比，抑制或减少孔隙率，增加材料界面间密实性，形成的具有一定抗渗能力的水泥砂浆、混凝土类防水材料，可达到增强混凝土结构自身防水性能的目的。水泥砂桨类防水材料多作为附加防水
15、层，用于有防水、防潮等要求的地下工程的迎水面和背水面，弥补工程中出现的蜂窝、麻面等缺陷。混凝土类防水材料是”种既可防水又可兼作承重围岩结构的材料，可用于地下工程及各种防水、输水、贮水结构工程中。这种材料具有较高的抗压(抗拉)强度，耐久性、抗冻、抗老化性能较好，一般为无机材料，不燃烧、无毒、无异味，有透气性，材料易得，造价低廉，施工方便，便于修补，综合经济效益好，因此结构自防水材料在国内外防水领域中均是发展方向。,3防水涂料 防水涂料主要用于构筑物内外堵防水、装饰工程的防渗、堵漏。防水涂料一般按涂料的类型和成膜物质的主要成分进行分类，按涂料类型分为溶剂型、水乳型、反应型三类，按成膜物质的主要成分
16、可分为五类，,4嵌缝密封材料,洞内防水设计 1围岩注浆 围岩注浆堵水即在隧道围岩的富水区段向地层灌注浆液，封堵地层中的渗水裂隙，减少流向隧道的渗水。围岩注浆堵水既可在隧道开挖前从地表钻孔实施，也可在隧道开挖后通过径向或超前向围岩钻孔注浆来完成。在我国，由于经济上的原因，在有水区段用向围岩注浆的方法进行堵水常常被放弃。放弃围岩注浆堵水，放任地下水外泄会导致多方面的不良后果：(1)洞内排水会破坏地下水的原有平衡，造成地下水资源流失，(2)地下水外泄可能冲蚀围岩裂隙和软弱夹层，不利于围岩稳定；(3)地下水携带大量泥沙，不利于隧道排水通畅。,2复合式防水层 采用复合式防水层是复合式衬砌隧道防排水的核心
17、内容。防水层由防水板及其垫层组成。防水板的作用是将地层渗水拒于二次衬砌之外，以免水与二次衬砌接触并通过二次衬砌中的薄弱环节渗入隧道。垫层的主要作用是保护防水板，使防水板免遭刺伤。复合防水层的设计要点如下：(1)隧道初期支护与二次衬砌间的防水层，应选用耐老化、耐细菌腐蚀、易操作且焊接时无毒气的高分子柔件防水卷材。防水层在拱部和边墙全断面铺设，对环境要求高、不适宜排水的隧道应采用全封闭的防水衬砌结构。(2)采用高分子柔件防水卷材防水层时，其背面也应铺设排水盲沟或各种排水板。,(3)采用高分子柔性防水卷材防水层时，初期支护表面的各种突出物和二次衬砌中预埋的各种构件不能凿穿防水层，必须采用“无钉铺挂”
18、工艺。当无法避免时，该处需作特殊的防水处理。(4)隧道防水层采用在初期支护与一次衬砌之间铺设高分子柔性防水卷材。土工布在施工中不但能保护防水板，而且起到毛细渗水作用。(5)防水层必须符合国标(GB 1222003)中各项指标的要求，尽量采用宽幅高分子柔性防水卷材，幅宽58m为宜，以减少接缝。主要指标：抗拉强度纵横向14MPa，断裂伸长率300，硬度40邵氏度。(6)防水层搭接宽度100mm，采用自动爬焊机械双焊续热融粘结技术空加压检测标准是0.2MP压力作用下5min之内不得小于0.16MPa。,3防水混凝土 混凝土衬砌是隧道防水的最后一道防线。由于种种原因，总是有不同程度的地下水穿隧道防水层
19、，为了防止渗水穿远混凝土衬砌进入隧道洞内，隧道衬砌一般宜选用防水混凝土土作为二次村砌材料。常用的防水混凝土有以下几种：(1)普通防水混凝土(2)外加剂防水泥凝土 引气剂防水泥凝土 减水剂防水混凝土 密实型防水混凝土,4变形缝和施工缝处理,洞内排水设计,支护喷射混凝土与防水板间设置，如果没有渗水或渗水极少，则可以不没，(2)当围岩渗水严重时，环向排水盲管的纵向间距小，渗水量小时，纵向间距加大。,3纵向排水管 纵向排水管是沿隧道纵向设置在衬砌外侧的透水管。纵向排水管的作用是将环向排水管和防水板垫层排下的水汇集并通过横向排水管排出。分离式隧道内沿全长在二次衬砌两侧边墙脚外侧设置Pvc纵向排水半花管，
20、断面孔直径68mm，间距10cm，并用Pvc排水管横向连通至中心排水沟或排水边构，Pvc管径根据水力计算确定。连拱隧道沿全长在墙顶部两侧拱脚和边墙脚附近各设一道Pvc纵向排水半花管，并用Pvc排水管横向、竖向连通至中心排水沟或排水边沟。Pvc管径根据水力计算确定，一般采用10cm。,4横向排水管 横向排水管位于衬砌基础和路面的下部(如图181)，布设方向与隧道轴线垂直，是连接纵向排水管与中央排水管的水力通道。横向排水管通常为硬质塑料管，施工中先在纵向盲管口预留接头，然后在路面施工前接长至中央排水管。对横向盲管的检查，主要是接头应牢靠、密实，保证纵向育管与中央排水管问水路畅通，严防接头处断裂，由
21、纵向盲管排出之水在路而下湿流造成路而翻浆冒水，影响行车安全，其次是在横向盲管上部应有一定的缓冲层，以免路面荷载：直接对横向盲管施压，造成横向盲管破裂或变形，影响其正常的排水能力。,5路基路面排水管沟 路基路面排水管沟是将隧道内各种渗水、清洗废水、消防水排出洞外的通道。在南方，内于不考虑管沟抗冻结作用，般在道路两侧设计路面排水沟作为各种水流共用的外排通道。而在北方，为了防止排水管沟在冬季冻结，影响排水效果，一般同时设置路面排水沟和路基排水管。路面排水沟仅作为路面清洗水、消防水的排泄通道，而路基排水管设置在隧道路面中心以下一定深度的路基内。路基路面排水管沟多采用预制混凝土管段按照一定的排水坡度拼装
22、而成。为了便于排水管沟的检查、疏通和维修，排水管沟应当按照规范规定的间距设置沉砂井和检查井。,寒区隧道防排水设计,1保温水沟 保温水沟采用浅埋形式，也就是浅埋于隧道内的最大冻结深度达到冬季水流不冻结的目的。(1)保温水沟一般适用于寒冷地区，员冷月平均气温在-10一-15之间，隧址区域当地粘性土的冻结深度在115m范围内，且冬季有水或可能有水的隧道。(2)保温水沟的设置长度应根据隧道的长度、地下水量大小、水温、隧道所处地区寒冷季节的主导风向、水沟坡度等因素综合确定。隧道长度小于1000m以下全洞设置，隧道长度大于1000m时，进出口300一400m范围内均设置保温水沟。(3)保温水沟一般采用侧沟
23、式，其结构形式应结合隧道衬砌断面设计，在上下两层盖板之间充填保温材料，厚度不小于35cm，下部为排水沟于30cmx 30cm，沟底纵坡应与隧道纵坡一致。(4)保温材料一般采用泡沫塑料、沥淸玻璃棉、矿渣棉等，并应有防水措施。常规措施是将保温材料四周用塑料薄膜或沥青玻璃布包裹封闭，其长度以经常维修方便为宜。(5)保温水沟一般每隔50m设置检查井，检查井内设置沉淀他，以方便检查和淸淤。,2中心深埋水沟 中心深埋水沟是将水沟埋置于洞内相应的冻结深度以下，充分利用地温达到水沟内水流不冻结的排水目的。一般情况下水沟埋置深度根据计算确定。(1)中心深埋水沟常规适用于严寒地区，隧道所处地区粘性土的冻结深度在1
24、525m范围内，且冬季有水的隧道。(2)中心深埋水沟断面形式的选择，主要根据隧道地质条件确定，其断面尺寸应根据水利计算确定。一般情况下采用内径不小于40cm的预制钢筋混凝土圆管。(3)中心深埋水沟的埋置深度指行车道边缘最低点至水沟顶面的高度，应使其沟内水流不冻结为目的。一般与隧道的长度、地下水量大小、水温、隧道所处地区寒冷季节的主导风向、水沟坡度等因素有关。有条件时，根据实测隧道内的气温及冻结深度确定。常规按隧道所处地区粘性土的最大冻结深度确定。(4)中心深埋水沟的回填直接影响到水沟的使用功能。水沟采用素混凝土基座固定，回填材料除满足保温、方便施工外，先回填50 cm厚35cm碎石，然后至路面
25、面层底面以下均采用水泥处置碎石排水基层材料回填。(5)为了便于检查维修，中心深埋水沟应设量沉淀检查井，其间距150一200m，断面形状一般为圆形，也可采用矩形。为防止水流冻结，检查井下应设双层盖板，在两层盖板之间填泡沫塑料或其它保温材料，厚度不得小于100cm。,3防寒泄水洞 防寒泄水洞一胶适用于严寒地区，最冷月乎均气温低于-25，当地粘性土的冻结深度大于25m，采用深埋水沟因埋深较大，明挖施工可能影内边墙的稳定性，且冬季有水的遂道.(1)防寒泄水洞一般设置于隧道中心线底部，衬砌结构尺寸应根据工程地质条件、水文地质条件、理置深度、公路等级等，主要由结构计算确定，工程类比仅作为参考。讨耍时可参照
26、隧道的计算方法，特别注意要考虑洞内活荷载和冻胀力的作用。(2)防寒泄水洞的埋置深度指行车道边缘最低点至泄水洞顶面的高度，应使其沟内水流不冻结为目的。青海省高寒区大圾山隧道防寒泄水洞的成功实践证明，防寒泄水洞的埋置深度应不小于隧址区当地围岩最大冻结深度为宜；其次，应满足暗挖时不至于引起隧底坍塌的要求；此外应特别注意不要埋置太深，以免造成不必要地延长防寒泄水洞的长度和增加工程造价。,(3)防寒泄水洞的断面尺寸根据实际泄水量及施工条件等综合确定，一般不小于18m18m，防寒泄水洞的纵坡与隧道纵坡一致。一般情况下应作模注混凝土衬砌或混凝土预制块衬砌，IIII级围岩可采用锚喷混凝土作为永久衬砌。(4)防寒泄水洞衬砌上应设置足够的泄水孔或较深的泄水钻孔，以充分排出地下水。如果围岩中有细小颗粒可能流失时，衬砌背面应设置反滤层。一般泄水孔直径为100mm，环向间距50一80cm，梅花状布置。泄水钻孔的深度、角度、位置应根据地下水量的大小及围岩的具体情况确定。一般间距810m左右，应沿隧道中心线纵向每10m间距设4100mm的钻孔，将隧道仰供底部排水盲沟与泄水洞连通。(5)一船情况下，隧道进出口各300m范围内防寒泄水洞应设置核导洞，横导洞纵向间距30一50m，衬砌背面盲沟与该洞以4100mm的钻孔连通。,
