鐵路隧道襯砌滲漏水病害是影響列車安全運(yùn)營(yíng)的主要病害之一，也是影響隧道設(shè)施全壽命健康服役的主要因素之一[1~3]。我國(guó)現(xiàn)行TB10003-2016鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]規(guī)定：隧道防排水設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理，保護(hù)環(huán)境”的原則。目前我國(guó)新建鐵路隧道大都采用復(fù)合式襯砌，與襯砌結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的隧道防排水體系具有圈層構(gòu)造，可用“一堵兩排兩防”來(lái)概括，即一圈圍巖
注漿堵水，噴射混凝土與防水層（防水板、止水帶等）間、防水層與襯砌間兩圈排水系統(tǒng)（盲管、盲溝等）及防水層和襯砌混凝土兩層防水[5]。顯然，隧道防排水理念的提升和復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提高了鐵路隧道的防排水效果。
盡管我國(guó)在鐵路隧道的防排水設(shè)計(jì)和施工中取得了豐碩的成果、積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但大部分隧道仍存在不同程度的滲漏水現(xiàn)象，部分隧道的滲漏水狀況還相當(dāng)嚴(yán)重[6，7]。目前，我國(guó)鐵路隧道防排水技術(shù)主要存在三個(gè)方面的問(wèn)題：（1）不同環(huán)境條件下鐵路隧道的防排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)性不強(qiáng)；（2）防水板等防水產(chǎn)品質(zhì)量及安裝可控性差，防水效果不理想，甚至缺失排水功能；（3）排水系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置不盡合理，排水盲管易堵塞，可維護(hù)性差，排水系統(tǒng)排水不暢[8，9]?？梢?jiàn)，防水產(chǎn)品缺失排水功能是鐵路隧道防排水效果不佳的關(guān)鍵原因之一。
當(dāng)前，具備排水功能的凸殼型防排水板正日益引起隧道與地下工程從業(yè)者的重視[10，11]。由于凸殼型防排水板具有全斷面排水功能，可將隧道襯砌背后的地下水匯集至縱向設(shè)置的排水盲管（溝）之中，可全面替代傳統(tǒng)的防水板與環(huán)向排水盲管設(shè)置。但是，凸殼型防排水板通水量的檢測(cè)方法、評(píng)判指標(biāo)等目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循，因此，研究凸殼型防排水板的通水量及其通水能力對(duì)于揭示該產(chǎn)品性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)
參數(shù)以及更新有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)均具有重要意義。
2 現(xiàn)行規(guī)范中關(guān)于環(huán)向盲管的要求和規(guī)定現(xiàn)行《TB10003-2016 鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中關(guān)于環(huán)向盲管的設(shè)置規(guī)定為：環(huán)向盲管宜直接引入
側(cè)溝，間距宜為8～12 m；當(dāng)?shù)叵滤l(fā)育時(shí)，間距可適當(dāng)加密至3~5 m；縱向盲管宜8~12 m分段，盲管應(yīng)設(shè)反濾層；環(huán)向盲管管徑不宜小于50 mm，縱向盲管管徑不宜小于80 mm。工程建設(shè)中實(shí)際常用的環(huán)向盲管管徑為50 mm，設(shè)置間距為10 m。
3 凸殼型防排水板排水通道的等效管徑計(jì)算
凸殼型防排水板具有全斷面排水功能，其排水通道可等效為不同尺寸的環(huán)向盲管管徑，其排水能力采用通水量來(lái)表征，可借助理論模型通過(guò)計(jì)算確定。凸殼型防排水板根據(jù)凸殼形狀可分為半球形和圓臺(tái)形兩種，其橫斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示，排水通道結(jié)構(gòu)如圖2所示。
從圖1和圖2可以看出，單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）半球狀凸殼型防排水板排水通道的等效管徑可按式（1）計(jì)算：
單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）圓臺(tái)狀凸殼型防排水板排水通道的等效管徑可按式（2）計(jì)算：
式中：D0為單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）凸殼型防排水板排水通道等效管徑（mm）；L 為凸殼型排水板凸殼間距，取20～30 mm；h 為凸殼型排水板凸殼高度，取10 mm；B 為凸殼型排水板厚度，取1.0 mm；ε 為120 kPa壓力作用下，凸殼型防排水板容許的最大壓縮變形率，取0.1；r 為半球狀凸殼型防排水板球殼半徑，取8 mm；b1為圓臺(tái)狀凸殼型防排水板頂面直徑，取8 mm；b2為圓臺(tái)狀凸殼型防排水板底面直徑，取16 mm。
按式（1）和式（2）計(jì)算單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）凸殼型防排水板排水通道的等效管徑，如表1所示。
由表1可知，不同凸殼形狀、不同凸殼間距的單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）凸殼型防排水板排水通道的等效管徑為0.062 6~0.082 2 m 。
4 凸殼型防排水板通水能力理論計(jì)算
4.1 通水量理論計(jì)算公式
依據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）凸殼型防排水板每天的通水量可按式（3）計(jì)算：Q0 =( 24 × 60 × 60 )×[C·A( R·J )0.5] （3）式中：Q0為單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）凸殼型防排水板通水量（m3/d）；J 為水力坡度，在0.1~2.0之間取值；A為管道斷面面積（m2）；R 為水力半徑，R=管道斷面面積/內(nèi)壁周長(zhǎng)（m）；C 為謝才系數(shù)，C=R1/6 /n（m0.5/s）；n 為糙率，視管壁光潔程度，在0.011~0.014之間取值。
4.2 凸殼型防排水板及環(huán)向盲管水力參數(shù)計(jì)算由式（3）計(jì)算得到凸殼型防排水板和環(huán)向盲管的水力計(jì)算參數(shù)，如表2所示。
4.3 凸殼型防排水板通水能力計(jì)算
根據(jù)式（3）和表2可得單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）、等效管徑為0.062 6 m的凸殼型防排水板的通水量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。
由表3可知，對(duì)于單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）、最小等效管徑為0.062 6 m的凸殼型防排水板，在不同水力梯度、不同謝才系數(shù)條件下其計(jì)算通水量為376~2 138 m3/d。同理，計(jì)算得到單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）、最大等效管徑為0.082 2 m的凸殼型防排水板，在不同水力梯度、不同謝才系數(shù)條件下其計(jì)算通水量為777~4 420 m3/d。
4.4 凸殼型防排水板與環(huán)向盲管通水能力比較隧道工程中常用的環(huán)向盲管管徑為0.05 m，設(shè)置間距為10 m。假定水力梯度相同，通水路徑糙率也相同，則10 m幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）凸殼型防排水板與1道環(huán)向盲管通水能力比為：
（4）式中：Q0為單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）凸殼型防排水板通水量（m3/d）；Qm為1道環(huán)向盲管的通水量（m3/d）；D0為凸殼型防排水板的等效管徑（m）；Dm為環(huán)向盲管的直徑（m）。
由表3和式（4）計(jì)算可得：
即凸殼型防排水板的通水能力是環(huán)向盲管的18~38倍。
5 凸殼型防排水板通水能力影響因素
及其功效控制措施
由式（1）和式（2）可以看出，對(duì)于給定規(guī)格的凸殼型防排水板，其排水通道等效管徑的主要影響因素是ε，即120 kPa壓力作用下防水板凸殼體的最大壓縮變形率，也就是凸殼型防排水板抵抗隧道二次襯砌混凝土澆筑過(guò)程中產(chǎn)生擠壓變形的能力。若凸殼型防排水板塑料凸殼的抗壓強(qiáng)度高，則其擠壓變形小，排水通道的凈高就大，排水通道的有效面積大，通水能力等效管徑也大，反之則小。
因此，可通過(guò)提高凸殼型防排水板凸殼體的抗壓強(qiáng)度，確保排水板排水通道的有效面積，進(jìn)而確保其通水能力。
6 結(jié)論
本文在總結(jié)我國(guó)鐵路隧道防排水技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，歸納了鐵路隧道防排水技術(shù)存在的主要問(wèn)題，并進(jìn)一步研究了凸殼型防排水板的通水量計(jì)算問(wèn)題，得到以下結(jié)論：
（1）當(dāng)前我國(guó)鐵路隧道防排水領(lǐng)域存在的主要問(wèn)題是：隧道防排水設(shè)計(jì)針對(duì)性不強(qiáng)；防水板等防水產(chǎn)品質(zhì)量及安裝可控性差，甚至缺失排水功能；排水系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置不盡合理。防水產(chǎn)品缺失排水功能是防排水效果不佳的關(guān)鍵所在。
（2）目前凸殼型防排水板通水量的檢測(cè)方法、評(píng)判指標(biāo)等尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)可循，可通過(guò)理論公式進(jìn)行估算。
（3）單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）、等效管徑為0.062 6 m的凸殼型防排水板，各種工況下其通水量為376~2 138 m3/d；單位幅寬（隧道縱向延長(zhǎng)米）、等效管徑為0.082 2 m的凸殼型防排水板，各種工況下其通水量為777~4 420 m3/d。
（4）凸殼型防排水板的通水能力是環(huán)向盲管的18~38倍。
（5）凸殼型防排水板具有全斷面排水功能，可全面替代傳統(tǒng)的防水板與環(huán)向排水盲管設(shè)置。
（6）提高凸殼型防排水板凸殼體的抗壓強(qiáng)度是確保其通水能力的有效措施。
馬超鋒馬偉斌郭小雄王志偉許學(xué)良余東洋
（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京100081）
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Research
