钻爆法在公路隧道建设领域应用广泛，但钻爆法隧道水害频发。作为隧道的重要组成部分，防排水系统应确保隧道的防水性能，使地下水按规定路径排水，保证隧道结构和营运设备的正常使用以及行车安全^[1]。工程经验表明，隧道在施工以及运营过程中经常遇到突涌水和渗漏水现象。隧道进水会改变地下水运行规律，对周边环境产生影响，不仅增加隧道建造成本，还对运营期的隧道结构及其设施产生不良影响^[2-4]。此外，地下水与排水管结晶堵塞密切有关，排水系统失效会导致衬砌背后水压增大，促使衬砌结构产生裂隙，加剧隧道渗漏水，给隧道安全运营带来极大风险，且水害处治需要高昂的维修成本^[5-7]。与隧道防排水系统相关的隧道病害及其维护已成为隧道安全运营需要关注的重大问题。

解决隧道水害的关键在于控水，作为隧道施工运营的主要环境介质，地下水与隧道结构之间存在着复杂的相互作用，地下水控制决定着隧道工程的成败^[8-11]。隧道防排水系统是控制地下水的主要手段，对于控制地下水具有重要意义。目前，很多学者致力于隧道防排水技术的研究，在理论研究、设计理念、施工技术、运营维护以及新材料等方面取得了长足进步。然而，隧道渗漏水和排水管结晶堵塞等隧道水害尚未得到根本解决，不少运营隧道仍面临着不同程度的水生灾害。要想彻底解决公路隧道的水害问题，在对防排水技术进行系统总结的基础上，尚需进行更深入的研究。

根据隧道建设技术的发展水平，钻爆法公路隧道防排水技术可分为圬工时代和后混凝土时代2个时期。由于新材料、新技术及新设计理念的不断发展融合，2个时期的隧道防排水技术既相互联系又存在重大区别。

隧道工程的大规模建设始于19世纪的欧洲，隧道修建大多采用圬工结构，衬砌采用陶土砖、天然石块和混凝土(块)等材料。隧道采用灰浆、金属薄片、黄麻层或者涂沥青的多层油毛毡作为外贴防水层。排水一般是设置陶土或混凝土材质的排水管、纵向水沟以及积水槽^[12]。19世纪初，Aspdin发明了硅酸盐水泥，Tietjens利用水泥对地层裂隙注浆进行防水，注浆技术开始广泛应用于矿山、市政工程的防水与加固^[13]。20世纪中叶前，隧道基本采用防水混凝土衬砌以及内贴防水层的方式进行防水，并向衬砌背后压注水泥灰浆或其他混合物进行压浆止水^[14-15]。然而，传统的砖石等衬砌材料自身防水性能差，无法保证隧道的防水性能要求。此外，一些防水材料及压浆材料具有较强的毒性，且难以兼具耐久、环保的特点。受限于材料自身性能，圬工时代的隧道防排水技术很难达到经济、可靠的防水目标。

20世纪50年代后，隧道防排水技术发展速度加快，开始逐渐走向成熟。Rabcewicz^[16]将喷射混凝土应用于工程建设并提出“新奥法”，工程应用表明喷射混凝土作为衬砌结构具有防水作用^[17-18]。此外，“新奥法”推动了复合式衬砌的应用，防水层开始作为隧道结构的一部分独立存在。20世纪60年代，欧洲国家尝试使用热塑性聚合物膜作为隧道防水层，在萨尔茨堡修筑的公路隧道首次应用聚氯乙烯和土工织物防水层^[19-20]。20世纪70年代，挪威使用钢纤维喷射混凝土单层衬砌取代复合式衬砌，并大规模应用于公路隧道修建，利用喷层自身的防水性能和混凝土隔板实现隧道防水^[21-22]。

1979年，英国建筑工业情报与研究协会制定第一个地下工程防水分级标准，对隧道渗漏水量进行限定，用标准保障隧道防水性能^[23]。1986年，日本土木学会隧道工程委员会提出隧道防排水设计的一般原则，认为应把围岩中的涌水顺利排除，且不产生从衬砌中的漏水^[24]。中国于1987年首次颁布《地下工程防水技术规范》(GBJ108—87)，将隧道的防水等级从湿渍和渗漏水量2个方面进行量化。

20世纪以来，隧道防排水系统优化和维护问题引起学者的广泛关注。王元清^[25]针对富水地区隧道的特点提出分区减压技术。孙毅等^[26]针对隧道渗漏水病害治理研制了新型水性渗透结晶型防水材料。刘士洋等^[27]发现PVC管植绒对隧道排水管除结晶具有一定作用。叶飞等^[28]通过喷射混凝土配合比优化试验确定最优配合比，降低钙离子流失量，预防排水管结晶。

目前，钻爆法隧道防排水技术已经比较成熟。一方面，传统的隧道结构材料已经基本被高性能防水混凝土所取代，隧道防排水材料也获得了极大发展。另一方面，合理控制地下水的设计理念以及防水标准得到确立，针对特定问题的防排水技术也不断革新。隧道防排水技术已经实现了原则指导、设计优化、材料革新、施工控制、标准保障及运营维护的基本构架，隧道防排水技术的发展基本都是该框架内的延伸。

隧道渗漏水等水生灾害是导致隧道结构恶化的关键因素，减少和控制进水量是隧道施工运营必须考虑的关键问题。GBJ108-87将防水标准划分为4个等级，对3级、4级地下工程的每昼夜漏水量做出了定量限定。2001年修订后的防水等级从湿渍和渗漏水量2个方面来反映，进行了更为细致的定量描述。针对原有2级防水标准存在的问题，2008年新修订的规范对湿渍量化标准进行修订，并增补隧道渗漏水量化标准，使“渗漏水量”要求和“湿渍”要求更加一致，现有的防水等级更加客观、科学^[29]。隧道工程防水分级标准见表 1。

隧道防排水系统构造形式应结合使用要求、环境要求、工程地质、水文和化学性质及设计水压等多种因素综合确定。根据衬砌承受的水压力状况，其构造形式可分为3种，具体构造形式及情况对比见表 2^[30-33]。工程实践表明，“以排为主”的排水型隧道能减小衬砌水压，但会导致隧道水害不断发展，生态环境严重恶化。完全封堵地下水的防水型隧道虽然理论上能彻底阻绝地下水，但衬砌会承受巨大水压，给隧道防水体系造成重大风险。“以堵为主、防排结合”的控制排水型隧道则能兼顾减轻衬砌水压力和维护隧道区生态平衡等多方面需求。目前，富水地层的隧道建设已逐渐摈弃“以排为主”理念，开始实施“以堵为主、防排结合”的控制型防排水。

表 2 防排水系统构造形式及情况对比 Tab. 2 Comparison of waterproof and drainage design methods

	排水型隧道	防水型隧道	控制排水型隧道
图式
说明	进水可以接受，排水至压力完全释放	进水不可接受，无排水	少量进水可以接受，排水至选定的极限水位或排水至选定或允许的排水量
适用范围	1级或2级内部永久衬砌； 3级或4级若没有内部衬砌； 水流量0.02≪0.1或0.2≪0.5 L/(m2·d)，且超过10 m； 任何有高地下水压力的隧道或水工隧道； 低或高地下水压力 < 0.1 MPa或>0.5~0.8 MPa； 透水或不透水地层； 仅考虑渗透压力的设计	1级或2级； 水流量 < 0.02或0.02≪0.1L/(m2·d)，且超过10 m； 公共区域、地铁隧道、浅埋公路或铁路隧道； 低到中等地下水压力 < 0.5~0.8 MPa； 透水地层； 衬砌必须被设计为承受全部水压力	1级或2级内部永久衬砌 水流量 < 0.02或0.02≪0.1 L/(m2·d)，且超过10 m； 公共区域、地铁隧道、浅埋公路或铁路隧道； 低到中等地下水压力 < 0.5~0.8 MPa； 不透水地层； 衬砌可能被设计为承受全部水压力
优点	建造成本低；避免隧道结构承受水压；能观察隧道的渗水情况	维护成本低；交通安全程度高；没有永久性地下水排放；施工完成后，能重新建立周围地面的原始条件，例如膨胀层；能建立冗余排水系统；避免生态环境破坏	维护成本低；避免隧道结构承受高水压；生态环境影响可控不易破坏；能控制隧道排水量
缺点	问题频发，使用和维护成本高；难以在系统中建立冗余排水系统；隧道底部渗水不受控制；排水系统维修困难，隧道渗水不受控制；浇灌膨胀泥灰层有风险；生态环境遭到破坏	建造成本高；衬砌承受水压；防水膜修复工作困难	建造成本较高；理论及经验少

表选项

钻爆法隧道主要包括复合式衬砌和单层衬砌，二者防排水体系差别较大，但设计均应遵循“防、排、截、堵结合，因地制宜，综合治理”原则，且防水等级要达到2级防水标准。

复合式衬砌是公路隧道的主要结构形式，典型的复合式衬砌结构由外部永久喷涂混凝土层，防水层和内部喷涂或浇注混凝土层组成。防排水系统由防水体系和排水体系构成，具体构造见图 1。钻爆法隧道防排水型式不同，采取的防水措施也有所不同，具体见表 3。

图 1 防水型、控制型和排水型隧道防排水体系构造图 Fig. 1 Structural diagrams of drainage type, waterproof type and controlling drainage type of waterproof and drainage systems

图选项

(1) 围岩注浆防水主要包括预注浆和后注浆措施，注浆类型和材料根据封堵目的适当选择。开挖前采取预注浆措施可以在隧道周边形成防渗域，降低围岩渗透性及衬砌水压力。开挖后的局部股流和小面积渗水裂隙可通过基底注浆或径向注浆措施封堵，还可根据渗漏水和衬砌密实情况对衬砌背后和止水带进行回填注浆^[34-35]。现有的注浆材料主要有普通水泥单液浆、硫铝酸盐水泥单液浆、普通水泥-水玻璃双液浆等水泥基注浆材料和水玻璃类化学材料。

(2) 在结构自防水方面，由于各种补给水源会通过衬砌接缝、裂缝及材料可渗区域进入隧道，初期支护应采用抗渗喷射混凝土。二次衬砌作为结构防水的最后一道防线，应采用防水混凝土，通过调整混凝土配合比及掺入外加剂的方式提高混凝土抗渗性能，抗渗等级可由设计水压力以及水压力与厚度的比值确定^{[10, 36-38]}。

(3) 防水层是防止隧道结构渗漏水的核心措施，与防排水系统的构造形式相适应，防水层应根据构造形式的不同选择全包式防水层或半包式防水层。防水型隧道选用全包式防水层，排水型隧道及控制排水型隧道应选择半包式防水层。防水层多采用防水卷材、防水板以及喷涂防水涂料等。常用的卷材防水层主要包括聚氯乙烯(PVC)等合成高分子防水卷材以及高聚物改性沥青类防水卷材。防水板则主要有EVA，ECB，PVC以及PE等普通防水板和粘贴式ECB，EVA防水板。喷涂防水涂料主要有沥青类防水涂料和高聚物改性沥青防水涂料。此外，喷膜防水技术开始广泛应用于隧道防水，并已被英国列入隧道规范。喷膜防水层同喷射混凝土和二次衬砌紧密黏合，无接缝、整体性好，能弥补防水板挂板和接缝可能引起漏水的弊端^[39-40]。

(4) 施工缝及变形缝是隧道防水的薄弱环节，其防水失效是造成衬砌结构自防水失效的重要原因，一般设置橡胶或钢板材质的中埋式止水带以及背贴式止水带，变形缝还需填充填缝板以及遇水膨胀橡胶条等密封材料进行止水。

(5) 隧道导排水体系一般由洞口段排水、明洞排水以及洞内排水3部分组成。洞口段通过在洞顶地表设置截排水沟拦截地表水将其排除。明洞排水在开挖边坡以外设置天沟以及纵向排水沟，并在防水层外设置干砌片石排水盲沟。洞内排水则由洞身设置的环向排水管、纵向排水管和横向排水管等衬砌外排水系统以及路侧边沟和中央排水管(沟)等洞内沟槽排水系统组成。前者的作用主要是把二次衬砌外的渗水疏导、汇集并引排到排水管沟，而后者可以把前者汇集的渗水以及隧道内部的路面运营清洗水﹑消防污水和其他废水引排至隧道外。

此外，一些隧道增加了可维护性设计，在材料选择和系统设置方面充分考虑防排水系统的可维护性，如在衬砌段防水层隔段设置背贴式止水条带，使衬砌后形成网状防水分区。纵向排水盲管的选材考虑高压冲洗的力学性能指标等^[41-42]，但是，现阶段采用的可维护性设计较少，防排水技术仍以功能性设计为主，且面临不少问题，如洞内排水管(沟)的布设方式存在较大争议。由于洞内排水沟经常引发堵塞以及翻浆等病害，许多国家把中央排水管(沟)布设于仰拱填充层或仰拱下面，或者把排水管(沟)设置在衬砌拱脚外侧，因此国内有专家建议取消洞内排水沟^{[9, 43]}。

单层衬砌不设置二次衬砌，具有缩短施工周期，减少衬砌成本并保证隧道长期安全的特点，开始逐步应用于公路隧道建设，但是，单层衬砌对围岩条件要求较高，在岩体条件恶化情况下，经济性急剧下降^[44]。单层衬砌防排水措施主要包括结构自防水、注浆堵水、喷层与围岩间布设半圆排水盲管、喷膜防水(在喷层间喷涂防水膜)、离壁衬套排水等措施^[45]。单层衬砌防排水体系构造见图 2。

图 2 单层衬砌防排水体系构造图 Fig. 2 Structural diagram of waterproof and drainage system with single-layer lining

图选项

结构自防水方面，一是使用含有硅灰等添加剂的喷混凝土以增强密实性；二是以聚合物改性喷混凝土作为防护层以封闭孔隙，降低吸水性，提高不透水性：三是在喷层间喷射防水涂料层以提高防水性能^[46]。单层衬砌注浆防水措施和复合式衬砌基本相同，区别在于单层衬砌初喷层表面裂隙线状出水处及面状淋渗水处需进行补注浆堵水，对股水埋管引排。结构自防水措施及股水引排见图 3。对于防水标准高的隧道，还需采用离壁式衬砌，用锚杆固定。目前，中国关于公路隧道单层衬砌的应用较少，且防排水技术基本以功能性设计为主。

图 3 结构自防水措施及股水引排图示 Fig. 3 Schematic diagrams of structural self-waterproofing measures and inrush water drainage

图选项

隧道防排水系统出现缺陷或者超过隧道设计预期寿命之后，需要对其进行维护，隧道防排水系统的科学养护已经成为一个重要课题。应当指出，防排水系统维护技术不仅是指对现有防排水系统存在的问题进行修复或处置，而是指对隧道可能以及已经遭受的水害采取的一切防排水措施，包括预防性维护和修复性维护2个方面的内容。此外，修复性维护又包含渗漏水和排水系统结晶堵塞等多种病害的治理。

预防性维护是防排水系统维护的重要内容，目的在于保证防排水系统的正常使用，延长使用寿命。《公路隧道养护技术规范》规定，钻爆法山岭隧道防排水工程的养护工作包括日常巡查、清洁、结构检查与技术状况评定、保养维修以及病害处置等内容。日常巡查、清洁、结构检查与技术状况评定是对防排水系统的状态进行判定，以确定防排水系统是否需要维护，属于预防性维护。

渗漏水是防排水系统失效的主要表现形式，是多种诱发因素的综合效应，需同时满足隧道结构自防水失效和外防水失效2个条件^[47]。钻爆法隧道渗漏水病害处治并无明确规定，仅给出短期修复、长期修复及改建或重建3种治理方案^[48]。短期修复要求将渗漏水引排至排水系统，适用于轻微渗漏水或渗漏水情况不明的隧道。隧道渗漏水严重且持续渗漏水时，应查明渗漏水的原因、位置以及数量等具体情况，采用注浆和内贴防水膜等措施进行长期修复。而改建或重建适用于隧道病害严重发展使治理成本过高或达到隧道设计寿命的情况。

中国排水系统结晶堵塞研究起步较晚，现行规范中关于结晶堵塞处治的规定也较少，至今仍缺乏一套有效可行的防治策略。而中国南部山区隧道排水系统结晶堵塞较为普遍，使得排水管结晶堵塞防治形势严峻。从排水管结晶的形成机理来看，结晶堵塞是地下水质、围岩类型、喷射混凝土特性等内因和排水管溶液特性、环境因素和工程因素等外因综合作用的结果^[49]。《公路隧道养护技术规范》(JTG H12—2015)规定，结晶堵塞可用高压水或压缩空气进行疏通，但结晶堵塞情况十分复杂，上述措施难以解决排水管结晶堵塞问题。一些学者采用磁处理技术、加溶解剂或CA(碳酸酐酶)阻垢剂等方法使结晶体溶解，还有一些学者提出可利用管道机器人以及超声处理技术处治结晶体。可以看出，排水管结晶堵塞处治措施趋于多元化，但这些措施存在很多局限性，很难高效、环保、经济地解决排水系统结晶堵塞问题。

与钻爆法隧道防排水系统相关的隧道病害及其维护始终是隧道工程建设需要关注的重大问题，防排水技术的发展进步对维护隧道结构的安全和稳定意义重大。虽然隧道防排水技术已经比较成熟，在理论研究、设计理念、施工技术、运营维护以及新材料等方面取得了长足进步，但不少运营隧道仍面临着不同程度的水生灾害。现有的防排水技术主要是基于隧道工程的“建管阶段”，而防排水技术是一个系统性问题，涉及“建管养”全寿命周期的各个阶段，应建立基于全寿命周期的建管养一体化隧道防排水体系。为进一步提高隧道防排水技术水平，减轻隧道管养压力，防排水技术可从以下几个方面开展研究：

(1) 钻爆法公路隧道防排水技术是一个系统性问题，涉及到功能性设计、可维护性设计、预防性维护及修复性维护等全寿命周期的各个方面。应当摒弃传统的功能性设计理念，采用全寿命周期建设理念，建立基于全寿命周期的集功能性设计、可维护性设计、预防性维护及修复性维护于一体的建管养一体化隧道防排水体系。

(2) 应加强防排水系统选型和控制型防排水技术的系统性研究，尤其是设计理论以及环境影响方面的研究。既要重视排水对隧道防水的重要作用，又要控制排水对隧道周边环境的影响，通过对全寿命周期内隧道排水引起的环境影响进行分析评价，确定合理的防排水形式。尤其是在超高水压条件下，科学论证隧道排水的可行性，做到因地制宜，使隧道防排水体系在排水降压和环境保护之间取得平衡。

(3) 做好隧道防排水系统的优化工作，包括整体结构和细部结构，从设计到施工全寿命周期内的整个系统的优化工作，如优化现有防排水设计规范，建立引导性标准体系。优化现有衬砌结构形式，加强单层衬砌防排水系统的研究应用，实现经济性和可靠性的统一。优化施工缝、变形缝细部结构设计施工，补强隧道防水的薄弱环节。立项研究取消洞内排水沟(管)，设置中央或两侧脚部排水管等。

(4) 加强防排水系统相关的新材料、新工艺研究应用，包括新型防水材料、排水材料以及施工工艺的技术研究。排水系统衔接不流畅及疏通性差是引起排水系统堵塞的主要原因，防水层破损及接缝不严密、止水带安装不到位等问题是隧道渗漏水的主要原因。应该进一步开展疏通性强、组合性好的排水材料、新型防水材料以及施工工艺等方面的研究。

(5) 加强防排水系统维护技术研究，尤其是可维护性设计以及修复性技术的研究。中国公路隧道已进入建管养并重阶段，可维护性技术的缺乏给管养部门带来了极大的经济负担。工程实践表明，现有的修复维护技术不足以满足防排水系统维护的需要。