李傳松,茹 旭,曾慶華,李紹平,薛 正,張 皓

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031;2.中國鐵路經濟規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038)

鐵路隧道施工所帶來的環(huán)境影響日益引起人們的關注，隧道施工廢水被認為是主要污染源之一[1-2]。近些年我國逐年加大了對隧道施工廢水治理的投入，有效保護了鐵路沿線的生態(tài)環(huán)境，促進了當地的經濟社會與環(huán)境保護協(xié)調發(fā)展，但帶來了較大的投資成本壓力。

隧道施工廢水的主要來源是施工期間受污染的地下水，包括施工掌子面涌水和隧道襯砌后的環(huán)向與縱向盲管所收集的地下水，其余施工作業(yè)流程如鉆孔、爆破、噴射、注漿等工序所產生的廢水量較少[3]。掌子面附近的涌水原為清水，遇到巖粉、巖屑、水泥漿等后才變?yōu)閺U水，是施工廢水的主要來源。襯砌段的盲管所收集的水多為清水。若能在隧道內實現(xiàn)掌子面、初襯段的施工廢水與二襯段的涌水(清水)的清污分質分流，不僅可降低隧道施工廢水處理設施的規(guī)模和處理難度，還能大幅降低廢水處理設施的建設成本和運行費用。因此，研究鐵路隧道施工廢水的清污分流方法具有現(xiàn)實意義。

隧道施工中依據施工廢水的排出方式可分為順坡施工和反坡施工。順坡隧道施工廢水受重力作用自行排出洞外，不像反坡隧道需要提升泵站和管道，節(jié)能且管理簡便。尤其是在巖溶區(qū)等地下水較發(fā)育區(qū)域，順坡排水更有利于加快施工進度，故順坡施工成為鐵路隧道施工的主要選擇方式。

本文針對順坡單線、雙線隧道和順坡輔助坑道(橫洞和平導)在構造上的特點與差異，探討了隧道內清污分流的可行方法，并結合工程實踐進行初步試點，為相關研究和應用提供參考。

1 順坡隧道清污分流策略分析

1.1 單洞單線隧道

典型的鐵路單洞單線隧道斷面如圖1所示。通常此類隧道兩側設側溝但不設中心溝。施工期間為便于施工車輛通行，一般僅在正洞貫通后才修筑側溝，因此無法有效排水，僅通過散排或臨時排水溝進行排水。

圖1 典型的鐵路單洞單線隧道斷面示意(單位：cm)

此類隧道多為單車道運輸、出渣，并將洞內臨時路面施工至隧道內軌頂面以下約0.3～0.8 m，此時，單線隧道內臨時行車道路的寬度約4.4 m(與隧道設計時速和軌道類型有關)。依據現(xiàn)行JTG D20—2017《公路路線設計規(guī)范》[4]，載重汽車寬度按2.5 m計，設計速度30 km/h的單車道寬度為3.25 m；當受地形地質條件限制時，設計速度20 km/h的單車道寬度為3.0 m。因此，對于單洞單線隧道，考慮到單側行人寬度0.7 m 外，每側富余寬度約0.2～0.3 m，可以采用同步修筑臨時排水溝或者側溝作為順坡排水通道，且不影響洞內車輛的正常運輸。可采取的施工廢水清污分流方法以同步修筑臨時排水溝為例說明如下：

1)當隧道為貧富水隧道、弱富水隧道、中等富水隧道或預測涌水量較小時，可在隧道洞內的一側設臨時清水排水溝(接納兩側環(huán)向與縱向盲管的清水)，另一側設廢水溝(接納掌子面和初襯施工廢水，溝寬0.2～0.3 m)，形成簡單有效的排水通道，如圖2(a)所示。其中一側的環(huán)向與縱向盲管按一定間距(如10 m)暗敷至對側清水溝；隨著掌子面的推進，同步修筑臨時清水溝并在溝起端設新的臨時攔水壩并及時拆除舊攔水壩。

2)當隧道為強富水隧道時，或隧道最大涌水量偏大時，可增大排水溝的寬度至0.35～0.50 m，并結合隧道坡度及預測涌水量核算其寬度是否滿足隧道排水能力需求。

3)當順坡隧道正洞內寬度受洞內場地等條件限制時，尤其是單線隧道無條件修筑雙排水溝時，也可以在單側布置清水溝和廢水管，如圖2(b)所示,在掌子面設集水池，并在清水溝同側增加廢水排水管(鑄鐵、PVC等管材)，將掌子面的施工廢水收集、匯入廢水管，而二襯段的盲管清水排入清水溝。此時清水溝寬度還應滿足隧道排水能力的需求。

圖2 單洞單線順坡隧道清污分流方法(單位：cm)

1.2 單洞雙線順坡隧道

此類隧道設中心溝且多采用雙車道進行運輸和出渣作業(yè)。不同的隧道設計時速下，此類隧道施工中的臨時行車道路的寬度約9.0～10.0 m。依據JTG D20—2017，道路在6.0～6.5 m寬時即可實現(xiàn)雙車道的正常通行。減去兩側行人寬度0.7 m，隧道單側富余寬度約0.9～1.4 m，修筑臨時排水溝時不影響洞內車輛的正常運輸。對此，如圖3所示，采取以下措施實現(xiàn)此類順坡隧道的清污分流。

1)在二襯段起點處設混凝土臨時攔水壩(用沙袋或混凝土)，雙側的側溝只接納本側二襯段盲管排水。

2)在掌子面和初襯段將本區(qū)域內的施工涌水收集并引入中心溝，自流排出隧道并經處理后排放或回用。

圖3 單洞雙線順坡隧道清污分流平面及斷面示意

1.3 輔助坑道

隧道施工中為加快施工進度，常設置若干輔助坑道如平導、橫洞、斜井等以增加施工作業(yè)面的數量。其中平導和橫洞為順坡施工排水且只設側溝，不設中心溝。此外，平導設計多采用單通道運輸，橫洞設計采用單通道或雙通道運輸。

在平導及橫洞的施工前期(未施工至正洞)時，僅需排除坑道自身掘進中的地下涌水，可采用雙側設清水溝和廢水溝方案；當施工運輸通道受限時，可采用單側設清水溝和廢水管方案。當坑道施工至正洞后除需排出自身二襯段的滲水外，還需排除所承擔的正洞工區(qū)內的涌水，且正洞內同時存在反坡施工段和順坡施工段，其施工組織設計與水文地質條件更為復雜，仍須進一步研究。

2 工程應用實例

鄭萬線巫山隧道位于重慶市巫山縣，全長16.57 km，設3處橫洞、1處斜井和2處平導。3號橫洞工區(qū)含橫洞(2 276 m)、2號平導(3 504 m)、正洞(4 932 m)和豎井(330 m)，其中橫洞洞身采用32‰順坡施工。橫洞按雙車道無軌運輸設計，凈空尺寸為寬7.5 m×高6.2 m。洞身的主要巖性為泥巖、泥灰?guī)r和灰?guī)r。正洞工區(qū)、2號平導及3號橫洞的涌水均通過3號橫洞排出。依據水文地質資料，橫洞最大涌水量約為 10 000 m3/d，正洞約 21 250 m3/d，平導約 1 150 m3/d。合計最大排水量約 32 750 m3/d。

巫山隧道3號橫洞于2017年4月8日進洞，采用鉆爆法施工。9月中旬前，隧道涌水量約 1 000～3 000 m3/d。施工前未進行清污分流專項設計，僅在橫洞單側修筑1條臨時排水溝，其寬度為0.4 m，深度約0.3～0.4 m，其余均為硬化路面。橫洞出口為長江一級支流大寧河，為敏感水體。依據環(huán)評專業(yè)要求，于洞外設隧道施工廢水處理設施1套，處理能力為 60 m3/h。

2017年9月中旬后，橫洞洞身300 m處(H3D1K1+976)穿越灰?guī)r地段時涌水量逐漸增至 8 000～ 10 000 m3/d。2017年12月3日出現(xiàn)最大涌水量 11 912 m3/d，此時出水流速達3.5 m/s，攜砂多，懸浮物(SS)高達 3 479～3 750 mg/L，水質差并超出了洞外廢水處理設施的處理能力，加之清淤不及時，污水處理站內構筑物淤積嚴重不得不停止運營。

橫洞內涌水嚴重影響隧道的正常施工，涌水量已經遠超出廢水處理站的設計能力，并對鄰近村民的正常生活產生了不利影響。在處理措施經費有限和洞內場地無法修筑雙側臨時水溝的不利條件下，課題組攻關團隊與施工單位協(xié)商后，采用了單側清水溝和廢水管的方案。具體措施如下：

1)在掌子面設矩形混凝土集水池，尺寸2.0 m×1.5 m×1.5 m。設1根DN400鑄鐵排水管將掌子面污水從集水池引至洞外的沉砂池預沉后進入廢水處理站；排水溝敷設于涵洞既有排水溝上方，并與管支架固定于橫洞內壁。

2)二襯段一側的環(huán)向與縱向盲管的排水方式不變，流入既有單側排水溝;另一側盲管散排,使水自流排出洞外，經沉砂池后流入洞外污水處理設施。

3)新建洞外清水排水渠道，將清水溝的排水引至鄰近溪溝。

上述措施實施后，廢水管出水流量約 240～300 m3/h，SS為 3 820～4 016 mg/L；排水溝的清水流量約 200～230 m3/h，SS為30～50 mg/L，可能是因為洞內道路泥漿水散排混入清水溝，導致清水內有一定的懸浮物，但SS仍可滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標準》中的一級排放標準(SS≤70 mg/L)。

該實例說明在順坡隧道(含平導及橫洞)中進行施工廢水清污分流(見圖4)是可行的，且簡單易行，具有很好的實用價值和推廣意義。目前，橫洞已成功穿越灰?guī)r區(qū)段，隧道涌水量有所回落，日排水量約 4 000～5 000 m3/d，而清污分流設施仍正常運營。

圖4 3號橫洞施工廢水清污分流出水比較

3 結語

因本文實例是隧道施工后再介入，加之時間緊迫，實施中還存在諸多不足之處，但施工廢水清污分流的成功實踐表明，隧道內清污分流是可以實現(xiàn)的。此外，應結合隧道施工組織，完善順坡隧道及輔助坑道乃至反坡隧道的清污分流方法設計，推進清污分流的現(xiàn)場工作，完善細節(jié)，盡早實現(xiàn)隧道施工中清污分流方法的全面推廣與應用，降低廢水處理的規(guī)模和投資。