王 磊,舒東利

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

1 概述

隧道排水是隧道總體設(shè)計必不可少的組成部分，其設(shè)計是否合理，將對隧道安全及正常運營產(chǎn)生重大影響。隨著我國大量高標(biāo)準(zhǔn)鐵路隧道的建設(shè)，防排水問題是施工階段的重要問題，更是造成運營階段各種病害的重要原因，必須加強(qiáng)對鐵路隧道防排水問題的認(rèn)識，做好防排水系統(tǒng)設(shè)計施工工作，確保防水可靠，排水通暢。

以鐵路隧道設(shè)計為例，總結(jié)幾種排水方法和特點，并對隧道排水工程設(shè)計中幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行了探討，提出相關(guān)建議供參考。

隧道是一種埋置于地表以下的線狀建筑物，其服役期需長期承受地下水環(huán)境的作用及影響。工程實踐表明，在部分地下水發(fā)育的地段修建隧道時，圍繞隧道防排水經(jīng)常出現(xiàn)以下問題：由于隧道開挖破壞了地下水循環(huán)的平衡，使隧道成為附近地下水聚集的通道，當(dāng)隧道防排水設(shè)施不完善時就會引起滲漏水問題，影響結(jié)構(gòu)及運營安全；由于隧道內(nèi)地下水的排放，造成區(qū)域性地下水的大量流失，使得隧道附近的水資源枯竭，并引發(fā)地表塌陷、下沉等環(huán)境危害，影響居民生活和社會穩(wěn)定，因此設(shè)置切實可靠的防排水系統(tǒng)是滿足這種環(huán)境條件下隧道結(jié)構(gòu)耐久性及使用功能的基本要求。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對隧道排水設(shè)計進(jìn)行了研究并取得一定成果。王春梅[1]研究分析了平導(dǎo)設(shè)置對富水山嶺隧道排水效應(yīng)影響；王聯(lián)平[2]以貴昆線六盤水至沾益段增建二線工程烏蒙山二號隧道出口段四線車站隧道為例，系統(tǒng)研究了淺埋與深埋段大跨度隧道防排水關(guān)鍵技術(shù)要點；王建斌[3]對滬昆客專尖山隧道防排水系統(tǒng)設(shè)計與施工進(jìn)行了研究；劉金剛、亢超剛[4-5]對基于生態(tài)環(huán)境保護(hù)的隧道排水防排水設(shè)計理念和工程措施進(jìn)行了研究；馬青[6]對巖溶富水區(qū)深埋水溝排水隧道注漿圈參數(shù)進(jìn)行了研究；劉學(xué)霸[7]探討了嚴(yán)寒地區(qū)隧道洞口滲井排水技術(shù)；張忠品等[8]探討了城市中小型下穿公路隧道排水設(shè)計，劉新榮等[9]思考分析了山地城市地下空間排水與防洪功能。湯曉光[10]結(jié)合東北已運營高鐵隧道偶發(fā)凍害和滲漏水等問題，對新建隧道防凍害及排水技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)化；朱國偉、夏勇等[11-12]對嚴(yán)寒地區(qū)隧道防排水設(shè)計及工程措施進(jìn)行了研究探討；戴立峰等[13]基于降雨資料及SWMM模型分析了下穿隧道排水設(shè)計；李媛[14]以深圳市蓮塘隧道為例，系統(tǒng)總結(jié)了隧道排水設(shè)計的方法和特點，并就隧道排水工程設(shè)計的有關(guān)問題進(jìn)行探討；劉建等[15]對渝懷鐵路歌樂山隧道排水的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)進(jìn)行了評價；袁博[16]對青島膠州灣海底隧道可維護(hù)性排水系統(tǒng)進(jìn)行了研究；張頂立[17]研究了海底隧道主動控制式防排水系統(tǒng)及其設(shè)計方法；崔佳[18]研究了地鐵特長海底隧道排水泵站設(shè)計；陳釩等[19]對石膏地層防排水措施進(jìn)行了研究分析；陳德璽[20]探討了高水壓、強(qiáng)富水隧道防排水技術(shù)。

山嶺鐵路隧道工程，防排水設(shè)計顯得特別重要，如果設(shè)計處理得不好，經(jīng)常會出現(xiàn)隧道突水突泥、塌方等病害，施工風(fēng)險極高。即使施工中未出現(xiàn)任何問題，在運營階段也有可能出現(xiàn)襯砌開裂，仰拱隆起、仰拱翻漿冒泥等病害，地下水發(fā)育地段應(yīng)對地下水進(jìn)行有序的引排，減少作用于襯砌的水壓。排水措施如果處理不好，造成涌水突泥，隧道塌方等危害，處理費用少則幾十萬元，多則上百萬元。運營期間出現(xiàn)襯砌開裂，仰拱翻漿冒泥等病害，影響鐵路正常運營，維修養(yǎng)護(hù)成本增加，病害處理困難，因此有必要針對不同地下水條件設(shè)置不同的有效的排水措施。

不同地下水環(huán)境需要考慮不同的排水系統(tǒng)設(shè)計方法去適應(yīng)環(huán)境，針對該排水系統(tǒng)設(shè)計特點，提出5種地下水排水系統(tǒng)設(shè)計方法，并對每種排水方法的適用性、經(jīng)濟(jì)性、優(yōu)缺點進(jìn)行分析，見表1。

表1 5種排水方法對比

2 盲管+溝槽排水方法

山嶺隧道洞身排水系統(tǒng)一般由盲溝排水系統(tǒng)和溝槽排水系統(tǒng)組成，當(dāng)隧道排水系統(tǒng)無法滿足要求時，需特殊設(shè)計，采取集水廊道、泄水洞等排水措施，綜合運用，保證隧道安全。

鐵路隧道洞身排水系統(tǒng)主要包括環(huán)、縱向盲管等襯砌背后排水系統(tǒng)以及側(cè)溝、中心水溝等洞內(nèi)溝槽排水系統(tǒng)，見圖1、圖2。

圖1 雙線隧道一般地段排水系統(tǒng)

圖2 單線隧道一般地段排水系統(tǒng)

雙線隧道一般地段排水系統(tǒng)由環(huán)、縱向盲管等襯砌背后排水系統(tǒng)以及側(cè)溝、中心水溝等洞內(nèi)溝槽排水系統(tǒng)組成。襯砌背后排水系統(tǒng)的目的主要是在圍巖與初期支護(hù)之間、初期支護(hù)與防水層之間建立過水通道，并引入隧道側(cè)溝或中心溝，排至洞外。

(1)盲管排水系統(tǒng)

環(huán)向盲管的主要作用是將地下水或滲漏水通過盲管出口或邊墻泄水孔引入側(cè)溝或中心溝；環(huán)向盲管通常采用直徑不小于50 mm的帶反濾層的波紋管，一般按縱向間距8～12 m布置。如遇地下水較豐富的地段，可適當(dāng)加密環(huán)向排水盲管，縮小環(huán)向盲管縱向間距。

縱向排水盲管的主要作用是將由于重力作用沿防水層等向下積聚的地下水，以及匯入環(huán)向盲管內(nèi)的地下水，經(jīng)匯集后引入側(cè)溝或中心溝；縱向盲管通常采用φ≮80 mm且?guī)Х礊V層的雙壁打孔波紋管，設(shè)置部位一般高于側(cè)溝底面。

橫向排水盲管的主要作用是連接側(cè)溝與中心水溝或環(huán)、縱向排水盲管與中心水溝，兼具引排隧道底部積水的作用；橫向排水盲管通常采用φ≮100 mm的高強(qiáng)度硬質(zhì)塑料管，一般設(shè)置于隧道底板下方。

(2)溝槽排水系統(tǒng)

側(cè)溝的主要作用是匯集圍巖深入水、結(jié)構(gòu)滲漏水，并將地下水引排至洞外或中心排水溝，兼具沉淀及部分排水功能；雙線隧道側(cè)溝有效排水截面一般≮25 cm×40 cm(寬×深)，雙線隧道側(cè)溝有效排水截面一般≮30 cm×40 cm(寬×深)，側(cè)溝一般設(shè)置于隧道兩側(cè)，貫穿于全隧道。

中心水溝的主要作用是排放由上游管路內(nèi)積聚的地下水，兼具匯集道床積水的功能。中心水溝一般設(shè)置于仰拱填充層內(nèi)或底板內(nèi)。

3 側(cè)溝連接排水方法

當(dāng)?shù)叵滤畣蝹?cè)集中出水較大，而總的涌水量又沒有超過雙側(cè)溝的排水能力時，往往會形成一側(cè)水溝水溢至道床，而另一側(cè)水溝無水、少水的情況，直接擴(kuò)大截水溝斷面、或提高隧道縱坡會造成不必要的工程投資浪費。此時可考慮連接兩側(cè)側(cè)溝，均衡兩側(cè)水溝排水量的方法，來達(dá)到較好的排水效果。

3.1 設(shè)計理念

當(dāng)隧道一側(cè)集中出水量較大時，單側(cè)側(cè)溝過水能力不能滿足排水要求，而另一側(cè)側(cè)溝水量較小，這時可在出水處附近仰拱填充層以下埋設(shè)φ≮100 mm的連接鋼管，鋼管縱向間隔布置。鋼管與隧道軸線夾角45°左右，方便水流從一側(cè)引入另一側(cè)，以平衡兩側(cè)側(cè)溝排水量，充分利用側(cè)溝排水能力，達(dá)到較好的排水效果。見圖3、圖4。

圖3 連接側(cè)溝排水方法橫斷面

圖4 連接側(cè)溝排水方法平面

3.2 工程應(yīng)用實例

敘永至畢節(jié)鐵路設(shè)計為時速120 km的單線電氣化鐵路，下寨隧道位于川滇段，全長4 104 m，最大埋深約380 m。進(jìn)口里程D2K208+923，出口里程D2K213+027，單線隧道，設(shè)計為10.4‰、11.2‰的單面上坡。

D2K209+290～D2K209+350段洞身穿越三疊系須家河組(T3xj)泥巖、砂巖夾煤線，埋深約16 m，洞頂發(fā)育一水溝。

當(dāng)隧道施工通過該段時，隧道進(jìn)口左側(cè)集中出水較大，特別是雨季時，左側(cè)水溝已經(jīng)不能滿足排水需求，集中出水已漫過仰拱填充層，右側(cè)水溝出水較小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到水溝的排水能力。經(jīng)過現(xiàn)場四方踏勘會審，決定采用連接側(cè)溝的排水方法解決施工現(xiàn)場集中出水問題，實施后效果良好，兩側(cè)水溝能滿足排水需求。

4 集水廊道排水方法

4.1 設(shè)計理念

當(dāng)隧道單側(cè)集中涌水較大時，可結(jié)合施工現(xiàn)場地質(zhì)條件及涌水點位置設(shè)置集水廊道，集水廊道縱向長度根據(jù)涌水范圍及實際開挖情況確定。

在涌水點附近開挖一個寬1～2 m的集水槽，集水槽四周施作數(shù)量不等的φ89 mm集水鉆孔，將圍巖中的水引入集水槽。集水廊道拱部支護(hù)結(jié)構(gòu)間隔設(shè)置泄水孔，可將集水槽和圍巖中的地下水引入集水廊道，集水廊道靠近正洞端設(shè)置擋水墻，避免集水廊道中水流過大漫入正洞內(nèi)。集水廊道末端設(shè)置集水坑，匯集集水廊道中的地下水，集水坑與正洞中心水溝之間設(shè)置2根φ300 mm混凝土管，將集水坑的水引入中心水溝排至洞外。集水廊道方案設(shè)計見圖5、圖6。

圖5 集水廊道橫斷面

圖6 集水廊道平面

4.2 工程應(yīng)用實例

成都至昆明鐵路設(shè)計為時速160 km的客貨共線鐵路，埡口隧道位于峨眉—米易區(qū)間，設(shè)計為雙線隧道，跨度12.52 m，高11.29 m，進(jìn)口里程D2K540+228，出口里程D2K552+675，全長12 447 m。

埡口隧道出口工區(qū)D2K551+774處發(fā)生塌方涌水，現(xiàn)場暫停施工。D2K551+774～D2K551+714段巖性為炭質(zhì)片巖、片巖，強(qiáng)風(fēng)化狀，巖質(zhì)軟。巖體受鄰近構(gòu)造(昔格達(dá)3號逆斷層)影響，發(fā)育節(jié)理密集帶，巖芯呈角礫狀，局部夾碎塊狀，圍巖松散破碎；0～60 m鉆孔范圍內(nèi)未見明顯含水層，孔內(nèi)滲水實測流量為0.8～2.5 L/s。

《嶺外代答》①本文所引用的《嶺外代答》內(nèi)容為楊武泉先生校注的中華書局2000年版，以下不再贅述。是南宋地理學(xué)家周去非（1134-1189年）所撰的歷史地理文獻(xiàn)集成。周去非為永嘉人（今浙江溫州），宋孝宗隆興元年進(jìn)士，曾經(jīng)歷試桂林尉、欽州州學(xué)教授，且在淳熙五年任靜江府通判[1]。由于他的任職主要是為了對廣西各地方官進(jìn)行監(jiān)察管控，而他本人對區(qū)域歷史地理又頗感興趣，所以將自己當(dāng)官的過程同時也變成學(xué)術(shù)研究的過程。他借助自己在廣西搜集資料、調(diào)查研究的便利，編撰合計10卷的《嶺外代答》。雖然該書存在大段直抄《桂海虞衡志》等問題，但文獻(xiàn)價值頗高。甚至有學(xué)者認(rèn)為該書是“廣西地方古文獻(xiàn)中的壓卷之作”[2]。

現(xiàn)場采用套襯支護(hù)、仰拱跟進(jìn)、徑向注漿、二襯施工、侵限段換拱、集水廊道施工等措施處理現(xiàn)場塌方涌水，其中集水廊道施工采取措施如下。

根據(jù)水量觀察情況，確定施作截水廊道。為解決D2K551+774處涌水問題，并兼顧埡口隧道運營期間排水問題，于D2K551+815～D2K551+744段左線線路中線右側(cè)22 m處增設(shè)截水廊道，截水廊道長度根據(jù)實際開挖情況決定，初步擬定約68 m。于D2K551+815處設(shè)置匯水井，尺寸為2.6 m×1 m×2 m(長×寬×深)，通過2根φ300mm混凝土管引排至隧道中心水溝。為引排隧道背后地下水以及改善運營期間的襯砌背后地下水環(huán)境條件，在施工期間揭示洞內(nèi)明顯出水點位置設(shè)置引水通道及φ89 mm引水鉆孔，加強(qiáng)對正洞襯砌背后的地下水引排。見圖7、圖8。

圖7 集水廊道平面布置

5 過水涵洞排水方法

過水涵洞排水方法主要應(yīng)用于巖溶水的處理中，施工揭示的巖溶水主要采取“以排為主，排堵結(jié)合”的原則進(jìn)行處理，當(dāng)有環(huán)境要求時，“以堵為主，限量排放”。巖溶水的處理一般采取以疏導(dǎo)為主的原則，盡量不改變巖溶水的既有排泄通道，保持其原有的循環(huán)和儲存平衡狀態(tài)，減少地下水對結(jié)構(gòu)和隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境的破壞。

圖8 集水廊道Ⅰ-Ⅰ剖面(單位：m)

5.1 設(shè)計理念

當(dāng)隧底施工揭示較大型的空溶洞，溶洞又為過水通道時，可適時采用過水涵洞方案，保留原有過水通道，防止堵截巖溶水造成隧道結(jié)構(gòu)的一系列病害。

設(shè)置過水通道處隧道仰拱改為底板形式，緊貼底板施作矩形過水涵洞，涵洞斷面大小根據(jù)巖溶水流量確定，必須保證涵洞具有足夠的過水能力。涵洞兩端根據(jù)巖溶形態(tài)可延長施作過水通道，使巖溶水能夠順接到既有通道。涵洞一側(cè)設(shè)置檢查洞室，可隨時進(jìn)入涵洞，對涵洞進(jìn)行檢修。涵洞兩端設(shè)柵欄門，防止異物進(jìn)入堵塞涵洞。涵洞結(jié)構(gòu)見圖9。

圖9 過水涵洞橫斷面設(shè)計

5.2 工程應(yīng)用實例

西安至成都客運專線設(shè)計為時速250 km的高速鐵路，小安隧道位于省界—廣元區(qū)間，設(shè)計為雙線隧道，跨度14.32 m，高13.28 m，進(jìn)口里程D5K353+398，出口里程D5K366+828，全長13 430 m。

小安隧道D5K358+800～D5K358+860段洞身穿越地層巖性為巖，二疊系上統(tǒng)(P2)灰?guī)r、泥灰?guī)r、泥頁巖夾煤線，二疊系下統(tǒng)(P1)灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾頁巖、煤線。原設(shè)計為Ⅳ級圍巖，采用Ⅳa型復(fù)合式襯砌，三臺階法施工。

施工過程中基底及以上隧周探查揭示D5K358+800～D5K358+860段隧底、拱部以上巖溶發(fā)育，分布黏性土充填溶洞及空溶洞；隧底為巖溶過水通道，巖溶管道發(fā)育，流水量20～115 m3/d。溶洞向隧道左右兩側(cè)發(fā)育，與隧道斜交，與小里程方向夾角約30°，左低右高，斜向上發(fā)育。

(1)D5K358+848～D5K358+811隧底和拱頂空溶洞段采用Ⅴd型加強(qiáng)襯砌，二襯厚度80 cm，加強(qiáng)支護(hù)采用I22a型鋼鋼架，縱向間距0.6 m/榀。

(2)D5K358+860～D5K358+848段采用底板型的Ⅳc型復(fù)合式加強(qiáng)型襯砌，底板以下設(shè)置過水涵洞，隧道左右兩側(cè)暗挖過水通道連接隧底過水空溶洞的兩端，將隧底過水通道改移通過暗挖過水通道、過水涵洞通過，排至原有過水溶洞，并于邊墻外側(cè)設(shè)置檢查井、沉淀池，方便對過水涵洞檢修，防止堵塞。見圖10、圖11。

圖10 小安隧道溶洞處理平面布置(單位：cm)

圖11 D5K358+857斷面溶洞處理示意(單位：cm)

(3)過水涵洞按縱向間距1 m，每個斷面預(yù)留2根φ200 mm PVC管接入中心水溝，當(dāng)涵洞過水能力不足時，在水壓作用下，可通過PVC管進(jìn)入中心水溝，通過中心水溝排走，避免高水壓對隧底結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。

(4)對拱部、邊墻空溶洞進(jìn)行回填處理，防止掉塊、坍塌對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響。

(5)D5K358+811～D5K358+800段采用Ⅳb型復(fù)合式加強(qiáng)型襯砌過渡。

6 泄水洞排水方案設(shè)計

當(dāng)隧道穿越地下水發(fā)育地段，特別是巖溶強(qiáng)烈發(fā)育的可溶巖地段，地下水預(yù)測涌水量較大時，雙側(cè)溝過水能力或雙側(cè)溝+中心溝過水能力已經(jīng)不能滿足隧道排水需求，此時可根據(jù)地形條件結(jié)合輔助坑道設(shè)置情況，考慮增設(shè)泄水洞，輔助正線隧道排水。

6.1 設(shè)計理念

泄水洞一般設(shè)置于高山側(cè)，攔截高山側(cè)地下水，或設(shè)置于巖溶管道來水側(cè)，攔截巖溶管道水，見圖12。泄水洞斷面尺寸可根據(jù)涌水量確定，兼顧施工可操作性，一般采用凈空斷面尺寸為4.5 m×5.0 m(寬×高)即可滿足過水要求。排水坡度為10‰時，此斷面僅考慮直墻部分過水能力達(dá)到10.5×106m3/d。

圖12 泄水洞排水方案設(shè)計示意

泄水洞設(shè)計一般為預(yù)設(shè)計，施工過程中根據(jù)實際揭示涌水量是否超過隧道最大排水能力判定是否啟用泄水洞。泄水洞的啟動條件一般從以下4點進(jìn)行判斷。

(1)施工過程中已施工段每日涌水量大于正洞排水系統(tǒng)日排水能力時。

(2)施工過程中揭示暗河、大型巖溶管道，其過水量或推測過水量大于正洞排水系統(tǒng)能力時。

(3)巖溶水、地下水位變化較大，可能導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)破壞時。

(4)其他可能導(dǎo)致正洞排水能力、結(jié)構(gòu)安全度不滿足運營安全需要時。

6.2 工程應(yīng)用實例

敘永至畢節(jié)鐵路設(shè)計為時速120 km的單線電氣化鐵路，下壩隧道位于川滇段，隧道全長6 082 m，最大埋深293 m。隧道進(jìn)口里程DK237+597，出口里程DK243+679，隧道設(shè)計為9.5‰的單面上坡。

隧道洞身穿越可溶巖地層段，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，隧道通過巖溶水平循環(huán)帶長度為5 355 m，全隧預(yù)測涌水量約48 227 m3/d，而隧道雙側(cè)溝的過水能力為31 200 m3/d，溝槽排水系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足排水需求。

隧道設(shè)1座橫洞，橫洞全長945 m，與線路小里程夾角45°，并于DK240+270～DK241+270段線路右側(cè)規(guī)劃(預(yù)設(shè)計)長1 000 m泄水洞，見圖13。泄水洞由橫洞引入，當(dāng)正洞揭示暗河或巖溶水量超過正洞排水系統(tǒng)能力時，啟動泄水洞施工，作為運營期間排水通道。橫洞及泄水洞均采用單車道無軌運輸方式。橫洞作為運營期間防災(zāi)救援緊急出口及施工、運營期間的排水通道。

圖13 泄水洞設(shè)計方案平面布置示意(單位：m)

2017年12月19日，下壩隧道出口DK234+195處隧道底部及左邊墻揭示一空溶洞，該處埋深203 m，溶洞尺寸約3 m×3 m，溶洞內(nèi)有水，水量不大，用1臺75 kW的抽水泵可保持溶洞內(nèi)水位。下壩隧道出口工區(qū)為9.5‰的反坡，該處地層巖性為獅子山組的灰?guī)r夾白云巖及角礫狀白云巖局部夾膏巖結(jié)晶，巖溶強(qiáng)烈發(fā)育，DK242+750右側(cè)160 m處有一巖溶洼地。

2018年7月3日，正值雨季，下壩隧道出口溶洞發(fā)生涌水，最大涌水量3 000 m3/d，淹沒出口工區(qū)500 m。根據(jù)收集的水量大小，以及出口工區(qū)至橫洞工區(qū)揭示的溶洞及巖溶水情況，研究從DK234+195處往出口的泄水洞方案或連接橫洞工區(qū)的泄水洞方案。

7 結(jié)論與建議

本文依托敘畢鐵路、西成高鐵、成昆鐵路等隧道工程，通過對隧道洞身排水系統(tǒng)設(shè)計方法的總結(jié)與分析，得出以下結(jié)論。

(1)通過對不同條件下隧道洞身排水系統(tǒng)設(shè)計方法的總結(jié)分析，得出了盲管+溝槽、側(cè)溝連接、集水廊道、過水涵洞和泄水洞共5種排水設(shè)計方法，并已成功應(yīng)用于敘畢鐵路、西成高鐵、成昆鐵路等多個重點隧道工程的排水設(shè)計。

(2)地下水單側(cè)集中出水較大，且隧道溝槽過水能力滿足需求時，可通過縱向間隔布置φ≮100 mm的鋼管連接雙側(cè)溝的排水方法，解決單側(cè)集中出水漫過道床的問題，使隧道的排水設(shè)計更加合理。

(3)地下水單側(cè)集中涌水大，且隧道溝槽過水能力滿足需求時，可通過在隧道一側(cè)設(shè)置集水廊道匯集地下水，并通過2根φ300 mm混凝土管排至中心水溝的排水方法，解決隧道單側(cè)集中涌水大影響施工及運營安全問題。

(4)隧底施工揭示巖溶過水通道時，可采用在隧底設(shè)置矩形過水涵洞的方法，維持原有排水通道順暢。

(5)地下水強(qiáng)烈發(fā)育地段，且隧道溝槽排水能力不能滿足需求時，可通過在隧道一側(cè)設(shè)置泄水洞的排水方法，解決隧道運營期間的排水問題，保證襯砌結(jié)構(gòu)的安全。