單線鐵路林保山隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

田 魯 魯

(中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，云南 昆明 650200)

1 工程概況

大臨線是客貨共線的單線鐵路，設(shè)計(jì)速度為160 km/h。林保山隧道是大臨線最長(zhǎng)隧道，全長(zhǎng)共14 076 m，為單線隧道，位于安樂—南澗區(qū)間。穿越地層主要為侏羅系泥巖、粉砂巖、砂巖和三疊系砂巖、泥質(zhì)粉砂巖夾灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖及煤線等。為滿足工期、施工場(chǎng)地及防災(zāi)救援等需要，全隧道共設(shè)1座橫洞+4座斜井+1座平導(dǎo)，輔助坑道布置如圖1所示。

隧道進(jìn)口接安樂車站，出口接南澗車站，為滿足車站要求，進(jìn)口車站段417 m為平坡，出口車站段959 m為1‰下坡。

2 排水系統(tǒng)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)難點(diǎn)及處理措施

2.1 排水系統(tǒng)特點(diǎn)

目前我國列車采用滾動(dòng)軸承車輛不斷增加，在坡度采用1.5‰的既有車站上，車輛連掛時(shí)有溜逸現(xiàn)象。因此，為防止站內(nèi)車輛自動(dòng)溜逸及保證站內(nèi)作業(yè)安全，車站站坪坡度要求站坪宜設(shè)在平道上，困難條件下可設(shè)在不大于1.0‰的坡道上[1]。故位于車站內(nèi)的隧道縱坡不大于1‰，這是車站隧道排水系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。

2.2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

林保山隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要有以下幾方面：

1)小坡度。車站段隧道水溝底部同線路縱坡，即有兩種坡度情況：平坡或1‰坡度。當(dāng)水溝溝底為平坡時(shí)，不能自流排水，溝底必須設(shè)置不小于1‰的排水坡度，需對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造；當(dāng)水溝溝底為1‰坡度時(shí)，需要進(jìn)行排水能力檢算，根據(jù)檢算結(jié)果確定是否需要對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行改造。

2)水量大。隧道襯砌背后地下水通過盲管流入洞內(nèi)側(cè)溝，地下水通過側(cè)溝流向下坡方向(低端洞口)，坡段越長(zhǎng)，沿程匯集的水量越大，低端洞口處在無輔助坑道截流正洞水流時(shí)，是對(duì)隧道排水能力要求最大的地方。

3)林保山隧道輔助坑道條件困難，除洞口段外，洞身范圍均為斜井，無輔助坑道截流條件。

4)洞內(nèi)車站段較長(zhǎng)。出口車站段959 m為1‰的小坡度，排水量較大。

綜上所述，林保山隧道在小坡度、涌水量大、洞身無輔助坑道截流條件、洞內(nèi)車站段較長(zhǎng)等不利條件疊加下，導(dǎo)致排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)困難。

2.3 處理措施

針對(duì)排水能力不足的隧道排水系統(tǒng)處理措施主要有以下幾種：

1)側(cè)溝改造。當(dāng)隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面?zhèn)葴吓潘芰Σ荒軡M足設(shè)計(jì)排水量要求時(shí)，可以通過加大側(cè)溝過水?dāng)嗝婊驕系卓v坡增加排水能力，改造后的水溝泄水面坡度不應(yīng)小于1‰。側(cè)溝改造需要加大襯砌斷面，襯砌斷面加大一方面會(huì)增加投資，另一方面若水溝加深過大，可能會(huì)和洞外路基水溝形成“V”字形坡無法自流排水，且靠近線路側(cè)的溝壁過高，運(yùn)營(yíng)期間容易損壞，因此側(cè)溝改造對(duì)需改造段落長(zhǎng)度有一定限制。

2)增設(shè)中心排水溝。車站段隧道為雙線或多線隧道，可以于兩線之間增設(shè)中心排水溝，以增加排水能力。單線隧道和過渡段隧道如設(shè)置中心水溝，隧道采用有砟道床時(shí)，水溝埋在道床下面，養(yǎng)護(hù)維修很不方便；采用無砟道床時(shí)，中心排水溝會(huì)削弱無砟道床斷面，易引起道床開裂，故單線隧道和過渡段隧道一般不采用中心排水溝。

3)利用輔助坑道截流排水。利用為解決工期、施工場(chǎng)地或防災(zāi)救援等需要設(shè)置的輔助坑道對(duì)正洞進(jìn)行截流排水，可利用的輔助坑道有橫洞或平導(dǎo)，通過改造輔助坑道內(nèi)排水溝，使其與正洞交點(diǎn)里程至上游段的水量全部從輔助坑道排出。根據(jù)排水需要也可微調(diào)輔助坑道與正洞交點(diǎn)里程。

4)增設(shè)輔助坑道排水。必要時(shí)可考慮增設(shè)橫洞、平行導(dǎo)坑或泄水洞進(jìn)行截流排水。增設(shè)輔助坑道截流排水，輔助坑道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括兩方面內(nèi)容：a.輔助坑道與正洞交點(diǎn)位置；b.輔助坑道排水溝設(shè)計(jì)。

5)機(jī)械排水。對(duì)于“V”字形坡隧道、市區(qū)淺埋隧道等無自流排水條件的隧道，可采用機(jī)械強(qiáng)制排水。

按經(jīng)濟(jì)適用原則，一般先考慮通過改造側(cè)溝和增設(shè)中心水溝增加正洞排水能力；如隧道有橫洞或平導(dǎo)可以利用時(shí)，盡可能利用輔助坑道截流排水，否則，根據(jù)地形、地質(zhì)、地下水情況增設(shè)橫洞、平導(dǎo)或泄水洞截流排水。仍無法解決排水問題的隧道，可考慮機(jī)械強(qiáng)制排水。

當(dāng)正洞排水能力不足段落太長(zhǎng)時(shí)，無法僅通過一種措施解決排水問題，可采用幾種措施的組合方案。

3 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 全隧排水能力檢算

選用大氣降水入滲法、地下水徑流模數(shù)法和地下水動(dòng)力學(xué)法分析計(jì)算，確定林保山隧道運(yùn)營(yíng)期間全隧總涌水量為35 210 m3/d，隧道正洞在無輔助坑道分流條件下全隧設(shè)計(jì)排水量見圖2。

隧道標(biāo)準(zhǔn)斷面設(shè)置2條側(cè)溝，水溝尺寸為30 cm×81 cm(寬×高)，過水面積為30 cm×25 cm(寬×高)，排水能力按下式確定：

其中，Q為流量，m3/s；ω為水溝過水面積，ω=bh，m2；C為系數(shù)，取0.012；R為水力半徑，m；i為溝底縱坡。

通過以上公式計(jì)算，得到隧道各坡段排水能力，將其與全隧設(shè)計(jì)排水量繪制在一張圖中，以便分析，如圖2所示。對(duì)應(yīng)里程的排水能力小于設(shè)計(jì)排水量即排水能力不足，據(jù)圖2可知進(jìn)口DK54+233～DK54+650段及出口DK67+350～DK68+309段排水能力不足。

3.2 進(jìn)口車站段排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)口DK54+233～DK54+650段417 m為平坡，水溝必須進(jìn)行改造，溝底應(yīng)設(shè)置不小于1‰的縱坡。由于進(jìn)口橫洞距洞口僅92 m，對(duì)解決417 m平坡段排水作用不大，若向大里程移動(dòng)與正洞交點(diǎn)，橫洞長(zhǎng)度增加較長(zhǎng)，投資增加較多，因此采用“水溝改造+增設(shè)中心溝”的組合方案。

DK54+233～DK54+508增設(shè)中心水溝襯砌段軌下溝槽布置如圖3所示，設(shè)計(jì)尺寸為80 cm×102 cm(寬×高)，溝底采用水泥砂漿抹成1‰的排水坡，其最小過水?dāng)嗝鏋?0 cm×36 cm，排水能力為22 580 m3/d，滿足排水要求。

DK54+508～DK54+699段為單線隧道及過渡段隧道，結(jié)合車站布置逐段對(duì)側(cè)溝斷面加深加寬，溝底采用水泥砂漿抹成1‰的排水坡，砂漿抹面后該段側(cè)溝最小過水?dāng)嗝鏋?0 cm×34 cm，排水坡度1‰，排水能力為22 352 m3/d，滿足排水要求。進(jìn)口車站段排水系統(tǒng)溝槽平面布置及水溝縱斷面分別如圖4,圖5所示。

3.3 出口車站段排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

出口排水能力不足段落為DK67+350～DK68+309段，該段長(zhǎng)959 m ，坡度為1‰，最大設(shè)計(jì)排水量為16 110 m3/d，隧道排水能力為7 478 m3/d，排水能力差的較多，提出兩種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比選：

方案一：“水溝改造+增設(shè)中心排水溝”的組合方案。根據(jù)車站段結(jié)構(gòu)布置，DK67+350～DK67+478段128 m為單線隧道，單側(cè)溝加寬25 cm，襯砌需加寬50 cm，側(cè)溝尺寸調(diào)整為55 cm×81 cm(寬×高)，過水面積為55 cm×25 cm(寬×高)，雙側(cè)溝排水能力為17 002 m3/d；DK67+478～DK68+309段831 m為三線隧道，三線隧道段增設(shè)831 m中心排水溝，設(shè)計(jì)中心溝尺寸為60 cm×102 cm(寬×高)，其過水?dāng)嗝鏋?0 cm×66 cm(寬×高)，排水坡度1‰，排水能力為32 796 m3/d，滿足排水要求。

方案二：利用出口平導(dǎo)截流方案。為解決工期、施工場(chǎng)地等問題, DK67+300～DK68+315段出口線路左側(cè)設(shè)置一座1 015 m長(zhǎng)平導(dǎo)，可利用其作為運(yùn)營(yíng)期間排水通道使用。出口平導(dǎo)截流水量不應(yīng)小于9 370 m3/d。平導(dǎo)第一道橫通道與正洞交點(diǎn)DK67+300處正洞設(shè)計(jì)排水量為14 220 m3/d>9 370 m3/d，平導(dǎo)長(zhǎng)度不需要加長(zhǎng)，按不小于14 220 m3/d排水能力設(shè)計(jì)平導(dǎo)水溝。由于平導(dǎo)縱坡與線路縱坡一致，平導(dǎo)最小坡度為1‰，平導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)斷面排水溝尺寸為35 cm×40 cm(寬×高)，過水?dāng)嗝姘?5 cm×38 cm(寬×高)計(jì)算排水能力不足。經(jīng)試算平導(dǎo)排水溝尺寸調(diào)整為0.5 m×0.45 m，過水?dāng)嗝姘?.5 m×0.43 m計(jì)算排水能力為15 006 m3/d，滿足要求。

兩個(gè)方案均可行，但方案二比方案一改造費(fèi)用少，且方案一正洞水溝運(yùn)營(yíng)期間養(yǎng)護(hù)維修沒有平導(dǎo)方便，因此選用方案二。出口平導(dǎo)與正洞排水系統(tǒng)連接如圖6所示。

4 結(jié)語

林保山隧道為特長(zhǎng)隧道，涌水量大，且兩端洞口均為接車站，洞口段位于平坡或小坡度上，正洞排水系統(tǒng)排水能力不足，通過進(jìn)口側(cè)溝改造及增設(shè)中心排水溝增大排水能力，出口利用既有平導(dǎo)截流排水，從而解決隧道排水問題。

隧道排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮一定的安全儲(chǔ)備及運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)的便利性。當(dāng)隧道存在地下水發(fā)育、有地表水體補(bǔ)給來源或穿越地下水暗河等富水情況，輔助坑道方案研究時(shí)應(yīng)予以考慮，盡量考慮橫洞或平導(dǎo)方案，必要時(shí)可增設(shè)泄水洞進(jìn)行截流排水，“V”字形坡隧道、市區(qū)淺埋隧道等特殊隧道考慮機(jī)械排水。

參考文獻(xiàn):

[1] TB 10098—2017,鐵路線路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè):隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1995：224-229.