生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展下山嶺隧道防排水設計理念和工程措施之我見

亢超剛

(北京中鐵誠業(yè)工程建設監(jiān)理有限公司,北京 100055)

1 問題的提出

近年來，隨著鐵路建設向中西部的持續(xù)延伸，工程建設已深入山嶺重丘地帶，線路經過區(qū)域的原生態(tài)區(qū)域、水源保護地、自然環(huán)境保護地越來越多，鐵路建設、運行對保持生態(tài)環(huán)境平衡和可持續(xù)發(fā)展的影響越來越突出。工程在設計、施工階段，也采取了一系列切實可行的措施，努力把對生態(tài)環(huán)境的長期影響減少到最低狀態(tài)。在這些區(qū)域，由于地形地貌的特點和線路技術標準的要求，鐵路隧道工程占線路的比例較高，隧道設計、建造水平取得了一定突破。但是，在鐵路建設“四化”水平不斷創(chuàng)新、提高的進程中，隧道防排水工程無論在設計、施工還是后期運營維護方面，均與行業(yè)總體技術水平發(fā)展不協調，隧道防排水設計的思路和工程措施要通過在實踐中總結轉變與更新。

背景案例一：云南、河北等地的部分鐵路隧道工程，在施工掘進時，隧道施工斷面日排水量達到2萬m3，山嶺基巖藏水流失嚴重，大量排水對周邊工農業(yè)生產和百姓生活造成一定影響，對周邊環(huán)境的影響程度尚需詳細調查，隧道建設導致的環(huán)境修復困難大、費用高。案例二：東北某高鐵運行后，因地處高寒地帶，隧道內的襯砌混凝土因后背空隙積水凍融后掉塊，給鐵路運行安全帶來隱患。據調查，隧道二襯后背普遍積水，設計的滲、排水管道體系逐步結冰后造成水滯現象，當氣溫回升時發(fā)生融脹現象，導致混凝土結構局部破損掉塊。同區(qū)域的另一條普速鐵路隧道，盡管中心排水管埋置符合凍土深度要求，但在遇到極端嚴寒條件時，從出水口起，管內的水仍然發(fā)生逐步凍結現象，導致管內滯水上澭，溢流后在軌道道床內結冰，引起較大行車安全隱患。案例三：湖南、貴州等地高速鐵路運行后，隧道混凝土施工質量缺陷，防水效果達不到設計要求，滲漏現象普遍，給鐵路電氣化設備的正常運行帶來安全隱患，后期多數隧道采取堵水整治，但效果不佳。據資料顯示，富水地區(qū)鐵路隧道在運行期間，混凝土結構和防排水體系的質量缺陷導致的滲漏水現象比較普遍，后期要徹底整治也被稱為是世界性難題。而且，源源不斷的常流水現象也給生態(tài)環(huán)境和結構本身帶來一定的負面影響。

在新的經濟發(fā)展時期，國家把環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)文明建設提升到國家發(fā)展戰(zhàn)略高度，鐵路隧道防排水設計堅守的這種理念已與發(fā)展要求不相適應，需要進行修正和調整。而且，鐵路隧道設計也有“重視初期支護的防水”的建議[3]，有對股流、較大滲水專項封堵的案例，山西中南部鐵路、重慶地鐵等項目中個別隧道實施中也開展了“以堵為主，限量排水”的措施研究，給出了圍巖注漿圈與滲水量、水壓變化的關系等[4-5]，有些學者針對區(qū)域水環(huán)境的研究也有一定成效，對類似工程設計提供了思路；國內針對巖層水堵水施工成功的案例[6]，以結構堵水、結構防水設計的研究集中在材料和工藝的探討上[7-9]，在提高混凝土質量方面，對工藝、方法和臺車模具的改進研究也在持續(xù)完善[10-12]，但作為百年工程的隧道在融入環(huán)境后，針對隧道施工及運行期間對自然水環(huán)境和環(huán)境影響的研究相對較少[13]，因此，對隧道防排水設計、施工的理念有必要進行更為系統的探討，以從根本上防范上述案例提到的類似問題，并對現存工程隱患進行有效整治，保護祖國山清水秀的美好家園。

2 現有隧道防排水設計施工的狀態(tài)分析

2.1 設計階段

從設計而言，多年來堅持“以人為本”是鐵路運行安全的基本原則，鐵路隧道防排水設計的基本要求是“以防為主，堵排結合，綜合治理”。(1)就這個原則來說，“防”是首位，是站在了人和運行的角度，是從工程出發(fā)的，以工程結構設計為主體；但對人在改造自然時“應考慮自然的原生態(tài)，減少人為破壞自然環(huán)境”的發(fā)展戰(zhàn)略理念認識不足，對原生態(tài)的自然環(huán)境保護認識不足。(2)當前設計過度重視排水，排水措施占比較重，尤其是結構設計中，防水板未全面封閉，設置縱橫排水通道、設置中心水溝和邊溝等措施，是隧道設計的常規(guī)套路。(3)當前設計的防、堵、排措施，主要體現對自然水環(huán)境對列車運行環(huán)境的影響，沒有對自然水系遭到破壞后的修復措施進行研究與設計。(4)具體設計時對基本要求的執(zhí)行有偏差，存在對防、堵、排措施的綜合利用不完善，主體結構設計、結構接縫設計細節(jié)構造等措施不合理，設計對地形地貌的地質預判判斷不準確，動態(tài)設計服務沒有完全落實等缺陷。(5)設計沒有對施工可能引起的水體污染采取可行的工程措施，施工期間的各項工程作業(yè)對自然水系的污染沒有采取較好的同步預防與治理措施。(6)綜合治理的概念沒有深入體現在工程設計中，截止到目前，國內尚未對已運行隧道長年累月排出的天然水資源進行合理有效的利用，鐵路設計對規(guī)劃紅線內的地面徑流做了疏導，但對涉及的自然水系破壞沒有系統的規(guī)劃整治。

2.2 施工質量方面

從施工質量而言，施工對設計的措施在實施時打了折扣，工裝、工藝水平和實施效果均不能完全保障設計指標的實現。(1)隧道設計要求的混凝土厚度和抗?jié)B指標，應該是充分考慮了結構在水環(huán)境下的工作安全。施工中，盡管標準試件的評定結果符合設計要求，但實體結構混凝土存在的蜂窩、麻面、漏漿、冷縫、孔洞、爛根、結構裂紋、厚度不足等質量問題，已充分表明工程實體混凝土的實際質量與設計指標還是有一定差距，混凝土施工工藝、工裝水平還有待提高。尤其是涉及人員操作因素的施工組織管理方面，是造成工程質量缺陷的主要因素。(2)施工在節(jié)段接縫采取的工藝，不能完全實現設計意圖，施工縫、沉降縫、板間接縫、預留預埋件位置等均是后期滲漏水的主要隱患部位。(3)施工期間隧道內的臨時排水措施落后，施工對地質條件的前期調查不足，對地質條件的類型判斷不清，導致施工環(huán)節(jié)的環(huán)境保護和水污染治理措施不及時、不合理，加之施工管理和監(jiān)管不到位，施工對自然水環(huán)境體系的污染比較普遍。

3 對鐵路隧道防排水設計施工的改進建議

3.1 設計理念就是頂層設計

鐵路隧道防排水設計的設計理念要在經驗和教訓中總結改進，要因地制宜，設計思路要適時調整改變。設計理念既要強調人，也要兼顧環(huán)境，理念的改變既要考慮環(huán)境對結構及運行安全的影響，也要考慮鐵路建設及多年運行對環(huán)境的影響，兩者要相互結合，統一規(guī)劃，環(huán)保水評價需要長期監(jiān)測數據的支持。在系統性綜合治理原則的指導下，以“對自然水體的堵、防”為原則進行隧道防排水設計，不僅站在盡量保持既有環(huán)境平衡的角度減少對環(huán)境的長期影響，而且更重要的是減輕了后期運行期間“結構防、堵自然水體”的壓力，更有利于以人為本實現鐵路運行安全；至于對“排”的利用，重點是隧道施工和運行期間少量的生產廢污水，而不應是對自然水體的疏導和排放。設計思路調整的前提是提高工程地質勘察數據的可靠性，防排水設計的重點是要把對成洞后原巖既有水的合理堵防納入設計范圍，并對其指標體系和防治要求進行系統規(guī)劃。

3.2 提高勘察設計能力

提高勘察設計能力，以信息化手段提高勘察數據的可靠性。(1)重點是建立長期地質監(jiān)測數據網，分析工程所在區(qū)域的地形地貌、多年來的水利水文基礎數據，現狀自然水體的運動軌跡。(2)在線路選線、定測時，多方案設計，備選方案論證要數據準確，資料充分。(3)山嶺隧道在通過人員聚居的地方，要謹慎考慮工程實施時對水源、水流通道的影響。(4)線路走向確定后，地質勘查階段要深入了解，摸清當地居民生產生活用水和遷徙狀態(tài)，對主要控制性工程應按照勘查大綱進行地質掃描或鉆孔勘探，通過巖層走向，分析判斷山嶺涵養(yǎng)水的分布情況，初步探明地下水的流向、流速和存量，為工程措施設計提供充分的基礎資料。(5)實施期間，工程地質、勘察及設計人員應采取超前地質預報、地質素描等手段，加強現場的巡查，實地判斷實際地質、水文狀態(tài)與勘察設計資料是否吻合，工程措施是否要進行修正或完善。(6)現場動態(tài)設計是施工階段保證工程建設目標的有力措施，也是及時解決現場問題的有效途徑。

3.3 設計階段系統規(guī)劃工程措施

隧道防排水工程設計要從結構建成運行后對環(huán)境影響最小的思路入手，系統的設計工程配套措施。(1)隧道開挖后，水的處理以初支階段對圍巖裂隙水的防范為主要思路考慮工程措施，把隧道開挖后對圍巖水水力梯度變化的防范外延到隧道凈空巖面外一定巖層范圍外，以巖為主止水的治理措施可以永臨結合，從根本上減少工程、施工和自然水體環(huán)境三者之間的相互影響。比如對巖層裂隙比較發(fā)育、有一定滲水量的地段，開挖后可以采取普通注漿、深層注漿等措施提升巖層抗?jié)B能力；對富水地段可以采取冷凍、帷幕注漿等措施。(2)優(yōu)化結構自防水能力。結構設計要考慮現行施工水平，綜合施工方法和工藝特點，通過適當優(yōu)化結構混凝土的密實性保證混凝土的抗?jié)B等級，當然，在某些特殊地段也可適當提升抗?jié)B等級。這樣，現有防水板后的環(huán)縱向盲管排水體系可以取消，以減少長期排放對自然水系和水力通道的影響，同時也有利于結構施工。(3)設計要同時考慮施工期間的污、廢水處理措施，施工時提前實施，臨時排水不得以影響自然環(huán)境為代價，施工污、廢水等必須經過凈化處理達標后，才能排入自然水系或環(huán)境中。(4)隧道橫斷面的建筑空間布置中，建議通過開展試驗段試點，取得一定數據后取消永久的中央水溝，隧道內排水系統主要考慮運行期間的維修、清洗、消防等生產產生的污水排放，可以不考慮結構長期滲、漏的排水措施。而且深埋中心水溝的取消，也可以大大降低結構施工的安全風險和工程難度。(5)改善結構接縫的銜接處理措施，對結構施工縫、節(jié)縫采取更有效的方式。如對施工縫、沉降縫或節(jié)段縫的處理可以取消中埋式止水帶，改為后密封封堵處理措施。(6)借鑒鐵路箱梁預制生產工廠化、隧道TMB法試點的經驗[14-15]，結構設計可以試點采用“預制+現澆”的方式，對二襯結構適度采用工廠化分塊預制裝配式，尤其是對結構現場混凝土施工質量薄弱的拱頂區(qū)域，可以采取“分塊預制安裝+后背注漿密實”的方式，保證二次結構與圍巖的密切性和結構混凝土的施工質量。(7)對處于凍漲地區(qū)的隧道以及黃土隧道，應盡量減少對圍巖水的擾動，在距隧道結構外一定區(qū)域的圍巖，應作為自然水滲流的主要屏障，減少自然水對結構的影響。建議在初支和二襯之間不設置防水板、土工布和縱橫盲管排水體系，以減少人為的水流通道和聚水點，加強初支、二襯混凝土的融合度，避免后期凍脹對結構的影響，同時初支、二襯結構適當增加鋼筋骨架或網片，提高結構對潛在凍脹的設防能力。對于含水量較小的黃土隧道，也建議在開挖后盡快以初支封閉圍巖，在初支和二襯之間不設置防水板、土工布和縱橫盲管排水體系，在二襯施工后，增加后背注漿工藝，提高結構和圍巖的密貼性。(8)對需要特殊加強防水設計的設備等區(qū)域，可以采取特殊措施，單獨加強設防，以保證設備運行安全。

3.4 施工階段的實施措施

施工階段主要是嚴格落實設計措施，最大限度地實現設計意圖。(1)通過改進、提高隧道結構混凝土的模筑工藝水平，主要是工藝組織的實施；或改變工法如預制拼裝等手段，提高混凝土自密實防水能力，保證設計主要指標的實現，如初支、二襯混凝土的密實度、結構厚度等。(2)改進、提高圍巖開挖的爆破水平，減少對臨空圍巖的擾動區(qū)域，及時施作深層注漿等圍巖裂隙封閉措施，及時封堵臨空面的水流通道。如適時根據圍巖類別調整光面爆破參數，提高爆破質量，減少圍巖擾動。(3)提高初支噴射混凝土的整體質量，包括密實度、強度、厚度和平整度等。在初支完成后，對初支表面?zhèn)€別滲水點應及時加強注漿封堵，保證在初支完成后，隧道斷面基本處于無滲點狀態(tài)。(4)軟弱圍巖要結合開挖方式和監(jiān)控量測數據，信息化控制結構凈空尺寸的外擴量，并對超挖部分按設計進行回填找平處理。(5)凍脹地區(qū)的隧道開挖時，應采取封閉保溫措施，確保從二襯到掌子面的洞內氣溫不低于結冰點，避免施工界面結冰造成凍脹隱患。淺埋隧道，要結合氣溫特點判斷施工斷面巖層水的天然分布，防止冬季天然水滯流出現誤判現象。(6)富水區(qū)域的隧道，結合巖層水的特點，通過試驗段驗證設計堵水措施的可行性，通過動態(tài)設計調整，采取切實可行的措施堵防自然水，確保初支、二襯界面施工滲漏點整治效果。(7)施工期間加強環(huán)境管理，施工中同步實施污、廢水處理設施，加強施工污、廢水的處理深度，監(jiān)測處理效果，減少施工材料、垃圾和粉塵等對施工相關區(qū)域自然水體的污染隱患。

3.5 既有常年排水隧道的整治

對常年排水的既有隧道，是積累排水對周邊一定區(qū)域內生態(tài)環(huán)境影響的最好案例。建議：(1)對已處于運營階段但常年排水的隧道全面調查，建立長期的水環(huán)境和自然環(huán)境監(jiān)測管理臺賬，了解水的排放對區(qū)域自然、社會環(huán)境的影響；(2)采取分級管理措施，對自流水量較大的，按照就地利用原則，采取配套措施，進行農田或坡地灌溉、人工疏導回灌、疏導進入庫區(qū)等方式，提升對自流水的利用；(3)對隧道污、廢水集中抽排，進行凈化處理后排放，避免污染。

4 結語

山嶺隧道防排水設計是一項復雜的系統工程，需要對區(qū)域環(huán)境進行綜合分析后，以人與自然環(huán)境同發(fā)展、共命運的思想，進行全生命周期的系統設計和規(guī)劃；要精心組織施工，嚴格執(zhí)行技術標準，最大限度地實現設計意圖。對已經常年排水的既有隧道，通過對環(huán)境的監(jiān)測數據分析，及時制定和實施環(huán)境修復方案，盡量減少對自然環(huán)境的人為破壞，實現環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。