成蘭鐵路長大分修隧道防排水系統(tǒng)及水量平衡技術(shù)

王芳 張磊 邸成 勞志偉 李裕

1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都610031；2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都610031

我國鐵路隧道的建設(shè)水平不斷提高，但隧道水害一直是困擾廣大隧道建設(shè)者、管理者的難題。關(guān)于鐵路隧道防排水設(shè)計(jì)和施工已有大量現(xiàn)場實(shí)踐和研究成果。梅志榮等［1］以鐵路長大隧道工程建設(shè)為背景，提出了地下水防治的科學(xué)理念及監(jiān)測方法。張小華等［2］指出了防排水設(shè)計(jì)與施工中存在的問題和難點(diǎn)，在防水類型選擇、地下水處理、襯砌內(nèi)外側(cè)結(jié)構(gòu)防水等方面提出優(yōu)化措施和建議。劉春和［3］指出解決隧道滲漏水的關(guān)鍵是加強(qiáng)防排水工程的質(zhì)量控制。李治國［4］對復(fù)合式襯砌隧道防排水的現(xiàn)狀和存在的主要問題進(jìn)行分析，研究了隧道排水量和水壓力控制值分級、上下分離的防排水體系等。張廣乾等［5］介紹了排水板、土工布和防水板組成的復(fù)合式新型防排水結(jié)構(gòu)在隧道防排水應(yīng)用中的優(yōu)越性。鞏江峰等［6］結(jié)合新型鐵路隧道排水板，提出采用“排水板+中埋式止水帶”的措施。翟可［7］針對富水鐵路隧道內(nèi)道床翻漿冒泥病害，提出鐵路隧道基底承壓地下水處理應(yīng)遵循“降水壓、排滲水”的設(shè)計(jì)原則。李蒼松等［8］建議加強(qiáng)隧道施工對圍巖滲流場的影響和隧道結(jié)構(gòu)水荷載設(shè)計(jì)方法兩方面的研究。張文達(dá)等［9］分析了季節(jié)性凍土區(qū)鐵路隧道滲漏水的原因，提出并介紹了一種滲漏水綜合防治措施。5 000座運(yùn)營鐵路隧道統(tǒng)計(jì)分析表明，約占總數(shù)1/3的隧道存在襯砌開裂、滲漏水等病害［10］。究其原因，除隧道防排水工程施工質(zhì)量存在問題，所選用的防排水材料品質(zhì)不佳外，隧道設(shè)計(jì)對地下水的處理缺乏系統(tǒng)性、周密性的措施是重要原因。

截至2019年底，全國投入運(yùn)營的特長隧道有170座，以合修單洞隧道為主，分修雙洞隧道占少部分。合修單洞隧道的“防、排、截、堵”等防排水措施均相對完善，而長大分修雙洞隧道工程實(shí)例少，也幾乎未見對于分修隧道防排水的系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性及水量平衡方面的研究。因此，本文對地質(zhì)條件、水文環(huán)境、生態(tài)環(huán)境均十分復(fù)雜的成蘭鐵路平安特長分修隧道的防排水系統(tǒng)及水量平衡進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 線路概況

成蘭鐵路起于成都，經(jīng)九寨溝向北延伸連接蘭渝鐵路的哈達(dá)鋪站，設(shè)計(jì)速度200 km/h。線路正線長457.6 km，有隧道32座，共計(jì)332.44 km，隧線比高達(dá)73%，其中平安隧道長28.4 km，是我國西南山區(qū)已貫通的最長鐵路隧道。區(qū)域內(nèi)地震及地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，線路穿越的龍門山構(gòu)造帶發(fā)生過“5·12”汶川大地震，工程地質(zhì)具有“四極、三高、五復(fù)雜”的顯著特點(diǎn)［11］。

平安隧道位于四川省阿壩藏族羌族自治州茂縣境內(nèi)，隧道左線長28.426 km，右線長28.401 km。線路縱坡為人字坡，隧道為雙洞分修隧道，線間距為30～40 m，最大埋深1 720 m。隧道海拔較高，冬季氣溫低，極端最低氣溫可達(dá)-20℃。隧道橫穿龍?zhí)翜稀⑹箨P(guān)等多條山間溪流，伴行岷江活動斷裂，距岷江活動斷裂約3～4 km，進(jìn)口D8K151+760—D8K171+500段穿越寶頂溝省級自然保護(hù)區(qū)，總體為傍山隧道。

1.2 地質(zhì)概況

平安隧道洞身主要穿越泥盆系危關(guān)群上組炭質(zhì)千枚巖、砂質(zhì)千枚巖、石英巖；泥盆系危關(guān)群下組炭質(zhì)千枚巖、絹云石英千枚巖夾石英巖、灰?guī)r；石炭系、二疊系灰?guī)r夾炭質(zhì)千枚巖、炭質(zhì)頁巖，三疊系下統(tǒng)菠茨溝組石英砂巖、炭質(zhì)千枚巖夾灰?guī)r以及三疊系中統(tǒng)雜谷腦組千枚巖、砂巖、灰?guī)r（圖1）。隧道通過桃花寨向斜、石大關(guān)斷層、水溝子弧形同斜倒轉(zhuǎn)背斜、平安1#倒轉(zhuǎn)向斜、小關(guān)子逆沖斷層、平安1#斷層、平橋溝推斷逆沖斷層、洗澡塘弧形同斜倒轉(zhuǎn)向斜、觀音崖倒轉(zhuǎn)背斜等。

圖1 平安隧道穿越的主要地層巖性

隧止區(qū)內(nèi)地表水主要為山間溪溝水及岷江水，均屬岷江水系。該隧道為傍山隧道，山高谷深，地形陡峭，隧道洞身分布7條溝谷，向左側(cè)的岷江排泄，大部分大氣降水會很快通過地表徑流匯入岷江。

地下水以孔隙水和裂隙水為主?？紫端饕獮榈谒南蹈采w層孔隙型潛水，主要分布于隧道的進(jìn)出口及洞身溝槽的砂卵石內(nèi)，整體水量較大，但對隧道涌水量影響較小。裂隙水分基巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水，可溶巖段落為巖溶水?；鶐r裂隙水包括碎屑巖裂隙水和變質(zhì)巖裂隙水。碎屑巖裂隙水主要賦存于砂巖裂隙中，屬于中等～弱富水巖組；變質(zhì)巖裂隙水主要賦存于板巖、千枚巖等變質(zhì)巖中。構(gòu)造裂隙水主要賦存于區(qū)域構(gòu)造帶內(nèi)，局部富集區(qū)水量較大。特別是區(qū)域性斷裂、向斜核部和背斜核部，巖體破碎，結(jié)構(gòu)疏松，巖體裂隙之間存在的空隙成為地下水活動的通道，構(gòu)造水對隧道涌水量貢獻(xiàn)較大。涌水量預(yù)測見表1。

表1 涌水量預(yù)測

巖溶水主要分布于洞身D8K156+075—DK156+490、D8K167+405—D8K167+770石炭系和二疊系灰?guī)r段，巖溶弱～中等發(fā)育，區(qū)域內(nèi)未見溶洞、地下暗河、溶蝕洼地出現(xiàn)。

平安隧道巖性以隔水巖層為主，局部地段穿越灰?guī)r地帶，巖溶水弱發(fā)育，隧道整體水量不大；隧道構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造水為地下水的主要來源，向斜核部、斷層破碎帶富水，突水突泥的風(fēng)險(xiǎn)大；隧道位于寒區(qū)，防排水應(yīng)考慮防寒抗凍要求；隧道所處地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，且為傍山隧道，左右線涌水量存在不均衡性。

1.3 平安隧道設(shè)計(jì)概況

平安隧道為重要的控制性隧道之一，為滿足施工工期要求，解決施工場地及運(yùn)營排水問題，結(jié)合地形、地質(zhì)條件，采取長隧短打形式。施工圖設(shè)計(jì)采用“4橫洞+4斜井”的輔助坑道方案，見圖2。

圖2 平安隧道輔助坑道示意（單位：m）

2 防排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在考慮分修隧道之間的防排水關(guān)聯(lián)性基礎(chǔ)上，系統(tǒng)、平衡地設(shè)計(jì)防排水系統(tǒng)，遵循“防、排、截、堵相結(jié)合，因地制宜，綜合治理”基本原則，重點(diǎn)對防寒抗凍段、環(huán)境敏感帶及構(gòu)造地下水發(fā)育段進(jìn)行注漿堵水。

2.1 防水系統(tǒng)

隧道工程應(yīng)設(shè)置由地表處理、圍巖防滲、襯砌結(jié)構(gòu)防水等部分組合構(gòu)成的隧道防水系統(tǒng)，見圖3。

圖3 隧道防水系統(tǒng)示意

2.1.1 圍巖防滲

為防止洞口段凍脹破壞，保護(hù)地表植被或居民生產(chǎn)生活用水，降低地下水發(fā)育段的施工風(fēng)險(xiǎn)，改善施工作業(yè)環(huán)境，對防寒抗凍段、環(huán)境敏感帶及地下水發(fā)育段進(jìn)行全斷面超前預(yù)注漿堵水。

1）防寒抗凍注漿。對進(jìn)出口各500 m裂隙段進(jìn)行注漿堵水。注漿控制標(biāo)準(zhǔn)為初期支護(hù)表面無滴水。

2）環(huán)境敏感帶注漿。D8K151+760—D8K171+500段穿越寶頂溝省級自然保護(hù)區(qū)，為降低隧道開挖對環(huán)境的不利影響，施工中應(yīng)控制地下水涌出量，對地下水發(fā)育段進(jìn)行注漿堵水。注漿控制標(biāo)準(zhǔn)為任一隧道每米地下水流出量不大于1.5 m3/d。

3）構(gòu)造地下水發(fā)育段注漿。對存在涌突水風(fēng)險(xiǎn)地段及地下水發(fā)育段進(jìn)行注漿，注漿控制標(biāo)準(zhǔn)為任一隧道每米地下水流出量不大于3 m3/d。存在涌突水風(fēng)險(xiǎn)的地下水發(fā)育地段主要有桃花寨向斜、石大關(guān)斷層、大店子倒轉(zhuǎn)向斜、小關(guān)子斷層、太平1號斷層、太平1號向斜等構(gòu)造密集帶、平橋溝背斜、洗澡堂向斜、觀音崖倒轉(zhuǎn)背斜等地質(zhì)構(gòu)造密集帶。

2.1.2 襯砌結(jié)構(gòu)防水

隧道防水應(yīng)重視初期支護(hù)防水，并以襯砌結(jié)構(gòu)自防水為主體，以防水層防水以及施工縫、變形縫防水為重點(diǎn)［12］。隧道襯砌防水應(yīng)滿足GB 50108—2008《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》［13］一級標(biāo)準(zhǔn)：隧道二次襯砌混凝土抗?jié)B等級不低于P10；初期支護(hù)與二次襯砌之間拱部及邊墻部位鋪設(shè)防水板加無紡布防水；施工縫及變形縫按規(guī)范設(shè)置可靠的防水措施；二次襯砌灌注混凝土前于拱頂縱向預(yù)留注漿管和排氣管，二次襯砌施作達(dá)到強(qiáng)度后及時(shí)進(jìn)行襯砌背后注漿。

2.2 排水系統(tǒng)

隧道采用自流排水方式，設(shè)置人字坡，考慮隧道排水單元劃分設(shè)置輔助坑道排水等。隧道的排水系統(tǒng)由地表截水溝、排水溝、洞內(nèi)側(cè)溝（中心溝）、襯砌背后環(huán)向盲管（溝）、縱向盲管（溝）、橫向排水管和泄水孔組成，必要時(shí)可在隧底設(shè)置排水管（溝）。

2.2.1 排水單元劃分及設(shè)計(jì)重點(diǎn)

根據(jù)平安隧道“4橫洞+4斜井”的施工組織方案，全隧可設(shè)置5個(gè)出水口，分別是進(jìn)口、1#橫洞、2#橫洞、4#橫洞及出口，根據(jù)這5個(gè)出水口，全隧共分為5個(gè)排水單元，分別是進(jìn)口—1#橫洞段、1#橫洞—2#橫洞段、2#橫洞—人字坡頂點(diǎn)段、人字坡頂點(diǎn)—4#橫洞段、4#橫洞—出口段。排水單元分布見表2。

表2 平安隧道排水單元信息

由表2可知，排水三單元是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)單元。三單元左線范圍為D8K157+150—D9K176+650，對應(yīng)右線范圍為YD8K157+146.460—YD9K179+658.24（圖4）。右線隧道雙側(cè)溝分別設(shè)置排水溝將地下水引入橫通道內(nèi)的集水井，集水井連接橫通道內(nèi)中心溝，至左線隧道時(shí)采用φ600的涵管下穿左線底部接入2#橫洞的集水井內(nèi)；左線隧道雙側(cè)溝分別設(shè)置排水溝直接將地下水引入2#橫洞的集水井內(nèi)；左右線隧道地下水匯集至2#橫洞集水井后經(jīng)橫通道內(nèi)中心溝引至洞口排放（圖5）。

圖4 平安隧道重點(diǎn)排水單元三單元平面示意

圖5 平安隧道重點(diǎn)排水單元三單元橫斷面示意（單位：m）

2.2.2 襯砌內(nèi)排水系統(tǒng)構(gòu)成

隧道單線段及單雙線過渡段襯砌不設(shè)中心溝，由雙側(cè)溝匯集地下水并排出洞外，采用蓋板溝形式。進(jìn)出口車站段采用雙側(cè)溝加中心溝的排水方式。全隧二次襯砌背后設(shè)φ50環(huán)向盲溝，每10 m一環(huán)，地下水發(fā)育段或圍巖集中出水處增設(shè)環(huán)向盲管；兩側(cè)邊墻腳設(shè)φ100縱向透水盲溝，并每隔10 m一道將地下水引入洞內(nèi)側(cè)溝。

2.2.3 排水保溫措施

隧道進(jìn)出口各設(shè)置1 000 m保溫側(cè)溝（圖6），左右線進(jìn)出口車站段設(shè)置保溫中心溝。5個(gè)出水口洞口處各設(shè)置一橫向深埋保溫暗管將洞內(nèi)水引入洞外保溫出水口排放。

圖6 隧道保溫側(cè)溝

3 水量平衡技術(shù)

由于左右線隧道以及左右側(cè)溝的水量分布具有不均衡性，尤其是2#橫洞—人字坡頂點(diǎn)段（D8K157+150—D9K176+650），該段長達(dá)19 500 m，4座斜井均位于左線隧道左側(cè)，左右4條側(cè)溝合計(jì)排水能力為7.96萬m3/d（該段最大預(yù)測水量為7.28萬m3/d）。實(shí)際水量若不均勻，則會出現(xiàn)局部段落水量較大、側(cè)溝排水能力不足的情況，影響鐵路運(yùn)營安全，須采取相應(yīng)的水量調(diào)配平衡設(shè)計(jì)。

3.1 左右側(cè)溝水量平衡

同一隧道斷面內(nèi)左右側(cè)溝可能存在地下水不均衡的情況，于左右側(cè)溝之間仰拱填充內(nèi)埋置φ100PVC管進(jìn)行水量平衡（圖7）。具體的方向和根數(shù)應(yīng)根據(jù)地下水來源方向和水量大小確定。

圖7 左右側(cè)溝水量平衡示意

3.2 左右線水量平衡

由于該左右分修隧道左右線的標(biāo)高不一致，D8K151+760—D9K176+085段左線高于右線，D9K176+085—D9K180+186段右線高于左線，根據(jù)地下水來源方向并結(jié)合橫通道設(shè)置情況，考慮三種情況下的預(yù)案。

預(yù)案1：若地下水主要分布在高端，且水流來源方向（上游）和既有橫通道呈大角度相交，則于橫通道內(nèi)設(shè)置φ300預(yù)制管，將高端側(cè)溝水引至低端側(cè)溝，見圖8。

圖8 利用橫通道（與上游呈大角度相交）向低端側(cè)溝排放

預(yù)案2：若地下水主要分布在高端，但水量來源方向（上游）和既有橫通道呈小角度相交，則于高端側(cè)溝預(yù)埋數(shù)根（根據(jù)實(shí)際水量大小確定）φ100PVC管至橫通道內(nèi)的集水池，由橫通道內(nèi)中心溝將多余水引至低端側(cè)溝，見圖9。

圖9 利用橫通道（與上游呈小角度相交）向低端側(cè)溝排放

預(yù)案3：若地下水主要分布在低端，無法利用既有橫通道由低端向高端平衡水量，則須根據(jù)需要新建排水橫通道。橫通道的方向和角度根據(jù)左右線隧道的實(shí)際高程和坡度確定，確保兩端側(cè)溝標(biāo)高一致。橫通道內(nèi)設(shè)置φ300預(yù)制管平衡左右線水量，見圖10。

圖10 新增橫通道向高端側(cè)溝排放

利用預(yù)案3新增橫通道進(jìn)行水量平衡的平面布置見圖11。

圖11 預(yù)案3新增橫通道示意

4 結(jié)論

1）由地表處理、圍巖防滲、襯砌結(jié)構(gòu)防水等組合構(gòu)成隧道防水系統(tǒng)。該系統(tǒng)注重初期支護(hù)防水，并以襯砌結(jié)構(gòu)自防水為主體，以防水層防水以及施工縫、變形縫防水為重點(diǎn)。

2）隧道設(shè)置人字坡，采用自流排水方式，考慮隧道排水單元劃分設(shè)置輔助坑道排水。隧道的排水系統(tǒng)由地表截水溝、排水溝、洞內(nèi)側(cè)溝（中心溝）、襯砌背后環(huán)向盲管（溝）、縱向盲管（溝）、橫向排水管和泄水孔組成，局部地段設(shè)隧底排水管（溝）。

3）根據(jù)地下水來源方向、左右線高程和橫通道設(shè)置情況，采取左右側(cè)溝間預(yù)埋PVC管、既有橫通道內(nèi)預(yù)埋預(yù)制管、新建排水橫通道等排水措施，平衡左右側(cè)溝和左右線不均勻水量。