公路富水地層超長隧道新型排水排煙設(shè)計方案

尹俊濤， 王海林， 任 會， 何 穎

(湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司， 湖南 長沙 410200)

0 引言

近年來我國公路建設(shè)行業(yè)快速發(fā)展，已經(jīng)成為了世界上公路隧道數(shù)量最多、規(guī)模最大的國家。隨著新建隧道工程不斷地投入到高速公路的建設(shè)運營中，隧道涌水和火災(zāi)事故也相對頻發(fā)，尤其是在超長隧道中[1]。高速公路隧道建設(shè)經(jīng)常穿越富水地層和下穿水庫，常規(guī)的排水系統(tǒng)無法應(yīng)對隧道的集中涌水，一旦發(fā)生涌水事故將造成非常大的社會影響。另外，超長隧道一般處于人員相對稀少的山嶺地段，發(fā)生火災(zāi)事故后救援人員和車輛設(shè)備難以快速到達，往往造成火勢蔓延擴大，不僅會引發(fā)人員傷亡和財產(chǎn)損失，也會對隧道建筑物本身造成了嚴重的損壞[2]。在高速公路建設(shè)中，5～5.5 km的隧道較為常見，根據(jù)《公路隧道通風(fēng)設(shè)計細則》(JTGTD70—2014)要求，火災(zāi)煙霧在隧道內(nèi)的最大行程不宜大于5 km，針對5～5.5km的隧道采用斜井排煙方案往往會造成工程建設(shè)的浪費。

本文針對設(shè)置平行泄水洞的超長隧道，研究采用新型排水系統(tǒng)實現(xiàn)隧道分區(qū)排水和融合排煙的工程方案，在解決超長隧道泄水排煙功能的同時降低工程造價[3]。

1 隧道概況

沅古坪隧道為雙向4車道分離式隧道，設(shè)計速度100 km/h，左洞長5176m，右洞長5 121m，隧道按長度分類屬大于5km的超長隧道?？v坡按0.8%人字坡設(shè)計，共設(shè)置19處人行橫洞、6處車行橫洞、2處平行導(dǎo)洞。

沅古坪隧道橫穿郭家界向斜，范圍內(nèi)強巖溶發(fā)育，地下水豐富，地下管道水流眾多，隧道最大涌水量為28.68萬m3/d，隧道自身排水系統(tǒng)已無法滿足排水要求(見圖1)。另外，隧道頂部298 m處分布上黃魚溪和下黃魚溪兩處小型水庫，且物探顯示存在斷層連通水庫和隧道，隧道存在倒灌涌水風(fēng)險。

圖1 隧道物探與地下水示意

2 常規(guī)建設(shè)方案分析

2.1 排水能力計算分析

考慮隧道縱坡為0.8%人字坡，假設(shè)周邊地下水沿隧道全長均勻分布，通過計算得到各排水設(shè)施的排水能力(見表1)。

考慮因地下水結(jié)晶沉淀引起的管道堵塞效應(yīng)，取2倍縱橫向排水管排水能力安全系數(shù)，10 m為1個區(qū)段，縱向排水管和橫向排水管的延米聯(lián)合排水能力為：0.1×0.5×956×5 148.5(全長)×2(雙洞)m3/d=49.22萬m3/d>隧道最大涌水量28.68萬m3/d。

表1 常規(guī)排水方案排水能力計算排水設(shè)施內(nèi)徑d/m寬度b/m高度h/m溝壁粗糙系數(shù)n水力坡度I水力半徑R/m水溝橫斷面面積A/m2設(shè)計排水能力Q/(m3·d-1)?110縱向排水管0.097——0.010.0080.024 250.007 4956?110橫向排水管(10 m/道)0.097——0.010.030.024 250.007 41 85250 cm×35 cm矩形側(cè)水溝—0.500.350.0150.0080.1460.17549 99680 cm×83 cm中心水溝—0.800.830.0150.0080.270.664142 904平行泄水洞———————1 100 000

側(cè)溝、中心排水溝及泄水洞的聯(lián)合排水能力為：0.5×(2×49996+142904)×2(雙洞)m3/d+1 100 000m3/d=124.29萬m3/d>隧道最大涌水量28.68萬m3/d。

因此，當隧道周邊地下水沿隧道全長均勻分布時，隧道收排水能力大于隧道預(yù)測最大涌水量。由以上計算可知隧道排水能力取決于縱橫向排水管排水能力，需要均勻收集28.68 萬m3/d，而排水系統(tǒng)的延米收水能力為95.60 m3/d，則至少需要長度28.68×10000÷(2×0.1×0.5×956)m=3000m才能均勻收集全部最大涌水量。

由于隧道涌水量主要存在于斷層和向斜核部區(qū)段，涌水量不可能均勻分布，故有必要提升隧道主洞的收水能力，同時應(yīng)加大管溝設(shè)計尺寸，才能確保隧道在暴雨期的運營安全。

2.2 通風(fēng)能力計算分析

根據(jù)通風(fēng)計算，沅古坪隧道需風(fēng)量如表2所示。

從需風(fēng)量計算結(jié)果來看，隧道左右洞需風(fēng)量均不大，因該隧道采用較為均衡的“人字形”縱坡，且交通量不大，大型車輛占比也不高，需風(fēng)量主要是以換氣次數(shù)要求的換氣需風(fēng)量控制。在以換氣需風(fēng)量為要求的前提下，機械通風(fēng)可滿足通風(fēng)要求。因此，左右洞采用全縱向射流風(fēng)機方式均能滿足隧道通風(fēng)要求，但長度超過5 km時，需考慮火災(zāi)工況下排煙[4]。

2.3 常規(guī)設(shè)計方案

常規(guī)設(shè)計采用獨立的平行泄水洞和排煙斜井方案。平行泄水洞在排水的同時兼具施工輔助導(dǎo)洞的功能，斜井為排煙考慮設(shè)置，平行泄水洞和斜井分別獨立解決排水和排煙問題。原設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 原設(shè)計方案平面布置

表2 隧道需風(fēng)量m3位置設(shè)計年限車速/(km·h-1)100807060504030火災(zāi)工況換氣左洞2035年184.9 192.6 187.5 166.2 185.2 157.2 140.1 243.9 300.9 2044年240.3 250.3 243.7 216.0 240.7 204.3 187.4 243.9 300.9 右洞2035年184.4 192.0 186.8 165.5 184.4 156.2 138.6 243.9 297.42044年239.6 249.6 242.8 215.0 239.6 203.0 185.5 243.9 297.4

2.4 常規(guī)設(shè)計方案不足之處

雖然常規(guī)設(shè)計方案獨立解決了隧道的排煙和泄水問題，但以下問題值得商榷： ① 沅古坪隧道頂部存在一水庫，斷層連通水庫和隧道，隧道存在倒灌涌水風(fēng)險，若水庫與隧道直接連通，隧道內(nèi)涌水無法及時排入泄水洞。應(yīng)加強隧道區(qū)段排水能力。② 沅古坪隧道位于富水地層，獨立斜井的設(shè)置會進一步增加主洞結(jié)構(gòu)的排水負擔。③ 泄水洞和排煙斜井獨立設(shè)置會增加隧道運營期間的維護成本。且斜井洞口的偏遠性使維護便利性較差。④ 通過設(shè)置縱向風(fēng)機可以滿足運營通風(fēng)的要求，針對5～5.5 km的隧道采用獨立斜井排煙方案往往會造成工程建設(shè)浪費。以700 m長斜井為例，獨立斜井建安費需6 440萬元。⑤ 為節(jié)約工程造價，斜井洞口位于標高較低區(qū)域，若洞口排水設(shè)置不到位，存在倒灌的可能性。⑥ 沅古坪隧道為該高速公路的控制性工程，工期十分緊張。

基于以上分析，常規(guī)設(shè)計方案在施工運營安全、環(huán)保、造價、工期等方面具有一定的缺陷，有必要進行方案改造。

3 新型設(shè)計方案分析

新型設(shè)計方案主要針對以下兩點進行優(yōu)化設(shè)計： ① 考慮分區(qū)排水的理念，加強隧道應(yīng)對局部區(qū)段涌水量大的問題。② 將斜井融合到平行泄水洞里面，在滿足排煙要求的同時降低工程造價。

3.1 新型分區(qū)排水方案分析

新型排水系統(tǒng)相對常規(guī)設(shè)計內(nèi)容存在以下不同：

1) 縱橫向排水管由原來直徑110 mm增大到160 mm，且橫向排水管在富水地區(qū)采用6 m/道，收集水分區(qū)縮短到6 m一段，提升主洞隧道地下水收集能力4.52倍。

2) 通過6處車行橫洞分區(qū)排水，及時將水引入泄水洞，充分發(fā)揮泄水洞的排水能力。隧道每個分區(qū)排水長度約為750 m(見圖3)。

圖3 分區(qū)排水平面布置

3) 采用雙中心水溝設(shè)計，側(cè)溝、中心排水溝聯(lián)合排水能力為：0.5×(2×49996+2×142904)×2(雙洞)m3/d=38.58萬m3/d，僅靠主洞隧道即可滿足排水能力。

4) 針對沅古坪隧道富水高壓地層的特點，隧道環(huán)向施工縫采用新型可排水背貼式止水帶，以解決傳統(tǒng)止水帶只堵不排引起高水壓以及不能排水、凸楞過小、質(zhì)地過軟、不便施工的問題[5]。

5) 路面面層以下設(shè)置φ50mm透水盲管，收集路面積水，確保路面干燥和行車安全。

6) 新型排水系統(tǒng)如圖4所示，收排水能力計算見表3。

圖4 新型隧道排水系統(tǒng)圖

表3 新型排水系統(tǒng)排水能力計算排水設(shè)施內(nèi)徑d/m寬度b/m高度h/m溝壁粗糙系數(shù)n水力坡度I水力半徑R/m水溝橫斷面面積A/m2設(shè)計排水能力Q/(m3·d-1)?160縱向排水管0.141——0.010.0080.035 250.015 62 593?160橫向排水管(6 m/道)0.141——0.010.030.035 250.015 65 85750 cm×35 cm矩形側(cè)水溝—0.500.350.0150.0080.1460.17549 99680 cm×83 cm中心水溝—0.800.830.0150.0080.270.664142 904平行泄水洞———————1 100 000

新型排水系統(tǒng)縱向排水管和橫向排水管的延米聯(lián)合排水能力為：0.167×0.5×2 593×5 148.5(全長)×2(雙洞)m3/d=222.50萬m3/d>隧道最大涌水量28.68萬m3/d。

側(cè)溝、中心排水溝聯(lián)合排水能力為：0.5(2×49 996+2×142 904)×2(雙洞)m3/d=38.58萬m3/d>隧道最大涌水量28.68萬m3/d。隧道主洞管溝即可承擔最大涌水量。

因此，新型排水系統(tǒng)的延米收水能力為432.16m3/d，提升為原來的4.52倍。僅需要長度28.68×10 000÷432.16 m=664 m即可均勻收集全部最大涌水量。而隧道采用分區(qū)排水，每個分區(qū)僅約750 m，每個區(qū)段均能有效應(yīng)對最大涌水量，大幅度提升了隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)對區(qū)段集中涌水的能力。

3.2 新型融合排煙方案分析介紹

考慮到隧道兩端均設(shè)置排水洞，為滿足隧道排煙行程不大于5 km要求，設(shè)計通過局部加大排水平洞，兼作排煙風(fēng)道，設(shè)置排煙軸流風(fēng)機，采用“全縱向射流風(fēng)機通風(fēng)+平行導(dǎo)洞補充排煙”方式滿足通風(fēng)及排煙要求[6]。

相較于常規(guī)設(shè)計方案，新型融合排煙方案增加兩處地下風(fēng)機房，增加4臺大功率軸流風(fēng)機，局部改善洞口端(行車方向進口)350 m范圍內(nèi)的排煙。總成本增加有限，且能完全滿足規(guī)范要求，有較好的經(jīng)濟適用性。

新型排煙建設(shè)方案相對原建設(shè)方案有以下優(yōu)勢： ① 借助平行泄水洞設(shè)置地下風(fēng)機房，可以在滿足規(guī)范排煙行程的前提下，節(jié)約設(shè)置斜井排煙的工程費用，如圖5所示。地下風(fēng)機房的設(shè)置僅增加造價約1200萬元，相對常規(guī)斜井方案節(jié)約5240萬元的工程造價。② 排煙泄水洞斷面和風(fēng)機房分兩個功能分區(qū)，上部人行檢修通道和下部排水箱涵，可在滿足排水的同時方便人工進入檢修，如圖6、圖7所示。③ 由于泄水洞和排煙斜井的融合設(shè)置，降低了隧道運營期間的維護成本，維護便利性較好，可以提升火災(zāi)工況下風(fēng)機房的可靠性。

圖5 隧道排煙泄水平面設(shè)計圖

圖6 排煙泄水洞斷面

圖7 風(fēng)機房斷面(單位： cm)

4 結(jié)論與建議

本文針對5～5.5 km超長富水隧道，將平行泄水洞采用分區(qū)排水并融合排煙，有效解決了隧道集中涌水和火災(zāi)排煙的建設(shè)難題。相對常規(guī)建設(shè)方案具有以下優(yōu)點：

1)常規(guī)設(shè)計方案平行泄水洞以主洞降水為主，而新型排水系統(tǒng)則采用分區(qū)排水的理念，分6處支洞及時將主洞內(nèi)地下水排入泄水洞，充分發(fā)揮了泄水洞的排水能力，避免了泄水洞的收水障礙。

2)通過采用φ160排水管并加密橫向排水管布設(shè)，將主洞隧道收集水的能力提升了4.52倍。

3)新型排水系統(tǒng)提高了主洞自身的排水能力，主洞管溝的排水能力高于最大涌水量。

4)通過平行泄水洞分區(qū)排水設(shè)置、加大收集水管、雙中心水溝及采用可排水式背貼式止水帶和路面收水盲管，可有效保證隧道路面干燥，確保行車安全。

5)泄水洞與排煙通道聯(lián)合設(shè)置，解決了本隧道火災(zāi)排煙的問題，并能滿足最新規(guī)范要求。

6)泄水洞和排煙通道的融合設(shè)置，可降低隧道運營期間的維護成本，維護便利性較較好，提升了火災(zāi)工況下風(fēng)機房的可靠性。

7)借助多個排水支洞可擴展多個施工作業(yè)面，有效縮短施工工期。