京張高鐵正盤臺隧道立體式多徑路排水方案研究

王 磊 于晨昀 呂 剛

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，長大隧道日益增多，而長大隧道一般都伴有地質(zhì)復(fù)雜、強(qiáng)富水、工期緊張等工程特點(diǎn)，施工過程中涌水[1-4]淹井事件發(fā)生的概率較高，且運(yùn)營期間因隧道自身排水系統(tǒng)[5]的排水能力不足導(dǎo)致的隧底病害問題也日益突顯。如不能將地下水及時排出洞外，會對隧道安全、質(zhì)量及工期產(chǎn)生較大影響，故如何解決隧道施工及運(yùn)營期間的排水問題就顯得尤為重要。

目前，國內(nèi)學(xué)者對隧道的排水方案進(jìn)行了諸多研究，陳宇[6]以蒙華鐵路中條山隧道為工程背景，基于伯努利方程，結(jié)合工程中的兩種排水系統(tǒng)布置形式，推導(dǎo)出了排水能力公式，為同類隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化提供了借鑒；要美芬[7]以廈深鐵路梁山隧道為例，提出了帶狀深風(fēng)化富水陡傾軟弱構(gòu)造環(huán)境中集成排水系統(tǒng)的技術(shù)措施和實(shí)施辦法；賈元霞[8]結(jié)合烏鞘嶺隧道建設(shè)特點(diǎn)，給出輔助坑道排水系統(tǒng)與正洞排水系統(tǒng)的銜接設(shè)計及洞內(nèi)水溝水量平衡、洞外排水系統(tǒng)保溫等工程處理措施；鄭孝福[9]通過分析涌水規(guī)律及排水規(guī)律，介紹了幾種輔助坑道施工條件下的強(qiáng)制排水方法；陳建國[10]介紹了某長大隧道斜井進(jìn)入平導(dǎo)施工時發(fā)生的特大涌水淹井情況，擬定采用分階段抽排水技術(shù)，同時給出了水源補(bǔ)給和抽排水端水頭差變化的理論計算分析，為后續(xù)處理創(chuàng)造了良好條件；高文濤[11]分析了渝湘高速公路鷹嘴巖隧道涌水原因，提出利用靜水壓力反坡排水處理巖溶涌水的新技術(shù)，以解決涌水對隧道施工的影響;孫振[12]以長距離隧道反坡施工為工程背景，運(yùn)用理論分析、最優(yōu)化方法和現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，提出了設(shè)置一、二級儲水倉的總體排水方案，并介紹了豎井輔助排水系統(tǒng)；張怡興[13]分析了高速公路隧道滲漏水原因，經(jīng)過地質(zhì)分析和水力學(xué)計算，提出采用泄水洞的方式對滲漏水水源進(jìn)行引排的解決方案。

以上學(xué)者對隧道排水方案進(jìn)行了大量研究，但是同時運(yùn)用可控式排水、洞內(nèi)儲水倉、中心排水管分流等創(chuàng)新技術(shù)，利用平導(dǎo)、泄水洞、斜井支洞、橫通道、豎井等多類型輔助坑道[14-16]，解決長大強(qiáng)富水隧道施工及運(yùn)營期排水問題的研究并不多。以京張高鐵崇禮支線正盤臺隧道為背景，研究其立體式多徑路排水系統(tǒng)。

1 工程概況

1.1 隧道概況

正盤臺隧道位于河北省張家口市境內(nèi)，為新建崇禮鐵路最長的隧道，起訖里程為DK30+425～DK43+399，全長12 974 m，最大埋深635 m。所在區(qū)域最冷月平均氣溫為-9.6～-14.1 ℃，屬于嚴(yán)寒地區(qū)特長隧道。該隧道為單洞雙線隧道，設(shè)計速度250 km/h，線間距為4.6 m，隧道進(jìn)口至出口的線路坡度為單面30‰上坡。

正盤臺隧道原設(shè)計4座斜井，斜井設(shè)置情況見圖1。

圖1 正盤臺隧道原設(shè)計平面示意

1.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)隧道施工期間開展的補(bǔ)充地質(zhì)勘探工作，正盤臺隧道位于侏羅系上統(tǒng)形成的龍關(guān)火山噴發(fā)盆地西部，為典型多期噴發(fā)、多期侵入的火山構(gòu)造，盆地周邊為太古界花崗質(zhì)混合巖，后期花崗巖侵入形成相對隔水的基底，導(dǎo)致火山噴發(fā)盆地內(nèi)基巖裂隙水封閉，空間上構(gòu)成一內(nèi)部富水的盆狀構(gòu)造；由于太古界花崗質(zhì)混合巖時代早，受構(gòu)造影響，基巖巖體破碎，在與侏羅系火山巖不整合接觸時形成碎塊狀構(gòu)造，強(qiáng)富水，其中隧道1號斜井～3號斜井區(qū)段為強(qiáng)富水段落。

隧道巖性以侏羅系上統(tǒng)張家口組粗面巖為主，盆地外側(cè)邊緣局部發(fā)育有凝灰質(zhì)角礫巖。受火山多期噴發(fā)、侵入影響，發(fā)育有潛粗面巖墻。受火山構(gòu)造影響，陡傾節(jié)理發(fā)育，水平、緩傾節(jié)理不發(fā)育?；鹕脚璧貎?nèi)部垂直向水力聯(lián)系較強(qiáng)。受巖墻、緩傾節(jié)理不發(fā)育的影響，水平向水力聯(lián)系相對較弱。

2 涌水涌渣情況

隧道施工過程中共發(fā)生兩次較大規(guī)模的涌水涌渣情況，分別為1號斜井井身涌水涌渣、2號斜井工區(qū)正洞涌水。

對閥體的流道進(jìn)行了簡單的有限元分析，從結(jié)構(gòu)分析中可以看出閥體的進(jìn)出位于同一水平線上，但是流體介質(zhì)在通過閥座時會與該水平線呈現(xiàn)出一定的夾角，這樣會改變介質(zhì)在閥體中的平穩(wěn)狀態(tài)。通過Fluent軟件的分析可以得出在不同開度的情況下介質(zhì)對閥體的壓力，隨著開度的增加對閥道的壓力減小，從而減少了對閥瓣壓力的沖擊，同時通過分析可以得出壓力在閥壁應(yīng)力集中的位置。該結(jié)果可為閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論數(shù)據(jù)的支持。

1號斜井井身施工至距正洞33.4 m(斜井里程XJ1DK0+033.4)處時，工作面出現(xiàn)小量涌渣，并伴有流水，隨后水量突然加大，并伴有大量涌渣，瞬時最大涌水量約為1 000 m3/h。超前水平鉆孔揭示，工作面前方不小于15 m長度范圍為巖性接觸破碎帶，且存在較大塌腔，圍巖極破碎，穩(wěn)定性極差，強(qiáng)富水。

2號斜井工區(qū)正洞大里程方向施工至DK35+407里程處，工作面出現(xiàn)大量涌水，根據(jù)現(xiàn)場測量情況，瞬時最大涌水量約7 500 m3/h，短時間內(nèi)2號斜井工區(qū)正洞298 m已開挖段落及斜井井身420 m段落范圍被淹沒，且水面高程仍在持續(xù)上升(如圖2)。

緊急采用強(qiáng)制排水措施，現(xiàn)場配置15臺抽水泵，其中200 kW抽水泵6臺，250 kW抽水泵7臺，90 kW抽水泵2臺，總抽水能力達(dá)10×104m3/d。持續(xù)抽排45 d后恢復(fù)隧道施工，此時涌水量仍達(dá)3 000 m3/h。

圖2 2號斜井涌水情況示意(單位：m)

正盤臺隧道涌水量大、持續(xù)時間長、水壓大[17-18]等特點(diǎn)為我國北方隧道所罕見。

3 立體式多徑路排水方案研究

1號斜井井底涌水涌渣及2號斜井工區(qū)正洞涌水的處理時間較長，且恢復(fù)施工后帶水作業(yè)效率低，隧道工期嚴(yán)重滯后。加深水文地質(zhì)工作表明，預(yù)測隧道正常涌水量由3.7×104m3/d調(diào)整為11×104m3/d，預(yù)測隧道最大涌水量由7.4×104m3/d調(diào)整為16.5×104m3/d，其中1號斜井工區(qū)最大涌水量為21 500 m3/d，2號斜井工區(qū)最大涌水量為93 600 m3/d， 較原設(shè)計均有大幅增加，原設(shè)計的φ700 mm隧道中心排水管排水能力不足。

正盤臺隧道為單面坡隧道，反坡排水區(qū)段長，機(jī)械排水耗能大、排水效率低，且地質(zhì)條件復(fù)雜、水量豐富、水壓大、帶水作業(yè)施工難度大、涌水淹井風(fēng)險高。

3.1 研究過程

1號斜井井底涌水涌渣后，涌水通道已形成，工作面前方存在較大塌腔，圍巖極不穩(wěn)定，預(yù)測有更大規(guī)模坍塌及涌水涌渣風(fēng)險，且?guī)r性接觸破碎帶位于1號斜井與正洞交叉口位置，挑頂施工風(fēng)險極高，故采用了“正面封堵，兩側(cè)迂回”方案：對井底涌水涌渣工作面進(jìn)行封堵，同時設(shè)置1-1支洞及1-2支洞迂回至正洞施工[19]。

考慮到1號～3號斜井區(qū)段為全隧控制工期區(qū)段，同時該段為強(qiáng)富水段落，基巖裂隙水分布不均，且有一定水壓。為探明水文地質(zhì)條件，進(jìn)行了超前正洞釋水，降低正洞水壓，減少正洞涌水量。1號～3號斜井區(qū)段設(shè)置平行導(dǎo)坑，進(jìn)行超前正洞施工[20]，并根據(jù)施工組織需要，設(shè)置橫通道，增開工作面；3號斜井設(shè)置3處支洞，其中3-1支洞與平導(dǎo)相接。

為增大隧道排水能力，盡快形成局部順坡排水條件，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際，于1號斜井工區(qū)增設(shè)泄水洞[21]，1-2支洞可為泄水洞開設(shè)工作面，利于泄水洞盡早貫通。

為避免涌水后淹井，影響隧道施工，于1號及2號斜井工區(qū)設(shè)置儲水倉，便于涌水后有一定的緩沖時間，保證人員、設(shè)備的緊急撤離，同時為抽排水設(shè)備的啟動爭取更多時間。

考慮隧道內(nèi)多工作面同時作業(yè)的通風(fēng)需求，改善施工作業(yè)環(huán)境，分別于平導(dǎo)及3號斜井處設(shè)置φ3.0 m通風(fēng)豎井，必要時可作為應(yīng)急抽排水豎井。

3.2 設(shè)計原則

在解決隧道排水問題的設(shè)計過程中，遵循“利用坑道，以排為主，多措并舉，兼顧工期”的原則，結(jié)合施工組織需要，充分利用輔助坑道和正洞排水系統(tǒng)，采用多種手段實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)地下水的最大能力排放。

3.3 排水方案說明

因工期、排水、通風(fēng)需要，正盤臺隧道形成了復(fù)雜的輔助坑道網(wǎng)絡(luò)。可利用輔助坑道，進(jìn)行超前釋水、順坡排水、儲水反排、控水限流等作業(yè)，同時結(jié)合正洞排水系統(tǒng)，形成多型式、立體式、多徑路的排水通道。

正盤臺隧道總體排水方案見圖3(圖中僅示順坡排水方向)。

圖3 正盤臺隧道總體排水方案平面示意

(1)施工期排水方案

1號斜井涌水涌渣“正面封堵”設(shè)計中，封堵墻預(yù)留φ108 mm泄水管，尾部安裝閥門，當(dāng)1-1支洞再次通過巖性接觸破碎帶時，可關(guān)閉閥門，避免注漿壓力及漿液損失。正洞施工時，可打開閥門，以降低正洞水壓，減少正洞涌水量，以此實(shí)現(xiàn)對周圍地下水的可控式排放，如圖4所示。

在1號斜井工區(qū)，利用輔助坑道設(shè)置儲水倉，水倉段依次低位下穿正洞及1號斜井，兩端連通平導(dǎo)與泄水洞。泄水洞貫通前，利用水倉段的先施工段作為儲水倉，當(dāng)1號～2號斜井區(qū)段的平導(dǎo)發(fā)生瞬時超大涌水時可匯入儲水倉，并及時采用抽排水設(shè)備通過1號斜井將水抽排至洞外，避免影響隧道正常施工；泄水洞貫通后，及時施工水倉段的后施工段，并設(shè)置1-3橫通道，可實(shí)現(xiàn)1號斜井大里程方向平導(dǎo)及正洞內(nèi)地下水的順坡排放。

1號斜井水倉段設(shè)計如圖5所示。

圖4 可控式排水封堵墻設(shè)計

圖5 1號斜井水倉段剖面

在2號斜井工區(qū)，利用正洞隧底空間設(shè)置儲水倉(如圖6、圖7所示)，該水倉為8個獨(dú)立水倉縱向設(shè)置，各獨(dú)立水倉之間采用1 m厚C35鋼筋混凝土隔墻分離，每個獨(dú)立水倉存水量為136 m3，總儲水量為1 088 m3。

圖6 2號斜井工區(qū)儲水倉平面示意

圖7 2號斜井工區(qū)儲水倉橫斷面示意

設(shè)備區(qū)配置不同功率的抽排水設(shè)備，并進(jìn)行合理級配，當(dāng)2號斜井工區(qū)大里程方向正洞及平導(dǎo)工作面發(fā)生涌水時，根據(jù)涌水量大小，可分級自動啟動抽排設(shè)備。

(2)運(yùn)營期排水方案

平導(dǎo)與正洞間的橫通道封堵時，在橫通道底部設(shè)置排水管，將隧道側(cè)溝與平導(dǎo)連通，將正洞側(cè)溝內(nèi)的水引排至平導(dǎo)，減輕正洞排水壓力，并依次通過水倉段、泄水洞順坡排至洞外。

隧道進(jìn)口為低洞口端，為解決中心排水管排水能力不足的問題，同時考慮低洞口端出水口因水量過小引起的凍結(jié)問題，于1號斜井水倉段下穿正洞位置的中心排水管檢查井內(nèi)設(shè)置水量調(diào)節(jié)裝置，對正洞中心排水管進(jìn)行分流設(shè)計，實(shí)現(xiàn)中心排水管的水量控制，如圖8所示。

圖8 正洞中心排水管分流設(shè)計(單位：cm)

檢查井內(nèi)設(shè)置直徑為70 cm的弧形水槽，水槽與井內(nèi)兩端的中心管連接，當(dāng)上游中心排水管內(nèi)水面高于弧形水槽邊緣時，高出部分的水量自然落入下方的水倉段內(nèi)，然后通過泄水洞順坡排至洞外?？赏ㄟ^調(diào)整水槽邊緣的高度，達(dá)到調(diào)節(jié)中心排水管內(nèi)水量的目的。

除襯砌背后環(huán)縱向排水盲管、側(cè)溝、中心排水管等常規(guī)排水措施外，還于仰拱填充內(nèi)的左、右線線路外側(cè)及隧道中線位置設(shè)置三道縱向通長40 cm寬、1.5 mm厚的HDPE凸殼型排水板，并在每處仰拱施工縫位置設(shè)置1道橫向1.5 mm 厚的HDPE凸殼型排水板。橫向排水板與縱向排水板連通，縱向排水板直接接入中心管檢查井，可將因施工缺陷造成的施工縫、變形縫漏水及時引排，避免隧底產(chǎn)生病害。

4 結(jié)束語

(1)正盤臺隧道為我國北方地區(qū)典型的長大強(qiáng)富水隧道，可通過合理設(shè)置輔助坑道、增加工作面等方式提高排水能力，實(shí)現(xiàn)了釋水、排水、儲水、控水等多種功能，較好地解決了隧道工期及排水問題。

(2)隧道涌水淹井后，損失大、處理時間長、費(fèi)用高，盡早實(shí)現(xiàn)順坡排水對降低安全風(fēng)險、提高施工效率、控制工程投資尤為關(guān)鍵。

(3)經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證，可控式排水封堵墻、洞內(nèi)儲水倉、中心排水管分流等創(chuàng)新設(shè)計應(yīng)用效果顯著，施工易操作，較好地達(dá)到了設(shè)計目的，可為類似工程提供參考和借鑒。