單線鐵路林保山隧道排水系統設計研究

田 魯 魯

(中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司，云南 昆明 650200)

1 工程概況

大臨線是客貨共線的單線鐵路，設計速度為160 km/h。林保山隧道是大臨線最長隧道，全長共14 076 m，為單線隧道，位于安樂—南澗區間。穿越地層主要為侏羅系泥巖、粉砂巖、砂巖和三疊系砂巖、泥質粉砂巖夾灰巖、炭質泥巖及煤線等。為滿足工期、施工場地及防災救援等需要，全隧道共設1座橫洞+4座斜井+1座平導，輔助坑道布置如圖1所示。

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

2 排水系統特點、設計難點及處理措施

2.1 排水系統特點

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

2.2 排水系統設計難點

林保山隧道排水系統設計難點主要有以下幾方面：

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。當水溝溝底為平坡時，不能自流排水，溝底必須設置不小于1‰的排水坡度，需對排水系統進行改造；當水溝溝底為1‰坡度時，需要進行排水能力檢算，根據檢算結果確定是否需要對排水系統進行改造。

2)水量大。隧道襯砌背后地下水通過盲管流入洞內側溝，地下水通過側溝流向下坡方向(低端洞口)，坡段越長，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，是對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)洞內車站段較長。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、洞內車站段較長等不利條件疊加下，導致排水系統設計困難。

2.3 處理措施

針對排水能力不足的隧道排水系統處理措施主要有以下幾種：

1)側溝改造。當隧道標準斷面側溝排水能力不能滿足設計排水量要求時，可以通過加大側溝過水斷面或溝底縱坡增加排水能力，改造后的水溝泄水面坡度不應小于1‰。側溝改造需要加大襯砌斷面，襯砌斷面加大一方面會增加投資，另一方面若水溝加深過大，可能會和洞外路基水溝形成“V”字形坡無法自流排水，且靠近線路側的溝壁過高，運營期間容易損壞，因此側溝改造對需改造段落長度有一定限制。

2)增設中心排水溝。車站段隧道為雙線或多線隧道，可以于兩線之間增設中心排水溝，以增加排水能力。單線隧道和過渡段隧道如設置中心水溝，隧道采用有砟道床時，水溝埋在道床下面，養護維修很不方便；采用無砟道床時，中心排水溝會削弱無砟道床斷面，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、施工場地或防災救援等需要設置的輔助坑道對正洞進行截流排水，可利用的輔助坑道有橫洞或平導，通過改造輔助坑道內排水溝，使其與正洞交點里程至上游段的水量全部從輔助坑道排出。根據排水需要也可微調輔助坑道與正洞交點里程。

4)增設輔助坑道排水。必要時可考慮增設橫洞、平行導坑或泄水洞進行截流排水。增設輔助坑道截流排水，輔助坑道排水系統設計主要包括兩方面內容：a.輔助坑道與正洞交點位置；b.輔助坑道排水溝設計。

5)機械排水。對于“V”字形坡隧道、市區淺埋隧道等無自流排水條件的隧道，可采用機械強制排水。

按經濟適用原則，一般先考慮通過改造側溝和增設中心水溝增加正洞排水能力；如隧道有橫洞或平導可以利用時，盡可能利用輔助坑道截流排水，否則，根據地形、地質、地下水情況增設橫洞、平導或泄水洞截流排水。仍無法解決排水問題的隧道，可考慮機械強制排水。

當正洞排水能力不足段落太長時，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 排水系統設計

3.1 全隧排水能力檢算

選用大氣降水入滲法、地下水徑流模數法和地下水動力學法分析計算，確定林保山隧道運營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計排水量見圖2。

隧道標準斷面設置2條側溝，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，取0.012；R為水力半徑，m；i為溝底縱坡。

通過以上公式計算，得到隧道各坡段排水能力，將其與全隧設計排水量繪制在一張圖中，以便分析，如圖2所示。對應里程的排水能力小于設計排水量即排水能力不足，據圖2可知進口DK54+233～DK54+650段及出口DK67+350～DK68+309段排水能力不足。

3.2 進口車站段排水系統設計

進口DK54+233～DK54+650段417 m為平坡，水溝必須進行改造，溝底應設置不小于1‰的縱坡。由于進口橫洞距洞口僅92 m，對解決417 m平坡段排水作用不大，若向大里程移動與正洞交點，橫洞長度增加較長，投資增加較多，因此采用“水溝改造+增設中心溝”的組合方案。

DK54+233～DK54+508增設中心水溝襯砌段軌下溝槽布置如圖3所示，設計尺寸為80 cm×102 cm(寬×高)，溝底采用水泥砂漿抹成1‰的排水坡，其最小過水斷面為80 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，結合車站布置逐段對側溝斷面加深加寬，溝底采用水泥砂漿抹成1‰的排水坡，砂漿抹面后該段側溝最小過水斷面為50 cm×34 cm，排水坡度1‰，排水能力為22 352 m3/d，滿足排水要求。進口車站段排水系統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設計

出口排水能力不足段落為DK67+350～DK68+309段，該段長959 m ，坡度為1‰，最大設計排水量為16 110 m3/d，隧道排水能力為7 478 m3/d，排水能力差的較多，提出兩種方案進行經濟、技術比選：

方案一：“水溝改造+增設中心排水溝”的組合方案。根據車站段結構布置，DK67+350～DK67+478段128 m為單線隧道，單側溝加寬25 cm，襯砌需加寬50 cm，側溝尺寸調整為55 cm×81 cm(寬×高)，過水面積為55 cm×25 cm(寬×高)，雙側溝排水能力為17 002 m3/d；DK67+478～DK68+309段831 m為三線隧道，三線隧道段增設831 m中心排水溝，設計中心溝尺寸為60 cm×102 cm(寬×高)，其過水斷面為60 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：利用出口平導截流方案。為解決工期、施工場地等問題, DK67+300～DK68+315段出口線路左側設置一座1 015 m長平導，可利用其作為運營期間排水通道使用。出口平導截流水量不應小于9 370 m3/d。平導第一道橫通道與正洞交點DK67+300處正洞設計排水量為14 220 m3/d>9 370 m3/d，平導長度不需要加長，按不小于14 220 m3/d排水能力設計平導水溝。由于平導縱坡與線路縱坡一致，平導最小坡度為1‰，平導標準斷面排水溝尺寸為35 cm×40 cm(寬×高)，過水斷面按35 cm×38 cm(寬×高)計算排水能力不足。經試算平導排水溝尺寸調整為0.5 m×0.45 m，過水斷面按0.5 m×0.43 m計算排水能力為15 006 m3/d，滿足要求。

兩個方案均可行，但方案二比方案一改造費用少，且方案一正洞水溝運營期間養護維修沒有平導方便，因此選用方案二。出口平導與正洞排水系統連接如圖6所示。

4 結語

林保山隧道為特長隧道，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，正洞排水系統排水能力不足，通過進口側溝改造及增設中心排水溝增大排水能力，出口利用既有平導截流排水，從而解決隧道排水問題。

隧道排水系統設計應考慮一定的安全儲備及運營期間維護的便利性。當隧道存在地下水發育、有地表水體補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應予以考慮，盡量考慮橫洞或平導方案，必要時可增設泄水洞進行截流排水，“V”字形坡隧道、市區淺埋隧道等特殊隧道考慮機械排水。

參考文獻:

[1] TB 10098—2017,鐵路線路設計規范[S].

[2] 鐵道部第二勘測設計院.鐵路工程設計技術手冊:隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1995：224-229.