嚴寒地區隧道洞口滲井排水技術探討

劉學霸， 楊春勃， 梁文雨， 王超朋

(中鐵隧道集團二處有限公司， 河北 三河 065201)

0 引言

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》指出： “十三五”期間將構建橫貫東西、縱貫南北、內暢外通的綜合運輸大通道，加強進出疆、出入藏通道建設，構建西北、西南、東北對外交通走廊[1]。在此背景下，地處嚴寒區域的東北、青藏、新疆等地將會迎來隧道建設的新高潮。但是，目前寒區隧道的洞口排水技術仍存在一些問題： 一是保溫出水口排水管中的水流接觸外部冷空氣，難免會出現凍堵的情況；二是山體地下水不斷被排出，長此以往不利于地下水資源的儲存；三是多數隧道為了提升保溫效果而輔以電加熱措施，雖然成效顯著，但是電能持續消耗過大，設備維護困難。因此，面對現存的問題，探討新的適用于嚴寒地區的隧道洞口排水技術十分有必要。

滲井是在地層中開鑿立式孔洞，將地面水和上層地下水引向更深的地下層，是一種符合自然滲水規律的立式地下排水設施[2]。在公路防排水設計中，滲井作為一種經濟、環保的下挖通道排水方式，不斷得到推廣[3]。雷耀軍等[4]設計了淺層滲水井，并應用于大廣高速公路低路基下挖通道排水； 廖濟押等[5]和秦仁杰等[6]針對特殊情況在淺層滲水井底部附加小滲井，設計了深部滲水井。目前國內關于滲井在道路工程上的應用研究局限于路基排水和基坑降水，鮮有在隧道排水工程中的應用。本文在相關研究的基礎上，針對寒區隧道特殊的排水結構和嚴寒地區惡劣的自然氣候條件，設計了適用于嚴寒地區隧道的滲井排水系統，并介紹該系統的的組成和結構尺寸設計。

1 滲井排水的優勢與適用范圍

滲井不僅兼備集雨、排水、滲濾等功能，還具有結構簡單、節約土地、綠色環保等優點。因為傳統滲井的井口一般位于地面上，而水在低溫環境下易凍結，因此滲井很少在寒冷地區使用。但是，在嚴寒地區可以把滲井置于隧址最大凍結深度以下，這樣水流不會直接接觸外部冷空氣，可以充分利用地溫解決排水口容易凍堵的問題，同時還可以省去用于提升保溫效果的電加熱裝置。對比傳統的排水方式，滲井排水的優勢在于水流經過滲濾直接排入地下，減少了水分蒸發，有利于地下水資源的儲存，符合當代綠色可持續的發展理念。此外，滲井儲水還可以接入隧道消防系統，節約消防用水。

為保證滲井排水系統在嚴寒地區可以正常工作，井址地下必須有透水性較好的土層，且至少有一層位于最大凍結深度以下。考慮到相較匯入流量而言，滲井入滲流量水平較低，在排水量很大的情況下滲井主要起儲水作用[7]。因此，滲井洞口排水方案只適用于排水量較小的寒區隧道，而在地下水發育，滲水量很大的情況下，滲井排水難以滿足隧道洞口排水要求。針對季節性排水量較大的情況，為了突出滲井獨特的節水環保效果，可以將滲井排水系統與洞外深埋排水暗溝等路基排水設施結合使用，確保特殊時期排水通暢。

2 滲井排水系統組成

本文所探討的滲井結構布置在洞內排水設施的末端，可代替傳統的保溫出水口完成洞口排水的任務。滲井排水系統參考高等級公路路基上比較成熟的做法，其組成一般包括集水系統、凈化系統和滲透系統[8]。考慮到嚴寒地區施工環境的復雜性和寒區隧道結構的特殊性，必須對各子系統進行優化，使其更為經濟適用。滲井結構相對位置如圖1所示。

(a) 洞口處滲井 (b) 延伸路基處滲井

圖1滲井結構相對位置

Fig. 1 Relative location of seepage well structure

2.1 集水系統

集水系統主要由中心深埋水溝(適用于溫度在 -15～-25 ℃地區)或防寒泄水洞(適用于溫度低于 -25 ℃地區)、集水井和橫向排水管組成。水流通過中心深埋水溝或防寒泄水洞匯集到一起，之后在中心深埋水溝或防寒泄水洞的最低點設置集水井，最后再通過橫向排水管將其排入滲透池。集水井不單獨布置，將其集成于距離洞口最近的沉淀檢查井之中，從而減少開挖工程量和開挖擾動對隧道主體結構的影響。集水沉淀檢查井示意圖如圖2所示。

圖2 集水沉淀檢查井示意圖

2.2 凈化系統

凈化系統主要由攔截網、沉淀檢查井和過濾層組成。攔截網采用孔徑不大于2 mm的雙層濾鐵絲網，其主要設置在前述集水沉淀檢查井和橫向排水管的入水口處[9]，排水管處使用2 mm孔徑鐵絲網用以攔截漂浮物和大顆粒固態物質，橫向排水管處使用1 mm孔徑鐵絲網用以防止沉淀池中的固態沉淀物進入滲透池。水流每次經過沿途的沉淀檢查井會沉淀掉一部分固態小顆粒，最終匯集到集水沉淀檢查井中的水流通過橫向排水管進入滲透池進行深層凈化過濾。位于滲透池底部的過濾層由30 cm厚碎石+50 cm厚粗砂+50 cm厚蛭石組成。蛭石對氨氮具有很強的選擇性離子交換能力，對氨氮的去除率達到73%，對重金屬離子具有很強的吸附能力，并且能夠有效去除水中的有機物質[10]。經過一系列的凈化過濾，該系統完全能夠保證滲透水的水質達到GB/T 19772—2005《城市污水再生利用 地下水回灌水質》中的地下水回灌標準。

2.3 滲透系統

滲透系統主要由滲透池和小直徑滲透井組成。滲透池中經過凈化處理后的水流利用滲透作用進入地下滲透性土層，并最終匯入地下水完成隧道洞口排水的任務。針對地下水位較深或滲透性土層埋深較深的情況，需要在滲透池底部加設小直徑滲透井，組成深部滲水井，以便減少開挖工程量，同時降低工程造價。

3 滲井排水系統設計方案

根據洞口段地質情況、匯水量的大小、地下水位和滲透性土層埋深的不同，并且參考高速公路路基上已經成功應用的實例[5-6,11-12]，本文共設計了3套適用于嚴寒地區隧道的滲井排水方案。

3.1 方案1： 集水沉淀檢查井+橫向排水管+不封底滲透池

該方案適用于隧道內匯水量較小，地下水位較深，洞口段為裂隙巖層或者巖層下有淺層透水層的情況。設計時滲透池直接置于裂隙巖層或淺層透水層上，在滲透池底部依次鋪設碎石、石英砂和蛭石過濾層并且不做封底處理，水流經過層層凈化過濾直接滲入地下透水層。方案1如圖3所示。

圖3 方案1示意圖

3.2 方案2： 集水沉淀檢查井+橫向排水管+封底滲透池+小直徑滲透井

該方案適用于隧道內匯水量較大，地下水位較淺，洞口段為巖石層并且透水層埋深較深的情況。當擬設置的滲透池底部低于其所在位置淺層地下水最高水位時，滲透池底部必須做封底處理，防止地下水倒滲。小直徑滲透井設置在滲透池的底部中央，井口高出池底1 m，高出部分用抗光老化的土工布做反濾層，并且在井壁上布孔。小直徑滲透井的底部穿過隔水層進入深層透水層中，隔水層以下部分同樣需要在井壁上布孔，并且外側用孔徑為1 mm的砂網進行過濾[9]。方案2如圖4所示。

3.3 方案3： 集水沉淀檢查井+橫向排水管+不封底滲透池+小直徑滲透井

該方案適用于隧道內匯水量較大，地下水位較深，洞口段為巖石層并且巖層下有淺層透水層的情況。設計時滲透池置于淺層透水層上并且不封底，和方案1不同的是加設了小直徑滲透井，這樣不僅能加速滲透排水，而且可以降低在巖層區施工開挖的難度。小直徑滲透井底部穿過淺層透水層和隔水層置于深層透水層內，其構造要求同方案2。方案3如圖5所示。

圖4 方案2示意圖

圖5 方案3示意圖

4 滲井排水系統的結構尺寸設計

4.1 集水沉淀檢查井尺寸設計

根據JTG/T D7—2010《公路隧道設計細則》規定，嚴寒地區隧道中心深埋水溝或防寒泄水洞必須每間隔200～250 m或300 m設置1座沉淀檢查井[13]，并且隧道排水主要為山體地下水，其雜質較少，受污染程度低，所以沉淀池的尺寸無需特別設計，可以沿用沉淀檢查井中沉淀池的尺寸。同時JTG/T F50—2011《公路橋涵施工技術規范》建議集水井深度宜設為1.5 m左右[14]。經過綜合研究，集水沉淀檢查井的內徑與沉淀檢查井保持一致，其深度在沉淀檢查井的基礎上加深1.5 m。針對匯水量較大的情況，可以在此基礎上繼續增加集水井的深度，如果仍不能滿足排水要求，可以保持上部檢查井尺寸不變，單獨擴大下部集水井和沉淀池的內徑。

4.2 滲透池和小直徑滲透井尺寸設計

滲透池深度的設計范圍一般在8～20 m，具體深度尺寸的確定要以隧址的水文地質條件為依據[12]。方案1和方案3中不封底滲透池的底部必須設置在淺層透水層中，而且一般要求池底進入透水層內不宜小于1.5 m；方案2中當滲透池的底部位于淺層地下水位以下時，池底才需要做封底處理；方案2和方案3中小直徑滲透井的底部也需要穿過隔水層進入深層透水層中，同樣要求進入透水層內不小于1.5 m。根據上述水文地質條件可以初步確定滲透池和小直徑滲透池的深度，然后根據設計匯水量計算兩者的內徑。

方案1中不封底滲透池的內徑R按式(1)計算。

(1)

式中：Q為設計匯水量，m3/s；K為安全系數，取1.1；R為滲透池內徑，m；h1為滲透池有效深度，即橫向排水管出口到滲透池池底的高度，m；d1為過濾層厚度，取0.3 m+0.5 m+0.5 m=1.3 m；v為滲透速度，m/s，根據達西定律v=k·i確定，其中，滲透系數k由常水頭或變水頭滲透試驗確定。

方案2中封底滲透池的內徑R和小直徑滲透井的內徑r按式(2)計算。

h3·Qs]。

(2)

式中：d2為滲透池封底混凝土厚度，m；r為小直徑滲透井內徑，m；h2為小直徑滲透井的長度，m；h3為穿過隔水層進入透水層內的小直徑滲透井的長度，m；Qs為位于含水層內的單位長度滲井的流量，m3/s，Qs的計算方法參考《公路排水設計規范》[9]。

方案3中不封底滲透池的內徑R和小直徑滲透井的內徑r按式(3)計算。

πR2v+h3·Qs]。

(3)

根據以往設計和施工經驗，滲透池的設計內徑一般為6～12 m，小直徑滲透井的設計內徑一般為0.2～0.5 m[12]，若計算內徑超出了經驗范圍，則可增加滲透池和小直徑滲透池的數量，以滿足隧道排水的需求。

5 滲井排水系統的管材選取

5.1 集水沉淀檢查井的管材選取

集水沉淀檢查井位于隧道結構內，為了取材和施工方便而采用隧道施工中常見的鋼筋混凝土材料。現澆鋼筋混凝土集水沉淀檢查井的優勢在于其抗壓、抗拉性能良好，施工工藝簡單，造價低并且使用壽命長。

5.2 滲透池的管材選取

常見的滲透池管材有鋼筋混凝土、鋼波紋管和玻璃鋼管，考慮到嚴寒地區寒冷的氣候條件不利于鋼筋混凝土現澆施工，且常見的玻璃鋼管直徑普遍偏小，大直徑玻璃鋼管的應用又較少，因此，本設計采用鋼波紋管作為首選管材。鋼波紋管是一種柔性結構，其在結構上具有橫向補償位移的優良特性，可充分發揮鋼材抗拉性能強、變形性能優越的特點，具有較大的抗變形和抗沉降能力，特別適合于軟土、膨脹土、濕陷性黃土地區，寒冷地區和地震多發地區，具有明顯的經濟效益[15]。

5.3 小直徑滲透井的管材選取

小直徑滲透井的設計內徑較小，不適合采用鋼筋混凝土制作，可以采用玻璃鋼管作為首選管材。玻璃鋼管質量輕、強度高、運輸方便，抗老化、抗凍性能良好，并且使用壽命長、維護成本低。玻璃鋼管相較鋼波紋管最大的優勢在于： 一是其內壁光滑，摩擦阻力小，輸送能力強；二是其耐腐蝕性能優異。

6 滲井排水系統的其他設計要點

1)為了降低地下水滲流對隧道結構和路基的影響，滲透池必須設置在隧道結構和路基影響范圍以外，一般要求滲透池的外緣距離公路主線和隧道洞門大于5 m。

2)根據JTG/T D70—2010《公路隧道設計細則》規定，為防止水流凍結，中心深埋水溝或防寒泄水洞的集水沉淀檢查井下應設雙層蓋板，2層蓋板之間應填塞泡沫塑料或其他保溫材料，厚度不應小于1 m或1.5 m[13]。滲透池位于隧道結構以外，其附近溫度相較隧道內部更低，同樣需要采取類似的保溫措施，并且填充厚度按上述較高標準執行。

3)為了加快排水流動，防止水流凍結，連接集水沉淀檢查井和滲透池的橫向排水管的坡度應大于2%。

7 結論與討論

本文對路基上常用的滲井排水結構進行了針對性優化研究，改進后的滲井排水系統既能適應嚴寒地區寒冷的氣候條件，又能滿足隧道排水的需求。而且創新性地將檢查井、集水井和沉淀池組合成一體化的集水沉淀檢查井，該結構可以大幅縮減開挖工程量。針對不同的水文地質條件，本文設計了3套滲井排水方案，同時給出了各套方案的設置參數和結構尺寸計算公式。

本文設計的滲井排水系統在適用范圍內可以代替傳統的保溫出水口來完成洞口排水的任務，其不僅可以降低處理隧道排水口凍堵的維修費用，而且可以省去電加熱裝置的電能消耗，補充周邊地下水資源，經濟環保，效益顯著。

本文旨在提出滲井排水的一種新的應用思路，暫時沒有工程試驗用以驗證，也無前人的實踐應用和理論研究可參考。本文設計的滲井排水系統的適用范圍和設置參數需通過工程試驗研究進行確定。