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

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

隨著我國鐵路建設的快速發展，長大隧道日益增多，而長大隧道一般都伴有地質復雜、強富水、工期緊張等工程特點，施工過程中涌水[1-4]淹井事件發生的概率較高，且運營期間因隧道自身排水系統[5]的排水能力不足導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、質量及工期產生較大影響，故如何解決隧道施工及運營期間的排水問題就顯得尤為重要。

目前，國內學者對隧道的排水方案進行了諸多研究，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，結合工程中的兩種排水系統布置形式，推導出了排水能力公式，為同類隧道排水系統的設計和優化提供了借鑒；要美芬[7]以廈深鐵路梁山隧道為例，提出了帶狀深風化富水陡傾軟弱構造環境中集成排水系統的技術措施和實施辦法；賈元霞[8]結合烏鞘嶺隧道建設特點，給出輔助坑道排水系統與正洞排水系統的銜接設計及洞內水溝水量平衡、洞外排水系統保溫等工程處理措施；鄭孝福[9]通過分析涌水規律及排水規律，介紹了幾種輔助坑道施工條件下的強制排水方法；陳建國[10]介紹了某長大隧道斜井進入平導施工時發生的特大涌水淹井情況，擬定采用分階段抽排水技術，同時給出了水源補給和抽排水端水頭差變化的理論計算分析，為后續處理創造了良好條件；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，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，運用理論分析、最優化方法和現場試驗等手段，提出了設置一、二級儲水倉的總體排水方案，并介紹了豎井輔助排水系統；張怡興[13]分析了高速公路隧道滲漏水原因，經過地質分析和水力學計算，提出采用泄水洞的方式對滲漏水水源進行引排的解決方案。

以上學者對隧道排水方案進行了大量研究，但是同時運用可控式排水、洞內儲水倉、中心排水管分流等創新技術，利用平導、泄水洞、斜井支洞、橫通道、豎井等多類型輔助坑道[14-16]，解決長大強富水隧道施工及運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。

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，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。所在區域最冷月平均氣溫為-9.6～-14.1 ℃，屬于嚴寒地區特長隧道。該隧道為單洞雙線隧道，設計速度250 km/h，線間距為4.6 m，隧道進口至出口的線路坡度為單面30‰上坡。

正盤臺隧道原設計4座斜井，斜井設置情況見圖1。

圖1 正盤臺隧道原設計平面示意

1.2 水文地質概況

根據隧道施工期間開展的補充地質勘探工作，正盤臺隧道位于侏羅系上統形成的龍關火山噴發盆地西部，為典型多期噴發、多期侵入的火山構造，盆地周邊為太古界花崗質混合巖，后期花崗巖侵入形成相對隔水的基底，導致火山噴發盆地內基巖裂隙水封閉，空間上構成一內部富水的盆狀構造；由于太古界花崗質混合巖時代早，受構造影響，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造，強富水，其中隧道1號斜井～3號斜井區段為強富水段落。

隧道巖性以侏羅系上統張家口組粗面巖為主，盆地外側邊緣局部發育有凝灰質角礫巖。受火山多期噴發、侵入影響，發育有潛粗面巖墻。受火山構造影響，陡傾節理發育，水平、緩傾節理不發育。火山盆地內部垂直向水力聯系較強。受巖墻、緩傾節理不發育的影響，水平向水力聯系相對較弱。

2 涌水涌渣情況

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

對閥體的流道進行了簡單的有限元分析，從結構分析中可以看出閥體的進出位于同一水平線上，但是流體介質在通過閥座時會與該水平線呈現出一定的夾角，這樣會改變介質在閥體中的平穩狀態。通過Fluent軟件的分析可以得出在不同開度的情況下介質對閥體的壓力，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力集中的位置。該結果可為閥體的結構設計提供理論數據的支持。

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，穩定性極差，強富水。

2號斜井工區正洞大里程方向施工至DK35+407里程處，工作面出現大量涌水，根據現場測量情況，瞬時最大涌水量約7 500 m3/h，短時間內2號斜井工區正洞298 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上升(如圖2)。

緊急采用強制排水措施，現場配置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10×104m3/d。持續抽排45 d后恢復隧道施工，此時涌水量仍達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、持續時間長、水壓大[17-18]等特點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號斜井工區正洞涌水的處理時間較長，且恢復施工后帶水作業效率低，隧道工期嚴重滯后。加深水文地質工作表明，預測隧道正常涌水量由3.7×104m3/d調整為11×104m3/d，預測隧道最大涌水量由7.4×104m3/d調整為16.5×104m3/d，其中1號斜井工區最大涌水量為21 500 m3/d，2號斜井工區最大涌水量為93 600 m3/d， 較原設計均有大幅增加，原設計的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，反坡排水區段長，機械排水耗能大、排水效率低，且地質條件復雜、水量豐富、水壓大、帶水作業施工難度大、涌水淹井風險高。

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，圍巖極不穩定，預測有更大規模坍塌及涌水涌渣風險，且巖性接觸破碎帶位于1號斜井與正洞交叉口位置，挑頂施工風險極高，故采用了“正面封堵，兩側迂回”方案：對井底涌水涌渣工作面進行封堵，同時設置1-1支洞及1-2支洞迂回至正洞施工[19]。

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

為增大隧道排水能力，盡快形成局部順坡排水條件，結合現場實際，于1號斜井工區增設泄水洞[21]，1-2支洞可為泄水洞開設工作面，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號斜井工區設置儲水倉，便于涌水后有一定的緩沖時間，保證人員、設備的緊急撤離，同時為抽排水設備的啟動爭取更多時間。

考慮隧道內多工作面同時作業的通風需求，改善施工作業環境，分別于平導及3號斜井處設置φ3.0 m通風豎井，必要時可作為應急抽排水豎井。

3.2 設計原則

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

3.3 排水方案說明

因工期、排水、通風需要，正盤臺隧道形成了復雜的輔助坑道網絡。可利用輔助坑道，進行超前釋水、順坡排水、儲水反排、控水限流等作業，同時結合正洞排水系統，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”設計中，封堵墻預留φ108 mm泄水管，尾部安裝閥門，當1-1支洞再次通過巖性接觸破碎帶時，可關閉閥門，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，以此實現對周圍地下水的可控式排放，如圖4所示。

在1號斜井工區，利用輔助坑道設置儲水倉，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1號～2號斜井區段的平導發生瞬時超大涌水時可匯入儲水倉，并及時采用抽排水設備通過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，并設置1-3橫通道，可實現1號斜井大里程方向平導及正洞內地下水的順坡排放。

1號斜井水倉段設計如圖5所示。

圖4 可控式排水封堵墻設計

圖5 1號斜井水倉段剖面

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

圖6 2號斜井工區儲水倉平面示意

圖7 2號斜井工區儲水倉橫斷面示意

設備區配置不同功率的抽排水設備，并進行合理級配，當2號斜井工區大里程方向正洞及平導工作面發生涌水時，根據涌水量大小，可分級自動啟動抽排設備。

(2)運營期排水方案

平導與正洞間的橫通道封堵時，在橫通道底部設置排水管，將隧道側溝與平導連通，將正洞側溝內的水引排至平導，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設置水量調節裝置，對正洞中心排水管進行分流設計，實現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計(單位：cm)

檢查井內設置直徑為70 cm的弧形水槽，水槽與井內兩端的中心管連接，當上游中心排水管內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，然后通過泄水洞順坡排至洞外。可通過調整水槽邊緣的高度，達到調節中心排水管內水量的目的。

除襯砌背后環縱向排水盲管、側溝、中心排水管等常規排水措施外，還于仰拱填充內的左、右線線路外側及隧道中線位置設置三道縱向通長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，避免隧底產生病害。

4 結束語

(1)正盤臺隧道為我國北方地區典型的長大強富水隧道，可通過合理設置輔助坑道、增加工作面等方式提高排水能力，實現了釋水、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、費用高，盡早實現順坡排水對降低安全風險、提高施工效率、控制工程投資尤為關鍵。

(3)經過現場驗證，可控式排水封堵墻、洞內儲水倉、中心排水管分流等創新設計應用效果顯著，施工易操作，較好地達到了設計目的，可為類似工程提供參考和借鑒。