順坡鐵路隧道施工廢水清污分流方法研究與應(yīng)用

李傳松,茹 旭,曾慶華,李紹平,薛 正,張 皓

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031;2.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038)

鐵路隧道施工所帶來(lái)的環(huán)境影響日益引起人們的關(guān)注，隧道施工廢水被認(rèn)為是主要污染源之一[1-2]。近些年我國(guó)逐年加大了對(duì)隧道施工廢水治理的投入，有效保護(hù)了鐵路沿線的生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)社會(huì)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展，但帶來(lái)了較大的投資成本壓力。

隧道施工廢水的主要來(lái)源是施工期間受污染的地下水，包括施工掌子面涌水和隧道襯砌后的環(huán)向與縱向盲管所收集的地下水，其余施工作業(yè)流程如鉆孔、爆破、噴射、注漿等工序所產(chǎn)生的廢水量較少[3]。掌子面附近的涌水原為清水，遇到巖粉、巖屑、水泥漿等后才變?yōu)閺U水，是施工廢水的主要來(lái)源。襯砌段的盲管所收集的水多為清水。若能在隧道內(nèi)實(shí)現(xiàn)掌子面、初襯段的施工廢水與二襯段的涌水(清水)的清污分質(zhì)分流，不僅可降低隧道施工廢水處理設(shè)施的規(guī)模和處理難度，還能大幅降低廢水處理設(shè)施的建設(shè)成本和運(yùn)行費(fèi)用。因此，研究鐵路隧道施工廢水的清污分流方法具有現(xiàn)實(shí)意義。

隧道施工中依據(jù)施工廢水的排出方式可分為順坡施工和反坡施工。順坡隧道施工廢水受重力作用自行排出洞外，不像反坡隧道需要提升泵站和管道，節(jié)能且管理簡(jiǎn)便。尤其是在巖溶區(qū)等地下水較發(fā)育區(qū)域，順坡排水更有利于加快施工進(jìn)度，故順坡施工成為鐵路隧道施工的主要選擇方式。

本文針對(duì)順坡單線、雙線隧道和順坡輔助坑道(橫洞和平導(dǎo))在構(gòu)造上的特點(diǎn)與差異，探討了隧道內(nèi)清污分流的可行方法，并結(jié)合工程實(shí)踐進(jìn)行初步試點(diǎn)，為相關(guān)研究和應(yīng)用提供參考。

1 順坡隧道清污分流策略分析

1.1 單洞單線隧道

典型的鐵路單洞單線隧道斷面如圖1所示。通常此類隧道兩側(cè)設(shè)側(cè)溝但不設(shè)中心溝。施工期間為便于施工車輛通行，一般僅在正洞貫通后才修筑側(cè)溝，因此無(wú)法有效排水，僅通過(guò)散排或臨時(shí)排水溝進(jìn)行排水。

圖1 典型的鐵路單洞單線隧道斷面示意(單位：cm)

此類隧道多為單車道運(yùn)輸、出渣，并將洞內(nèi)臨時(shí)路面施工至隧道內(nèi)軌頂面以下約0.3～0.8 m，此時(shí)，單線隧道內(nèi)臨時(shí)行車道路的寬度約4.4 m(與隧道設(shè)計(jì)時(shí)速和軌道類型有關(guān))。依據(jù)現(xiàn)行JTG D20—2017《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，載重汽車寬度按2.5 m計(jì)，設(shè)計(jì)速度30 km/h的單車道寬度為3.25 m；當(dāng)受地形地質(zhì)條件限制時(shí)，設(shè)計(jì)速度20 km/h的單車道寬度為3.0 m。因此，對(duì)于單洞單線隧道，考慮到單側(cè)行人寬度0.7 m 外，每側(cè)富余寬度約0.2～0.3 m，可以采用同步修筑臨時(shí)排水溝或者側(cè)溝作為順坡排水通道，且不影響洞內(nèi)車輛的正常運(yùn)輸?？刹扇〉氖┕U水清污分流方法以同步修筑臨時(shí)排水溝為例說(shuō)明如下：

1)當(dāng)隧道為貧富水隧道、弱富水隧道、中等富水隧道或預(yù)測(cè)涌水量較小時(shí)，可在隧道洞內(nèi)的一側(cè)設(shè)臨時(shí)清水排水溝(接納兩側(cè)環(huán)向與縱向盲管的清水)，另一側(cè)設(shè)廢水溝(接納掌子面和初襯施工廢水，溝寬0.2～0.3 m)，形成簡(jiǎn)單有效的排水通道，如圖2(a)所示。其中一側(cè)的環(huán)向與縱向盲管按一定間距(如10 m)暗敷至對(duì)側(cè)清水溝；隨著掌子面的推進(jìn)，同步修筑臨時(shí)清水溝并在溝起端設(shè)新的臨時(shí)攔水壩并及時(shí)拆除舊攔水壩。

2)當(dāng)隧道為強(qiáng)富水隧道時(shí)，或隧道最大涌水量偏大時(shí)，可增大排水溝的寬度至0.35～0.50 m，并結(jié)合隧道坡度及預(yù)測(cè)涌水量核算其寬度是否滿足隧道排水能力需求。

3)當(dāng)順坡隧道正洞內(nèi)寬度受洞內(nèi)場(chǎng)地等條件限制時(shí)，尤其是單線隧道無(wú)條件修筑雙排水溝時(shí)，也可以在單側(cè)布置清水溝和廢水管，如圖2(b)所示,在掌子面設(shè)集水池，并在清水溝同側(cè)增加廢水排水管(鑄鐵、PVC等管材)，將掌子面的施工廢水收集、匯入廢水管，而二襯段的盲管清水排入清水溝。此時(shí)清水溝寬度還應(yīng)滿足隧道排水能力的需求。

圖2 單洞單線順坡隧道清污分流方法(單位：cm)

1.2 單洞雙線順坡隧道

此類隧道設(shè)中心溝且多采用雙車道進(jìn)行運(yùn)輸和出渣作業(yè)。不同的隧道設(shè)計(jì)時(shí)速下，此類隧道施工中的臨時(shí)行車道路的寬度約9.0～10.0 m。依據(jù)JTG D20—2017，道路在6.0～6.5 m寬時(shí)即可實(shí)現(xiàn)雙車道的正常通行。減去兩側(cè)行人寬度0.7 m，隧道單側(cè)富余寬度約0.9～1.4 m，修筑臨時(shí)排水溝時(shí)不影響洞內(nèi)車輛的正常運(yùn)輸。對(duì)此，如圖3所示，采取以下措施實(shí)現(xiàn)此類順坡隧道的清污分流。

1)在二襯段起點(diǎn)處設(shè)混凝土臨時(shí)攔水壩(用沙袋或混凝土)，雙側(cè)的側(cè)溝只接納本側(cè)二襯段盲管排水。

2)在掌子面和初襯段將本區(qū)域內(nèi)的施工涌水收集并引入中心溝，自流排出隧道并經(jīng)處理后排放或回用。

圖3 單洞雙線順坡隧道清污分流平面及斷面示意

1.3 輔助坑道

隧道施工中為加快施工進(jìn)度，常設(shè)置若干輔助坑道如平導(dǎo)、橫洞、斜井等以增加施工作業(yè)面的數(shù)量。其中平導(dǎo)和橫洞為順坡施工排水且只設(shè)側(cè)溝，不設(shè)中心溝。此外，平導(dǎo)設(shè)計(jì)多采用單通道運(yùn)輸，橫洞設(shè)計(jì)采用單通道或雙通道運(yùn)輸。

在平導(dǎo)及橫洞的施工前期(未施工至正洞)時(shí)，僅需排除坑道自身掘進(jìn)中的地下涌水，可采用雙側(cè)設(shè)清水溝和廢水溝方案；當(dāng)施工運(yùn)輸通道受限時(shí)，可采用單側(cè)設(shè)清水溝和廢水管方案。當(dāng)坑道施工至正洞后除需排出自身二襯段的滲水外，還需排除所承擔(dān)的正洞工區(qū)內(nèi)的涌水，且正洞內(nèi)同時(shí)存在反坡施工段和順坡施工段，其施工組織設(shè)計(jì)與水文地質(zhì)條件更為復(fù)雜，仍須進(jìn)一步研究。

2 工程應(yīng)用實(shí)例

鄭萬(wàn)線巫山隧道位于重慶市巫山縣，全長(zhǎng)16.57 km，設(shè)3處橫洞、1處斜井和2處平導(dǎo)。3號(hào)橫洞工區(qū)含橫洞(2 276 m)、2號(hào)平導(dǎo)(3 504 m)、正洞(4 932 m)和豎井(330 m)，其中橫洞洞身采用32‰順坡施工。橫洞按雙車道無(wú)軌運(yùn)輸設(shè)計(jì)，凈空尺寸為寬7.5 m×高6.2 m。洞身的主要巖性為泥巖、泥灰?guī)r和灰?guī)r。正洞工區(qū)、2號(hào)平導(dǎo)及3號(hào)橫洞的涌水均通過(guò)3號(hào)橫洞排出。依據(jù)水文地質(zhì)資料，橫洞最大涌水量約為 10 000 m3/d，正洞約 21 250 m3/d，平導(dǎo)約 1 150 m3/d。合計(jì)最大排水量約 32 750 m3/d。

巫山隧道3號(hào)橫洞于2017年4月8日進(jìn)洞，采用鉆爆法施工。9月中旬前，隧道涌水量約 1 000～3 000 m3/d。施工前未進(jìn)行清污分流專項(xiàng)設(shè)計(jì)，僅在橫洞單側(cè)修筑1條臨時(shí)排水溝，其寬度為0.4 m，深度約0.3～0.4 m，其余均為硬化路面。橫洞出口為長(zhǎng)江一級(jí)支流大寧河，為敏感水體。依據(jù)環(huán)評(píng)專業(yè)要求，于洞外設(shè)隧道施工廢水處理設(shè)施1套，處理能力為 60 m3/h。

2017年9月中旬后，橫洞洞身300 m處(H3D1K1+976)穿越灰?guī)r地段時(shí)涌水量逐漸增至 8 000～ 10 000 m3/d。2017年12月3日出現(xiàn)最大涌水量 11 912 m3/d，此時(shí)出水流速達(dá)3.5 m/s，攜砂多，懸浮物(SS)高達(dá) 3 479～3 750 mg/L，水質(zhì)差并超出了洞外廢水處理設(shè)施的處理能力，加之清淤不及時(shí)，污水處理站內(nèi)構(gòu)筑物淤積嚴(yán)重不得不停止運(yùn)營(yíng)。

橫洞內(nèi)涌水嚴(yán)重影響隧道的正常施工，涌水量已經(jīng)遠(yuǎn)超出廢水處理站的設(shè)計(jì)能力，并對(duì)鄰近村民的正常生活產(chǎn)生了不利影響。在處理措施經(jīng)費(fèi)有限和洞內(nèi)場(chǎng)地?zé)o法修筑雙側(cè)臨時(shí)水溝的不利條件下，課題組攻關(guān)團(tuán)隊(duì)與施工單位協(xié)商后，采用了單側(cè)清水溝和廢水管的方案。具體措施如下：

1)在掌子面設(shè)矩形混凝土集水池，尺寸2.0 m×1.5 m×1.5 m。設(shè)1根DN400鑄鐵排水管將掌子面污水從集水池引至洞外的沉砂池預(yù)沉后進(jìn)入廢水處理站；排水溝敷設(shè)于涵洞既有排水溝上方，并與管支架固定于橫洞內(nèi)壁。

2)二襯段一側(cè)的環(huán)向與縱向盲管的排水方式不變，流入既有單側(cè)排水溝;另一側(cè)盲管散排,使水自流排出洞外，經(jīng)沉砂池后流入洞外污水處理設(shè)施。

3)新建洞外清水排水渠道，將清水溝的排水引至鄰近溪溝。

上述措施實(shí)施后，廢水管出水流量約 240～300 m3/h，SS為 3 820～4 016 mg/L；排水溝的清水流量約 200～230 m3/h，SS為30～50 mg/L，可能是因?yàn)槎磧?nèi)道路泥漿水散排混入清水溝，導(dǎo)致清水內(nèi)有一定的懸浮物，但SS仍可滿足GB 8978—1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》中的一級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)(SS≤70 mg/L)。

該實(shí)例說(shuō)明在順坡隧道(含平導(dǎo)及橫洞)中進(jìn)行施工廢水清污分流(見(jiàn)圖4)是可行的，且簡(jiǎn)單易行，具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。目前，橫洞已成功穿越灰?guī)r區(qū)段，隧道涌水量有所回落，日排水量約 4 000～5 000 m3/d，而清污分流設(shè)施仍正常運(yùn)營(yíng)。

圖4 3號(hào)橫洞施工廢水清污分流出水比較

3 結(jié)語(yǔ)

因本文實(shí)例是隧道施工后再介入，加之時(shí)間緊迫，實(shí)施中還存在諸多不足之處，但施工廢水清污分流的成功實(shí)踐表明，隧道內(nèi)清污分流是可以實(shí)現(xiàn)的。此外，應(yīng)結(jié)合隧道施工組織，完善順坡隧道及輔助坑道乃至反坡隧道的清污分流方法設(shè)計(jì)，推進(jìn)清污分流的現(xiàn)場(chǎng)工作，完善細(xì)節(jié)，盡早實(shí)現(xiàn)隧道施工中清污分流方法的全面推廣與應(yīng)用，降低廢水處理的規(guī)模和投資。