高速鐵路隧道防排水施工關(guān)鍵技術(shù)研究

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，鐵路隧道越來(lái)越多。在隧道建設(shè)過(guò)程中，其工程地質(zhì)和水文情況對(duì)隧道的施工安全、施工進(jìn)度、工程質(zhì)量以及運(yùn)營(yíng)安全起著重要的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì),鐵路隧道滲漏水是影響隧道安全的重要因素之一,對(duì)隧道危害極大。此外，由于在施工環(huán)節(jié)對(duì)防排水施工沒(méi)有給予足夠的重視，隧道往往會(huì)出現(xiàn)各種裂縫或者砼空隙中滲入隧道等現(xiàn)象，導(dǎo)致洞內(nèi)設(shè)備發(fā)生銹蝕，引發(fā)電氣設(shè)備故障，導(dǎo)致漏電，出現(xiàn)“紅光帶”等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響高速列車的行車安全等，因此確保鐵路隧道工程的防排水施工質(zhì)量意義重大。本文以某高速鐵路隧道為例，對(duì)防排水施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

1.工程概況

1.1 基本地質(zhì)條件

該標(biāo)段隧道線路受巖性及構(gòu)造控制，發(fā)育多個(gè)地貌單元：起端至FⅢ-71為玄武巖地層構(gòu)造剝蝕高中山地貌；FⅢ-72至FⅢ-73段為構(gòu)造剝蝕中山地貌；FⅢ-73至F16段呈構(gòu)造剝蝕中低山地貌，局部巖溶山地地貌發(fā)育；F16至標(biāo)尾段為拱形上升構(gòu)造剝蝕臺(tái)原中山地貌。

隧道局部洞段地下水位高出洞身頂板350m以上，圍巖弱微透水，但在斷層破碎帶及灰?guī)r段尤其是在大箐及帽山白云質(zhì)灰?guī)r段巖體弱至中等透水，水位高于洞身頂板130m及220m。該標(biāo)段可溶巖洞段占比19.37%，隧道沿線依次穿越大箐村（DLⅡ-I-8）及大營(yíng)鎮(zhèn)（DLⅡ-I-9）兩個(gè)巖溶水系統(tǒng)。

1.2 隧道主要工程地質(zhì)問(wèn)題

隧道無(wú)放射性及特殊巖土問(wèn)題，主要工程地質(zhì)問(wèn)題如下。

一是高地震烈度區(qū)與工程抗震問(wèn)題。隧道工程區(qū)50年超越概率10%水平向地震動(dòng)峰值加速度0.2g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期0.45s，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅷ度，存在高地震烈度工程抗震問(wèn)題。

二是穿越活動(dòng)性斷裂抗斷問(wèn)題。隧道在里程DLⅡ47+078～47+133段穿越F16程海-賓川活動(dòng)性斷裂（Q3）南段，存在抗斷問(wèn)題。

三是隧道圍巖穩(wěn)定問(wèn)題。該標(biāo)段隧道Ⅱ類圍巖占比5.86%，約1.241km；Ⅲ1類圍巖占比25.81%，約5.464km；Ⅲ2類圍巖占比33.71%，約7.137km；Ⅳ類圍巖占比18.66%，約3.951km；Ⅴ類圍巖占比15.96%，約3.380km。洞軸線與巖層走向（總體）交角小于30°約占58.21%，緩傾巖層洞段約占6.43%，其中既有緩傾角又有小夾角問(wèn)題洞段占4.66%。洞軸線與層（流）面小夾角段及產(chǎn)狀緩傾角段，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。

四是隧道涌（突）水問(wèn)題及高外水壓力、隧道涌突水問(wèn)題。其主要發(fā)生在線路穿越大箐村（DLⅡ-1-8）、大營(yíng)鎮(zhèn)（DLⅡ-1-9）巖溶水系統(tǒng)及斷裂帶含水體時(shí)，最大涌突水出現(xiàn)在大箐段。隧道存在高外水壓?jiǎn)栴}6個(gè)洞段，占比9.65%，最大高外水壓力出現(xiàn)在畢馬村巖溶段，需對(duì)隧道涌（突）水及高外水壓洞段進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)及打超前排水孔引流釋壓。（表1）

表1 隧道高外水壓段落

五是地下水環(huán)境影響及地表水體影響問(wèn)題。隧道橫穿大箐村巖溶水系統(tǒng)（DLⅡ-I-8）補(bǔ)給及地下徑流區(qū)，施工排水可能對(duì)大箐溝水流造成減流影響。隧道在新村、畢馬村一帶穿越大營(yíng)鎮(zhèn)巖溶水系統(tǒng)（DLⅡ-I-9）中的新村巖溶子系統(tǒng)（DLⅡ-I-9-1）及桑園—畢馬村巖溶子系統(tǒng)（DLⅡ-I-9-2），施工排水將對(duì)新村巖溶子系統(tǒng)及桑園-畢馬村巖溶子系統(tǒng)內(nèi)的泉點(diǎn)產(chǎn)生疏干減流影響。施工不會(huì)對(duì)小官村庫(kù)盆滲漏產(chǎn)生影響，對(duì)徑流區(qū)入庫(kù)總補(bǔ)給量影響較小。

六是硬巖巖爆問(wèn)題及軟巖變形問(wèn)題。巖爆段總長(zhǎng)約8302m，占該段隧道總長(zhǎng)的39.2%。其中輕微巖爆洞段7064m，占巖爆洞段長(zhǎng)度的85.1%，占該段隧道總長(zhǎng)的33.4%；中等巖爆洞段1238m，占巖爆洞段長(zhǎng)度的14.9%，占該段隧道總長(zhǎng)的5.8%。隧道段擠壓變形總長(zhǎng)約867m，占該段隧道總長(zhǎng)的4.1%。其中極嚴(yán)重?cái)D壓變形洞段158m，占變形段長(zhǎng)度的18.2%，占該段隧道總長(zhǎng)的0.75%；嚴(yán)重變形洞段124m，占變形段長(zhǎng)度的14.3%，占該段隧道總長(zhǎng)的0.59%；中等擠壓變形洞段129m，占變形段長(zhǎng)度的14.9%，占該段隧道總長(zhǎng)的0.61%；輕微變形洞段456m，占變形段長(zhǎng)度的52.6%，占該段隧道總長(zhǎng)的2.15%。

七是高地溫問(wèn)題。該標(biāo)段隧道可能存在高地溫問(wèn)題的有2段，均位于隧道前段的老鷹山及烏龍壩（長(zhǎng)356m、埋深672m-694m）等洞段，2段共計(jì)長(zhǎng)712m，占該段隧道總長(zhǎng)的3.36%。

2.防排水施工關(guān)鍵技術(shù)與保障

2.1 地下水的控制和排除原則

一是對(duì)洞內(nèi)地下水以預(yù)防為主，堅(jiān)持“有疑必探，先探后掘”的原則。

二是為減小隧道運(yùn)行期對(duì)地下水環(huán)境的影響，在工程中采取的滲控方案主要為：對(duì)存在地下水環(huán)境影響洞段在施工程序上將二次襯砌和永久徑向防滲灌漿提前到滯后掌子面一定距離，與掌子面開(kāi)挖同步進(jìn)行；襯砌根據(jù)外水壓力采取襯砌自防水，或在襯砌外設(shè)徑向固結(jié)灌漿限排，灌漿標(biāo)準(zhǔn)（灌后透水率）按不大于5Lu控制。

三是對(duì)預(yù)報(bào)滲水量大的洞段特別是軟弱破碎洞段，在開(kāi)挖前進(jìn)行超前注漿以控制地下水。

四是通過(guò)掌子面超前注漿預(yù)處理，減小掌子面突涌水風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)開(kāi)挖后同步二襯和徑向注漿，減小施工期洞內(nèi)抽排水量。

五是經(jīng)前述預(yù)報(bào)與降水控制后，剩余的洞內(nèi)水以自流或強(qiáng)制抽排的方式排放出洞。

由于正洞坡度較小，集水坑每隔1000m設(shè)置一處，為保證正洞車輛運(yùn)輸暢通，集水井設(shè)在隧道側(cè)壁開(kāi)挖洞室，洞頂和側(cè)壁采用安裝型鋼鋼架噴射混凝土支護(hù)，同時(shí)掌子面配備2至3臺(tái)污水泵，防止掌子面出現(xiàn)涌水。排水布置見(jiàn)圖1。

2.2 地下水涌水量控制

限排要求該隧道46+239～46+857段，長(zhǎng)618m，隧道埋深47m-233m，穿越新村巖溶水系統(tǒng)，涌水問(wèn)題突出，對(duì)周邊泉點(diǎn)有減流疏干影響，施工過(guò)程中應(yīng)采取堵水限排設(shè)計(jì)。49+719～50+057段，洞長(zhǎng)338m，穿越小官村水庫(kù)徑流區(qū)，畢馬村～桑園村巖溶水系統(tǒng)，徑流面積6km2-7km2，隧道施工使地下水位下降，對(duì)周邊泉水有影響，同時(shí)影響小官村水庫(kù)年徑流量，因此建議對(duì)該段進(jìn)行堵水限排處理。

圖1 隧道反坡排水布置示意圖

富水地段堵水要根據(jù)不同的安全和環(huán)境問(wèn)題采取相應(yīng)的綜合處理措施。一是進(jìn)行超前地質(zhì)探測(cè)，判別富水地層的位置、地質(zhì)特性；二是根據(jù)富水地層的定位、地質(zhì)特性，分析可能的涌突水量，綜合確定涌突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)；三是根據(jù)涌突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和洞段所在的環(huán)境影響因素類型，采取超前灌漿、邊挖邊襯、襯后固結(jié)灌漿防滲等工程處理措施。

涌突水風(fēng)險(xiǎn)極高和高的A、B級(jí)洞段，主要是穿過(guò)寬厚斷層、巖溶發(fā)育或儲(chǔ)水向斜洞段，由于洞段圍巖穩(wěn)定條件差，構(gòu)造規(guī)模大，且含有豐富的地下水，一旦揭穿，極易發(fā)生大規(guī)模的涌突水災(zāi)害，危及工程施工安全，因此，確保施工安全是這類洞段的首要目的。地下水是產(chǎn)生涌突水災(zāi)害的主因，為減小涌突水對(duì)工程安全的威脅，給后續(xù)加固施工創(chuàng)造條件，確保施工安全，需對(duì)涌突水風(fēng)險(xiǎn)極高和高的A、B級(jí)洞段進(jìn)行超前預(yù)灌漿封堵。對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)一般（C級(jí)）和?。―級(jí)）的洞段，由于涌水量一般或小，地下水對(duì)工程帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小，可僅對(duì)局部集中出水點(diǎn)進(jìn)行灌漿封堵。

2.3 邊挖邊襯

對(duì)于涌突水風(fēng)險(xiǎn)極高和高的A、B級(jí)洞段，除了進(jìn)行超前灌漿堵水外，為確保施工安全，需要及時(shí)跟進(jìn)襯砌，因此對(duì)這類洞段一般采取邊挖邊襯措施。對(duì)于涌突水風(fēng)險(xiǎn)為C、D級(jí)洞段，雖然涌水量相對(duì)小，但對(duì)于存在影響地表水用戶用水、地表存在污染物或背景值超標(biāo)以及施工排水進(jìn)入敏感地表水體、達(dá)標(biāo)排放標(biāo)準(zhǔn)高、廢水處理費(fèi)用大等三類環(huán)境影響因素的洞段，為緩解地下水排放對(duì)環(huán)境的影響，需要盡量減少施工期排水量，因此對(duì)這類型洞段也采取邊挖邊襯措施。對(duì)于存在影響地表水用戶用水的洞段，為保證襯砌結(jié)構(gòu)安全，需要在頂拱布置排水孔，但排水孔對(duì)地下水的長(zhǎng)期外排會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響，為減少對(duì)環(huán)境的影響，對(duì)這類型的洞段，要根據(jù)外水壓力的大小，在襯后采取結(jié)構(gòu)自防滲或徑向固結(jié)灌漿防滲措施。

2.4 施工期排水

支洞與正洞交叉口位置設(shè)固定泵站，泵站水倉(cāng)結(jié)構(gòu)尺寸為：30m（長(zhǎng)）×5.0m（寬）×2.8m（深），容量280m3。正洞反坡排水每隔1000m處設(shè)置泵站。確定泵站建設(shè)與設(shè)備選型配置后主要研究的問(wèn)題：一是如何實(shí)現(xiàn)排水自動(dòng)化；二是提高排水智能化和可靠性，從而降低斜井排水費(fèi)。水泵采用泵寶水泵智能控制器來(lái)控制水泵抽水時(shí)間，該控制器具有全自動(dòng)控制水位、壓力、浮球等多功能控制功能，全面保護(hù)過(guò)載、空載、保護(hù)功能，有自動(dòng)、手動(dòng)兩種工作模式可供選擇。

2.5 隧道排水處理方案

該標(biāo)段輸水隧道主洞進(jìn)出口及各施工支洞洞口，涉及賓居河流域以及河底水庫(kù)和響水河水庫(kù)兩個(gè)灌溉水庫(kù)，對(duì)隧道排水進(jìn)行收集處理后，按照相應(yīng)處理目標(biāo)達(dá)標(biāo)排放。各隧道排水處理目標(biāo)要求詳見(jiàn)表2。

表2 隧道排水處理目標(biāo)要求

隧道排水的廢水處理位置盡可能設(shè)置在靠近施工支洞的洞口處，隧道排水通過(guò)提升泵抽入沉淀池中。加藥間僅用作絮凝劑和混凝劑堆存和配藥，藥劑每日一次，投入一體化加藥系統(tǒng)中，通過(guò)管線加藥到絮凝反應(yīng)池中，加藥間布置在絮凝反應(yīng)池周邊合適位置，面積4.0×4.0m，高度4.2m，采用輕鋼結(jié)構(gòu)活動(dòng)板房。

如圖2所示，主要供電為一體化加藥系統(tǒng)，攪拌器和供藥系統(tǒng)供電負(fù)荷可選3kW以內(nèi)。平流式沉淀池的運(yùn)行方式為自流運(yùn)行。清淤方式采用人工清淤，清淤深度1.5m，清淤周期不固定，按照出水水質(zhì)來(lái)確定清淤時(shí)間，水質(zhì)達(dá)標(biāo)的情況下不清淤。

3.突泥突水險(xiǎn)情應(yīng)急處置措施

3.1 潛在危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)估

主要存在涌水（突泥）風(fēng)險(xiǎn)段落均在3#和4#隧道工作面，尤其雨季更為突出。根據(jù)工程地質(zhì)資料顯示，主要事故類型包括淹溺、透水可能引發(fā)坍塌、觸電等。隧道掘進(jìn)開(kāi)挖，尤其是主洞開(kāi)挖均為雙面掘進(jìn)，一端發(fā)生突泥突水，兩處工作面都將會(huì)受災(zāi)，在施工過(guò)程中如發(fā)生涌水、突泥事故，屬于Ⅳ級(jí)重大風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 預(yù)警與預(yù)防

（1）預(yù)警

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和地勘資料情況對(duì)可能發(fā)生涌水的段落進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目部工程部、安質(zhì)部依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，需提前一個(gè)月預(yù)警通報(bào)重大風(fēng)險(xiǎn)段落，提出預(yù)防措施制定專項(xiàng)方案，督促現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格按專項(xiàng)方案中措施，做好施工、監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)備應(yīng)急物資儲(chǔ)備及防范，詳見(jiàn)表3。

圖2 隧道排水的廢水處理施工工藝流程圖

表3 涌水風(fēng)險(xiǎn)段落統(tǒng)計(jì)表

（2）預(yù)防

根據(jù)不同安全和環(huán)境問(wèn)題，采取相應(yīng)的綜合處理措施。

一是為減小隧道運(yùn)行期對(duì)地下水環(huán)境的影響，在工程上采取的滲控方案為：對(duì)存在地下水環(huán)境影響洞段在施工程序上將二次襯砌和永久徑向防滲灌漿提前到滯后掌子面一定距離，與掌子面開(kāi)挖同步進(jìn)行；襯砌根據(jù)外水壓力采取襯砌自防水，或在襯砌外設(shè)徑向固結(jié)灌漿限排，灌漿標(biāo)準(zhǔn)（灌后透水率）按不大于5Lu控制。

二是對(duì)預(yù)報(bào)滲水量大的洞段特別是軟弱破碎洞段，在開(kāi)挖前進(jìn)行超前注漿控制地下水。

三是通過(guò)掌子面超前注漿預(yù)處理，降低掌子面突涌水風(fēng)險(xiǎn)；通過(guò)開(kāi)挖后同步二襯和徑向注漿，減小施工期洞內(nèi)抽排水量。

四是根據(jù)涌突水風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和洞段所在的環(huán)境影響因素類型，采取超前灌漿、邊挖邊襯、襯后固結(jié)灌漿防滲等工程處理措施。

4.結(jié)論

高速鐵路隧道防排水是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，其施工質(zhì)量好壞直接影響到隧道實(shí)體質(zhì)量、施工安全和施工進(jìn)度。本文針對(duì)鐵路隧道中存在的滲漏水等問(wèn)題，強(qiáng)化隧道施工過(guò)程控制，提出地下水的控制和排除原則，設(shè)計(jì)出施工排水總體方案，并對(duì)危險(xiǎn)突水區(qū)段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出土水處理措施，保證了隧道防排水施工質(zhì)量，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期防排水效果。我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)鐵路隧道排水施工技術(shù)的研究，以此確保隧道質(zhì)量提升，使列車得以順暢通行，進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高人民生活水平。