高速鐵路隧道防排水施工關鍵技術研究

隨著我國經濟社會的快速發展，鐵路隧道越來越多。在隧道建設過程中，其工程地質和水文情況對隧道的施工安全、施工進度、工程質量以及運營安全起著重要的影響。據統計,鐵路隧道滲漏水是影響隧道安全的重要因素之一,對隧道危害極大。此外，由于在施工環節對防排水施工沒有給予足夠的重視，隧道往往會出現各種裂縫或者砼空隙中滲入隧道等現象，導致洞內設備發生銹蝕，引發電氣設備故障，導致漏電，出現“紅光帶”等現象，嚴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量意義重大。本文以某高速鐵路隧道為例，對防排水施工關鍵技術進行研究。

1.工程概況

1.1 基本地質條件

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

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巖段尤其是在大箐及帽山白云質灰巖段巖體弱至中等透水，水位高于洞身頂板130m及220m。該標段可溶巖洞段占比19.37%，隧道沿線依次穿越大箐村（DLⅡ-I-8）及大營鎮（DLⅡ-I-9）兩個巖溶水系統。

1.2 隧道主要工程地質問題

隧道無放射性及特殊巖土問題，主要工程地質問題如下。

一是高地震烈度區與工程抗震問題。隧道工程區50年超越概率10%水平向地震動峰值加速度0.2g，地震動反應譜特征周期0.45s，相應地震基本烈度為Ⅷ度，存在高地震烈度工程抗震問題。

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

三是隧道圍巖穩定問題。該標段隧道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題洞段占4.66%。洞軸線與層（流）面小夾角段及產狀緩傾角段，對圍巖穩定不利。

四是隧道涌（突）水問題及高外水壓力、隧道涌突水問題。其主要發生在線路穿越大箐村（DLⅡ-1-8）、大營鎮（DLⅡ-1-9）巖溶水系統及斷裂帶含水體時，最大涌突水出現在大箐段。隧道存在高外水壓問題6個洞段，占比9.65%，最大高外水壓力出現在畢馬村巖溶段，需對隧道涌（突）水及高外水壓洞段進行超前地質預報及打超前排水孔引流釋壓。（表1）

表1 隧道高外水壓段落

五是地下水環境影響及地表水體影響問題。隧道橫穿大箐村巖溶水系統（DLⅡ-I-8）補給及地下徑流區，施工排水可能對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鎮巖溶水系統（DLⅡ-I-9）中的新村巖溶子系統（DLⅡ-I-9-1）及桑園—畢馬村巖溶子系統（DLⅡ-I-9-2），施工排水將對新村巖溶子系統及桑園-畢馬村巖溶子系統內的泉點產生疏干減流影響。施工不會對小官村庫盆滲漏產生影響，對徑流區入庫總補給量影響較小。

六是硬巖巖爆問題及軟巖變形問題。巖爆段總長約8302m，占該段隧道總長的39.2%。其中輕微巖爆洞段7064m，占巖爆洞段長度的85.1%，占該段隧道總長的33.4%；中等巖爆洞段1238m，占巖爆洞段長度的14.9%，占該段隧道總長的5.8%。隧道段擠壓變形總長約867m，占該段隧道總長的4.1%。其中極嚴重擠壓變形洞段158m，占變形段長度的18.2%，占該段隧道總長的0.75%；嚴重變形洞段124m，占變形段長度的14.3%，占該段隧道總長的0.59%；中等擠壓變形洞段129m，占變形段長度的14.9%，占該段隧道總長的0.61%；輕微變形洞段456m，占變形段長度的52.6%，占該段隧道總長的2.15%。

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

2.防排水施工關鍵技術與保障

2.1 地下水的控制和排除原則

一是對洞內地下水以預防為主，堅持“有疑必探，先探后掘”的原則。

二是為減小隧道運行期對地下水環境的影響，在工程中采取的滲控方案主要為：對存在地下水環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，與掌子面開挖同步進行；襯砌根據外水壓力采取襯砌自防水，或在襯砌外設徑向固結灌漿限排，灌漿標準（灌后透水率）按不大于5Lu控制。

三是對預報滲水量大的洞段特別是軟弱破碎洞段，在開挖前進行超前注漿以控制地下水。

四是通過掌子面超前注漿預處理，減小掌子面突涌水風險；通過開挖后同步二襯和徑向注漿，減小施工期洞內抽排水量。

五是經前述預報與降水控制后，剩余的洞內水以自流或強制抽排的方式排放出洞。

由于正洞坡度較小，集水坑每隔1000m設置一處，為保證正洞車輛運輸暢通，集水井設在隧道側壁開挖洞室，洞頂和側壁采用安裝型鋼鋼架噴射混凝土支護，同時掌子面配備2至3臺污水泵，防止掌子面出現涌水。排水布置見圖1。

2.2 地下水涌水量控制

限排要求該隧道46+239～46+857段，長618m，隧道埋深47m-233m，穿越新村巖溶水系統，涌水問題突出，對周邊泉點有減流疏干影響，施工過程中應采取堵水限排設計。49+719～50+057段，洞長338m，穿越小官村水庫徑流區，畢馬村～桑園村巖溶水系統，徑流面積6km2-7km2，隧道施工使地下水位下降，對周邊泉水有影響，同時影響小官村水庫年徑流量，因此建議對該段進行堵水限排處理。

圖1 隧道反坡排水布置示意圖

富水地段堵水要根據不同的安全和環境問題采取相應的綜合處理措施。一是進行超前地質探測，判別富水地層的位置、地質特性；二是根據富水地層的定位、地質特性，分析可能的涌突水量，綜合確定涌突水風險等級；三是根據涌突水風險等級和洞段所在的環境影響因素類型，采取超前灌漿、邊挖邊襯、襯后固結灌漿防滲等工程處理措施。

涌突水風險極高和高的A、B級洞段，主要是穿過寬厚斷層、巖溶發育或儲水向斜洞段，由于洞段圍巖穩定條件差，構造規模大，且含有豐富的地下水，一旦揭穿，極易發生大規模的涌突水災害，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。地下水是產生涌突水災害的主因，為減小涌突水對工程安全的威脅，給后續加固施工創造條件，確保施工安全，需對涌突水風險極高和高的A、B級洞段進行超前預灌漿封堵。對于風險一般（C級）和小（D級）的洞段，由于涌水量一般或小，地下水對工程帶來的安全風險相對較小，可僅對局部集中出水點進行灌漿封堵。

2.3 邊挖邊襯

對于涌突水風險極高和高的A、B級洞段，除了進行超前灌漿堵水外，為確保施工安全，需要及時跟進襯砌，因此對這類洞段一般采取邊挖邊襯措施。對于涌突水風險為C、D級洞段，雖然涌水量相對小，但對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以及施工排水進入敏感地表水體、達標排放標準高、廢水處理費用大等三類環境影響因素的洞段，為緩解地下水排放對環境的影響，需要盡量減少施工期排水量，因此對這類型洞段也采取邊挖邊襯措施。對于存在影響地表水用戶用水的洞段，為保證襯砌結構安全，需要在頂拱布置排水孔，但排水孔對地下水的長期外排會對環境造成影響，為減少對環境的影響，對這類型的洞段，要根據外水壓力的大小，在襯后采取結構自防滲或徑向固結灌漿防滲措施。

2.4 施工期排水

支洞與正洞交叉口位置設固定泵站，泵站水倉結構尺寸為：30m（長）×5.0m（寬）×2.8m（深），容量280m3。正洞反坡排水每隔1000m處設置泵站。確定泵站建設與設備選型配置后主要研究的問題：一是如何實現排水自動化；二是提高排水智能化和可靠性，從而降低斜井排水費。水泵采用泵寶水泵智能控制器來控制水泵抽水時間，該控制器具有全自動控制水位、壓力、浮球等多功能控制功能，全面保護過載、空載、保護功能，有自動、手動兩種工作模式可供選擇。

2.5 隧道排水處理方案

該標段輸水隧道主洞進出口及各施工支洞洞口，涉及賓居河流域以及河底水庫和響水河水庫兩個灌溉水庫，對隧道排水進行收集處理后，按照相應處理目標達標排放。各隧道排水處理目標要求詳見表2。

表2 隧道排水處理目標要求

隧道排水的廢水處理位置盡可能設置在靠近施工支洞的洞口處，隧道排水通過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中，通過管線加藥到絮凝反應池中，加藥間布置在絮凝反應池周邊合適位置，面積4.0×4.0m，高度4.2m，采用輕鋼結構活動板房。

如圖2所示，主要供電為一體化加藥系統，攪拌器和供藥系統供電負荷可選3kW以內。平流式沉淀池的運行方式為自流運行。清淤方式采用人工清淤，清淤深度1.5m，清淤周期不固定，按照出水水質來確定清淤時間，水質達標的情況下不清淤。

3.突泥突水險情應急處置措施

3.1 潛在危險源風險性評估

主要存在涌水（突泥）風險段落均在3#和4#隧道工作面，尤其雨季更為突出。根據工程地質資料顯示，主要事故類型包括淹溺、透水可能引發坍塌、觸電等。隧道掘進開挖，尤其是主洞開挖均為雙面掘進，一端發生突泥突水，兩處工作面都將會受災，在施工過程中如發生涌水、突泥事故，屬于Ⅳ級重大風險。

3.2 預警與預防

（1）預警

根據設計圖紙和地勘資料情況對可能發生涌水的段落進行統計，項目部工程部、安質部依據現場施工進度，需提前一個月預警通報重大風險段落，提出預防措施制定專項方案，督促現場嚴格按專項方案中措施，做好施工、監測、準備應急物資儲備及防范，詳見表3。

圖2 隧道排水的廢水處理施工工藝流程圖

表3 涌水風險段落統計表

（2）預防

根據不同安全和環境問題，采取相應的綜合處理措施。

一是為減小隧道運行期對地下水環境的影響，在工程上采取的滲控方案為：對存在地下水環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，與掌子面開挖同步進行；襯砌根據外水壓力采取襯砌自防水，或在襯砌外設徑向固結灌漿限排，灌漿標準（灌后透水率）按不大于5Lu控制。

二是對預報滲水量大的洞段特別是軟弱破碎洞段，在開挖前進行超前注漿控制地下水。

三是通過掌子面超前注漿預處理，降低掌子面突涌水風險；通過開挖后同步二襯和徑向注漿，減小施工期洞內抽排水量。

四是根據涌突水風險等級和洞段所在的環境影響因素類型，采取超前灌漿、邊挖邊襯、襯后固結灌漿防滲等工程處理措施。

4.結論

高速鐵路隧道防排水是一項系統工程，其施工質量好壞直接影響到隧道實體質量、施工安全和施工進度。本文針對鐵路隧道中存在的滲漏水等問題，強化隧道施工過程控制，提出地下水的控制和排除原則，設計出施工排水總體方案，并對危險突水區段進行風險評估，提出土水處理措施，保證了隧道防排水施工質量，達到設計預期防排水效果。我們應當加強對鐵路隧道排水施工技術的研究，以此確保隧道質量提升，使列車得以順暢通行，進一步促進我國經濟發展、提高人民生活水平。