深埋礦山法海底隧道排水設計探討
——以珠江口鐵路隧道為例

戴 新， 賀維國， 王東偉， 呂青松， 于 勇

(1. 中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133； 2. 中國中鐵智慧城市研發中心， 天津 300300)

0 引言

礦山法是一種適用于各種不同巖石條件的隧道施工方法[1]。對于礦山法施工的海底隧道而言，因為隧道深埋于海域，具有埋深大、水壓高、補給水量豐富等特點,結構滲水量大，每天排水量可達上千甚至上萬m3，所以合理的控制排水量標準和排水設計是隧道建設的關鍵，也是控制運營成本的重要指標。文獻[2]提出了海底隧道防排水設計應遵循的原則；文獻[3]根據理論分析和現場實測，提出了廈門海底隧道的排放量標準；文獻[4]對防排水系統的設計和參數選擇提出了具體建議；文獻[5-8]介紹了大型海底隧道基于排水量控制的結構設計方法；文獻[9-12]介紹了具體的海底隧道工程運營期排水設計思路及運行狀況。這些研究為我國礦山法水下隧道防排水設計提供了重要數據和寶貴經驗。

總體來看，上述研究分別從海底隧道防排水原則和系統設計、排水量標準及運營期排水設計等方面進行了理論分析和現場試驗，但只是單純地討論施工期的“防”和運營期的“排”，缺乏全面、多層級、系統的論證以及立足實際工況的研究。

本文以目前國內埋深和水壓最大的海底隧道——深江鐵路珠江口隧道為工程背景，一方面，探討水下隧道防排水類型、礦山法段控制排水量標準；另一方面，著重對已建工程實際的排水量、不同類型水泵的運行效果、不同提升方案的運維及能效等進行分析。通過全過程控制結構排水量，優化排水設計，實現隧道建成后排水系統運行更加穩定、安全、高效，維護更加經濟、便捷的目標。

1 工程概況

珠江口隧道是新建深圳至江門鐵路的重點工程，位于珠江口，連接東莞虎門和廣州南沙。珠江口隧道工程線路長13.69 km，水域段長約11 km，為特長隧道工程。珠江口鐵路隧道線路布置見圖1。

圖1 珠江口鐵路隧道線路布置(單位: m)

隧道按單洞雙線設計，正線線間距4.6 m。盾構隧道內建筑限界凈高為6.7 m，其余段隧道建筑限界凈高為7.25 m。縱斷面為V形坡。隧道采用明挖+盾構+礦山法組合工法施工。中間礦山法段，長度為5.52 km，最大埋深約115 m。隧道線路最低點位于斜井與隧道正線交接點附近，斜井礦山段長1.16 km。在隧道V形坡最低點斜井接入正洞的斜井側設海底廢水泵房。珠江口隧道縱斷面見圖2。

圖2 珠江口隧道縱斷面(單位: m)

2 隧道防排水類型

礦山法隧道工程防排水類型的確定至關重要，一方面它是隧道結構設計的基礎，另一方面對隧道后期的運維影響較大。根據已建及在建工程情況，水下隧道主要有3種防排水類型： 防水型隧道、控制排水型隧道、排水型隧道。

1)防水型隧道，承受全部水壓。不排水的全封閉防水隧道在靜水壓力不超過0.3 MPa的地方廣泛應用。經過大量的工程實踐，人們認識到60 m水頭是防水型隧道的水頭上限。根據國外的情況，采用全封堵方式的隧道，地下水位一般小于30 m，從技術上可以將60 m作為臨界值[3]。

2)控制排水型隧道，承受部分水壓。對于水下隧道來說，完全避免滲水是不可能也是不必要的，主要的工作是降低滲漏量，使其達到安全可靠、經濟合理的水平。控制排水型隧道一般采用堵水限排方案，該方案的關鍵問題在于確定隧道排水量。礦山法水下隧道的排水類型多屬于這種。

3)排水型隧道，為無水壓隧道。排水型隧道利用襯砌背后的排水設施，通過排水系統將滲漏水排出洞外。其關鍵是要保證初期支護和二次襯砌的排水系統暢通。任何排水系統的堵塞，都將導致隧道承受水壓。排水型隧道需要設置較大規模的排水系統。

海底隧道的地下水基本上可以認為是無窮的，全排或以較大流量排水顯然也是不合理的。由于水下隧道地下水位基本穩定，在埋深較小的地段，可采用全堵方式進行防排水；一旦地下水頭超過臨界水頭值，則需要堵水限排。珠江口鐵路隧道為控制排水型隧道，采用“以堵為主，限量排放”的設計原則。

3 礦山法段滲水量標準

3.1 礦山法隧道理論涌水量計算

隧道涌水量的基本形態通常可以分為初期最大涌水量q0、正常涌水量qs、遞減涌水量qt3種情形。隧道開挖后，隧道與地層接觸面不斷擴大，涌水量相應地增加，以后由于泥沙夾層的沖刷使圍巖滲透性能增加，涌水量達到最大值，稱之為初期最大涌水量；接下來，涌水量逐漸減少，這個期間的涌水量稱之為遞減涌水量；再后來，慢慢收斂到某一平衡狀態，為正常涌水量。根據以往文獻的研究成果，最大涌水量和正常涌水量可以由不同的經驗公式分別求得。

最大涌水量主要通過大島洋志公式和馬卡斯特公式預測；正常涌水量采用朱大力經驗公式預測。

大島洋志公式為

(1)

式中：q0為單位長度可能最大涌水量，m3/(d·m)；k為巖層滲透系數,m/d；H為含水層中原始靜水位至隧道等價圓中心的距離，m；r為隧道洞身橫斷面的等價圓半徑，m；d為隧道洞身橫斷面的等價圓直徑，m；m為轉換系數，一般取0.86。

海底隧道與一般山嶺隧道不同，隧道覆蓋層表面存在著穩定的海水壓力。目前，海底隧道涌水量預測常采用的公式有馬卡斯特公式：

(2)

式中：Q為隧道預測涌水量，m3/d；Hl為海水深度，m；h為覆巖厚度(隧道頂至海底的覆蓋巖層厚度)，m；r0為隧道有效開挖半徑，m。

正常涌水量qs采用朱大力經驗公式：

qs=k0H2(0.676-0.06k)。

(3)

式中：k0為含水體的滲透系數，m/d；H2為靜止水位至洞底距離，m。

利用經驗公式求出的珠江口鐵路隧道最大涌水量、正常涌水量以及后期數值模擬的不設置加固圈情況下的正常涌水量，見表1，同時將最大涌水量與地勘報告進行對比。

表1 珠江口鐵路隧道涌水量計算

從目前國內外海底隧道的排水量標準來看，跨珠江口隧道的涌水量過高，因此需要對涌水量進行控制。

3.2 礦山法段控制排水量標準

關于水下隧道控制排水標準，挪威海底隧道規范規定允許的滲水量為300 L/(km·min)[2]，即0.432 m3/(m·d)，而目前國內尚無明確的規范、標準或者指南。嚴格的控制排放標準將使輔助施工措施費用大大增加，而過低的控制標準則使大量的地下水進入隧道，運營成本大大增加。通過對國內外礦山法水下隧道排水量的調研，得到目前國內外礦山法或組合工法礦山法段海底隧道工程的滲水量情況，如表2所示。

表2 國內外建成海底隧道排水量調研

通過調研結果可以看出，因為各隧道的地質條件、環境條件、防排水措施、施工質量等差異，不同隧道的現狀排水量雖存在一定的差別，但也有共性的內容。從表2可以得出，已建成隧道的實際排水量標準值集中在0.1～1.0 m3/(m·d)。在工程設計階段，可根據隧道工程技術經濟指標、地質條件、線路選擇、施工水平并結合已建成隧道類比案例，在以上區間范圍初選出一個控制排水量標準。當隧道線路長、地質條件好時，初選值可偏小些；當線路短、地質條件差時，初選值可偏大些。

由表2可知，也有偏差較大的工程，例如： 廈門地鐵3號線過海區間隧道設計階段控制排水量標準為0.4 m3/(d·m)，而實際工況排水量偏離設計值較大。這種情況出現的主要原因是, 廈門地鐵3號線過海區間圍巖裂隙比較發育，裂隙不貫通區域很難保證注漿效果；可能的原因是,采用的雙液漿注漿材料雖然可注性好、早期強度高，但是耐久性差，且施工質量存在差異等。這也要求我們不能完全依賴一個初期的控制排水量標準去進行排水設計，排水設計一定是隨施工動態修正的過程。

4 礦山法段隧道排水設計思路

根據已建工程經驗，結合珠江口鐵路隧道礦山段具體工程情況，介紹一種礦山法海底隧道的排水設計思路。

4.1 階段1——選定標準

根據以往工程經驗并結合本工程特點，珠江口鐵路隧道礦山段設計階段初步選定隧道控制排水量標準。1)根據3.2節的工程調研，大部分已建工程排水量集中在0.1 ～1.0 m3/(m·d)； 2)珠江口鐵路隧道礦山段大部分穿越硬巖、較硬巖地層，且巖石覆蓋層厚度超過20 m，與膠州灣海底隧道有一定的相似性，但隧道開挖斷面略大； 3)挪威海底隧道規范允許的滲水量為300 L/(km·min)，即0.432 m3/(m·d)； 4)珠江口鐵路隧道礦山段主要穿越弱、微風化花崗巖和片巖，綜合對比分析隧道不同的排水量所需要的地層注漿圈厚度并結合理論涌水量計算。

綜上，珠江口鐵路隧道礦山段初步選定控制排水量標準為0.3 m3/(d·m)，并在此基礎上做好排水冗余設計。

根據TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》：“集水池的有效容積可按排水分區內24～48 h結構滲水量的總和確定”。同時，結合施工過程中滲水量可能增加的情況，集水池和應急倉總容積按滿足儲存控制排水量條件下48 h礦山段滲漏水量的要求設置。

4.2 階段2——過程控制

在鋪設防水板之前，對初期支護的滲漏水量進行實測，若超出限排標準，需及時進行補充注漿封堵。

施工過程中對結構滲水量進行動態監測。隧道開挖后，對已完成二次襯砌的隧道區段滲水量進行跟蹤監測，檢查隧道平均滲水量，量測已開挖部分隧道段的滲水量。二次襯砌后的結構滲漏水由集水坑收集后，通過安裝在壓力排水管上的流量計進行計量，核算平均延米滲水量后，推算全礦山段隧道結構滲水量。若實測過程中結構滲水量超過原排水量標準，施工過程中應進一步加強完善堵水措施，控制結構滲水量規模。

4.3 階段3——動態調整

根據實測和預測的結構滲水量，調整隧道排水設計。排水設計的調整可以從2個方面進行： 1)調整泵房及集水池規模； 2)調整水泵排水能力。當原設計泵房和集水池規模能滿足設計需要時，可只調整排水能力。本工程隧道貫通后，在機電設備安裝前，根據實測結果和施工圖存在的偏差對運營期排水系統施工圖設計進行必要的修正。由于設計過程是動態調整的過程，本身是以部分工程實測數據為基礎進行預測，同時將預測結果作為設計輸入條件，并在設計階段充分考慮土建擴容和預留條件，所以對工程影響較小，最終能得到一個準確的設計。

通過初選控制排水量標準—施工中過程控制—后期設計動態調整的方法，解決了礦山法海底隧道排水標準無明確規范規定，施工過程結構滲水量動態變化影響排水系統設計的難題。

5 排水提升方案比選

5.1 廢水泵的選型

海域環境下，存在泵房被水淹的極端情況，因此在滿足變配電設施不受淹的前提下，在水泵的選擇上一般優先選擇潛水泵。目前，在水下隧道中應用比較多的潛水泵是多級潛水泵和單級潛污泵。

5.1.1 多級潛水泵

多級潛水泵為多級離心泵，一般用來輸送固體雜質總含量(質量比)不大于0.01%的清水。多級離心泵流道小，流程長且曲折，不適合排放含固體顆粒的廢水，且安裝要求比較苛刻，特別是當揚程高、級數多時，存在高轉速帶來的密封面高溫磨蝕、高壓力帶來的密封參數不穩定及基體結構件被腐蝕等問題，對排水水質要求高[9]。一般多級潛水泵工作部分在井內至少要讓2～3個葉輪浸入動水位以下，而濾水網則至少要比最低動水位低0.5～1.0 m，且要離開井底不小于2 m，機組底部距井底不得小于5 m。多級潛水泵對集水池深度的要求比較高[13]，其優點是可滿足高揚程的抽排。

5.1.2 單級潛污泵

單級潛污泵(QW型)為單級離心泵，其優點是可長期在水中運行，產品穩定，技術成熟，選購方便；能輸送雜質含量(質量比)較高的污水或者廢水，非常適合輸送隧道廢水；產品工藝簡單，運營維護方便。其缺點是揚程低。通過對國內外水泵廠家調查顯示，大流量的單級潛污泵，其成熟的揚程一般為60 m以內，也有達到70 m的。如果揚程超過70 m，水泵需要特制，其價格會明顯上漲。

珠江口鐵路海底隧道埋深較大，隧底最大埋深約115 m。綜合考慮靜揚程、沿程及局部損失后，水泵的總揚程較高，在這種情況下，就要綜合考慮排水提升方案的選擇。目前，國內海底隧道排水提升方案主要為2種： 一種為多級潛水泵單級提升方案；另一種為單級潛污泵多級提升方案。2種提升方案在已建及在建礦山法海底隧道工程中均有應用，見表3。

表3 礦山法海底隧道排水提升方案及水泵選型調研

5.2 珠江口隧道排水提升方案比選

5.2.1 提升方案的選擇

5.2.1.1 土建方面

單級提升需采用多級潛水泵，對水質要求較高，根據工程經驗要想達到較好的運行效果，集水池前需設置水處理設施，如圖3所示。其中，前置處理設施部分需要較大建筑面積和處理空間；另外，多級潛水泵對水池的深度要求較高。這在深埋水域無論從施工難度還是費用上，對土建的影響較大。

圖3 單級提升泵房布置——前置處理設施

多級提升方案采用單級潛污泵，對水質要求低，池深要求小，但因為可抽排揚程有限，所以需設置一處或者多處中轉泵房，以實現排水的接力提升。主廢水泵房按常規泵房設計即可。中轉泵房集水池只需滿足中轉功能要求，沒有存儲功能的需要；設備房間只需滿足設備安裝、檢修、運輸基本功能；水泵的配置一般和主廢水泵房規模一致，如圖4所示。

(a) 主廢水泵房(b) 中轉泵房

5.2.1.2 故障率方面

潛水排污泵是一種工藝成熟、穩定的水泵,維護管養簡單,且本身發生故障的概率比較小。通過對采用2級提升的青島膠州灣海底隧道的調研，從其多年的運行數據來看，平時潛水排污泵運行良好，目前沒有進行過更換。由于水泵揚程低，對水泵設備及揚水管材質各方面的要求會明顯降低。根據運營反饋，目前的運行情況是，平均每2年左右潛水排污泵的揚程會逐漸降低，降低后需進行密封圈更換。故障和使用時間成線性關系，水泵的維護具有一定周期性。

多級潛水泵，提升揚程高是其最為顯著的優點，但是其缺點也比較突出，如對水質要求高，管養維護復雜，固體顆粒對水泵軸封裝置損傷大，機械密封材質要求高。通過調研采用單級提升的廈門翔安海底隧道，其運行初期水泵故障率較高，運營期間一直受水泵排水問題困擾，水泵更換頻繁。先后調整了水泵的品牌，將原來的進口泵大部分調整為國產泵(調整后的國產泵為下進水多級海水泵),以獲得更好的產品服務；安裝方式由初期的臥式安裝改為立式安裝(其中2臺是斜式安裝)，以規避水泵進口低、污泥容易進入的問題，從而優化進水條件。據運營部門反饋，更換調整后的國產排水泵運行相對良好，水泵故障率減少，可實現平均4 000～5 000 h保持無故障，最長可達9 700 h無故障。但是，平均每運行2 000 h就需要進行故障檢測，故障原因沒有規律，具有隨機性，不好確定是泵的問題還是其他原因。

廈門地鐵3號線過海區間隧道海水泵房、集水坑內共設置8臺水泵，4用4備，平時交替使用，輪換工作。結合廈門翔安海底隧道的水泵運行經驗，海水泵房前設置了水處理設施，排入泵房的廢水先進行處理，水質達標后才進入集水池，進而可以保護水泵，實現水泵的平穩運行，將多級潛水泵的工作性能發揮到最大。廈門地鐵3號線單級提升泵站2021年1月啟用，6月正式運營。海底泵房目前運營良好，更多數據還需要進一步跟蹤。

5.2.1.3 運營維護

一方面，多級潛水泵一次性提升水泵揚程大，輸出壓力大，因此要選擇承壓大的金屬管道，但海域環境下需考慮金屬管道耐腐蝕的要求，造成管道的選擇面窄，無形中會提高管材的費用；另一方面，因為輸出壓力大，水泵振動大，容易造成連接件松動、膠墊滑動、固定螺栓退絲，系統整體運行穩定性差，后期運營工作量大。

單級潛污泵，因為揚程低，輸送管道要求低，管材的選擇面大，海域環境中可以考慮耐腐蝕、成本低的塑料管；一般都帶有自耦裝置，運行過程中穩定、震動小。連接件、管道接口等因為整個排水系統的穩定性好，后期運營便捷。

5.2.1.4 能耗方面

理論上廢水的提升需從水泵得到能量，即單位時間內流過泵的水獲得的能量，具體為：

(4)

式中：N為有效功率，W；ρ為液體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；Q′為水泵流量，m3/s；H0為揚程(H2O)。

水泵所消耗的電能

(5)

式中：W為水泵的電耗，kW·h;t為泵運行時長， h；η1為水泵的效率值；η2為電動機的效率值。

由式(5)可知，相同的廢水量，提升相同的高度，所消耗的能量是一致的。所消耗電能的差別取決于水泵和電動機的效率值。不考慮其他因素的影響，單從理論上分析，單級潛污泵和多級潛水泵能量消耗的差別在于水泵選型時水泵和電動機的效率值差異。

多級潛水泵，是通過多級葉輪在一個泵體內完成廢水的提升，水泵的效率高。單級潛污泵，廢水提升需要依次分級完成，每次提升都要考慮水頭的富余，水泵綜合利用效率相對較低。單從水泵效率角度分析，多級潛水泵效率更具優勢。

在實際工程案例調研中，比如青島膠州灣海底隧道多級提升方案考慮了高水高排、低水低排的節能影響，得出2級提升方案相對單級提升方案耗能少，能量折算系數為0.75～0.9，平均節省電能18%[9]。

珠江口鐵路隧道也充分考慮了高水高排、低水低排影響，1#、2#中轉泵房分別承接斜井上游范圍內的結構滲漏水，海底泵房主要承接正線礦山段的結構滲漏水。同時，1#號中轉泵房兼作斜井敞開段的雨水泵房，進而可以優化減少1處雨水泵房。

5.2.1.5 提升方案的選擇

在保證隧道防水效果的前提下，海底隧道排水系統設計的關鍵是系統的穩定性，從而保證排水系統的安全性，實現排水系統輕維護、少檢修的目標。珠江口鐵路隧道排水提升方案對比如表4所示。

表4 珠江口鐵路隧道排水提升方案對比

不管是單級提升方案還是多級提升方案，選擇焦點集中在，對廢水高度的提升是由完全依靠水泵的一次性動作來完成還是通過中轉泵房分級完成；是一次性復雜設計還是化繁為簡的多步驟設計；是選擇對水泵工藝和質量的高要求，還是對多處泵房簡單常規維護。雖然多級提升多了1～2處中轉泵站，但是卻將對水泵高要求的復雜問題拆解為單個可控的簡單問題；將對水質的高要求處理以及對水泵高質量、高工藝要求，拆解為低水質要求、低水泵工藝要求，更便于將高難度的管理和維護轉換為數量上的低難度管理和維護；使泵房的運行更可控、更穩定，水泵、管材的使用壽命更長久。

綜上所述，珠江口鐵路隧道采用單級潛污泵多級提升方案。

5.2.2 提升級數的選擇

1)珠江口鐵路隧道隧底埋深約115 m，如果選擇2級提升，綜合考慮沿程和局部損失后，水泵揚程需要達到70 m以上，如5.1.2節所述，單級潛污泵成熟的揚程一般為60 m以內。

2)根據對運營部門的調研反饋，不管選擇2級提升還是3級提升對運營影響不大。水泵和排水管道的穩定性和可靠性是影響排水系統的主要因素。若采用3級提升，可以選擇低揚程的水泵，單個泵房對電負荷要求低，排水管所承載壓力低，運營中故障少。

3)施工過程中，如果結構滲水量增加，需進行水泵參數的調整。由于揚程相對較低，大流量水泵的選擇面較大。

4)在設計過程中將可能出現的風險點逐個篩選，并一一采取相應的措施，以減少故障率。①選擇最為穩定、工藝最為成熟的水泵，其本身發生故障的概率比較小； ②做足備用泵，輸水管路也采用了1用1備，且這些水泵均出現問題也是小概率事件； ③水池容積考慮一定時間內的結構滲水量儲備，預留足極端情況下檢修和更換水泵的時間； ④電力供應，隧道采用2路獨立電源； ⑤極端情況下，所有以上工況均不能滿足時也可以采用應急工程泵車接力提升完成廢水的排放(常用工程泵車均能滿足使用要求，調配方便，無需特定工程車輛)； ⑥海底廢水泵房和提升泵房均設置在斜井位置，方便使用，不占用隧道主線空間。經過比選，珠江口海底廢水提升選用3級提升排水系統，如圖5所示。

圖5 珠江口鐵路隧道3級提升排水系統

5.2.3 隧道排水系統設計

按珠江口鐵路隧道排水系統設計，正常情況下各廢水泵房1臺排水泵具備20 h排除24 h結構滲漏水的能力。海底廢水泵房安裝潛污泵4臺，另外干備1臺。同時，設置2路DN300排水管(1用1備)，排水管上設電磁流量計，用于監測隧道運營期廢水量；在斜井內設置2座中轉廢水泵房，排水能力同海底廢水泵房。海底廢水泵房將收集的隧道廢水通過排水管排至斜井1#、2#中轉廢水泵房，逐級中轉提升至斜井口部的河涌。各廢水泵房具體參數見表5。

表5 海底、斜井泵房設計參數

6 結論與建議

1)礦山法段海底隧道地下水頭超過臨界水頭值時，需要堵水限排，避免大量的結構滲漏水進入隧道，造成運營排水風險及成本增加。

2)礦山法段海底隧道工程，結構滲水量所受影響因素較多，難以確定。以珠江口隧道為例，可初選一個控制排水量標準，并做好排水冗余設計，隨施工推進，根據實測和預測水量，進一步細化隧道防排水設計參數。

3)海底隧道排水泵房在水泵選型上建議采用單級潛污泵，其具有工藝簡單、產品穩定、技術成熟等特點，更適合輸送隧道廢水。

4)當排水系統提升揚程超過單級潛污泵提升限值時，深埋海底隧道單級潛污泵多級提升在安全性、穩定性、便捷性等方面比多級潛水泵單級提升更具有優勢。

實踐表明，合理擴大海底泵房集水池規模，預留應急儲備容積是必要的，但是否按24～48 h的結構滲水量來預留仍需進一步探討；通過選定標準—過程控制—動態調整的方法解決了礦山法海底隧道排水標準無明確規范標準的問題，后期還需結合實際工況進一步驗證此方法的有效性。