单线铁路林保山隧道排水系统设计研究

2018-07-04田鲁鲁

山西建筑 2018年15期

田鲁鲁

(中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司，云南昆明 650200)

1 工程概况

大临线是客货共线的单线铁路，设计速度为160 km/h。林保山隧道是大临线最长隧道，全长共14 076 m，为单线隧道，位于安乐—南涧区间。穿越地层主要为侏罗系泥岩、粉砂岩、砂岩和三叠系砂岩、泥质粉砂岩夹灰岩、炭质泥岩及煤线等。为满足工期、施工场地及防灾救援等需要，全隧道共设1座横洞+4座斜井+1座平导，辅助坑道布置如图1所示。

隧道进口接安乐车站，出口接南涧车站，为满足车站要求，进口车站段417 m为平坡，出口车站段959 m为1‰下坡。

2 排水系统特点、设计难点及处理措施

2.1 排水系统特点

目前我国列车采用滚动轴承车辆不断增加，在坡度采用1.5‰的既有车站上，车辆连挂时有溜逸现象。因此，为防止站内车辆自动溜逸及保证站内作业安全，车站站坪坡度要求站坪宜设在平道上，困难条件下可设在不大于1.0‰的坡道上[1]。故位于车站内的隧道纵坡不大于1‰，这是车站隧道排水系统的最大特点。

2.2 排水系统设计难点

林保山隧道排水系统设计难点主要有以下几方面：

1)小坡度。车站段隧道水沟底部同线路纵坡，即有两种坡度情况：平坡或1‰坡度。当水沟沟底为平坡时，不能自流排水，沟底必须设置不小于1‰的排水坡度，需对排水系统进行改造；当水沟沟底为1‰坡度时，需要进行排水能力检算，根据检算结果确定是否需要对排水系统进行改造。

2)水量大。隧道衬砌背后地下水通过盲管流入洞内侧沟，地下水通过侧沟流向下坡方向(低端洞口)，坡段越长，沿程汇集的水量越大，低端洞口处在无辅助坑道截流正洞水流时，是对隧道排水能力要求最大的地方。

3)林保山隧道辅助坑道条件困难，除洞口段外，洞身范围均为斜井，无辅助坑道截流条件。

4)洞内车站段较长。出口车站段959 m为1‰的小坡度，排水量较大。

综上所述，林保山隧道在小坡度、涌水量大、洞身无辅助坑道截流条件、洞内车站段较长等不利条件叠加下，导致排水系统设计困难。

2.3 处理措施

针对排水能力不足的隧道排水系统处理措施主要有以下几种：

1)侧沟改造。当隧道标准断面侧沟排水能力不能满足设计排水量要求时，可以通过加大侧沟过水断面或沟底纵坡增加排水能力，改造后的水沟泄水面坡度不应小于1‰。侧沟改造需要加大衬砌断面，衬砌断面加大一方面会增加投资，另一方面若水沟加深过大，可能会和洞外路基水沟形成“V”字形坡无法自流排水，且靠近线路侧的沟壁过高，运营期间容易损坏，因此侧沟改造对需改造段落长度有一定限制。

2)增设中心排水沟。车站段隧道为双线或多线隧道，可以于两线之间增设中心排水沟，以增加排水能力。单线隧道和过渡段隧道如设置中心水沟，隧道采用有砟道床时，水沟埋在道床下面，养护维修很不方便；采用无砟道床时，中心排水沟会削弱无砟道床断面，易引起道床开裂，故单线隧道和过渡段隧道一般不采用中心排水沟。

3)利用辅助坑道截流排水。利用为解决工期、施工场地或防灾救援等需要设置的辅助坑道对正洞进行截流排水，可利用的辅助坑道有横洞或平导，通过改造辅助坑道内排水沟，使其与正洞交点里程至上游段的水量全部从辅助坑道排出。根据排水需要也可微调辅助坑道与正洞交点里程。

4)增设辅助坑道排水。必要时可考虑增设横洞、平行导坑或泄水洞进行截流排水。增设辅助坑道截流排水，辅助坑道排水系统设计主要包括两方面内容：a.辅助坑道与正洞交点位置；b.辅助坑道排水沟设计。

5)机械排水。对于“V”字形坡隧道、市区浅埋隧道等无自流排水条件的隧道，可采用机械强制排水。

按经济适用原则，一般先考虑通过改造侧沟和增设中心水沟增加正洞排水能力；如隧道有横洞或平导可以利用时，尽可能利用辅助坑道截流排水，否则，根据地形、地质、地下水情况增设横洞、平导或泄水洞截流排水。仍无法解决排水问题的隧道，可考虑机械强制排水。

当正洞排水能力不足段落太长时，无法仅通过一种措施解决排水问题，可采用几种措施的组合方案。

3 排水系统设计

3.1 全隧排水能力检算

选用大气降水入渗法、地下水径流模数法和地下水动力学法分析计算，确定林保山隧道运营期间全隧总涌水量为35 210 m3/d，隧道正洞在无辅助坑道分流条件下全隧设计排水量见图2。

隧道标准断面设置2条侧沟，水沟尺寸为30 cm×81 cm(宽×高)，过水面积为30 cm×25 cm(宽×高)，排水能力按下式确定：

其中，Q为流量，m3/s；ω为水沟过水面积，ω=bh，m2；C为系数，取0.012；R为水力半径，m；i为沟底纵坡。

通过以上公式计算，得到隧道各坡段排水能力，将其与全隧设计排水量绘制在一张图中，以便分析，如图2所示。对应里程的排水能力小于设计排水量即排水能力不足，据图2可知进口DK54+233～DK54+650段及出口DK67+350～DK68+309段排水能力不足。

3.2 进口车站段排水系统设计

进口DK54+233～DK54+650段417 m为平坡，水沟必须进行改造，沟底应设置不小于1‰的纵坡。由于进口横洞距洞口仅92 m，对解决417 m平坡段排水作用不大，若向大里程移动与正洞交点，横洞长度增加较长，投资增加较多，因此采用“水沟改造+增设中心沟”的组合方案。

DK54+233～DK54+508增设中心水沟衬砌段轨下沟槽布置如图3所示，设计尺寸为80 cm×102 cm(宽×高)，沟底采用水泥砂浆抹成1‰的排水坡，其最小过水断面为80 cm×36 cm，排水能力为22 580 m3/d，满足排水要求。

DK54+508～DK54+699段为单线隧道及过渡段隧道，结合车站布置逐段对侧沟断面加深加宽，沟底采用水泥砂浆抹成1‰的排水坡，砂浆抹面后该段侧沟最小过水断面为50 cm×34 cm，排水坡度1‰，排水能力为22 352 m3/d，满足排水要求。进口车站段排水系统沟槽平面布置及水沟纵断面分别如图4,图5所示。

3.3 出口车站段排水系统设计

出口排水能力不足段落为DK67+350～DK68+309段，该段长959 m ，坡度为1‰，最大设计排水量为16 110 m3/d，隧道排水能力为7 478 m3/d，排水能力差的较多，提出两种方案进行经济、技术比选：

方案一：“水沟改造+增设中心排水沟”的组合方案。根据车站段结构布置，DK67+350～DK67+478段128 m为单线隧道，单侧沟加宽25 cm，衬砌需加宽50 cm，侧沟尺寸调整为55 cm×81 cm(宽×高)，过水面积为55 cm×25 cm(宽×高)，双侧沟排水能力为17 002 m3/d；DK67+478～DK68+309段831 m为三线隧道，三线隧道段增设831 m中心排水沟，设计中心沟尺寸为60 cm×102 cm(宽×高)，其过水断面为60 cm×66 cm(宽×高)，排水坡度1‰，排水能力为32 796 m3/d，满足排水要求。

方案二：利用出口平导截流方案。为解决工期、施工场地等问题, DK67+300～DK68+315段出口线路左侧设置一座1 015 m长平导，可利用其作为运营期间排水通道使用。出口平导截流水量不应小于9 370 m3/d。平导第一道横通道与正洞交点DK67+300处正洞设计排水量为14 220 m3/d>9 370 m3/d，平导长度不需要加长，按不小于14 220 m3/d排水能力设计平导水沟。由于平导纵坡与线路纵坡一致，平导最小坡度为1‰，平导标准断面排水沟尺寸为35 cm×40 cm(宽×高)，过水断面按35 cm×38 cm(宽×高)计算排水能力不足。经试算平导排水沟尺寸调整为0.5 m×0.45 m，过水断面按0.5 m×0.43 m计算排水能力为15 006 m3/d，满足要求。

两个方案均可行，但方案二比方案一改造费用少，且方案一正洞水沟运营期间养护维修没有平导方便，因此选用方案二。出口平导与正洞排水系统连接如图6所示。