顺坡铁路隧道施工废水清污分流方法研究与应用

李传松,茹 旭,曾庆华,李绍平,薛 正,张 皓

(1.中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031;2.中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038)

铁路隧道施工所带来的环境影响日益引起人们的关注，隧道施工废水被认为是主要污染源之一[1-2]。近些年我国逐年加大了对隧道施工废水治理的投入，有效保护了铁路沿线的生态环境，促进了当地的经济社会与环境保护协调发展，但带来了较大的投资成本压力。

隧道施工废水的主要来源是施工期间受污染的地下水，包括施工掌子面涌水和隧道衬砌后的环向与纵向盲管所收集的地下水，其余施工作业流程如钻孔、爆破、喷射、注浆等工序所产生的废水量较少[3]。掌子面附近的涌水原为清水，遇到岩粉、岩屑、水泥浆等后才变为废水，是施工废水的主要来源。衬砌段的盲管所收集的水多为清水。若能在隧道内实现掌子面、初衬段的施工废水与二衬段的涌水(清水)的清污分质分流，不仅可降低隧道施工废水处理设施的规模和处理难度，还能大幅降低废水处理设施的建设成本和运行费用。因此，研究铁路隧道施工废水的清污分流方法具有现实意义。

隧道施工中依据施工废水的排出方式可分为顺坡施工和反坡施工。顺坡隧道施工废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，节能且管理简便。尤其是在岩溶区等地下水较发育区域，顺坡排水更有利于加快施工进度，故顺坡施工成为铁路隧道施工的主要选择方式。

本文针对顺坡单线、双线隧道和顺坡辅助坑道(横洞和平导)在构造上的特点与差异，探讨了隧道内清污分流的可行方法，并结合工程实践进行初步试点，为相关研究和应用提供参考。

1 顺坡隧道清污分流策略分析

1.1 单洞单线隧道

典型的铁路单洞单线隧道断面如图1所示。通常此类隧道两侧设侧沟但不设中心沟。施工期间为便于施工车辆通行，一般仅在正洞贯通后才修筑侧沟，因此无法有效排水，仅通过散排或临时排水沟进行排水。

图1 典型的铁路单洞单线隧道断面示意(单位：cm)

此类隧道多为单车道运输、出渣，并将洞内临时路面施工至隧道内轨顶面以下约0.3～0.8 m，此时，单线隧道内临时行车道路的宽度约4.4 m(与隧道设计时速和轨道类型有关)。依据现行JTG D20—2017《公路路线设计规范》[4]，载重汽车宽度按2.5 m计，设计速度30 km/h的单车道宽度为3.25 m；当受地形地质条件限制时，设计速度20 km/h的单车道宽度为3.0 m。因此，对于单洞单线隧道，考虑到单侧行人宽度0.7 m 外，每侧富余宽度约0.2～0.3 m，可以采用同步修筑临时排水沟或者侧沟作为顺坡排水通道，且不影响洞内车辆的正常运输。可采取的施工废水清污分流方法以同步修筑临时排水沟为例说明如下：

1)当隧道为贫富水隧道、弱富水隧道、中等富水隧道或预测涌水量较小时，可在隧道洞内的一侧设临时清水排水沟(接纳两侧环向与纵向盲管的清水)，另一侧设废水沟(接纳掌子面和初衬施工废水，沟宽0.2～0.3 m)，形成简单有效的排水通道，如图2(a)所示。其中一侧的环向与纵向盲管按一定间距(如10 m)暗敷至对侧清水沟；随着掌子面的推进，同步修筑临时清水沟并在沟起端设新的临时拦水坝并及时拆除旧拦水坝。

2)当隧道为强富水隧道时，或隧道最大涌水量偏大时，可增大排水沟的宽度至0.35～0.50 m，并结合隧道坡度及预测涌水量核算其宽度是否满足隧道排水能力需求。

3)当顺坡隧道正洞内宽度受洞内场地等条件限制时，尤其是单线隧道无条件修筑双排水沟时，也可以在单侧布置清水沟和废水管，如图2(b)所示,在掌子面设集水池，并在清水沟同侧增加废水排水管(铸铁、PVC等管材)，将掌子面的施工废水收集、汇入废水管，而二衬段的盲管清水排入清水沟。此时清水沟宽度还应满足隧道排水能力的需求。

图2 单洞单线顺坡隧道清污分流方法(单位：cm)

1.2 单洞双线顺坡隧道

此类隧道设中心沟且多采用双车道进行运输和出渣作业。不同的隧道设计时速下，此类隧道施工中的临时行车道路的宽度约9.0～10.0 m。依据JTG D20—2017，道路在6.0～6.5 m宽时即可实现双车道的正常通行。减去两侧行人宽度0.7 m，隧道单侧富余宽度约0.9～1.4 m，修筑临时排水沟时不影响洞内车辆的正常运输。对此，如图3所示，采取以下措施实现此类顺坡隧道的清污分流。

1)在二衬段起点处设混凝土临时拦水坝(用沙袋或混凝土)，双侧的侧沟只接纳本侧二衬段盲管排水。

2)在掌子面和初衬段将本区域内的施工涌水收集并引入中心沟，自流排出隧道并经处理后排放或回用。

图3 单洞双线顺坡隧道清污分流平面及断面示意

1.3 辅助坑道

隧道施工中为加快施工进度，常设置若干辅助坑道如平导、横洞、斜井等以增加施工作业面的数量。其中平导和横洞为顺坡施工排水且只设侧沟，不设中心沟。此外，平导设计多采用单通道运输，横洞设计采用单通道或双通道运输。

在平导及横洞的施工前期(未施工至正洞)时，仅需排除坑道自身掘进中的地下涌水，可采用双侧设清水沟和废水沟方案；当施工运输通道受限时，可采用单侧设清水沟和废水管方案。当坑道施工至正洞后除需排出自身二衬段的渗水外，还需排除所承担的正洞工区内的涌水，且正洞内同时存在反坡施工段和顺坡施工段，其施工组织设计与水文地质条件更为复杂，仍须进一步研究。

2 工程应用实例

郑万线巫山隧道位于重庆市巫山县，全长16.57 km，设3处横洞、1处斜井和2处平导。3号横洞工区含横洞(2 276 m)、2号平导(3 504 m)、正洞(4 932 m)和竖井(330 m)，其中横洞洞身采用32‰顺坡施工。横洞按双车道无轨运输设计，净空尺寸为宽7.5 m×高6.2 m。洞身的主要岩性为泥岩、泥灰岩和灰岩。正洞工区、2号平导及3号横洞的涌水均通过3号横洞排出。依据水文地质资料，横洞最大涌水量约为 10 000 m3/d，正洞约 21 250 m3/d，平导约 1 150 m3/d。合计最大排水量约 32 750 m3/d。

巫山隧道3号横洞于2017年4月8日进洞，采用钻爆法施工。9月中旬前，隧道涌水量约 1 000～3 000 m3/d。施工前未进行清污分流专项设计，仅在横洞单侧修筑1条临时排水沟，其宽度为0.4 m，深度约0.3～0.4 m，其余均为硬化路面。横洞出口为长江一级支流大宁河，为敏感水体。依据环评专业要求，于洞外设隧道施工废水处理设施1套，处理能力为 60 m3/h。

2017年9月中旬后，横洞洞身300 m处(H3D1K1+976)穿越灰岩地段时涌水量逐渐增至 8 000～ 10 000 m3/d。2017年12月3日出现最大涌水量 11 912 m3/d，此时出水流速达3.5 m/s，携砂多，悬浮物(SS)高达 3 479～3 750 mg/L，水质差并超出了洞外废水处理设施的处理能力，加之清淤不及时，污水处理站内构筑物淤积严重不得不停止运营。

横洞内涌水严重影响隧道的正常施工，涌水量已经远超出废水处理站的设计能力，并对邻近村民的正常生活产生了不利影响。在处理措施经费有限和洞内场地无法修筑双侧临时水沟的不利条件下，课题组攻关团队与施工单位协商后，采用了单侧清水沟和废水管的方案。具体措施如下：

1)在掌子面设矩形混凝土集水池，尺寸2.0 m×1.5 m×1.5 m。设1根DN400铸铁排水管将掌子面污水从集水池引至洞外的沉砂池预沉后进入废水处理站；排水沟敷设于涵洞既有排水沟上方，并与管支架固定于横洞内壁。

2)二衬段一侧的环向与纵向盲管的排水方式不变，流入既有单侧排水沟;另一侧盲管散排,使水自流排出洞外，经沉砂池后流入洞外污水处理设施。

3)新建洞外清水排水渠道，将清水沟的排水引至邻近溪沟。

上述措施实施后，废水管出水流量约 240～300 m3/h，SS为 3 820～4 016 mg/L；排水沟的清水流量约 200～230 m3/h，SS为30～50 mg/L，可能是因为洞内道路泥浆水散排混入清水沟，导致清水内有一定的悬浮物，但SS仍可满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》中的一级排放标准(SS≤70 mg/L)。

该实例说明在顺坡隧道(含平导及横洞)中进行施工废水清污分流(见图4)是可行的，且简单易行，具有很好的实用价值和推广意义。目前，横洞已成功穿越灰岩区段，隧道涌水量有所回落，日排水量约 4 000～5 000 m3/d，而清污分流设施仍正常运营。

图4 3号横洞施工废水清污分流出水比较

3 结语

因本文实例是隧道施工后再介入，加之时间紧迫，实施中还存在诸多不足之处，但施工废水清污分流的成功实践表明，隧道内清污分流是可以实现的。此外，应结合隧道施工组织，完善顺坡隧道及辅助坑道乃至反坡隧道的清污分流方法设计，推进清污分流的现场工作，完善细节，尽早实现隧道施工中清污分流方法的全面推广与应用，降低废水处理的规模和投资。