京张高铁正盘台隧道立体式多径路排水方案研究

王 磊 于晨昀 吕 刚

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

随着我国铁路建设的快速发展，长大隧道日益增多，而长大隧道一般都伴有地质复杂、强富水、工期紧张等工程特点，施工过程中涌水[1-4]淹井事件发生的概率较高，且运营期间因隧道自身排水系统[5]的排水能力不足导致的隧底病害问题也日益突显。如不能将地下水及时排出洞外，会对隧道安全、质量及工期产生较大影响，故如何解决隧道施工及运营期间的排水问题就显得尤为重要。

目前，国内学者对隧道的排水方案进行了诸多研究，陈宇[6]以蒙华铁路中条山隧道为工程背景，基于伯努利方程，结合工程中的两种排水系统布置形式，推导出了排水能力公式，为同类隧道排水系统的设计和优化提供了借鉴；要美芬[7]以厦深铁路梁山隧道为例，提出了带状深风化富水陡倾软弱构造环境中集成排水系统的技术措施和实施办法；贾元霞[8]结合乌鞘岭隧道建设特点，给出辅助坑道排水系统与正洞排水系统的衔接设计及洞内水沟水量平衡、洞外排水系统保温等工程处理措施；郑孝福[9]通过分析涌水规律及排水规律，介绍了几种辅助坑道施工条件下的强制排水方法；陈建国[10]介绍了某长大隧道斜井进入平导施工时发生的特大涌水淹井情况，拟定采用分阶段抽排水技术，同时给出了水源补给和抽排水端水头差变化的理论计算分析，为后续处理创造了良好条件；高文涛[11]分析了渝湘高速公路鹰嘴岩隧道涌水原因，提出利用静水压力反坡排水处理岩溶涌水的新技术，以解决涌水对隧道施工的影响;孙振[12]以长距离隧道反坡施工为工程背景，运用理论分析、最优化方法和现场试验等手段，提出了设置一、二级储水仓的总体排水方案，并介绍了竖井辅助排水系统；张怡兴[13]分析了高速公路隧道渗漏水原因，经过地质分析和水力学计算，提出采用泄水洞的方式对渗漏水水源进行引排的解决方案。

以上学者对隧道排水方案进行了大量研究，但是同时运用可控式排水、洞内储水仓、中心排水管分流等创新技术，利用平导、泄水洞、斜井支洞、横通道、竖井等多类型辅助坑道[14-16]，解决长大强富水隧道施工及运营期排水问题的研究并不多。以京张高铁崇礼支线正盘台隧道为背景，研究其立体式多径路排水系统。

1 工程概况

1.1 隧道概况

正盘台隧道位于河北省张家口市境内，为新建崇礼铁路最长的隧道，起讫里程为DK30+425～DK43+399，全长12 974 m，最大埋深635 m。所在区域最冷月平均气温为-9.6～-14.1 ℃，属于严寒地区特长隧道。该隧道为单洞双线隧道，设计速度250 km/h，线间距为4.6 m，隧道进口至出口的线路坡度为单面30‰上坡。

正盘台隧道原设计4座斜井，斜井设置情况见图1。

图1 正盘台隧道原设计平面示意

1.2 水文地质概况

根据隧道施工期间开展的补充地质勘探工作，正盘台隧道位于侏罗系上统形成的龙关火山喷发盆地西部，为典型多期喷发、多期侵入的火山构造，盆地周边为太古界花岗质混合岩，后期花岗岩侵入形成相对隔水的基底，导致火山喷发盆地内基岩裂隙水封闭，空间上构成一内部富水的盆状构造；由于太古界花岗质混合岩时代早，受构造影响，基岩岩体破碎，在与侏罗系火山岩不整合接触时形成碎块状构造，强富水，其中隧道1号斜井～3号斜井区段为强富水段落。

隧道岩性以侏罗系上统张家口组粗面岩为主，盆地外侧边缘局部发育有凝灰质角砾岩。受火山多期喷发、侵入影响，发育有潜粗面岩墙。受火山构造影响，陡倾节理发育，水平、缓倾节理不发育。火山盆地内部垂直向水力联系较强。受岩墙、缓倾节理不发育的影响，水平向水力联系相对较弱。

2 涌水涌渣情况

隧道施工过程中共发生两次较大规模的涌水涌渣情况，分别为1号斜井井身涌水涌渣、2号斜井工区正洞涌水。

对阀体的流道进行了简单的有限元分析，从结构分析中可以看出阀体的进出位于同一水平线上，但是流体介质在通过阀座时会与该水平线呈现出一定的夹角，这样会改变介质在阀体中的平稳状态。通过Fluent软件的分析可以得出在不同开度的情况下介质对阀体的压力，随着开度的增加对阀道的压力减小，从而减少了对阀瓣压力的冲击，同时通过分析可以得出压力在阀壁应力集中的位置。该结果可为阀体的结构设计提供理论数据的支持。

1号斜井井身施工至距正洞33.4 m(斜井里程XJ1DK0+033.4)处时，工作面出现小量涌渣，并伴有流水，随后水量突然加大，并伴有大量涌渣，瞬时最大涌水量约为1 000 m3/h。超前水平钻孔揭示，工作面前方不小于15 m长度范围为岩性接触破碎带，且存在较大塌腔，围岩极破碎，稳定性极差，强富水。

2号斜井工区正洞大里程方向施工至DK35+407里程处，工作面出现大量涌水，根据现场测量情况，瞬时最大涌水量约7 500 m3/h，短时间内2号斜井工区正洞298 m已开挖段落及斜井井身420 m段落范围被淹没，且水面高程仍在持续上升(如图2)。

紧急采用强制排水措施，现场配置15台抽水泵，其中200 kW抽水泵6台，250 kW抽水泵7台，90 kW抽水泵2台，总抽水能力达10×104m3/d。持续抽排45 d后恢复隧道施工，此时涌水量仍达3 000 m3/h。

图2 2号斜井涌水情况示意(单位：m)

正盘台隧道涌水量大、持续时间长、水压大[17-18]等特点为我国北方隧道所罕见。

3 立体式多径路排水方案研究

1号斜井井底涌水涌渣及2号斜井工区正洞涌水的处理时间较长，且恢复施工后带水作业效率低，隧道工期严重滞后。加深水文地质工作表明，预测隧道正常涌水量由3.7×104m3/d调整为11×104m3/d，预测隧道最大涌水量由7.4×104m3/d调整为16.5×104m3/d，其中1号斜井工区最大涌水量为21 500 m3/d，2号斜井工区最大涌水量为93 600 m3/d， 较原设计均有大幅增加，原设计的φ700 mm隧道中心排水管排水能力不足。

正盘台隧道为单面坡隧道，反坡排水区段长，机械排水耗能大、排水效率低，且地质条件复杂、水量丰富、水压大、带水作业施工难度大、涌水淹井风险高。

3.1 研究过程

1号斜井井底涌水涌渣后，涌水通道已形成，工作面前方存在较大塌腔，围岩极不稳定，预测有更大规模坍塌及涌水涌渣风险，且岩性接触破碎带位于1号斜井与正洞交叉口位置，挑顶施工风险极高，故采用了“正面封堵，两侧迂回”方案：对井底涌水涌渣工作面进行封堵，同时设置1-1支洞及1-2支洞迂回至正洞施工[19]。

考虑到1号～3号斜井区段为全隧控制工期区段，同时该段为强富水段落，基岩裂隙水分布不均，且有一定水压。为探明水文地质条件，进行了超前正洞释水，降低正洞水压，减少正洞涌水量。1号～3号斜井区段设置平行导坑，进行超前正洞施工[20]，并根据施工组织需要，设置横通道，增开工作面；3号斜井设置3处支洞，其中3-1支洞与平导相接。

为增大隧道排水能力，尽快形成局部顺坡排水条件，结合现场实际，于1号斜井工区增设泄水洞[21]，1-2支洞可为泄水洞开设工作面，利于泄水洞尽早贯通。

为避免涌水后淹井，影响隧道施工，于1号及2号斜井工区设置储水仓，便于涌水后有一定的缓冲时间，保证人员、设备的紧急撤离，同时为抽排水设备的启动争取更多时间。

考虑隧道内多工作面同时作业的通风需求，改善施工作业环境，分别于平导及3号斜井处设置φ3.0 m通风竖井，必要时可作为应急抽排水竖井。

3.2 设计原则

在解决隧道排水问题的设计过程中，遵循“利用坑道，以排为主，多措并举，兼顾工期”的原则，结合施工组织需要，充分利用辅助坑道和正洞排水系统，采用多种手段实现隧道内地下水的最大能力排放。

3.3 排水方案说明

因工期、排水、通风需要，正盘台隧道形成了复杂的辅助坑道网络。可利用辅助坑道，进行超前释水、顺坡排水、储水反排、控水限流等作业，同时结合正洞排水系统，形成多型式、立体式、多径路的排水通道。

正盘台隧道总体排水方案见图3(图中仅示顺坡排水方向)。

图3 正盘台隧道总体排水方案平面示意

(1)施工期排水方案

1号斜井涌水涌渣“正面封堵”设计中，封堵墙预留φ108 mm泄水管，尾部安装阀门，当1-1支洞再次通过岩性接触破碎带时，可关闭阀门，避免注浆压力及浆液损失。正洞施工时，可打开阀门，以降低正洞水压，减少正洞涌水量，以此实现对周围地下水的可控式排放，如图4所示。

在1号斜井工区，利用辅助坑道设置储水仓，水仓段依次低位下穿正洞及1号斜井，两端连通平导与泄水洞。泄水洞贯通前，利用水仓段的先施工段作为储水仓，当1号～2号斜井区段的平导发生瞬时超大涌水时可汇入储水仓，并及时采用抽排水设备通过1号斜井将水抽排至洞外，避免影响隧道正常施工；泄水洞贯通后，及时施工水仓段的后施工段，并设置1-3横通道，可实现1号斜井大里程方向平导及正洞内地下水的顺坡排放。

1号斜井水仓段设计如图5所示。

图4 可控式排水封堵墙设计

图5 1号斜井水仓段剖面

在2号斜井工区，利用正洞隧底空间设置储水仓(如图6、图7所示)，该水仓为8个独立水仓纵向设置，各独立水仓之间采用1 m厚C35钢筋混凝土隔墙分离，每个独立水仓存水量为136 m3，总储水量为1 088 m3。

图6 2号斜井工区储水仓平面示意

图7 2号斜井工区储水仓横断面示意

设备区配置不同功率的抽排水设备，并进行合理级配，当2号斜井工区大里程方向正洞及平导工作面发生涌水时，根据涌水量大小，可分级自动启动抽排设备。

(2)运营期排水方案

平导与正洞间的横通道封堵时，在横通道底部设置排水管，将隧道侧沟与平导连通，将正洞侧沟内的水引排至平导，减轻正洞排水压力，并依次通过水仓段、泄水洞顺坡排至洞外。

隧道进口为低洞口端，为解决中心排水管排水能力不足的问题，同时考虑低洞口端出水口因水量过小引起的冻结问题，于1号斜井水仓段下穿正洞位置的中心排水管检查井内设置水量调节装置，对正洞中心排水管进行分流设计，实现中心排水管的水量控制，如图8所示。

图8 正洞中心排水管分流设计(单位：cm)

检查井内设置直径为70 cm的弧形水槽，水槽与井内两端的中心管连接，当上游中心排水管内水面高于弧形水槽边缘时，高出部分的水量自然落入下方的水仓段内，然后通过泄水洞顺坡排至洞外。可通过调整水槽边缘的高度，达到调节中心排水管内水量的目的。

除衬砌背后环纵向排水盲管、侧沟、中心排水管等常规排水措施外，还于仰拱填充内的左、右线线路外侧及隧道中线位置设置三道纵向通长40 cm宽、1.5 mm厚的HDPE凸壳型排水板，并在每处仰拱施工缝位置设置1道横向1.5 mm 厚的HDPE凸壳型排水板。横向排水板与纵向排水板连通，纵向排水板直接接入中心管检查井，可将因施工缺陷造成的施工缝、变形缝漏水及时引排，避免隧底产生病害。

4 结束语

(1)正盘台隧道为我国北方地区典型的长大强富水隧道，可通过合理设置辅助坑道、增加工作面等方式提高排水能力，实现了释水、排水、储水、控水等多种功能，较好地解决了隧道工期及排水问题。

(2)隧道涌水淹井后，损失大、处理时间长、费用高，尽早实现顺坡排水对降低安全风险、提高施工效率、控制工程投资尤为关键。

(3)经过现场验证，可控式排水封堵墙、洞内储水仓、中心排水管分流等创新设计应用效果显著，施工易操作，较好地达到了设计目的，可为类似工程提供参考和借鉴。