考虑地质影响的铁路隧道突涌水反坡排水技术优化

王超

（中铁十八局集团第三工程有限公司，河北涿州 072750）

突涌水现象是铁路隧道施工和运营中常见的施工问题之一。由于突涌水现象不仅会导致隧道内的过度积水，还会导致隧道变形、支护结构不稳等现象，不利于铁路隧道的安全施工和运行，因此针对铁路隧道的突涌水反坡排水成为当下的研究热点之一。李林毅提出的体外排水方式通过建设隧道衬砌局部涌水溃口等设备有效缓解内隧道衬砌压力，且在压力作用下利用外接排水管排出突涌水，施工难度较低，但针对隐藏型突涌水点的排水效果较差［1］。蒋雅君提出的隧道衬砌施工缝排水法在隧道围岩防水层背后设置环形排水管将隧道突涌水引入隧道侧沟，排水效果良好，但由于环向排水管易堵塞，使得该方法的排水效率往往不高［2］。朱佳华提出的超前半闭合双导洞台阶法在铁路隧道左右导洞开发拱仰设备，能够有效抑制隧道底部变形，在降低突涌水现象的发生概率的同时，为反坡排水提供便利，但对因隧道裂缝渗水导致的突涌水现象的排水效果较差［3］。

综合分析以上几种铁路隧道突涌水反坡排水方法的缺点，本文通过深入分析突涌水现象的产生机理和模式，基于功率最优化提出了一种全新的考虑地质影响情况下的铁路隧道突涌水反坡排水技术方法，并进一步优化了注浆防治技术。实例分析结果表明，该方法具有较好的优化效果，对抑制铁路隧道突涌水现象、提升反坡排水效率具有重要意义。

1 铁路隧道工程概况

1.1 隧道基本情况

石家庄隧道，又称为石家庄铁路入地工程。该铁路隧道位于河北省石家庄市二环路以内，隧道全长4.98 km，呈现南北走向，北端为四线隧道，包括京广线双线和京广高铁双线；起点以南700 m处有石济客专双线并入，以南至终点为六线（局部七线）隧道，南端隧道出口连接新建的石家庄客站。

1.2 地质条件

铁路隧道受到纬向构造带及放射状横张断裂影响，断裂构造与褶皱构造发育，岩体节理、裂隙发育，山间凹地两侧多形成裂隙密集带，褶皱、断层构造。受区域构造的影响，隧址区共发现8 条断裂构造、2 处岩层接触带和4 处侵入接触带，构造特征以挤压破碎、蚀变破碎、裂隙带为主。

2 铁路隧道突涌水机理及模式分析

2.1 突涌水机理

对铁路隧道施工的环境情况进行分析，考虑地质环境影响，当隧道施工工程横跨岩溶富水区时，区域内可能存在静态储水的溶腔、岩溶裂隙水区域以及基岩裂隙水区，各个区域会突发突涌水的状况。根据施工的铁路隧道条件，工程的突涌水主要在2#类型的斜井，铁路隧道突涌水反坡排水技术的具体原理如下。

存在突涌水现象的隧道施工墙体都有涌水点，包括明显型和隐藏型两种，为了合理避免隧道施工事故，必须根据突涌水形成特征，找到存在的全部涌水点。本文采用浮标法判断涌水点的位置和相关参数，根据水流的形态和水量，涌水量越大，表示该区域的铁路隧道突涌点越多［4-5］。铁路隧道突涌水的产生还受到地基表面断面层的制约。当隧道内突涌水的流量过小时，不能满足隧道内排水系统的工作需求，隧道上层断面和下层断面分别会从侧面供给部分水量，以便隧道层完成突涌水的正常循环工作。如果随带区域的突涌水流量过大，间接制约了隧道排水系统的正常工作，这时隧道内两个断面就会吸收部分突涌水，然后断面在其他突涌水工作时，将吸收的废水排出，不影响铁路隧道排水系统的工作。隧道表面突涌水参照数据如表1 所示。

表1 隧道表面突涌水参照数据

突涌水的安全水压范围是1.3 ～2.5 Pa，如果突涌水的水压长时间超过安全范围，就会出现渗水的危险。

2.2 机理模式分析

铁路隧道的突涌水机理有溶隙突涌水模式、构造带突涌水模式以及洞身模式。

溶隙突涌水模式的存在原因是铁路隧道表面的局部掌子断面存在裂隙。溶隙突涌水模式下涌水形态呈现淋雨状，出水气压较低，出涌水的射程较近。溶隙突涌水也受到隧道地基层应力的压迫，导致表面的气压比正常隧道蓄水区域的气压低，减缓突涌水的流速，为排水系统的运转提供反应时间［6-7］。

构造带突涌水模式运行的前提是隧道蓄水池的蓄水量达到一定要求，并且该区域存在坚固的隔水层，避免构造带的突涌水模式爆发，对隧道的地基带来损害。构造带突涌水模式开启后，隧道内的气压逐渐升高，突涌水的喷射量也随之提高。此情况下，为解决隧道构造带断面的墙壁安全问题，本文在隧道构造带突涌水有效区域内，按照200 m的规范距离设置隔水层，降低突涌水对隧道墙壁、地基、断面的伤害力［8］。

突涌水的洞身模式是突涌水机理模式中产生约束条件最多的模式，首先要求隧道施工的岩体是岩溶裸露型岩溶，其次隧道地下层必须存在具有一定规模大小的突涌水流经区域。洞身模式的突涌水具有两个明显的特征。特征一是在枯水期时，洞身模式的突涌水水位会根据实时状况下调，如果其间的隧道内水量过低，突涌水流经区域就会出现无水现象，此现象并不代表隧道存在危险，是正常现象。特征二是在雨季丰水期，由于降雨加上铁路隧道内排水系统的路径设计，洞身模式突涌水存储区域的正常停止水位会上升。在必要时，在外界设置的情况下，洞身模式的突涌水调节模式的气压大小，决定突涌水的流量和流速，保证隧道内突涌水的正常排出。

3 考虑地质影响的铁路隧道突涌水反坡排水技术优化措施

3.1 基于功率最优化原则的突涌水反坡排水技术优化

为了提高铁路隧道突涌水反坡排水技术的完整性和流动性，提升小型集水泵的集水能力，配合长距离管道，设置积水坑，采用接力式反坡排水模式相结合的方法实现铁路隧道突涌水反坡排水技术的优化［9-10］。

长距离管道配合小型集水泵收集方式的特点在于排水管道的长度，可以解决隧道地下深度较高的排水问题，此方法适用于开挖固定的地下水坑。这种方法首先按铁路隧道的地下设计图将排水管道成功插入隧道地下集水坑内，然后通过集水泵将集水坑内的水抽取至长距离排水管中，通过排水管排放至隧道周围水沟内。基于长距离管道配合的小型集水泵洞内的平面布置示意图如图1 所示。

图1 长距离管道配合小型集水泵洞内的平面布置示意图

集水坑接力式反坡排水方法适用于隧道地下设计较为复杂的突涌水坑，排水原理是采用分段模式将突涌水从地下水坑抽取到蓄水池中，集水坑接力式反坡排水水泵布置图如图2 所示。该方法将排水泵按照功率设计为多个级别，根据排水距离和突涌水量的大小，采用不同级别的抽水泵。集水坑接力式反坡排水方法也具有经济性，突涌水排水操作的费用计算公式如式（1）。

图2 集水坑接力式反坡排水水泵布置图

其中，O为突涌水排水操作的费用；G为突涌水排水的总功率；X为接力的次数；W0为每次接力集水泵的有效功率；f为不同规格水泵的采购价格；WZ为不同规格水泵所对应的实际功耗；T为铁路隧道反坡工程的施工周期。

3.2 反坡排水泵站功率分配及其优化

反坡排水泵站功率分配优化的最终目标是在保证排水效果的同时降低运行成本。本文提出的优化方案是从反坡排水泵的实际任务处理量和预估处理量的偏差，以及反坡突涌水汇集位置的处理两方面进行考虑的［11-12］。

传统的反坡排水泵站功率的分配不均，导致在突涌水量较少的水坑也采用同等功率的排水泵站，提高反坡排水泵站的成本。本文的优化方案是合理评估隧道施工段区域反坡蓄水坑内的突涌水量，根据需要排水量的大小，决定反坡排水泵站功率的大小。反坡排水泵站的排水能力计算公式如式（2）。

其中，Q为反坡排水的能力大小；Cq为突涌水不均匀系数；m为需要完成的排水量；t为排水泵站时间利用系数；h为水泵的额定扬程；k为额定扬程与管道阻力间的关系系数；σ 为排水管道相对于水平线的倾斜角度；L为排水管道的总长度。

其次将各个水坑根据水量的多少进行排水路径的规划，采用排水泵站功率由大到小的策略，合理优化反坡排水泵站功率的分配［13］。对于反坡突涌水汇集位置的功率分配，设置增级截流集水坑，增级截流集水坑布置示意图如图3所示。采用最低级别排水功率的输出，一方面降低反坡排水泵站功率的无效输出，另一方面避免排水交接处因排水泵站的功率过大而将突涌水遗漏到其他位置。反坡排水泵站的输出功率计算公式如式（3）。

图3 增级截流集水坑布置示意图

其中，P为水泵的功率；p为突涌水的密度；v为水泵的排水流量；u为水泵的工作效率；D为排水管的直径。

3.3 反坡排水注浆防治技术优化

反坡排水注浆防治技术的目的是避免铁路隧道地下层发生突涌水灾害，防治技术优化的目标是在铁路隧道突涌水蓄水层区域预留足够厚的空间以存放岩盘。岩盘可以存放反坡排水过程中遗漏的注浆。岩盘的大小取决于反坡排水量、突涌水坑内的压力大小、隧道地基各个方向的受力大小。岩盘大小的计算公式如式（4）。

其中，S为岩盘大小；μ 为隧道岩体的泊松比值系数；a为隧洞内积水层的水压力大小；I2为岩体的半径；δ 为隧道岩体的抗拉强度大小；hi为隧道突涌水地下岩层重度；Yi为隧道突涌水地下岩层厚度。

通过对以上公式的分析可以得出，反坡排水布施中岩盘的体积越大，岩盘对于隧道突涌水液体的腐蚀阻抗能力越小，并且排水注浆的可渗透系数越大，不利于反坡排水注浆的防治［14-15］。但是由于部分施工对于岩盘的需求导致岩盘的体积过大，此时应该通过力学分析，对岩盘的一端横截面进行剪切处理，降低岩盘对于排水注浆的可渗透性。岩盘剪切强度的计算公式如式（5）。

其中，C为岩盘的体积；F为岩盘的抗剪切强度系数；c为岩盘的胶粘凝聚力；A为岩体表层的横截面面积；φ 为岩盘内摩擦角度；β 为岩盘的测压系数；E为岩盘在隧道地下层预埋的深度。

3.4 长距离反坡排水泵站功率分配与优化

长距离反坡排水的各级泵站的抽水功率应满足相互匹配的要求，从而实现节约成本与排水的双重目标。泵站功率设置由能量最优方法确定，各级泵站的功率设置与现场施工及隧道实际出水量对应，最新一级泵站功率应满足尚未施工段落预估排水量的要求；某级泵站的功率Wi＋1设置应在其下一级泵站功率Wi＋2的基础上，相应增加该泵站与其上一级泵站（功率为Wi）间的隧道已施工段落出水的排出能力，见图4。

图4 增级截流集水坑

4 实例分析

为验证本研究的实际优化效果，以大方山铁路隧道的施工背景为例进行施工分析。选用本研究的考虑地质影响的铁路隧道突涌水反坡排水技术优化措施与传统的考虑地质影响的铁路隧道衬砌施工缝反坡排水优化措施，分别对该工程原有的排水技术进行优化，对比优化前和采用两种优化措施优化后的排水效果。

为保证实验数据获取的完整性，实时监测施工土层的地质情况，首先采用瞬变电磁仪对实验隧道段进行超前地质探测，掌握地质情况。瞬变电磁仪的掌子面测线布置示意图如图5所示。

图5 瞬变电磁仪的掌子面测线布置示意图

整合测试数据，由瞬变电磁仪的视电阻率等值线断面图（见图6）可以看出，实验隧道地段存在岩溶，局部地区含水量较高，具有明显型涌水点和隐藏型涌水点，涌水特征明显。

图6 瞬变电磁仪的视电阻率等值线断面图

为更直观地观测实验铁路隧道端的地质探测情况，采用激发极化超前探测仪，采集实验铁路隧道端的半衰时差以及视电阻率等相关参数，整合探测数据反演三维电阻率成像，三维电阻率反演成像结果如图7 所示。

图7 三维电阻率反演成像结果

在以上地质探测的基础上，在原有铁路隧道排水管的尾端设置流量计，对实验铁路隧道端的突涌水情况进行实时监测。12 h 内，该实验铁路隧道端单位时间内的总涌水量监测结果如图8所示。

图8 实验铁路隧道端的总涌水量监测结果

从图8 可以看出，监测的12 h内，实验铁路隧道段的单位时间总涌水量平均为800 m3，涌水均匀，无突发涌水过大或过少现象，为理想型实验隧道段。

采用本研究的反坡排水优化措施和传统考虑地质影响下的铁路隧道衬砌施工缝反坡排水优化措施对实验铁路隧道段进行排水，优化前和采用两种优化措施后的反坡排水效率对比如图9所示。

图9 反坡排水效率对比结果

从图9 可以看出，优化前，该实验铁路隧道段的突涌水反坡排水率约为25 m3/h，采用传统考虑地质影响的铁路隧道衬砌施工缝反坡排水优化措施进行优化后，反坡排水率约为37.5 m3/h，较优化前提升了50%；而采用本文研究的优化措施进行优化后，反坡排水率约为90 m3/h，较优化前提升了260%。由此可得，本文提出的优化措施效果更明显，能极大地提升反坡排水量。原因在于，本研究的优化措施以功率最优化原则为基础调配排水泵站功率，在保证泵站安稳运行的前提下，最大化排水效率；而传统优化措施侧重于规避突涌水现象的产生，忽略了提升反坡的排水能力，导致排水量较少，速度较慢。

5 结束语

本文通过分析受地质影响下的铁路隧道突涌水机理及模式，以功率最优化原则为基础，提出一种长距离管道配合的铁路隧道突涌水反坡排水技术，合理分配接力式铁路隧道反坡排水泵功率，提升泵站的排水能力，同时优化注浆防治技术，设立岩盘存放排水遗漏注浆。实例分析结果表明，通过应用本研究的技术，能大大提升铁路隧道反坡排水能力，满足铁路隧道施工的排水需求，为各环节的顺利施工奠定支护保障基础，同时为缩短施工周期、降低施工成本、保证施工安全提供强有力的排水技术支持。

随着铁路施工要求的不断提高，针对突涌水的反坡排水技术也应多借鉴和融合其他相关技术，从而促进我国铁路隧道建设的进一步发展。