铁路隧道排水方法与工程实践

王 磊,舒东利

(中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

1 概述

隧道排水是隧道总体设计必不可少的组成部分，其设计是否合理，将对隧道安全及正常运营产生重大影响。随着我国大量高标准铁路隧道的建设，防排水问题是施工阶段的重要问题，更是造成运营阶段各种病害的重要原因，必须加强对铁路隧道防排水问题的认识，做好防排水系统设计施工工作，确保防水可靠，排水通畅。

以铁路隧道设计为例，总结几种排水方法和特点，并对隧道排水工程设计中几个关键问题进行了探讨，提出相关建议供参考。

隧道是一种埋置于地表以下的线状建筑物，其服役期需长期承受地下水环境的作用及影响。工程实践表明，在部分地下水发育的地段修建隧道时，围绕隧道防排水经常出现以下问题：由于隧道开挖破坏了地下水循环的平衡，使隧道成为附近地下水聚集的通道，当隧道防排水设施不完善时就会引起渗漏水问题，影响结构及运营安全；由于隧道内地下水的排放，造成区域性地下水的大量流失，使得隧道附近的水资源枯竭，并引发地表塌陷、下沉等环境危害，影响居民生活和社会稳定，因此设置切实可靠的防排水系统是满足这种环境条件下隧道结构耐久性及使用功能的基本要求。

目前，国内外学者对隧道排水设计进行了研究并取得一定成果。王春梅[1]研究分析了平导设置对富水山岭隧道排水效应影响；王联平[2]以贵昆线六盘水至沾益段增建二线工程乌蒙山二号隧道出口段四线车站隧道为例，系统研究了浅埋与深埋段大跨度隧道防排水关键技术要点；王建斌[3]对沪昆客专尖山隧道防排水系统设计与施工进行了研究；刘金刚、亢超刚[4-5]对基于生态环境保护的隧道排水防排水设计理念和工程措施进行了研究；马青[6]对岩溶富水区深埋水沟排水隧道注浆圈参数进行了研究；刘学霸[7]探讨了严寒地区隧道洞口渗井排水技术；张忠品等[8]探讨了城市中小型下穿公路隧道排水设计，刘新荣等[9]思考分析了山地城市地下空间排水与防洪功能。汤晓光[10]结合东北已运营高铁隧道偶发冻害和渗漏水等问题，对新建隧道防冻害及排水技术措施进行优化；朱国伟、夏勇等[11-12]对严寒地区隧道防排水设计及工程措施进行了研究探讨；戴立峰等[13]基于降雨资料及SWMM模型分析了下穿隧道排水设计；李媛[14]以深圳市莲塘隧道为例，系统总结了隧道排水设计的方法和特点，并就隧道排水工程设计的有关问题进行探讨；刘建等[15]对渝怀铁路歌乐山隧道排水的地下水环境负效应进行了评价；袁博[16]对青岛胶州湾海底隧道可维护性排水系统进行了研究；张顶立[17]研究了海底隧道主动控制式防排水系统及其设计方法；崔佳[18]研究了地铁特长海底隧道排水泵站设计；陈钒等[19]对石膏地层防排水措施进行了研究分析；陈德玺[20]探讨了高水压、强富水隧道防排水技术。

山岭铁路隧道工程，防排水设计显得特别重要，如果设计处理得不好，经常会出现隧道突水突泥、塌方等病害，施工风险极高。即使施工中未出现任何问题，在运营阶段也有可能出现衬砌开裂，仰拱隆起、仰拱翻浆冒泥等病害，地下水发育地段应对地下水进行有序的引排，减少作用于衬砌的水压。排水措施如果处理不好，造成涌水突泥，隧道塌方等危害，处理费用少则几十万元，多则上百万元。运营期间出现衬砌开裂，仰拱翻浆冒泥等病害，影响铁路正常运营，维修养护成本增加，病害处理困难，因此有必要针对不同地下水条件设置不同的有效的排水措施。

不同地下水环境需要考虑不同的排水系统设计方法去适应环境，针对该排水系统设计特点，提出5种地下水排水系统设计方法，并对每种排水方法的适用性、经济性、优缺点进行分析，见表1。

表1 5种排水方法对比

2 盲管+沟槽排水方法

山岭隧道洞身排水系统一般由盲沟排水系统和沟槽排水系统组成，当隧道排水系统无法满足要求时，需特殊设计，采取集水廊道、泄水洞等排水措施，综合运用，保证隧道安全。

铁路隧道洞身排水系统主要包括环、纵向盲管等衬砌背后排水系统以及侧沟、中心水沟等洞内沟槽排水系统，见图1、图2。

图1 双线隧道一般地段排水系统

图2 单线隧道一般地段排水系统

双线隧道一般地段排水系统由环、纵向盲管等衬砌背后排水系统以及侧沟、中心水沟等洞内沟槽排水系统组成。衬砌背后排水系统的目的主要是在围岩与初期支护之间、初期支护与防水层之间建立过水通道，并引入隧道侧沟或中心沟，排至洞外。

(1)盲管排水系统

环向盲管的主要作用是将地下水或渗漏水通过盲管出口或边墙泄水孔引入侧沟或中心沟；环向盲管通常采用直径不小于50 mm的带反滤层的波纹管，一般按纵向间距8～12 m布置。如遇地下水较丰富的地段，可适当加密环向排水盲管，缩小环向盲管纵向间距。

纵向排水盲管的主要作用是将由于重力作用沿防水层等向下积聚的地下水，以及汇入环向盲管内的地下水，经汇集后引入侧沟或中心沟；纵向盲管通常采用φ≮80 mm且带反滤层的双壁打孔波纹管，设置部位一般高于侧沟底面。

横向排水盲管的主要作用是连接侧沟与中心水沟或环、纵向排水盲管与中心水沟，兼具引排隧道底部积水的作用；横向排水盲管通常采用φ≮100 mm的高强度硬质塑料管，一般设置于隧道底板下方。

(2)沟槽排水系统

侧沟的主要作用是汇集围岩深入水、结构渗漏水，并将地下水引排至洞外或中心排水沟，兼具沉淀及部分排水功能；双线隧道侧沟有效排水截面一般≮25 cm×40 cm(宽×深)，双线隧道侧沟有效排水截面一般≮30 cm×40 cm(宽×深)，侧沟一般设置于隧道两侧，贯穿于全隧道。

中心水沟的主要作用是排放由上游管路内积聚的地下水，兼具汇集道床积水的功能。中心水沟一般设置于仰拱填充层内或底板内。

3 侧沟连接排水方法

当地下水单侧集中出水较大，而总的涌水量又没有超过双侧沟的排水能力时，往往会形成一侧水沟水溢至道床，而另一侧水沟无水、少水的情况，直接扩大截水沟断面、或提高隧道纵坡会造成不必要的工程投资浪费。此时可考虑连接两侧侧沟，均衡两侧水沟排水量的方法，来达到较好的排水效果。

3.1 设计理念

当隧道一侧集中出水量较大时，单侧侧沟过水能力不能满足排水要求，而另一侧侧沟水量较小，这时可在出水处附近仰拱填充层以下埋设φ≮100 mm的连接钢管，钢管纵向间隔布置。钢管与隧道轴线夹角45°左右，方便水流从一侧引入另一侧，以平衡两侧侧沟排水量，充分利用侧沟排水能力，达到较好的排水效果。见图3、图4。

图3 连接侧沟排水方法横断面

图4 连接侧沟排水方法平面

3.2 工程应用实例

叙永至毕节铁路设计为时速120 km的单线电气化铁路，下寨隧道位于川滇段，全长4 104 m，最大埋深约380 m。进口里程D2K208+923，出口里程D2K213+027，单线隧道，设计为10.4‰、11.2‰的单面上坡。

D2K209+290～D2K209+350段洞身穿越三叠系须家河组(T3xj)泥岩、砂岩夹煤线，埋深约16 m，洞顶发育一水沟。

当隧道施工通过该段时，隧道进口左侧集中出水较大，特别是雨季时，左侧水沟已经不能满足排水需求，集中出水已漫过仰拱填充层，右侧水沟出水较小，远远没有达到水沟的排水能力。经过现场四方踏勘会审，决定采用连接侧沟的排水方法解决施工现场集中出水问题，实施后效果良好，两侧水沟能满足排水需求。

4 集水廊道排水方法

4.1 设计理念

当隧道单侧集中涌水较大时，可结合施工现场地质条件及涌水点位置设置集水廊道，集水廊道纵向长度根据涌水范围及实际开挖情况确定。

在涌水点附近开挖一个宽1～2 m的集水槽，集水槽四周施作数量不等的φ89 mm集水钻孔，将围岩中的水引入集水槽。集水廊道拱部支护结构间隔设置泄水孔，可将集水槽和围岩中的地下水引入集水廊道，集水廊道靠近正洞端设置挡水墙，避免集水廊道中水流过大漫入正洞内。集水廊道末端设置集水坑，汇集集水廊道中的地下水，集水坑与正洞中心水沟之间设置2根φ300 mm混凝土管，将集水坑的水引入中心水沟排至洞外。集水廊道方案设计见图5、图6。

图5 集水廊道横断面

图6 集水廊道平面

4.2 工程应用实例

成都至昆明铁路设计为时速160 km的客货共线铁路，垭口隧道位于峨眉—米易区间，设计为双线隧道，跨度12.52 m，高11.29 m，进口里程D2K540+228，出口里程D2K552+675，全长12 447 m。

垭口隧道出口工区D2K551+774处发生塌方涌水，现场暂停施工。D2K551+774～D2K551+714段岩性为炭质片岩、片岩，强风化状，岩质软。岩体受邻近构造(昔格达3号逆断层)影响，发育节理密集带，岩芯呈角砾状，局部夹碎块状，围岩松散破碎；0～60 m钻孔范围内未见明显含水层，孔内渗水实测流量为0.8～2.5 L/s。

《岭外代答》①本文所引用的《岭外代答》内容为杨武泉先生校注的中华书局2000年版，以下不再赘述。是南宋地理学家周去非（1134-1189年）所撰的历史地理文献集成。周去非为永嘉人（今浙江温州），宋孝宗隆兴元年进士，曾经历试桂林尉、钦州州学教授，且在淳熙五年任静江府通判[1]。由于他的任职主要是为了对广西各地方官进行监察管控，而他本人对区域历史地理又颇感兴趣，所以将自己当官的过程同时也变成学术研究的过程。他借助自己在广西搜集资料、调查研究的便利，编撰合计10卷的《岭外代答》。虽然该书存在大段直抄《桂海虞衡志》等问题，但文献价值颇高。甚至有学者认为该书是“广西地方古文献中的压卷之作”[2]。

现场采用套衬支护、仰拱跟进、径向注浆、二衬施工、侵限段换拱、集水廊道施工等措施处理现场塌方涌水，其中集水廊道施工采取措施如下。

根据水量观察情况，确定施作截水廊道。为解决D2K551+774处涌水问题，并兼顾垭口隧道运营期间排水问题，于D2K551+815～D2K551+744段左线线路中线右侧22 m处增设截水廊道，截水廊道长度根据实际开挖情况决定，初步拟定约68 m。于D2K551+815处设置汇水井，尺寸为2.6 m×1 m×2 m(长×宽×深)，通过2根φ300mm混凝土管引排至隧道中心水沟。为引排隧道背后地下水以及改善运营期间的衬砌背后地下水环境条件，在施工期间揭示洞内明显出水点位置设置引水通道及φ89 mm引水钻孔，加强对正洞衬砌背后的地下水引排。见图7、图8。

图7 集水廊道平面布置

5 过水涵洞排水方法

过水涵洞排水方法主要应用于岩溶水的处理中，施工揭示的岩溶水主要采取“以排为主，排堵结合”的原则进行处理，当有环境要求时，“以堵为主，限量排放”。岩溶水的处理一般采取以疏导为主的原则，尽量不改变岩溶水的既有排泄通道，保持其原有的循环和储存平衡状态，减少地下水对结构和隧址区生态环境的破坏。

图8 集水廊道Ⅰ-Ⅰ剖面(单位：m)

5.1 设计理念

当隧底施工揭示较大型的空溶洞，溶洞又为过水通道时，可适时采用过水涵洞方案，保留原有过水通道，防止堵截岩溶水造成隧道结构的一系列病害。

设置过水通道处隧道仰拱改为底板形式，紧贴底板施作矩形过水涵洞，涵洞断面大小根据岩溶水流量确定，必须保证涵洞具有足够的过水能力。涵洞两端根据岩溶形态可延长施作过水通道，使岩溶水能够顺接到既有通道。涵洞一侧设置检查洞室，可随时进入涵洞，对涵洞进行检修。涵洞两端设栅栏门，防止异物进入堵塞涵洞。涵洞结构见图9。

图9 过水涵洞横断面设计

5.2 工程应用实例

西安至成都客运专线设计为时速250 km的高速铁路，小安隧道位于省界—广元区间，设计为双线隧道，跨度14.32 m，高13.28 m，进口里程D5K353+398，出口里程D5K366+828，全长13 430 m。

小安隧道D5K358+800～D5K358+860段洞身穿越地层岩性为岩，二叠系上统(P2)灰岩、泥灰岩、泥页岩夹煤线，二叠系下统(P1)灰岩、白云质灰岩夹页岩、煤线。原设计为Ⅳ级围岩，采用Ⅳa型复合式衬砌，三台阶法施工。

施工过程中基底及以上隧周探查揭示D5K358+800～D5K358+860段隧底、拱部以上岩溶发育，分布黏性土充填溶洞及空溶洞；隧底为岩溶过水通道，岩溶管道发育，流水量20～115 m3/d。溶洞向隧道左右两侧发育，与隧道斜交，与小里程方向夹角约30°，左低右高，斜向上发育。

(1)D5K358+848～D5K358+811隧底和拱顶空溶洞段采用Ⅴd型加强衬砌，二衬厚度80 cm，加强支护采用I22a型钢钢架，纵向间距0.6 m/榀。

(2)D5K358+860～D5K358+848段采用底板型的Ⅳc型复合式加强型衬砌，底板以下设置过水涵洞，隧道左右两侧暗挖过水通道连接隧底过水空溶洞的两端，将隧底过水通道改移通过暗挖过水通道、过水涵洞通过，排至原有过水溶洞，并于边墙外侧设置检查井、沉淀池，方便对过水涵洞检修，防止堵塞。见图10、图11。

图10 小安隧道溶洞处理平面布置(单位：cm)

图11 D5K358+857断面溶洞处理示意(单位：cm)

(3)过水涵洞按纵向间距1 m，每个断面预留2根φ200 mm PVC管接入中心水沟，当涵洞过水能力不足时，在水压作用下，可通过PVC管进入中心水沟，通过中心水沟排走，避免高水压对隧底结构产生破坏。

(4)对拱部、边墙空溶洞进行回填处理，防止掉块、坍塌对隧道衬砌结构的影响。

(5)D5K358+811～D5K358+800段采用Ⅳb型复合式加强型衬砌过渡。

6 泄水洞排水方案设计

当隧道穿越地下水发育地段，特别是岩溶强烈发育的可溶岩地段，地下水预测涌水量较大时，双侧沟过水能力或双侧沟+中心沟过水能力已经不能满足隧道排水需求，此时可根据地形条件结合辅助坑道设置情况，考虑增设泄水洞，辅助正线隧道排水。

6.1 设计理念

泄水洞一般设置于高山侧，拦截高山侧地下水，或设置于岩溶管道来水侧，拦截岩溶管道水，见图12。泄水洞断面尺寸可根据涌水量确定，兼顾施工可操作性，一般采用净空断面尺寸为4.5 m×5.0 m(宽×高)即可满足过水要求。排水坡度为10‰时，此断面仅考虑直墙部分过水能力达到10.5×106m3/d。

图12 泄水洞排水方案设计示意

泄水洞设计一般为预设计，施工过程中根据实际揭示涌水量是否超过隧道最大排水能力判定是否启用泄水洞。泄水洞的启动条件一般从以下4点进行判断。

(1)施工过程中已施工段每日涌水量大于正洞排水系统日排水能力时。

(2)施工过程中揭示暗河、大型岩溶管道，其过水量或推测过水量大于正洞排水系统能力时。

(3)岩溶水、地下水位变化较大，可能导致衬砌结构破坏时。

(4)其他可能导致正洞排水能力、结构安全度不满足运营安全需要时。

6.2 工程应用实例

叙永至毕节铁路设计为时速120 km的单线电气化铁路，下坝隧道位于川滇段，隧道全长6 082 m，最大埋深293 m。隧道进口里程DK237+597，出口里程DK243+679，隧道设计为9.5‰的单面上坡。

隧道洞身穿越可溶岩地层段，岩溶强烈发育，隧道通过岩溶水平循环带长度为5 355 m，全隧预测涌水量约48 227 m3/d，而隧道双侧沟的过水能力为31 200 m3/d，沟槽排水系统已经不能满足排水需求。

隧道设1座横洞，横洞全长945 m，与线路小里程夹角45°，并于DK240+270～DK241+270段线路右侧规划(预设计)长1 000 m泄水洞，见图13。泄水洞由横洞引入，当正洞揭示暗河或岩溶水量超过正洞排水系统能力时，启动泄水洞施工，作为运营期间排水通道。横洞及泄水洞均采用单车道无轨运输方式。横洞作为运营期间防灾救援紧急出口及施工、运营期间的排水通道。

图13 泄水洞设计方案平面布置示意(单位：m)

2017年12月19日，下坝隧道出口DK234+195处隧道底部及左边墙揭示一空溶洞，该处埋深203 m，溶洞尺寸约3 m×3 m，溶洞内有水，水量不大，用1台75 kW的抽水泵可保持溶洞内水位。下坝隧道出口工区为9.5‰的反坡，该处地层岩性为狮子山组的灰岩夹白云岩及角砾状白云岩局部夹膏岩结晶，岩溶强烈发育，DK242+750右侧160 m处有一岩溶洼地。

2018年7月3日，正值雨季，下坝隧道出口溶洞发生涌水，最大涌水量3 000 m3/d，淹没出口工区500 m。根据收集的水量大小，以及出口工区至横洞工区揭示的溶洞及岩溶水情况，研究从DK234+195处往出口的泄水洞方案或连接横洞工区的泄水洞方案。

7 结论与建议

本文依托叙毕铁路、西成高铁、成昆铁路等隧道工程，通过对隧道洞身排水系统设计方法的总结与分析，得出以下结论。

(1)通过对不同条件下隧道洞身排水系统设计方法的总结分析，得出了盲管+沟槽、侧沟连接、集水廊道、过水涵洞和泄水洞共5种排水设计方法，并已成功应用于叙毕铁路、西成高铁、成昆铁路等多个重点隧道工程的排水设计。

(2)地下水单侧集中出水较大，且隧道沟槽过水能力满足需求时，可通过纵向间隔布置φ≮100 mm的钢管连接双侧沟的排水方法，解决单侧集中出水漫过道床的问题，使隧道的排水设计更加合理。

(3)地下水单侧集中涌水大，且隧道沟槽过水能力满足需求时，可通过在隧道一侧设置集水廊道汇集地下水，并通过2根φ300 mm混凝土管排至中心水沟的排水方法，解决隧道单侧集中涌水大影响施工及运营安全问题。

(4)隧底施工揭示岩溶过水通道时，可采用在隧底设置矩形过水涵洞的方法，维持原有排水通道顺畅。

(5)地下水强烈发育地段，且隧道沟槽排水能力不能满足需求时，可通过在隧道一侧设置泄水洞的排水方法，解决隧道运营期间的排水问题，保证衬砌结构的安全。