高速铁路隧道防排水施工关键技术研究

随着我国经济社会的快速发展，铁路隧道越来越多。在隧道建设过程中，其工程地质和水文情况对隧道的施工安全、施工进度、工程质量以及运营安全起着重要的影响。据统计,铁路隧道渗漏水是影响隧道安全的重要因素之一,对隧道危害极大。此外，由于在施工环节对防排水施工没有给予足够的重视，隧道往往会出现各种裂缝或者砼空隙中渗入隧道等现象，导致洞内设备发生锈蚀，引发电气设备故障，导致漏电，出现“红光带”等现象，严重影响高速列车的行车安全等，因此确保铁路隧道工程的防排水施工质量意义重大。本文以某高速铁路隧道为例，对防排水施工关键技术进行研究。

1.工程概况

1.1 基本地质条件

该标段隧道线路受岩性及构造控制，发育多个地貌单元：起端至FⅢ-71为玄武岩地层构造剥蚀高中山地貌；FⅢ-72至FⅢ-73段为构造剥蚀中山地貌；FⅢ-73至F16段呈构造剥蚀中低山地貌，局部岩溶山地地貌发育；F16至标尾段为拱形上升构造剥蚀台原中山地貌。

隧道局部洞段地下水位高出洞身顶板350m以上，围岩弱微透水，但在断层破碎带及灰岩段尤其是在大箐及帽山白云质灰岩段岩体弱至中等透水，水位高于洞身顶板130m及220m。该标段可溶岩洞段占比19.37%，隧道沿线依次穿越大箐村（DLⅡ-I-8）及大营镇（DLⅡ-I-9）两个岩溶水系统。

1.2 隧道主要工程地质问题

隧道无放射性及特殊岩土问题，主要工程地质问题如下。

一是高地震烈度区与工程抗震问题。隧道工程区50年超越概率10%水平向地震动峰值加速度0.2g，地震动反应谱特征周期0.45s，相应地震基本烈度为Ⅷ度，存在高地震烈度工程抗震问题。

二是穿越活动性断裂抗断问题。隧道在里程DLⅡ47+078～47+133段穿越F16程海-宾川活动性断裂（Q3）南段，存在抗断问题。

三是隧道围岩稳定问题。该标段隧道Ⅱ类围岩占比5.86%，约1.241km；Ⅲ1类围岩占比25.81%，约5.464km；Ⅲ2类围岩占比33.71%，约7.137km；Ⅳ类围岩占比18.66%，约3.951km；Ⅴ类围岩占比15.96%，约3.380km。洞轴线与岩层走向（总体）交角小于30°约占58.21%，缓倾岩层洞段约占6.43%，其中既有缓倾角又有小夹角问题洞段占4.66%。洞轴线与层（流）面小夹角段及产状缓倾角段，对围岩稳定不利。

四是隧道涌（突）水问题及高外水压力、隧道涌突水问题。其主要发生在线路穿越大箐村（DLⅡ-1-8）、大营镇（DLⅡ-1-9）岩溶水系统及断裂带含水体时，最大涌突水出现在大箐段。隧道存在高外水压问题6个洞段，占比9.65%，最大高外水压力出现在毕马村岩溶段，需对隧道涌（突）水及高外水压洞段进行超前地质预报及打超前排水孔引流释压。（表1）

表1 隧道高外水压段落

五是地下水环境影响及地表水体影响问题。隧道横穿大箐村岩溶水系统（DLⅡ-I-8）补给及地下径流区，施工排水可能对大箐沟水流造成减流影响。隧道在新村、毕马村一带穿越大营镇岩溶水系统（DLⅡ-I-9）中的新村岩溶子系统（DLⅡ-I-9-1）及桑园—毕马村岩溶子系统（DLⅡ-I-9-2），施工排水将对新村岩溶子系统及桑园-毕马村岩溶子系统内的泉点产生疏干减流影响。施工不会对小官村库盆渗漏产生影响，对径流区入库总补给量影响较小。

六是硬岩岩爆问题及软岩变形问题。岩爆段总长约8302m，占该段隧道总长的39.2%。其中轻微岩爆洞段7064m，占岩爆洞段长度的85.1%，占该段隧道总长的33.4%；中等岩爆洞段1238m，占岩爆洞段长度的14.9%，占该段隧道总长的5.8%。隧道段挤压变形总长约867m，占该段隧道总长的4.1%。其中极严重挤压变形洞段158m，占变形段长度的18.2%，占该段隧道总长的0.75%；严重变形洞段124m，占变形段长度的14.3%，占该段隧道总长的0.59%；中等挤压变形洞段129m，占变形段长度的14.9%，占该段隧道总长的0.61%；轻微变形洞段456m，占变形段长度的52.6%，占该段隧道总长的2.15%。

七是高地温问题。该标段隧道可能存在高地温问题的有2段，均位于隧道前段的老鹰山及乌龙坝（长356m、埋深672m-694m）等洞段，2段共计长712m，占该段隧道总长的3.36%。

2.防排水施工关键技术与保障

2.1 地下水的控制和排除原则

一是对洞内地下水以预防为主，坚持“有疑必探，先探后掘”的原则。

二是为减小隧道运行期对地下水环境的影响，在工程中采取的渗控方案主要为：对存在地下水环境影响洞段在施工程序上将二次衬砌和永久径向防渗灌浆提前到滞后掌子面一定距离，与掌子面开挖同步进行；衬砌根据外水压力采取衬砌自防水，或在衬砌外设径向固结灌浆限排，灌浆标准（灌后透水率）按不大于5Lu控制。

三是对预报渗水量大的洞段特别是软弱破碎洞段，在开挖前进行超前注浆以控制地下水。

四是通过掌子面超前注浆预处理，减小掌子面突涌水风险；通过开挖后同步二衬和径向注浆，减小施工期洞内抽排水量。

五是经前述预报与降水控制后，剩余的洞内水以自流或强制抽排的方式排放出洞。

由于正洞坡度较小，集水坑每隔1000m设置一处，为保证正洞车辆运输畅通，集水井设在隧道侧壁开挖洞室，洞顶和侧壁采用安装型钢钢架喷射混凝土支护，同时掌子面配备2至3台污水泵，防止掌子面出现涌水。排水布置见图1。

2.2 地下水涌水量控制

限排要求该隧道46+239～46+857段，长618m，隧道埋深47m-233m，穿越新村岩溶水系统，涌水问题突出，对周边泉点有减流疏干影响，施工过程中应采取堵水限排设计。49+719～50+057段，洞长338m，穿越小官村水库径流区，毕马村～桑园村岩溶水系统，径流面积6km2-7km2，隧道施工使地下水位下降，对周边泉水有影响，同时影响小官村水库年径流量，因此建议对该段进行堵水限排处理。

图1 隧道反坡排水布置示意图

富水地段堵水要根据不同的安全和环境问题采取相应的综合处理措施。一是进行超前地质探测，判别富水地层的位置、地质特性；二是根据富水地层的定位、地质特性，分析可能的涌突水量，综合确定涌突水风险等级；三是根据涌突水风险等级和洞段所在的环境影响因素类型，采取超前灌浆、边挖边衬、衬后固结灌浆防渗等工程处理措施。

涌突水风险极高和高的A、B级洞段，主要是穿过宽厚断层、岩溶发育或储水向斜洞段，由于洞段围岩稳定条件差，构造规模大，且含有丰富的地下水，一旦揭穿，极易发生大规模的涌突水灾害，危及工程施工安全，因此，确保施工安全是这类洞段的首要目的。地下水是产生涌突水灾害的主因，为减小涌突水对工程安全的威胁，给后续加固施工创造条件，确保施工安全，需对涌突水风险极高和高的A、B级洞段进行超前预灌浆封堵。对于风险一般（C级）和小（D级）的洞段，由于涌水量一般或小，地下水对工程带来的安全风险相对较小，可仅对局部集中出水点进行灌浆封堵。

2.3 边挖边衬

对于涌突水风险极高和高的A、B级洞段，除了进行超前灌浆堵水外，为确保施工安全，需要及时跟进衬砌，因此对这类洞段一般采取边挖边衬措施。对于涌突水风险为C、D级洞段，虽然涌水量相对小，但对于存在影响地表水用户用水、地表存在污染物或背景值超标以及施工排水进入敏感地表水体、达标排放标准高、废水处理费用大等三类环境影响因素的洞段，为缓解地下水排放对环境的影响，需要尽量减少施工期排水量，因此对这类型洞段也采取边挖边衬措施。对于存在影响地表水用户用水的洞段，为保证衬砌结构安全，需要在顶拱布置排水孔，但排水孔对地下水的长期外排会对环境造成影响，为减少对环境的影响，对这类型的洞段，要根据外水压力的大小，在衬后采取结构自防渗或径向固结灌浆防渗措施。

2.4 施工期排水

支洞与正洞交叉口位置设固定泵站，泵站水仓结构尺寸为：30m（长）×5.0m（宽）×2.8m（深），容量280m3。正洞反坡排水每隔1000m处设置泵站。确定泵站建设与设备选型配置后主要研究的问题：一是如何实现排水自动化；二是提高排水智能化和可靠性，从而降低斜井排水费。水泵采用泵宝水泵智能控制器来控制水泵抽水时间，该控制器具有全自动控制水位、压力、浮球等多功能控制功能，全面保护过载、空载、保护功能，有自动、手动两种工作模式可供选择。

2.5 隧道排水处理方案

该标段输水隧道主洞进出口及各施工支洞洞口，涉及宾居河流域以及河底水库和响水河水库两个灌溉水库，对隧道排水进行收集处理后，按照相应处理目标达标排放。各隧道排水处理目标要求详见表2。

表2 隧道排水处理目标要求

隧道排水的废水处理位置尽可能设置在靠近施工支洞的洞口处，隧道排水通过提升泵抽入沉淀池中。加药间仅用作絮凝剂和混凝剂堆存和配药，药剂每日一次，投入一体化加药系统中，通过管线加药到絮凝反应池中，加药间布置在絮凝反应池周边合适位置，面积4.0×4.0m，高度4.2m，采用轻钢结构活动板房。

如图2所示，主要供电为一体化加药系统，搅拌器和供药系统供电负荷可选3kW以内。平流式沉淀池的运行方式为自流运行。清淤方式采用人工清淤，清淤深度1.5m，清淤周期不固定，按照出水水质来确定清淤时间，水质达标的情况下不清淤。

3.突泥突水险情应急处置措施

3.1 潜在危险源风险性评估

主要存在涌水（突泥）风险段落均在3#和4#隧道工作面，尤其雨季更为突出。根据工程地质资料显示，主要事故类型包括淹溺、透水可能引发坍塌、触电等。隧道掘进开挖，尤其是主洞开挖均为双面掘进，一端发生突泥突水，两处工作面都将会受灾，在施工过程中如发生涌水、突泥事故，属于Ⅳ级重大风险。

3.2 预警与预防

（1）预警

根据设计图纸和地勘资料情况对可能发生涌水的段落进行统计，项目部工程部、安质部依据现场施工进度，需提前一个月预警通报重大风险段落，提出预防措施制定专项方案，督促现场严格按专项方案中措施，做好施工、监测、准备应急物资储备及防范，详见表3。

图2 隧道排水的废水处理施工工艺流程图

表3 涌水风险段落统计表

（2）预防

根据不同安全和环境问题，采取相应的综合处理措施。

一是为减小隧道运行期对地下水环境的影响，在工程上采取的渗控方案为：对存在地下水环境影响洞段在施工程序上将二次衬砌和永久径向防渗灌浆提前到滞后掌子面一定距离，与掌子面开挖同步进行；衬砌根据外水压力采取衬砌自防水，或在衬砌外设径向固结灌浆限排，灌浆标准（灌后透水率）按不大于5Lu控制。

二是对预报渗水量大的洞段特别是软弱破碎洞段，在开挖前进行超前注浆控制地下水。

三是通过掌子面超前注浆预处理，降低掌子面突涌水风险；通过开挖后同步二衬和径向注浆，减小施工期洞内抽排水量。

四是根据涌突水风险等级和洞段所在的环境影响因素类型，采取超前灌浆、边挖边衬、衬后固结灌浆防渗等工程处理措施。

4.结论

高速铁路隧道防排水是一项系统工程，其施工质量好坏直接影响到隧道实体质量、施工安全和施工进度。本文针对铁路隧道中存在的渗漏水等问题，强化隧道施工过程控制，提出地下水的控制和排除原则，设计出施工排水总体方案，并对危险突水区段进行风险评估，提出土水处理措施，保证了隧道防排水施工质量，达到设计预期防排水效果。我们应当加强对铁路隧道排水施工技术的研究，以此确保隧道质量提升，使列车得以顺畅通行，进一步促进我国经济发展、提高人民生活水平。