成兰铁路长大分修隧道防排水系统及水量平衡技术

王芳 张磊 邸成 劳志伟 李裕

1.中铁二院工程集团有限责任公司，成都610031；2.西南交通大学土木工程学院，成都610031

我国铁路隧道的建设水平不断提高，但隧道水害一直是困扰广大隧道建设者、管理者的难题。关于铁路隧道防排水设计和施工已有大量现场实践和研究成果。梅志荣等［1］以铁路长大隧道工程建设为背景，提出了地下水防治的科学理念及监测方法。张小华等［2］指出了防排水设计与施工中存在的问题和难点，在防水类型选择、地下水处理、衬砌内外侧结构防水等方面提出优化措施和建议。刘春和［3］指出解决隧道渗漏水的关键是加强防排水工程的质量控制。李治国［4］对复合式衬砌隧道防排水的现状和存在的主要问题进行分析，研究了隧道排水量和水压力控制值分级、上下分离的防排水体系等。张广乾等［5］介绍了排水板、土工布和防水板组成的复合式新型防排水结构在隧道防排水应用中的优越性。巩江峰等［6］结合新型铁路隧道排水板，提出采用“排水板+中埋式止水带”的措施。翟可［7］针对富水铁路隧道内道床翻浆冒泥病害，提出铁路隧道基底承压地下水处理应遵循“降水压、排渗水”的设计原则。李苍松等［8］建议加强隧道施工对围岩渗流场的影响和隧道结构水荷载设计方法两方面的研究。张文达等［9］分析了季节性冻土区铁路隧道渗漏水的原因，提出并介绍了一种渗漏水综合防治措施。5 000座运营铁路隧道统计分析表明，约占总数1/3的隧道存在衬砌开裂、渗漏水等病害［10］。究其原因，除隧道防排水工程施工质量存在问题，所选用的防排水材料品质不佳外，隧道设计对地下水的处理缺乏系统性、周密性的措施是重要原因。

截至2019年底，全国投入运营的特长隧道有170座，以合修单洞隧道为主，分修双洞隧道占少部分。合修单洞隧道的“防、排、截、堵”等防排水措施均相对完善，而长大分修双洞隧道工程实例少，也几乎未见对于分修隧道防排水的系统性、关联性及水量平衡方面的研究。因此，本文对地质条件、水文环境、生态环境均十分复杂的成兰铁路平安特长分修隧道的防排水系统及水量平衡进行研究和设计。

1 工程概况

1.1 线路概况

成兰铁路起于成都，经九寨沟向北延伸连接兰渝铁路的哈达铺站，设计速度200 km/h。线路正线长457.6 km，有隧道32座，共计332.44 km，隧线比高达73%，其中平安隧道长28.4 km，是我国西南山区已贯通的最长铁路隧道。区域内地震及地质灾害频发，线路穿越的龙门山构造带发生过“5·12”汶川大地震，工程地质具有“四极、三高、五复杂”的显著特点［11］。

平安隧道位于四川省阿坝藏族羌族自治州茂县境内，隧道左线长28.426 km，右线长28.401 km。线路纵坡为人字坡，隧道为双洞分修隧道，线间距为30～40 m，最大埋深1 720 m。隧道海拔较高，冬季气温低，极端最低气温可达-20℃。隧道横穿龙塘沟、石大关等多条山间溪流，伴行岷江活动断裂，距岷江活动断裂约3～4 km，进口D8K151+760—D8K171+500段穿越宝顶沟省级自然保护区，总体为傍山隧道。

1.2 地质概况

平安隧道洞身主要穿越泥盆系危关群上组炭质千枚岩、砂质千枚岩、石英岩；泥盆系危关群下组炭质千枚岩、绢云石英千枚岩夹石英岩、灰岩；石炭系、二叠系灰岩夹炭质千枚岩、炭质页岩，三叠系下统菠茨沟组石英砂岩、炭质千枚岩夹灰岩以及三叠系中统杂谷脑组千枚岩、砂岩、灰岩（图1）。隧道通过桃花寨向斜、石大关断层、水沟子弧形同斜倒转背斜、平安1#倒转向斜、小关子逆冲断层、平安1#断层、平桥沟推断逆冲断层、洗澡塘弧形同斜倒转向斜、观音崖倒转背斜等。

图1 平安隧道穿越的主要地层岩性

隧止区内地表水主要为山间溪沟水及岷江水，均属岷江水系。该隧道为傍山隧道，山高谷深，地形陡峭，隧道洞身分布7条沟谷，向左侧的岷江排泄，大部分大气降水会很快通过地表径流汇入岷江。

地下水以孔隙水和裂隙水为主。孔隙水主要为第四系覆盖层孔隙型潜水，主要分布于隧道的进出口及洞身沟槽的砂卵石内，整体水量较大，但对隧道涌水量影响较小。裂隙水分基岩裂隙水和构造裂隙水，可溶岩段落为岩溶水。基岩裂隙水包括碎屑岩裂隙水和变质岩裂隙水。碎屑岩裂隙水主要赋存于砂岩裂隙中，属于中等～弱富水岩组；变质岩裂隙水主要赋存于板岩、千枚岩等变质岩中。构造裂隙水主要赋存于区域构造带内，局部富集区水量较大。特别是区域性断裂、向斜核部和背斜核部，岩体破碎，结构疏松，岩体裂隙之间存在的空隙成为地下水活动的通道，构造水对隧道涌水量贡献较大。涌水量预测见表1。

表1 涌水量预测

岩溶水主要分布于洞身D8K156+075—DK156+490、D8K167+405—D8K167+770石炭系和二叠系灰岩段，岩溶弱～中等发育，区域内未见溶洞、地下暗河、溶蚀洼地出现。

平安隧道岩性以隔水岩层为主，局部地段穿越灰岩地带，岩溶水弱发育，隧道整体水量不大；隧道构造复杂，构造水为地下水的主要来源，向斜核部、断层破碎带富水，突水突泥的风险大；隧道位于寒区，防排水应考虑防寒抗冻要求；隧道所处地质环境复杂，且为傍山隧道，左右线涌水量存在不均衡性。

1.3 平安隧道设计概况

平安隧道为重要的控制性隧道之一，为满足施工工期要求，解决施工场地及运营排水问题，结合地形、地质条件，采取长隧短打形式。施工图设计采用“4横洞+4斜井”的辅助坑道方案，见图2。

图2 平安隧道辅助坑道示意（单位：m）

2 防排水系统设计

在考虑分修隧道之间的防排水关联性基础上，系统、平衡地设计防排水系统，遵循“防、排、截、堵相结合，因地制宜，综合治理”基本原则，重点对防寒抗冻段、环境敏感带及构造地下水发育段进行注浆堵水。

2.1 防水系统

隧道工程应设置由地表处理、围岩防渗、衬砌结构防水等部分组合构成的隧道防水系统，见图3。

图3 隧道防水系统示意

2.1.1 围岩防渗

为防止洞口段冻胀破坏，保护地表植被或居民生产生活用水，降低地下水发育段的施工风险，改善施工作业环境，对防寒抗冻段、环境敏感带及地下水发育段进行全断面超前预注浆堵水。

1）防寒抗冻注浆。对进出口各500 m裂隙段进行注浆堵水。注浆控制标准为初期支护表面无滴水。

2）环境敏感带注浆。D8K151+760—D8K171+500段穿越宝顶沟省级自然保护区，为降低隧道开挖对环境的不利影响，施工中应控制地下水涌出量，对地下水发育段进行注浆堵水。注浆控制标准为任一隧道每米地下水流出量不大于1.5 m3/d。

3）构造地下水发育段注浆。对存在涌突水风险地段及地下水发育段进行注浆，注浆控制标准为任一隧道每米地下水流出量不大于3 m3/d。存在涌突水风险的地下水发育地段主要有桃花寨向斜、石大关断层、大店子倒转向斜、小关子断层、太平1号断层、太平1号向斜等构造密集带、平桥沟背斜、洗澡堂向斜、观音崖倒转背斜等地质构造密集带。

2.1.2 衬砌结构防水

隧道防水应重视初期支护防水，并以衬砌结构自防水为主体，以防水层防水以及施工缝、变形缝防水为重点［12］。隧道衬砌防水应满足GB 50108—2008《地下工程防水技术规范》［13］一级标准：隧道二次衬砌混凝土抗渗等级不低于P10；初期支护与二次衬砌之间拱部及边墙部位铺设防水板加无纺布防水；施工缝及变形缝按规范设置可靠的防水措施；二次衬砌灌注混凝土前于拱顶纵向预留注浆管和排气管，二次衬砌施作达到强度后及时进行衬砌背后注浆。

2.2 排水系统

隧道采用自流排水方式，设置人字坡，考虑隧道排水单元划分设置辅助坑道排水等。隧道的排水系统由地表截水沟、排水沟、洞内侧沟（中心沟）、衬砌背后环向盲管（沟）、纵向盲管（沟）、横向排水管和泄水孔组成，必要时可在隧底设置排水管（沟）。

2.2.1 排水单元划分及设计重点

根据平安隧道“4横洞+4斜井”的施工组织方案，全隧可设置5个出水口，分别是进口、1#横洞、2#横洞、4#横洞及出口，根据这5个出水口，全隧共分为5个排水单元，分别是进口—1#横洞段、1#横洞—2#横洞段、2#横洞—人字坡顶点段、人字坡顶点—4#横洞段、4#横洞—出口段。排水单元分布见表2。

表2 平安隧道排水单元信息

由表2可知，排水三单元是设计的重点单元。三单元左线范围为D8K157+150—D9K176+650，对应右线范围为YD8K157+146.460—YD9K179+658.24（图4）。右线隧道双侧沟分别设置排水沟将地下水引入横通道内的集水井，集水井连接横通道内中心沟，至左线隧道时采用φ600的涵管下穿左线底部接入2#横洞的集水井内；左线隧道双侧沟分别设置排水沟直接将地下水引入2#横洞的集水井内；左右线隧道地下水汇集至2#横洞集水井后经横通道内中心沟引至洞口排放（图5）。

图4 平安隧道重点排水单元三单元平面示意

图5 平安隧道重点排水单元三单元横断面示意（单位：m）

2.2.2 衬砌内排水系统构成

隧道单线段及单双线过渡段衬砌不设中心沟，由双侧沟汇集地下水并排出洞外，采用盖板沟形式。进出口车站段采用双侧沟加中心沟的排水方式。全隧二次衬砌背后设φ50环向盲沟，每10 m一环，地下水发育段或围岩集中出水处增设环向盲管；两侧边墙脚设φ100纵向透水盲沟，并每隔10 m一道将地下水引入洞内侧沟。

2.2.3 排水保温措施

隧道进出口各设置1 000 m保温侧沟（图6），左右线进出口车站段设置保温中心沟。5个出水口洞口处各设置一横向深埋保温暗管将洞内水引入洞外保温出水口排放。

图6 隧道保温侧沟

3 水量平衡技术

由于左右线隧道以及左右侧沟的水量分布具有不均衡性，尤其是2#横洞—人字坡顶点段（D8K157+150—D9K176+650），该段长达19 500 m，4座斜井均位于左线隧道左侧，左右4条侧沟合计排水能力为7.96万m3/d（该段最大预测水量为7.28万m3/d）。实际水量若不均匀，则会出现局部段落水量较大、侧沟排水能力不足的情况，影响铁路运营安全，须采取相应的水量调配平衡设计。

3.1 左右侧沟水量平衡

同一隧道断面内左右侧沟可能存在地下水不均衡的情况，于左右侧沟之间仰拱填充内埋置φ100PVC管进行水量平衡（图7）。具体的方向和根数应根据地下水来源方向和水量大小确定。

图7 左右侧沟水量平衡示意

3.2 左右线水量平衡

由于该左右分修隧道左右线的标高不一致，D8K151+760—D9K176+085段左线高于右线，D9K176+085—D9K180+186段右线高于左线，根据地下水来源方向并结合横通道设置情况，考虑三种情况下的预案。

预案1：若地下水主要分布在高端，且水流来源方向（上游）和既有横通道呈大角度相交，则于横通道内设置φ300预制管，将高端侧沟水引至低端侧沟，见图8。

图8 利用横通道（与上游呈大角度相交）向低端侧沟排放

预案2：若地下水主要分布在高端，但水量来源方向（上游）和既有横通道呈小角度相交，则于高端侧沟预埋数根（根据实际水量大小确定）φ100PVC管至横通道内的集水池，由横通道内中心沟将多余水引至低端侧沟，见图9。

图9 利用横通道（与上游呈小角度相交）向低端侧沟排放

预案3：若地下水主要分布在低端，无法利用既有横通道由低端向高端平衡水量，则须根据需要新建排水横通道。横通道的方向和角度根据左右线隧道的实际高程和坡度确定，确保两端侧沟标高一致。横通道内设置φ300预制管平衡左右线水量，见图10。

图10 新增横通道向高端侧沟排放

利用预案3新增横通道进行水量平衡的平面布置见图11。

图11 预案3新增横通道示意

4 结论

1）由地表处理、围岩防渗、衬砌结构防水等组合构成隧道防水系统。该系统注重初期支护防水，并以衬砌结构自防水为主体，以防水层防水以及施工缝、变形缝防水为重点。

2）隧道设置人字坡，采用自流排水方式，考虑隧道排水单元划分设置辅助坑道排水。隧道的排水系统由地表截水沟、排水沟、洞内侧沟（中心沟）、衬砌背后环向盲管（沟）、纵向盲管（沟）、横向排水管和泄水孔组成，局部地段设隧底排水管（沟）。

3）根据地下水来源方向、左右线高程和横通道设置情况，采取左右侧沟间预埋PVC管、既有横通道内预埋预制管、新建排水横通道等排水措施，平衡左右侧沟和左右线不均匀水量。