深埋矿山法海底隧道排水设计探讨——以珠江口铁路隧道为例

戴 新， 贺维国， 王东伟， 吕青松， 于 勇

(1. 中铁隧道勘测设计院有限公司， 天津 300133； 2. 中国中铁智慧城市研发中心， 天津 300300)

0 引言

矿山法是一种适用于各种不同岩石条件的隧道施工方法[1]。对于矿山法施工的海底隧道而言，因为隧道深埋于海域，具有埋深大、水压高、补给水量丰富等特点,结构渗水量大，每天排水量可达上千甚至上万m3，所以合理的控制排水量标准和排水设计是隧道建设的关键，也是控制运营成本的重要指标。文献[2]提出了海底隧道防排水设计应遵循的原则；文献[3]根据理论分析和现场实测，提出了厦门海底隧道的排放量标准；文献[4]对防排水系统的设计和参数选择提出了具体建议；文献[5-8]介绍了大型海底隧道基于排水量控制的结构设计方法；文献[9-12]介绍了具体的海底隧道工程运营期排水设计思路及运行状况。这些研究为我国矿山法水下隧道防排水设计提供了重要数据和宝贵经验。

总体来看，上述研究分别从海底隧道防排水原则和系统设计、排水量标准及运营期排水设计等方面进行了理论分析和现场试验，但只是单纯地讨论施工期的“防”和运营期的“排”，缺乏全面、多层级、系统的论证以及立足实际工况的研究。

本文以目前国内埋深和水压最大的海底隧道——深江铁路珠江口隧道为工程背景，一方面，探讨水下隧道防排水类型、矿山法段控制排水量标准；另一方面，着重对已建工程实际的排水量、不同类型水泵的运行效果、不同提升方案的运维及能效等进行分析。通过全过程控制结构排水量，优化排水设计，实现隧道建成后排水系统运行更加稳定、安全、高效，维护更加经济、便捷的目标。

1 工程概况

珠江口隧道是新建深圳至江门铁路的重点工程，位于珠江口，连接东莞虎门和广州南沙。珠江口隧道工程线路长13.69 km，水域段长约11 km，为特长隧道工程。珠江口铁路隧道线路布置见图1。

图1 珠江口铁路隧道线路布置(单位: m)

隧道按单洞双线设计，正线线间距4.6 m。盾构隧道内建筑限界净高为6.7 m，其余段隧道建筑限界净高为7.25 m。纵断面为V形坡。隧道采用明挖+盾构+矿山法组合工法施工。中间矿山法段，长度为5.52 km，最大埋深约115 m。隧道线路最低点位于斜井与隧道正线交接点附近，斜井矿山段长1.16 km。在隧道V形坡最低点斜井接入正洞的斜井侧设海底废水泵房。珠江口隧道纵断面见图2。

图2 珠江口隧道纵断面(单位: m)

2 隧道防排水类型

矿山法隧道工程防排水类型的确定至关重要，一方面它是隧道结构设计的基础，另一方面对隧道后期的运维影响较大。根据已建及在建工程情况，水下隧道主要有3种防排水类型： 防水型隧道、控制排水型隧道、排水型隧道。

1)防水型隧道，承受全部水压。不排水的全封闭防水隧道在静水压力不超过0.3 MPa的地方广泛应用。经过大量的工程实践，人们认识到60 m水头是防水型隧道的水头上限。根据国外的情况，采用全封堵方式的隧道，地下水位一般小于30 m，从技术上可以将60 m作为临界值[3]。

2)控制排水型隧道，承受部分水压。对于水下隧道来说，完全避免渗水是不可能也是不必要的，主要的工作是降低渗漏量，使其达到安全可靠、经济合理的水平。控制排水型隧道一般采用堵水限排方案，该方案的关键问题在于确定隧道排水量。矿山法水下隧道的排水类型多属于这种。

3)排水型隧道，为无水压隧道。排水型隧道利用衬砌背后的排水设施，通过排水系统将渗漏水排出洞外。其关键是要保证初期支护和二次衬砌的排水系统畅通。任何排水系统的堵塞，都将导致隧道承受水压。排水型隧道需要设置较大规模的排水系统。

海底隧道的地下水基本上可以认为是无穷的，全排或以较大流量排水显然也是不合理的。由于水下隧道地下水位基本稳定，在埋深较小的地段，可采用全堵方式进行防排水；一旦地下水头超过临界水头值，则需要堵水限排。珠江口铁路隧道为控制排水型隧道，采用“以堵为主，限量排放”的设计原则。

3 矿山法段渗水量标准

3.1 矿山法隧道理论涌水量计算

隧道涌水量的基本形态通常可以分为初期最大涌水量q0、正常涌水量qs、递减涌水量qt3种情形。隧道开挖后，隧道与地层接触面不断扩大，涌水量相应地增加，以后由于泥沙夹层的冲刷使围岩渗透性能增加，涌水量达到最大值，称之为初期最大涌水量；接下来，涌水量逐渐减少，这个期间的涌水量称之为递减涌水量；再后来，慢慢收敛到某一平衡状态，为正常涌水量。根据以往文献的研究成果，最大涌水量和正常涌水量可以由不同的经验公式分别求得。

最大涌水量主要通过大岛洋志公式和马卡斯特公式预测；正常涌水量采用朱大力经验公式预测。

大岛洋志公式为

(1)

式中：q0为单位长度可能最大涌水量，m3/(d·m)；k为岩层渗透系数,m/d；H为含水层中原始静水位至隧道等价圆中心的距离，m；r为隧道洞身横断面的等价圆半径，m；d为隧道洞身横断面的等价圆直径，m；m为转换系数，一般取0.86。

海底隧道与一般山岭隧道不同，隧道覆盖层表面存在着稳定的海水压力。目前，海底隧道涌水量预测常采用的公式有马卡斯特公式：

(2)

式中：Q为隧道预测涌水量，m3/d；Hl为海水深度，m；h为覆岩厚度(隧道顶至海底的覆盖岩层厚度)，m；r0为隧道有效开挖半径，m。

正常涌水量qs采用朱大力经验公式：

qs=k0H2(0.676-0.06k)。

(3)

式中：k0为含水体的渗透系数，m/d；H2为静止水位至洞底距离，m。

利用经验公式求出的珠江口铁路隧道最大涌水量、正常涌水量以及后期数值模拟的不设置加固圈情况下的正常涌水量，见表1，同时将最大涌水量与地勘报告进行对比。

表1 珠江口铁路隧道涌水量计算

从目前国内外海底隧道的排水量标准来看，跨珠江口隧道的涌水量过高，因此需要对涌水量进行控制。

3.2 矿山法段控制排水量标准

关于水下隧道控制排水标准，挪威海底隧道规范规定允许的渗水量为300 L/(km·min)[2]，即0.432 m3/(m·d)，而目前国内尚无明确的规范、标准或者指南。严格的控制排放标准将使辅助施工措施费用大大增加，而过低的控制标准则使大量的地下水进入隧道，运营成本大大增加。通过对国内外矿山法水下隧道排水量的调研，得到目前国内外矿山法或组合工法矿山法段海底隧道工程的渗水量情况，如表2所示。

表2 国内外建成海底隧道排水量调研

通过调研结果可以看出，因为各隧道的地质条件、环境条件、防排水措施、施工质量等差异，不同隧道的现状排水量虽存在一定的差别，但也有共性的内容。从表2可以得出，已建成隧道的实际排水量标准值集中在0.1～1.0 m3/(m·d)。在工程设计阶段，可根据隧道工程技术经济指标、地质条件、线路选择、施工水平并结合已建成隧道类比案例，在以上区间范围初选出一个控制排水量标准。当隧道线路长、地质条件好时，初选值可偏小些；当线路短、地质条件差时，初选值可偏大些。

由表2可知，也有偏差较大的工程，例如： 厦门地铁3号线过海区间隧道设计阶段控制排水量标准为0.4 m3/(d·m)，而实际工况排水量偏离设计值较大。这种情况出现的主要原因是, 厦门地铁3号线过海区间围岩裂隙比较发育，裂隙不贯通区域很难保证注浆效果；可能的原因是,采用的双液浆注浆材料虽然可注性好、早期强度高，但是耐久性差，且施工质量存在差异等。这也要求我们不能完全依赖一个初期的控制排水量标准去进行排水设计，排水设计一定是随施工动态修正的过程。

4 矿山法段隧道排水设计思路

根据已建工程经验，结合珠江口铁路隧道矿山段具体工程情况，介绍一种矿山法海底隧道的排水设计思路。

4.1 阶段1——选定标准

根据以往工程经验并结合本工程特点，珠江口铁路隧道矿山段设计阶段初步选定隧道控制排水量标准。1)根据3.2节的工程调研，大部分已建工程排水量集中在0.1 ～1.0 m3/(m·d)； 2)珠江口铁路隧道矿山段大部分穿越硬岩、较硬岩地层，且岩石覆盖层厚度超过20 m，与胶州湾海底隧道有一定的相似性，但隧道开挖断面略大； 3)挪威海底隧道规范允许的渗水量为300 L/(km·min)，即0.432 m3/(m·d)； 4)珠江口铁路隧道矿山段主要穿越弱、微风化花岗岩和片岩，综合对比分析隧道不同的排水量所需要的地层注浆圈厚度并结合理论涌水量计算。

综上，珠江口铁路隧道矿山段初步选定控制排水量标准为0.3 m3/(d·m)，并在此基础上做好排水冗余设计。

根据TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》：“集水池的有效容积可按排水分区内24～48 h结构渗水量的总和确定”。同时，结合施工过程中渗水量可能增加的情况，集水池和应急仓总容积按满足储存控制排水量条件下48 h矿山段渗漏水量的要求设置。

4.2 阶段2——过程控制

在铺设防水板之前，对初期支护的渗漏水量进行实测，若超出限排标准，需及时进行补充注浆封堵。

施工过程中对结构渗水量进行动态监测。隧道开挖后，对已完成二次衬砌的隧道区段渗水量进行跟踪监测，检查隧道平均渗水量，量测已开挖部分隧道段的渗水量。二次衬砌后的结构渗漏水由集水坑收集后，通过安装在压力排水管上的流量计进行计量，核算平均延米渗水量后，推算全矿山段隧道结构渗水量。若实测过程中结构渗水量超过原排水量标准，施工过程中应进一步加强完善堵水措施，控制结构渗水量规模。

4.3 阶段3——动态调整

根据实测和预测的结构渗水量，调整隧道排水设计。排水设计的调整可以从2个方面进行： 1)调整泵房及集水池规模； 2)调整水泵排水能力。当原设计泵房和集水池规模能满足设计需要时，可只调整排水能力。本工程隧道贯通后，在机电设备安装前，根据实测结果和施工图存在的偏差对运营期排水系统施工图设计进行必要的修正。由于设计过程是动态调整的过程，本身是以部分工程实测数据为基础进行预测，同时将预测结果作为设计输入条件，并在设计阶段充分考虑土建扩容和预留条件，所以对工程影响较小，最终能得到一个准确的设计。

通过初选控制排水量标准—施工中过程控制—后期设计动态调整的方法，解决了矿山法海底隧道排水标准无明确规范规定，施工过程结构渗水量动态变化影响排水系统设计的难题。

5 排水提升方案比选

5.1 废水泵的选型

海域环境下，存在泵房被水淹的极端情况，因此在满足变配电设施不受淹的前提下，在水泵的选择上一般优先选择潜水泵。目前，在水下隧道中应用比较多的潜水泵是多级潜水泵和单级潜污泵。

5.1.1 多级潜水泵

多级潜水泵为多级离心泵，一般用来输送固体杂质总含量(质量比)不大于0.01%的清水。多级离心泵流道小，流程长且曲折，不适合排放含固体颗粒的废水，且安装要求比较苛刻，特别是当扬程高、级数多时，存在高转速带来的密封面高温磨蚀、高压力带来的密封参数不稳定及基体结构件被腐蚀等问题，对排水水质要求高[9]。一般多级潜水泵工作部分在井内至少要让2～3个叶轮浸入动水位以下，而滤水网则至少要比最低动水位低0.5～1.0 m，且要离开井底不小于2 m，机组底部距井底不得小于5 m。多级潜水泵对集水池深度的要求比较高[13]，其优点是可满足高扬程的抽排。

5.1.2 单级潜污泵

单级潜污泵(QW型)为单级离心泵，其优点是可长期在水中运行，产品稳定，技术成熟，选购方便；能输送杂质含量(质量比)较高的污水或者废水，非常适合输送隧道废水；产品工艺简单，运营维护方便。其缺点是扬程低。通过对国内外水泵厂家调查显示，大流量的单级潜污泵，其成熟的扬程一般为60 m以内，也有达到70 m的。如果扬程超过70 m，水泵需要特制，其价格会明显上涨。

珠江口铁路海底隧道埋深较大，隧底最大埋深约115 m。综合考虑静扬程、沿程及局部损失后，水泵的总扬程较高，在这种情况下，就要综合考虑排水提升方案的选择。目前，国内海底隧道排水提升方案主要为2种： 一种为多级潜水泵单级提升方案；另一种为单级潜污泵多级提升方案。2种提升方案在已建及在建矿山法海底隧道工程中均有应用，见表3。

表3 矿山法海底隧道排水提升方案及水泵选型调研

5.2 珠江口隧道排水提升方案比选

5.2.1 提升方案的选择

5.2.1.1 土建方面

单级提升需采用多级潜水泵，对水质要求较高，根据工程经验要想达到较好的运行效果，集水池前需设置水处理设施，如图3所示。其中，前置处理设施部分需要较大建筑面积和处理空间；另外，多级潜水泵对水池的深度要求较高。这在深埋水域无论从施工难度还是费用上，对土建的影响较大。

图3 单级提升泵房布置——前置处理设施

多级提升方案采用单级潜污泵，对水质要求低，池深要求小，但因为可抽排扬程有限，所以需设置一处或者多处中转泵房，以实现排水的接力提升。主废水泵房按常规泵房设计即可。中转泵房集水池只需满足中转功能要求，没有存储功能的需要；设备房间只需满足设备安装、检修、运输基本功能；水泵的配置一般和主废水泵房规模一致，如图4所示。

(a) 主废水泵房(b) 中转泵房

5.2.1.2 故障率方面

潜水排污泵是一种工艺成熟、稳定的水泵,维护管养简单,且本身发生故障的概率比较小。通过对采用2级提升的青岛胶州湾海底隧道的调研，从其多年的运行数据来看，平时潜水排污泵运行良好，目前没有进行过更换。由于水泵扬程低，对水泵设备及扬水管材质各方面的要求会明显降低。根据运营反馈，目前的运行情况是，平均每2年左右潜水排污泵的扬程会逐渐降低，降低后需进行密封圈更换。故障和使用时间成线性关系，水泵的维护具有一定周期性。

多级潜水泵，提升扬程高是其最为显著的优点，但是其缺点也比较突出，如对水质要求高，管养维护复杂，固体颗粒对水泵轴封装置损伤大，机械密封材质要求高。通过调研采用单级提升的厦门翔安海底隧道，其运行初期水泵故障率较高，运营期间一直受水泵排水问题困扰，水泵更换频繁。先后调整了水泵的品牌，将原来的进口泵大部分调整为国产泵(调整后的国产泵为下进水多级海水泵),以获得更好的产品服务；安装方式由初期的卧式安装改为立式安装(其中2台是斜式安装)，以规避水泵进口低、污泥容易进入的问题，从而优化进水条件。据运营部门反馈，更换调整后的国产排水泵运行相对良好，水泵故障率减少，可实现平均4 000～5 000 h保持无故障，最长可达9 700 h无故障。但是，平均每运行2 000 h就需要进行故障检测，故障原因没有规律，具有随机性，不好确定是泵的问题还是其他原因。

厦门地铁3号线过海区间隧道海水泵房、集水坑内共设置8台水泵，4用4备，平时交替使用，轮换工作。结合厦门翔安海底隧道的水泵运行经验，海水泵房前设置了水处理设施，排入泵房的废水先进行处理，水质达标后才进入集水池，进而可以保护水泵，实现水泵的平稳运行，将多级潜水泵的工作性能发挥到最大。厦门地铁3号线单级提升泵站2021年1月启用，6月正式运营。海底泵房目前运营良好，更多数据还需要进一步跟踪。

5.2.1.3 运营维护

一方面，多级潜水泵一次性提升水泵扬程大，输出压力大，因此要选择承压大的金属管道，但海域环境下需考虑金属管道耐腐蚀的要求，造成管道的选择面窄，无形中会提高管材的费用；另一方面，因为输出压力大，水泵振动大，容易造成连接件松动、胶垫滑动、固定螺栓退丝，系统整体运行稳定性差，后期运营工作量大。

单级潜污泵，因为扬程低，输送管道要求低，管材的选择面大，海域环境中可以考虑耐腐蚀、成本低的塑料管；一般都带有自耦装置，运行过程中稳定、震动小。连接件、管道接口等因为整个排水系统的稳定性好，后期运营便捷。

5.2.1.4 能耗方面

理论上废水的提升需从水泵得到能量，即单位时间内流过泵的水获得的能量，具体为：

(4)

式中：N为有效功率，W；ρ为液体的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；Q′为水泵流量，m3/s；H0为扬程(H2O)。

水泵所消耗的电能

(5)

式中：W为水泵的电耗，kW·h;t为泵运行时长， h；η1为水泵的效率值；η2为电动机的效率值。

由式(5)可知，相同的废水量，提升相同的高度，所消耗的能量是一致的。所消耗电能的差别取决于水泵和电动机的效率值。不考虑其他因素的影响，单从理论上分析，单级潜污泵和多级潜水泵能量消耗的差别在于水泵选型时水泵和电动机的效率值差异。

多级潜水泵，是通过多级叶轮在一个泵体内完成废水的提升，水泵的效率高。单级潜污泵，废水提升需要依次分级完成，每次提升都要考虑水头的富余，水泵综合利用效率相对较低。单从水泵效率角度分析，多级潜水泵效率更具优势。

在实际工程案例调研中，比如青岛胶州湾海底隧道多级提升方案考虑了高水高排、低水低排的节能影响，得出2级提升方案相对单级提升方案耗能少，能量折算系数为0.75～0.9，平均节省电能18%[9]。

珠江口铁路隧道也充分考虑了高水高排、低水低排影响，1#、2#中转泵房分别承接斜井上游范围内的结构渗漏水，海底泵房主要承接正线矿山段的结构渗漏水。同时，1#号中转泵房兼作斜井敞开段的雨水泵房，进而可以优化减少1处雨水泵房。

5.2.1.5 提升方案的选择

在保证隧道防水效果的前提下，海底隧道排水系统设计的关键是系统的稳定性，从而保证排水系统的安全性，实现排水系统轻维护、少检修的目标。珠江口铁路隧道排水提升方案对比如表4所示。

表4 珠江口铁路隧道排水提升方案对比

不管是单级提升方案还是多级提升方案，选择焦点集中在，对废水高度的提升是由完全依靠水泵的一次性动作来完成还是通过中转泵房分级完成；是一次性复杂设计还是化繁为简的多步骤设计；是选择对水泵工艺和质量的高要求，还是对多处泵房简单常规维护。虽然多级提升多了1～2处中转泵站，但是却将对水泵高要求的复杂问题拆解为单个可控的简单问题；将对水质的高要求处理以及对水泵高质量、高工艺要求，拆解为低水质要求、低水泵工艺要求，更便于将高难度的管理和维护转换为数量上的低难度管理和维护；使泵房的运行更可控、更稳定，水泵、管材的使用寿命更长久。

综上所述，珠江口铁路隧道采用单级潜污泵多级提升方案。

5.2.2 提升级数的选择

1)珠江口铁路隧道隧底埋深约115 m，如果选择2级提升，综合考虑沿程和局部损失后，水泵扬程需要达到70 m以上，如5.1.2节所述，单级潜污泵成熟的扬程一般为60 m以内。

2)根据对运营部门的调研反馈，不管选择2级提升还是3级提升对运营影响不大。水泵和排水管道的稳定性和可靠性是影响排水系统的主要因素。若采用3级提升，可以选择低扬程的水泵，单个泵房对电负荷要求低，排水管所承载压力低，运营中故障少。

3)施工过程中，如果结构渗水量增加，需进行水泵参数的调整。由于扬程相对较低，大流量水泵的选择面较大。

4)在设计过程中将可能出现的风险点逐个筛选，并一一采取相应的措施，以减少故障率。①选择最为稳定、工艺最为成熟的水泵，其本身发生故障的概率比较小； ②做足备用泵，输水管路也采用了1用1备，且这些水泵均出现问题也是小概率事件； ③水池容积考虑一定时间内的结构渗水量储备，预留足极端情况下检修和更换水泵的时间； ④电力供应，隧道采用2路独立电源； ⑤极端情况下，所有以上工况均不能满足时也可以采用应急工程泵车接力提升完成废水的排放(常用工程泵车均能满足使用要求，调配方便，无需特定工程车辆)； ⑥海底废水泵房和提升泵房均设置在斜井位置，方便使用，不占用隧道主线空间。经过比选，珠江口海底废水提升选用3级提升排水系统，如图5所示。

图5 珠江口铁路隧道3级提升排水系统

5.2.3 隧道排水系统设计

按珠江口铁路隧道排水系统设计，正常情况下各废水泵房1台排水泵具备20 h排除24 h结构渗漏水的能力。海底废水泵房安装潜污泵4台，另外干备1台。同时，设置2路DN300排水管(1用1备)，排水管上设电磁流量计，用于监测隧道运营期废水量；在斜井内设置2座中转废水泵房，排水能力同海底废水泵房。海底废水泵房将收集的隧道废水通过排水管排至斜井1#、2#中转废水泵房，逐级中转提升至斜井口部的河涌。各废水泵房具体参数见表5。

表5 海底、斜井泵房设计参数

6 结论与建议

1)矿山法段海底隧道地下水头超过临界水头值时，需要堵水限排，避免大量的结构渗漏水进入隧道，造成运营排水风险及成本增加。

2)矿山法段海底隧道工程，结构渗水量所受影响因素较多，难以确定。以珠江口隧道为例，可初选一个控制排水量标准，并做好排水冗余设计，随施工推进，根据实测和预测水量，进一步细化隧道防排水设计参数。

3)海底隧道排水泵房在水泵选型上建议采用单级潜污泵，其具有工艺简单、产品稳定、技术成熟等特点，更适合输送隧道废水。

4)当排水系统提升扬程超过单级潜污泵提升限值时，深埋海底隧道单级潜污泵多级提升在安全性、稳定性、便捷性等方面比多级潜水泵单级提升更具有优势。

实践表明，合理扩大海底泵房集水池规模，预留应急储备容积是必要的，但是否按24～48 h的结构渗水量来预留仍需进一步探讨；通过选定标准—过程控制—动态调整的方法解决了矿山法海底隧道排水标准无明确规范标准的问题，后期还需结合实际工况进一步验证此方法的有效性。