王 磊 于晨昀 呂 剛
(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)
隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展,長大隧道日益增多,而長大隧道一般都伴有地質(zhì)復(fù)雜、強(qiáng)富水、工期緊張等工程特點(diǎn),施工過程中涌水[1-4]淹井事件發(fā)生的概率較高,且運(yùn)營期間因隧道自身排水系統(tǒng)[5]的排水能力不足導(dǎo)致的隧底病害問題也日益突顯。如不能將地下水及時(shí)排出洞外,會(huì)對(duì)隧道安全、質(zhì)量及工期產(chǎn)生較大影響,故如何解決隧道施工及運(yùn)營期間的排水問題就顯得尤為重要。
目前,國內(nèi)學(xué)者對(duì)隧道的排水方案進(jìn)行了諸多研究,陳宇[6]以蒙華鐵路中條山隧道為工程背景,基于伯努利方程,結(jié)合工程中的兩種排水系統(tǒng)布置形式,推導(dǎo)出了排水能力公式,為同類隧道排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了借鑒;要美芬[7]以廈深鐵路梁山隧道為例,提出了帶狀深風(fēng)化富水陡傾軟弱構(gòu)造環(huán)境中集成排水系統(tǒng)的技術(shù)措施和實(shí)施辦法;賈元霞[8]結(jié)合烏鞘嶺隧道建設(shè)特點(diǎn),給出輔助坑道排水系統(tǒng)與正洞排水系統(tǒng)的銜接設(shè)計(jì)及洞內(nèi)水溝水量平衡、洞外排水系統(tǒng)保溫等工程處理措施;鄭孝福[9]通過分析涌水規(guī)律及排水規(guī)律,介紹了幾種輔助坑道施工條件下的強(qiáng)制排水方法;陳建國[10]介紹了某長大隧道斜井進(jìn)入平導(dǎo)施工時(shí)發(fā)生的特大涌水淹井情況,擬定采用分階段抽排水技術(shù),同時(shí)給出了水源補(bǔ)給和抽排水端水頭差變化的理論計(jì)算分析,為后續(xù)處理創(chuàng)造了良好條件;高文濤[11]分析了渝湘高速公路鷹嘴巖隧道涌水原因,提出利用靜水壓力反坡排水處理巖溶涌水的新技術(shù),以解決涌水對(duì)隧道施工的影響;孫振[12]以長距離隧道反坡施工為工程背景,運(yùn)用理論分析、最優(yōu)化方法和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段,提出了設(shè)置一、二級(jí)儲(chǔ)水倉的總體排水方案,并介紹了豎井輔助排水系統(tǒng);張怡興[13]分析了高速公路隧道滲漏水原因,經(jīng)過地質(zhì)分析和水力學(xué)計(jì)算,提出采用泄水洞的方式對(duì)滲漏水水源進(jìn)行引排的解決方案。
以上學(xué)者對(duì)隧道排水方案進(jìn)行了大量研究,但是同時(shí)運(yùn)用可控式排水、洞內(nèi)儲(chǔ)水倉、中心排水管分流等創(chuàng)新技術(shù),利用平導(dǎo)、泄水洞、斜井支洞、橫通道、豎井等多類型輔助坑道[14-16],解決長大強(qiáng)富水隧道施工及運(yùn)營期排水問題的研究并不多。以京張高鐵崇禮支線正盤臺(tái)隧道為背景,研究其立體式多徑路排水系統(tǒng)。
正盤臺(tái)隧道位于河北省張家口市境內(nèi),為新建崇禮鐵路最長的隧道,起訖里程為DK30+425~DK43+399,全長12 974 m,最大埋深635 m。所在區(qū)域最冷月平均氣溫為-9.6~-14.1 ℃,屬于嚴(yán)寒地區(qū)特長隧道。該隧道為單洞雙線隧道,設(shè)計(jì)速度250 km/h,線間距為4.6 m,隧道進(jìn)口至出口的線路坡度為單面30‰上坡。
正盤臺(tái)隧道原設(shè)計(jì)4座斜井,斜井設(shè)置情況見圖1。
圖1 正盤臺(tái)隧道原設(shè)計(jì)平面示意
根據(jù)隧道施工期間開展的補(bǔ)充地質(zhì)勘探工作,正盤臺(tái)隧道位于侏羅系上統(tǒng)形成的龍關(guān)火山噴發(fā)盆地西部,為典型多期噴發(fā)、多期侵入的火山構(gòu)造,盆地周邊為太古界花崗質(zhì)混合巖,后期花崗巖侵入形成相對(duì)隔水的基底,導(dǎo)致火山噴發(fā)盆地內(nèi)基巖裂隙水封閉,空間上構(gòu)成一內(nèi)部富水的盆狀構(gòu)造;由于太古界花崗質(zhì)混合巖時(shí)代早,受構(gòu)造影響,基巖巖體破碎,在與侏羅系火山巖不整合接觸時(shí)形成碎塊狀構(gòu)造,強(qiáng)富水,其中隧道1號(hào)斜井~3號(hào)斜井區(qū)段為強(qiáng)富水段落。
隧道巖性以侏羅系上統(tǒng)張家口組粗面巖為主,盆地外側(cè)邊緣局部發(fā)育有凝灰質(zhì)角礫巖。受火山多期噴發(fā)、侵入影響,發(fā)育有潛粗面巖墻。受火山構(gòu)造影響,陡傾節(jié)理發(fā)育,水平、緩傾節(jié)理不發(fā)育?;鹕脚璧貎?nèi)部垂直向水力聯(lián)系較強(qiáng)。受巖墻、緩傾節(jié)理不發(fā)育的影響,水平向水力聯(lián)系相對(duì)較弱。
隧道施工過程中共發(fā)生兩次較大規(guī)模的涌水涌渣情況,分別為1號(hào)斜井井身涌水涌渣、2號(hào)斜井工區(qū)正洞涌水。
對(duì)閥體的流道進(jìn)行了簡(jiǎn)單的有限元分析,從結(jié)構(gòu)分析中可以看出閥體的進(jìn)出位于同一水平線上,但是流體介質(zhì)在通過閥座時(shí)會(huì)與該水平線呈現(xiàn)出一定的夾角,這樣會(huì)改變介質(zhì)在閥體中的平穩(wěn)狀態(tài)。通過Fluent軟件的分析可以得出在不同開度的情況下介質(zhì)對(duì)閥體的壓力,隨著開度的增加對(duì)閥道的壓力減小,從而減少了對(duì)閥瓣壓力的沖擊,同時(shí)通過分析可以得出壓力在閥壁應(yīng)力集中的位置。該結(jié)果可為閥體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論數(shù)據(jù)的支持。
1號(hào)斜井井身施工至距正洞33.4 m(斜井里程XJ1DK0+033.4)處時(shí),工作面出現(xiàn)小量涌渣,并伴有流水,隨后水量突然加大,并伴有大量涌渣,瞬時(shí)最大涌水量約為1 000 m3/h。超前水平鉆孔揭示,工作面前方不小于15 m長度范圍為巖性接觸破碎帶,且存在較大塌腔,圍巖極破碎,穩(wěn)定性極差,強(qiáng)富水。
2號(hào)斜井工區(qū)正洞大里程方向施工至DK35+407里程處,工作面出現(xiàn)大量涌水,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量情況,瞬時(shí)最大涌水量約7 500 m3/h,短時(shí)間內(nèi)2號(hào)斜井工區(qū)正洞298 m已開挖段落及斜井井身420 m段落范圍被淹沒,且水面高程仍在持續(xù)上升(如圖2)。
緊急采用強(qiáng)制排水措施,現(xiàn)場(chǎng)配置15臺(tái)抽水泵,其中200 kW抽水泵6臺(tái),250 kW抽水泵7臺(tái),90 kW抽水泵2臺(tái),總抽水能力達(dá)10×104m3/d。持續(xù)抽排45 d后恢復(fù)隧道施工,此時(shí)涌水量仍達(dá)3 000 m3/h。
圖2 2號(hào)斜井涌水情況示意(單位:m)
正盤臺(tái)隧道涌水量大、持續(xù)時(shí)間長、水壓大[17-18]等特點(diǎn)為我國北方隧道所罕見。
1號(hào)斜井井底涌水涌渣及2號(hào)斜井工區(qū)正洞涌水的處理時(shí)間較長,且恢復(fù)施工后帶水作業(yè)效率低,隧道工期嚴(yán)重滯后。加深水文地質(zhì)工作表明,預(yù)測(cè)隧道正常涌水量由3.7×104m3/d調(diào)整為11×104m3/d,預(yù)測(cè)隧道最大涌水量由7.4×104m3/d調(diào)整為16.5×104m3/d,其中1號(hào)斜井工區(qū)最大涌水量為21 500 m3/d,2號(hào)斜井工區(qū)最大涌水量為93 600 m3/d, 較原設(shè)計(jì)均有大幅增加,原設(shè)計(jì)的φ700 mm隧道中心排水管排水能力不足。
正盤臺(tái)隧道為單面坡隧道,反坡排水區(qū)段長,機(jī)械排水耗能大、排水效率低,且地質(zhì)條件復(fù)雜、水量豐富、水壓大、帶水作業(yè)施工難度大、涌水淹井風(fēng)險(xiǎn)高。
1號(hào)斜井井底涌水涌渣后,涌水通道已形成,工作面前方存在較大塌腔,圍巖極不穩(wěn)定,預(yù)測(cè)有更大規(guī)模坍塌及涌水涌渣風(fēng)險(xiǎn),且?guī)r性接觸破碎帶位于1號(hào)斜井與正洞交叉口位置,挑頂施工風(fēng)險(xiǎn)極高,故采用了“正面封堵,兩側(cè)迂回”方案:對(duì)井底涌水涌渣工作面進(jìn)行封堵,同時(shí)設(shè)置1-1支洞及1-2支洞迂回至正洞施工[19]。
考慮到1號(hào)~3號(hào)斜井區(qū)段為全隧控制工期區(qū)段,同時(shí)該段為強(qiáng)富水段落,基巖裂隙水分布不均,且有一定水壓。為探明水文地質(zhì)條件,進(jìn)行了超前正洞釋水,降低正洞水壓,減少正洞涌水量。1號(hào)~3號(hào)斜井區(qū)段設(shè)置平行導(dǎo)坑,進(jìn)行超前正洞施工[20],并根據(jù)施工組織需要,設(shè)置橫通道,增開工作面;3號(hào)斜井設(shè)置3處支洞,其中3-1支洞與平導(dǎo)相接。
為增大隧道排水能力,盡快形成局部順坡排水條件,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際,于1號(hào)斜井工區(qū)增設(shè)泄水洞[21],1-2支洞可為泄水洞開設(shè)工作面,利于泄水洞盡早貫通。
為避免涌水后淹井,影響隧道施工,于1號(hào)及2號(hào)斜井工區(qū)設(shè)置儲(chǔ)水倉,便于涌水后有一定的緩沖時(shí)間,保證人員、設(shè)備的緊急撤離,同時(shí)為抽排水設(shè)備的啟動(dòng)爭(zhēng)取更多時(shí)間。
考慮隧道內(nèi)多工作面同時(shí)作業(yè)的通風(fēng)需求,改善施工作業(yè)環(huán)境,分別于平導(dǎo)及3號(hào)斜井處設(shè)置φ3.0 m通風(fēng)豎井,必要時(shí)可作為應(yīng)急抽排水豎井。
在解決隧道排水問題的設(shè)計(jì)過程中,遵循“利用坑道,以排為主,多措并舉,兼顧工期”的原則,結(jié)合施工組織需要,充分利用輔助坑道和正洞排水系統(tǒng),采用多種手段實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)地下水的最大能力排放。
因工期、排水、通風(fēng)需要,正盤臺(tái)隧道形成了復(fù)雜的輔助坑道網(wǎng)絡(luò)。可利用輔助坑道,進(jìn)行超前釋水、順坡排水、儲(chǔ)水反排、控水限流等作業(yè),同時(shí)結(jié)合正洞排水系統(tǒng),形成多型式、立體式、多徑路的排水通道。
正盤臺(tái)隧道總體排水方案見圖3(圖中僅示順坡排水方向)。
圖3 正盤臺(tái)隧道總體排水方案平面示意
(1)施工期排水方案
1號(hào)斜井涌水涌渣“正面封堵”設(shè)計(jì)中,封堵墻預(yù)留φ108 mm泄水管,尾部安裝閥門,當(dāng)1-1支洞再次通過巖性接觸破碎帶時(shí),可關(guān)閉閥門,避免注漿壓力及漿液損失。正洞施工時(shí),可打開閥門,以降低正洞水壓,減少正洞涌水量,以此實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍地下水的可控式排放,如圖4所示。
在1號(hào)斜井工區(qū),利用輔助坑道設(shè)置儲(chǔ)水倉,水倉段依次低位下穿正洞及1號(hào)斜井,兩端連通平導(dǎo)與泄水洞。泄水洞貫通前,利用水倉段的先施工段作為儲(chǔ)水倉,當(dāng)1號(hào)~2號(hào)斜井區(qū)段的平導(dǎo)發(fā)生瞬時(shí)超大涌水時(shí)可匯入儲(chǔ)水倉,并及時(shí)采用抽排水設(shè)備通過1號(hào)斜井將水抽排至洞外,避免影響隧道正常施工;泄水洞貫通后,及時(shí)施工水倉段的后施工段,并設(shè)置1-3橫通道,可實(shí)現(xiàn)1號(hào)斜井大里程方向平導(dǎo)及正洞內(nèi)地下水的順坡排放。
1號(hào)斜井水倉段設(shè)計(jì)如圖5所示。
圖4 可控式排水封堵墻設(shè)計(jì)
圖5 1號(hào)斜井水倉段剖面
在2號(hào)斜井工區(qū),利用正洞隧底空間設(shè)置儲(chǔ)水倉(如圖6、圖7所示),該水倉為8個(gè)獨(dú)立水倉縱向設(shè)置,各獨(dú)立水倉之間采用1 m厚C35鋼筋混凝土隔墻分離,每個(gè)獨(dú)立水倉存水量為136 m3,總儲(chǔ)水量為1 088 m3。
圖6 2號(hào)斜井工區(qū)儲(chǔ)水倉平面示意
圖7 2號(hào)斜井工區(qū)儲(chǔ)水倉橫斷面示意
設(shè)備區(qū)配置不同功率的抽排水設(shè)備,并進(jìn)行合理級(jí)配,當(dāng)2號(hào)斜井工區(qū)大里程方向正洞及平導(dǎo)工作面發(fā)生涌水時(shí),根據(jù)涌水量大小,可分級(jí)自動(dòng)啟動(dòng)抽排設(shè)備。
(2)運(yùn)營期排水方案
平導(dǎo)與正洞間的橫通道封堵時(shí),在橫通道底部設(shè)置排水管,將隧道側(cè)溝與平導(dǎo)連通,將正洞側(cè)溝內(nèi)的水引排至平導(dǎo),減輕正洞排水壓力,并依次通過水倉段、泄水洞順坡排至洞外。
隧道進(jìn)口為低洞口端,為解決中心排水管排水能力不足的問題,同時(shí)考慮低洞口端出水口因水量過小引起的凍結(jié)問題,于1號(hào)斜井水倉段下穿正洞位置的中心排水管檢查井內(nèi)設(shè)置水量調(diào)節(jié)裝置,對(duì)正洞中心排水管進(jìn)行分流設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)中心排水管的水量控制,如圖8所示。
圖8 正洞中心排水管分流設(shè)計(jì)(單位:cm)
檢查井內(nèi)設(shè)置直徑為70 cm的弧形水槽,水槽與井內(nèi)兩端的中心管連接,當(dāng)上游中心排水管內(nèi)水面高于弧形水槽邊緣時(shí),高出部分的水量自然落入下方的水倉段內(nèi),然后通過泄水洞順坡排至洞外。可通過調(diào)整水槽邊緣的高度,達(dá)到調(diào)節(jié)中心排水管內(nèi)水量的目的。
除襯砌背后環(huán)縱向排水盲管、側(cè)溝、中心排水管等常規(guī)排水措施外,還于仰拱填充內(nèi)的左、右線線路外側(cè)及隧道中線位置設(shè)置三道縱向通長40 cm寬、1.5 mm厚的HDPE凸殼型排水板,并在每處仰拱施工縫位置設(shè)置1道橫向1.5 mm 厚的HDPE凸殼型排水板。橫向排水板與縱向排水板連通,縱向排水板直接接入中心管檢查井,可將因施工缺陷造成的施工縫、變形縫漏水及時(shí)引排,避免隧底產(chǎn)生病害。
(1)正盤臺(tái)隧道為我國北方地區(qū)典型的長大強(qiáng)富水隧道,可通過合理設(shè)置輔助坑道、增加工作面等方式提高排水能力,實(shí)現(xiàn)了釋水、排水、儲(chǔ)水、控水等多種功能,較好地解決了隧道工期及排水問題。
(2)隧道涌水淹井后,損失大、處理時(shí)間長、費(fèi)用高,盡早實(shí)現(xiàn)順坡排水對(duì)降低安全風(fēng)險(xiǎn)、提高施工效率、控制工程投資尤為關(guān)鍵。
(3)經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證,可控式排水封堵墻、洞內(nèi)儲(chǔ)水倉、中心排水管分流等創(chuàng)新設(shè)計(jì)應(yīng)用效果顯著,施工易操作,較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)目的,可為類似工程提供參考和借鑒。