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珠江口铁路隧道排水系统设计研究

深圳至江门铁路起自深圳枢纽西丽站(不含),经深圳宝安、东莞虎门、广州南沙、中山终至江门站(含)。珠江口铁路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。工程线路长13.69km,水域段长约11km,为特长隧道工程,详见图1


1 珠江口铁路隧道线路布置

珠江口隧道为高速铁路隧道,单洞双线,纵断面为V型坡。隧道采用明挖+盾构+矿山法组合工法施工建设。中间矿山法段,长为5.52km,南沙岛设置一处1.16km长的斜井;两端采用盾构和明挖施工,在万顷沙及虎门侧各设置盾构始发井一座,虎门侧盾构长3.59km,万顷沙侧盾构长2.93km,明挖段长1.65km。隧道线路最低点位于斜井与隧道正线交接点附近,隧底最大埋深约115m。在隧道V型坡最低点斜井接入正洞斜井侧设海底废水泵房见图2


2 珠江口隧道纵断面

1 珠江口隧道防排水原则和标准

珠江口隧道采用组合工法施工建设,不同工法采用的防排水原则、防水标准,结构渗水量的工况也各不相同。

明挖段隧道按全封闭不排水的原则设计。明挖暗埋段采用矩形断面,以结构自防水为主,顶板采用喷涂速凝橡胶沥青防水涂料,侧墙、底板采用防水卷材进行全包防水。隧道防水等级满足《地下工程防水技术规范》(GB 50108-2008)规定的一级防水标准。

盾构段隧道按全封闭不排水的原则设计。盾构段万顷沙侧主要穿越地层为全土层,上软下硬(弱、微风化片岩)地层,弱、微风化片岩层,最大水压达0.88MPa。盾构管片接缝防水采用侧弹性密封垫+遇水膨胀止水条方式。虎门侧盾构主要穿越地层为全土层,上软下硬(弱、微风化含砾砂岩)地层,弱、微风化花岗岩岩层,弱、微风化含砾砂岩层,最大水压达1.06MPa。盾构管片采用两道弹性密封垫(三元乙丙橡胶)。隧道防水等级满足《地下工程防水技术规范》(GB 50108-2008)规定的一级防水标准。

矿山法隧道段防排水设计采用以堵为主、限量排放的原则。主要穿越地层为弱风化花岗岩及弱风化片岩层中,并穿越F2断层、f1~f6次生断层。施工期间围岩通过超前预注浆、开挖后径向注浆等进行注浆堵水;在初期支护时,对渗漏水量进行实测,在铺设防水板之前超出限排标准及时进行补充注浆封堵以及初期支护自防水等措施进行排水量控制。二衬后排水系统由反粘防水板、凹凸排水板、衬砌背后纵向排水管、横向泄水管、中心水沟、隧底独立排水系统组成,确保渗入衬砌背后的地下水能及时收集排入最低点海底废水泵房。矿山法隧道每延米地下水限量排放标准为0.3m³/(d·m)

隧道内明挖段和盾构段结构均为一级防水标准设计,所以隧道内的排水主要是矿山段排水。

2 珠江口隧道收排水系统设计

2.1 隧道主线排水设计

珠江口隧道排水系统采用高水高排、低水低排的原则,分段排放。主要包括3部分:隧道洞口防止外排水进入;隧道敞口段雨水排水;隧道内废水排水。

2.1.1 隧道外排水

珠江口隧道为防止隧道外排水进入,隧道主线两侧接地点设置两道横截沟,外排水由横截沟拦截后直接排入市政管线或河涌;明挖敞口段及出地面段采用U型槽结构,防洪设计标高为采用300年一遇防洪水位,敞口段及出地面段两侧设挡墙,挡墙顶标高高出300年一遇防洪标高0.5m

2.1.2 敞口段排水

隧道敞开段的雨水量暴雨重现期按50年一遇设计,地面集流时间t=5min,洞口位置设有雨水棚,雨水量按极端天气情况,由雨水棚单侧镂空面积进来的雨水考虑,径流系数取0.9。敞口段进入隧道的雨水最终由两侧盾构井废水泵房排出隧道。

2.1.3 隧道内排水

隧道内设纵向排水沟,采用双侧水沟及中心排水沟形式。排水沟坡度与线路坡度一致,最大纵坡28.3‰,最小纵坡3.0‰。隧道底部结构顶面设横向排水坡,流入排水沟的隧底横向排水坡为2%。道床积水通过横纵向排水沟、管引入排水沟,电缆槽设置泄水孔接入侧沟。珠江口隧道工程因为采用的组合工法设计,所以不同工法断面的排水沟设置也各不相同。

1)明挖段排水布置。明挖段在轨道两侧及中部设置明沟,以排除隧道内道床可能产生积水。隧道电力电缆槽与边墙间设置纵向排水沟,每10m电缆槽设置泄水孔接入边墙纵向排水沟。每50m边墙纵向排水沟经预埋管与轨道侧沟连通。珠江口隧道明挖段段排水布置,详见图3


3 珠江口隧道明挖段段排水布置

该部分结构渗漏水,经横纵向沟收集后排入隧道盾构井废水泵房,并通过盾构井废水泵房将其排出隧道。

2)盾构段排水布置。盾构段隧道电力电缆槽与边墙间设置纵向排水沟,在隧道底部疏散廊道内设置一处中心排水沟,中心水沟设置盖板,在隧道内轨道两侧设置明沟排水,每隔一定距离设置一处连通管连接轨道侧边沟和疏散廊道中心沟。不同断面的隧道水沟平顺连接。盾构段结构渗漏由盾构段中心沟顺坡排入矿山段中心沟。珠江口隧道盾构段排水布置详见图4


4 珠江口隧道盾构段排水布置

3)矿山段排水布置。矿山段隧道内排水采用侧沟和中心盖板沟的方式。靠边墙侧左右纵向设置两道边墙侧沟,侧沟主要用于汇集地下水,并将地下水引入中心盖板沟,同时起到沉淀兼顾部分排水的作用。中心盖板沟纵向设置,主要用于排水,同时汇集道床顶部积水。

隧道衬砌拱墙防水板背后环向设置塑料排水板排水,纵向间距36m;防水板下端墙脚处设置纵向防结晶HDPE150双壁打孔波纹管盲管,纵向盲管每隔12m分段引入侧沟。环向盲沟与纵向盲沟均直接与隧道侧沟连通,便于排水管路的维护。侧沟与中心水沟通过横向导水管连接,每隔10m设置一道。仰拱填充靠两侧沟槽侧壁位置设置半圆形排水槽,每50m设置硬质PVC排水管与中心盖板沟连通,以排除隧道内道床可能产生积水。

为排除隧底下可能积水,在隧底设置独立排水系统,即仰拱底部纵向间距5m设置环向打孔波纹管收集基底水,并直接弯入侧沟;仰拱底部纵向设置一道盲沟,并沿纵向每隔30m设一处边长50cm的正方形减压井,减压井沿中心水沟两侧交错布置。珠江口隧道矿山段排水布置详见图5。矿山段结构渗漏水及盾构段结构渗漏水最终由海底废水泵房排出隧道。


5 珠江口隧道矿山段排水布置

2.2 盾构段与矿山段中心沟顺坡排水

在盾构与矿山段接头处,矿山段中心水沟沟底标高比盾构段水沟沟底标高高2m左右,如在隧道盾构与矿山段分界位置设局部集水坑,通过小型潜污泵将盾构段中心沟废水提升至矿山段中心沟。会增加运营期工作量,需定期对水泵设备进行维护管理。为了能实现中心沟的顺坡排水,本工程在盾构法与矿山法交界处适当加深矿山法隧道轨下结构,顺坡降低中心沟标高,形成自然排水条件,从而避免交界处设置抽排水设施。为减少水沟过渡引起的结构外扩,通过沟槽的变化实现盾构和矿山两端的水沟过渡,并结合围岩情况,邻近盾构拆解洞室一端,通过在断面底部掏槽埋管的方式;远离拆解洞室一端通过断面内沟槽标高的调整实现水沟顺接;中间段落按隧道底部加深0.251.1m 扩挖实现。盾构段与矿山段中心沟顺坡排水布置详见图6


6 盾构段与矿山段中心沟顺坡排水布置

3 泵房设计

3.1 位置选择与布置

珠江口隧道主线共设置3处废水泵房,两侧盾构井各设置一处废水泵房,用于排除敞口段进入隧道的雨水、明挖段结构渗漏水等;最低点设置一处海底废水泵房,用于排除盾构段和矿山段结构渗漏水等。

海底废水泵房位于斜井接入正洞处斜井侧。海底泵房位置的选择:①考虑位于线路最低点,便于废水的集中汇集;位于斜井侧,泵房进出口独立,日常泵房设备的检修维护及紧急状态下工程车的进出,不受正线行车影响。由于隧道埋深较大,斜井设置2处中转泵房,本工程共设置5座泵房。隧道排水系统示意详见图7


7 隧道排水系统示意

3.2 集水池容积确定

国内已建成的矿山水下隧道,排水泵房集水池有效容积设计标准不一,因为:①矿山法隧道的排水量大小设计阶段很难确定,随着隧道施工的推进是个动态变化的过程;矿山法隧道的排水量比较大,如果标准取值太大,集水池容积可能非常大,并且集水池一般位于隧道最低点,埋深较大,对土建施工风险及费用都有较大的影响。

本工程海底泵房集水池容积的确定主要从规范标准,国内外工程案例两个方面综合分析,进而确定珠江口隧道的有效容积。

3.2.1 规范标准要求

国家和行业规范及标准都对排水泵站的设置有相关要求,但是集水池容积的大小规定是否适用于矿山法隧道有待商榷。矿山法水下隧道的结构渗水量较大,每天排水量可达上千甚至上万。其集水池容积的确定对海底隧道排水系统的设计至关重要。表1列出了各规范对排水泵站集水池容积要求。


1 各规范对排水泵站集水池容积要求


通过表1可以看出,根据国家标准《室外排水设计规范》(GB 50014-2006)要求,本工程海底泵站最大一台水泵的设计流量Q=120m³/h,集水池容积大于10m³,即可满足国标GB 50014—2006规范要求。

铁路行业标准《铁路给水排水设计规范》(TB 10010-2016)、《高速铁路设计规范》(TB 10621-2014)均未对泵站集水池容积有明确。

《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2016)10.3.5条文解释要求,水下铁路隧道参照《公路水下隧道设计规范》(JTG D71)相关规定,集水池的有效容积可按排水分区内24~48h内结构渗水量的总和确定且大于最大一台排水15~20min的出水量。但是《公路水下隧道设计规范》(JTG D71-2014,报批稿)经资料调查,该规范最终并未发布实施。其中集水池有效容积可取排水分区内24~48h结构渗水量总和的要求,并无明确的依据。

3.2.2 矿山段控制排水量标准

矿山法隧道相对准确地确定一个控制排水量标准是防排水设计的关键。珠江口铁路矿山段隧道设计阶段根据以往工程经验并结合本工程特点,初步选定隧道控制排水量标准,进行防排水设计。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段海底隧道排水量情况,如表2所示。


2 国内外矿山法或组合工法矿山段海底隧道情况


(1)从表2可以看出已建成隧道的排水量标准集中在0.1~1.0 m³/(m·d)。在工程设计阶段,可以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。

(2)珠江口铁路矿山段隧道大部分穿越硬岩地层,且岩石覆盖层厚度超过20m,与胶州湾隧道有一定的相似性,隧道开挖断面略大于胶州湾隧道。

(3)借鉴挪威海底隧道规范允许的渗水量为300L/(km·min),即0432 m³/m·d)的规定。

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,综合对隧道不同的排水量所需要的地层注浆圈厚度进行的对比分析并结合理论涌水量计算。

经以上分析并从降低后期运营排水及维护费用的角度,初步选定珠江口铁路隧道矿山段控制排水量标准为0.3m³/d·m)。

3.2.3 工程案例

国内目前已建成的主要矿山法海底隧道主要有公路隧道,青岛胶州湾海底隧道、厦门翔安海底隧道;地铁区间,青岛地铁1号线过海区间隧道、青岛地铁8号线过海区间隧道、厦门地铁3号线过海区间隧道。其海底泵房集水池容积,详见表2,国内外矿山法或组合工法矿山段海底隧道情况。从表2中公路过海隧道和地铁过海区间隧道的集水池容积来看,均考虑了一定规模的储备容积,用于特定情况下的安全储备。

当隧道遇到极端事故,造成海底泵房停止运行,海底泵房集水池应满足一定的安全应急储备,以满足设备更换、抢修、电力恢复等所需时间内的结构渗水量的存储需要,避免隧道被淹。《铁路隧道设计规范》(TB 10003—2016)对集水池有效容积可取排水分区内24~48h结构渗水量总和的要求。这也是基于极端工况下安全储备的考虑。

珠江口铁路隧道矿山段集水池容积从以下3方面确定:《铁路隧道设计规范》(TB 10003-2016)关于集水池有效容积的要求,虽然条文解释出处不明确,但有其合理性,还应作为设计依据。矿山法隧道同其他工法隧道的排水设计不同,结构渗水量随着隧道施工的推进是个动态变化的过程,受地质条件、施工水平,注浆材料等的影响,存在很多不确定性。后续施工过程中,根据实测水量及对隧道未完成部分进行预测,还需进一步调整隧道排水设计,如集水池大小、水泵规模等,所以设计阶段海底泵房需做好充分的预留和扩容条件。珠江口铁路隧道是我国目前最大埋深的海底隧道,海底泵房位于线路最低点,海底泵房的安全对隧道的安全极为重要。论证后海底废泵房设集水坑和应急仓容积按排水分区内48h结构渗水量总和确定,共计4 000m³

4 海底及斜井泵房永临结合

4.1 废水来源

珠江口铁路隧道施工排水重点是矿山段正洞施工排水。矿山段隧道施工废水来源主要有两种,施工废水,主要是隧道开挖后的未衬砌段,即正在施工作业面,距离隧道作业面一定距离内废水,其为隧道施工废水的主要来源;②其余已衬砌完成的部位产生的渗水未受施工影响,水质较为清澈,为隧道施工清水来源。在隧道施工期,通过清水、废水分流达到减少废水排放量,控制废水处理规模的目的。

4.2 施工废水排水组织

施工废水排水方式的确定是排水设计的关键,主要包括顺坡排水、反坡排水等方式,排水方式的确定与各工区的工序的先后顺序有直接关系。珠江口铁路隧道施工由斜井进入正线进行矿山法施工,斜井进入正洞后向两端进行掘进。矿山段正洞施工时,斜井已经挖通,海底泵房和两处中转泵房位于斜井位置。3处泵房均可兼作临时泵房,临时施工排水示意详见图8


8 临时施工排水示意

4.3 废水泵房的永临结合

海底及斜井泵房永临结合分3个阶段实施。第一阶段,站前专业施工期,正洞施工为顺坡排水,正洞顺坡段设清浊分流排水沟,以中心水沟作为清水沟,二次衬砌段的环向盲管及纵向盲管的清水排入中心沟,两侧水沟收集掌子面、初衬段的施工污水及洞内临时施工路面的散排水。清水部分直接引入海底泵房集水池,污水部分经海底泵房处一体化污水处理装置处理达标后排入海底泵房集水池。可达标排放的施工废水利用建好的海底废水泵房及斜井两处中转废水泵房进行临时抽排至隧道外三类水体河涌,施工单位根据实际涌水量设置抽排设备。第二阶段,站前站后专业施工过渡期,此阶段废水主要为二次衬砌完成后的结构渗漏水及少量施工路面散排水,出水量较第一阶段会有较大的降低,接近运营期实际排水量,站后专业施工单位此阶段负责运营期水泵设备及管路转换。分步进行运营期水泵和管路安装,完成运营期排水功能转化,清理各收排水沟及泵房坑底使其与隧道保持水力联系通畅。第三阶段,运营期排水设备调试,实现整个隧道排水系统的正常运行。

5 设备配置及扩容预留

矿山法隧道地下水的控制排放量受地质条件、隧道埋深、施工质量等多种因素影响。很难通过规范、资料或者参考类似工程来确定排水量,需采用实测和预测相结合的方法进行设计,根据施工进度,实测结构渗漏水量并对剩余工程结构渗漏水量进行预测,不断调整矿山段排水量。

以厦门市轨道交通3号线工程过海区间海底隧道工程经验为例,矿山段控制排水量按0,4 m³/(m·d)进行防排水设计,预测排水为2 500m³/d,施工初期监测加预测排水量为6700 m³/d,施工后期监测加预测排水量达到8400 m³/d,隧道施工完成后实测水量为14 000m³/d。隧道排水方案也根据结构渗漏水量的变化而进行相应调整,进而设计出合理的排水系统。


珠江口隧道海底泵房排水能力按具备20h排除24 h结构渗漏水能力设计。单台水泵排水能力120m³/h。海底废水泵房配置潜污泵4台,设计阶段按13备设计,另根据运营要求,泵房冷备1台水泵,共计5台。

因矿山段结构渗水量施工过程中存在的不确定性,泵房预留了土建和水泵的扩容条件。以满足设计与施工完成后可能存在的水量变化。排水设计是随着实际施工工况推进,动态修正的过程。

6 结论与建议

1)对于组合工法隧道,不同工法采用的防排水原则、防水标准、隧道结构渗漏水量不尽相同,应区别考虑,其重点是矿山段的防排水设计。

2)隧道收排水系统设计应从防外排水进入、敞口段排水、隧道内排水全方位覆盖,并优化隧道局部排水控制点,避免局部抽排。

3)矿山法海底隧道,一方面应相对准确的确定一个控制排水量标准,另一方面结构渗水量随施工的推进是一个动态变化的过程,应根据标准加强过程控制,做好排水系统冗余设计。

4)矿山法隧道施工排水,一方面应根据废水来源,通过清水、废水分流达到减少废水排放量,控制废水处理规模的目的;另一方面应根据施工废水排水组织实现废水排放的永临结合。