鐵路隧道施工的“控制排水”原則
添加時間：2015/10/30 13:08:42 人氣：8665
隨著國家對基礎建設的進一步加大投入，鐵路隧道工程得到了前所未有的發展。“多、長、大、深”，即數量多，長度大、大斷面、大埋深，是今后隧道工程的發展趨勢。
然而，隨著隧道工程的發展，與隧道施工過程中相應的一系列問題也逐漸暴露出來，并且也日益嚴重，比如，與環境問題息息相關的地下水問題越來越引起人們的關注。一般而言，不論在施工中還是在通車后，隧道結構時刻處于地下水的包圍之中，1985年以前的有關規范、規則，幾乎都未把隧道工程建設與環境工程作為一個系統來考慮，沒有關于隧道開挖及地下水對生態環境影響評價的專門條款和規定。在實際工程中，突出 了以排為主，大多數隧道工程（特別是山嶺隧道），不論涌、滲水的補給來源及水量大小與否，施工中多不作預處理，因而使隧道成了泄水洞，吸取了周圍大量的地下水，造成地下水的流失，產生了一系列的環境問題。
1、“以排為主”的主要缺點
經驗證明，地下水處理“以排為主”，隧道施工過程中以及后來的隧道運營期，長期排放地下水，在隧道內存在不同程度的水害，且逐年發展，影響襯砌結構和行車安全；環境方面造成工程地區含水層被疏干，使生態環境惡化，主要表現為：地表和泉、井枯竭；生活，工農業用水缺乏，地表沉降、土壤沙化、水土流失等。嚴重影響了人民的生活和生產建設。
（1）地下水從隧道大量流失，圍巖中的地下水通道（巖層節埋裂隙或巖溶管道）中的充填物被水沖走，貫通性愈來愈好，致使洞內流量不斷增大。貴昆線稞納隧道通車后涌水頻率逐年提高，開始時數年一次，以后每年一次，近年來一年數次；剛剛修建的渝懷線武隆隧道，2002年涌水量最大為200×104m3/d，2003年涌水量猛增到780×104m3/d，為中國歷史上所罕見。
（2）隨著隧道內涌水量的增多，襯砌滲漏變形、路面翻漿冒泥、排水溝淤塞漫流等將逐年嚴重。大瑤冊隧道建成后，1990年5月，一次涌水200m3，流沙埋沒軌道使行車中斷。在巖溶地區，巖溶管道涌水由于經常帶有大量泥沙，直接影響行車安全，為害特別嚴重。
（3）隧道地下水如果以排為主，施工中一般不再采取預注漿等封堵措施，則地下水往往嚴重影響施工的正常進行。武隆隧道歷次特大涌水都造成施工場地嚴重毀壞，大量機械設備被埋在污泥里，隧道內泥沙堆積達一米多厚，影響了施工的正常進行。此外，南嶺隧道（衡廣復線），梅花山隧道（貴昆線），平關隧道（盤西線）等，都曾因洞內大量涌水而使施工受到嚴重影響。
（4）地下水長期由隧道大量排走，地下水位降低，是洞頂地表失水并發生沉降變形的主要原因。便如京通線桃山隧道施工中的大量涌水使地表“四道溝”所有泉水干枯，從而截斷了該溝下游發電用的水源和農業用水，造成嚴重后果；武隆隧道預測最大涌水量達了1300×104m3/d，山頂不遠即為國家級風景區仙女山風景區，常年大量地下水的隨意排走必將會對仙女山的環境造成的影響。
“以排為主”對洞頂地表生態環境的破壞，將產生長期的不良影響，而這是我國當前法律所禁止的。《中華人民共和國環境法》和《中華人民共和國水資源保護法》的頒布，國家對新工程從立項到驗收，都要進行環境評定，法規規定，“開采礦藏或者興建地下工程，因疏干排水導致地下水位下降、枯竭或者地面塌陷，對其他單位或個人的生活和生產造成損失的，采礦單位或者建設單位應當采取補救措施，賠償損失”（水法第二十六條）。并且隨著人們的環保意識和法制觀念的增強，聽任地下水大量流失的現象越來越行不通了，因此，無限制排水原則不能適應我國經濟發展和社會進步的要求。
2、“控制排水”原則的提出
隨著我國經濟建設的飛速發展和以往施工規范中“以排為主”造成日益嚴重的水資源流失和環境惡化問題，一種新的思想，即“控制排水”的思想應運而生。2001年9月實施的新的《隧道設計規范》中規定：隧道防排水應采取“防、排、截、堵結合，因地制宜”的原則，所謂“控制排水”，即是在富水地區修筑隧道時采取“以堵為主，限量排放”的方法，也稱為“大堵小排”，“大堵”是控制流量，“小排”是減小隧道襯砌壓力的主要手段。其核心是根據實際情況，按“以堵為主，防排結合”，排放流量根據施工的要求，水文地質情況等加以控制。
3、“控制排水”條件下鐵路隧道標準襯砌斷面的受力分析
對于以往按“排水原則”來設計隧道，襯砌結構受力和圍巖穩定性影響是否需要考慮外水荷載的作用和如何考慮外水荷載等問題，現行隧道規范上尚沒有這方面的理論和依據可用。尤其對于富水的斷層破碎帶和巖溶發育區，這些地區往往也是造成地下水流失的最主要地區，富水的斷層破碎帶和巖溶發育區開挖后，若不采取措施，其涌水量是巨大的，歷來開挖的隧道涌水地帶也絕大部分集中在這些地區，如中梁山隧道、大瑤山隧道、南嶺華隧道、鎣山隧道以及子關、大巴山隧道等等都是出于這種情況。對于這些地段，用何種方法來進行“控制排水”，若采用“控制排水”，如何來設計隧道襯砌結構，還需要來進行深入研究和解決。在這里，就采用“控制排水”條件下進行設計和施工時，簡單分析隧道標準斷面襯砌結構的受力情況。
對于富水的斷層破碎和富水的巖溶發育區，轉巖的級別比較低，基本在IV級圍巖和VI級之間，愉懷鐵路一單線電氣化深埋隧道，其襯砌為曲墻帶仰拱的標準V級圍巖甲型襯砌，鋼筋混凝土結構，其中鋼筋采用Φ２５的螺紋鋼筋，間距２５ｃｍ，襯砌混凝土采用Ｃ２５ 鋼筋混凝土。現采用荷載一結構式，利用 ＡＮＳＹＳ有限元程序考慮外水荷載，對襯砌結構進行受力分析。襯砌采用線彈性模型，單元采用彈性地基梁單元ＢＥＡＭ３。具體材料參數見表１。
對于鋼筋混凝土結構，其彈性模量利用剛度等效公式
Ｅｈ＝（ＥｇＡｇ＋ＥｈＡｈ ／Ａｈ來計算。
當按容許應力法設計隧道結構時，對于深埋隧道襯砌的圍巖壓力按松散壓力考慮，其垂直及水平勻布壓力按《鐵路隧道設計規范》來規定。
“控制排水”情況下襯砌結構即要考慮承受外水壓力，現分別取外水頭高度為０ｍ、５０ｍ、１００ｍ、１５０ｍ和２００ｍ五種情況進行計算，外水壓力均勻加在襯砌處側。
由《鐵路隧道設計規范》，鋼筋混凝土襯砌截面按破損階段法進行其強度檢算，即根據材料的極限強度，計算偏心受壓構件的極限承載能力Ｎ極限，并與構件實際的內力進行比較，構件安全的前提是N極限／Ｎ≥Ｋ規，其中Ｋ規為強度安全系數。
計算結果表明：對于結構受力， 不考慮外水荷載和考慮外水荷情況下襯砌結構的變形、最值軸力以及最值彎矩的大小、位置明顯不同，不計外水荷載時，變形方面拱部變形較大；軸力方面墻腳壓力最大，拱頂壓力最小；彎矩方面最大彎矩出現在拱腰和拱腳區域，且外側受拉，而拱頂內側受拉。在考慮外水荷載時，襯砌結構腰墻部位變形較大，并且隨著外水荷載的增加，變形呈進一步增大的趨勢；軸力方面仰拱兩側壓力最大，此外拱腰位置壓力也較大，仰拱和拱頂部位壓力最小；彎矩方面各處彎矩都有幾十倍的增大，但最明顯的變化位置還是拱頂，拱頂及拱頂兩側區域彎矩相對有很大減小，且變為外側受拉。總的來看，考慮外水荷載時，結構的受力特點是全方位的受力即結構的拉應力、壓應力、軸力、彎矩都比較大。
對于安全系數，在不考慮水荷載情況下，對于曲墻帶仰拱的標準Ｖ級圍巖甲型襯砌結構，能完全滿足結構受力要求，其安全系數較大（達到２３．０２）；而當考慮外水荷載，在有效外水頭高度≤１００ｍ時，也基本上是滿足設計要求的（有效外水頭高度為１００ｍ時安全系數為１．９８，結構允許的安全系數為２．０）。但當外水荷載再繼續加大，則襯砌結構的安全系數已經不能滿足要求。因此，只要保證外水荷載有效高度在１００ｍ范圍內，是不會對隧道的襯砌結構造成達大壓力的。同時計算結果也表明，襯砌結構的安全系數隨外水荷載的變化并不呈線形變化，只要襯砌處側有一定的水荷載，則結構的安全系數就會急劇下降，可見外水壓力對襯砌結構受力變化不利之明顯。襯砌結構最為合理的設計是各個部位的安全系數相等，當不考慮仰拱時，在不計外水荷載情況下墻腰位置安全系數最小，而考慮外水荷載時拱頂位置安全系數為最小，所以對于采用標準斷面形式的襯砌結構時須增大拱頂和仰拱的厚度或增加此部位的配筋率。當考慮外水荷載時，外水荷載的作用成為結構設計要考慮的重要組成部分，必須慎重對待。
４、結束語
通過現有的對地下水治理措施的規范以及環保方面等的要求，提出了對于鐵路隧道結構的“控制排水”原則。在這種原則的情況下，還有許多問題岌待研究和解決。最后，對一單線電氣化鐵路深埋隧道在“控制排水”即考慮外水荷載的情況下進行受力分析，分析結果表明，考慮外水荷載時，襯砌結構的受力顯著加大，且最大受力位置有所變化，對于曲墻帶仰拱的標準Ｖ級圍巖甲型襯砌結構，其能安全承受的外水頭高度最大為１００ｍ。
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