珠江口鐵路隧道排水系統設計研究
深圳至江門鐵路起自深圳樞紐西麗站（不含），經深圳寶安、東莞虎門、廣州南沙、中山終至江門站（含）。珠江口鐵路隧道是新建深圳至江門鐵路的重點工程，位于珠江口，連接東莞虎門和廣州南沙。工程線路長13.69km，水域段長約11km，為特長隧道工程，詳見圖1。
圖1 珠江口鐵路隧道線路布置
珠江口隧道為高速鐵路隧道，單洞雙線，縱斷面為V型坡。隧道采用明挖+盾構+礦山法組合工法施工建設。中間礦山法段，長為5.52km，南沙島設置一處1.16km長的斜井；兩端采用盾構和明挖施工，在萬頃沙及虎門側各設置盾構始發井一座，虎門側盾構長3.59km，萬頃沙側盾構長2.93km，明挖段長1.65km。隧道線路最低點位于斜井與隧道正線交接點附近，隧底最大埋深約115m。在隧道V型坡最低點斜井接入正洞斜井側設海底廢水泵房見圖2。
圖2 珠江口隧道縱斷面
1 珠江口隧道防排水原則和標準
珠江口隧道采用組合工法施工建設，不同工法采用的防排水原則、防水標準，結構滲水量的工況也各不相同。
明挖段隧道按“全封閉不排水”的原則設計。明挖暗埋段采用矩形斷面，以結構自防水為主，頂板采用噴涂速凝橡膠瀝青防水涂料，側墻、底板采用防水卷材進行全包防水。隧道防水等級滿足《地下工程防水技術規范》（GB 50108-2008）規定的一級防水標準。
盾構段隧道按“全封閉不排水”的原則設計。盾構段萬頃沙側主要穿越地層為全土層，上軟下硬（弱、微風化片巖）地層，弱、微風化片巖層，最大水壓達0.88MPa。盾構管片接縫防水采用側彈性密封墊+遇水膨脹止水條方式。虎門側盾構主要穿越地層為全土層，上軟下硬（弱、微風化含礫砂巖）地層，弱、微風化花崗巖巖層，弱、微風化含礫砂巖層，最大水壓達1.06MPa。盾構管片采用兩道彈性密封墊（三元乙丙橡膠）。隧道防水等級滿足《地下工程防水技術規范》（GB 50108-2008）規定的一級防水標準。
礦山法隧道段防排水設計采用“以堵為主、限量排放”的原則。主要穿越地層為弱風化花崗巖及弱風化片巖層中，并穿越F2斷層、f1~f6次生斷層。施工期間圍巖通過超前預注漿、開挖后徑向注漿等進行注漿堵水；在初期支護時，對滲漏水量進行實測，在鋪設防水板之前超出限排標準及時進行補充注漿封堵以及初期支護自防水等措施進行排水量控制。二襯后排水系統由反粘防水板、凹凸排水板、襯砌背后縱向排水管、橫向泄水管、中心水溝、隧底獨立排水系統組成，確保滲入襯砌背后的地下水能及時收集排入最低點海底廢水泵房。礦山法隧道每延米地下水限量排放標準為0.3m³/(d·m)。
隧道內明挖段和盾構段結構均為一級防水標準設計，所以隧道內的排水主要是礦山段排水。
2 珠江口隧道收排水系統設計
2.1 隧道主線排水設計
珠江口隧道排水系統采用“高水高排、低水低排”的原則，分段排放。主要包括3部分：①隧道洞口防止外排水進入；②隧道敞口段雨水排水；③隧道內廢水排水。
2.1.1 隧道外排水
珠江口隧道為防止隧道外排水進入，隧道主線兩側接地點設置兩道橫截溝，外排水由橫截溝攔截后直接排入市政管線或河涌；明挖敞口段及出地面段采用U型槽結構，防洪設計標高為采用300年一遇防洪水位，敞口段及出地面段兩側設擋墻，擋墻頂標高高出300年一遇防洪標高0.5m。
2.1.2 敞口段排水
隧道敞開段的雨水量暴雨重現期按50年一遇設計，地面集流時間t=5min，洞口位置設有雨水棚，雨水量按極端天氣情況，由雨水棚單側鏤空面積進來的雨水考慮，徑流系數取0.9。敞口段進入隧道的雨水最終由兩側盾構井廢水泵房排出隧道。
2.1.3 隧道內排水
隧道內設縱向排水溝，采用雙側水溝及中心排水溝形式。排水溝坡度與線路坡度一致，最大縱坡28.3‰，最小縱坡3.0‰。隧道底部結構頂面設橫向排水坡，流入排水溝的隧底橫向排水坡為2%。道床積水通過橫縱向排水溝、管引入排水溝，電纜槽設置泄水孔接入側溝。珠江口隧道工程因為采用的組合工法設計，所以不同工法斷面的排水溝設置也各不相同。
（1）明挖段排水布置。明挖段在軌道兩側及中部設置明溝，以排除隧道內道床可能產生積水。隧道電力電纜槽與邊墻間設置縱向排水溝，每10m電纜槽設置泄水孔接入邊墻縱向排水溝。每50m邊墻縱向排水溝經預埋管與軌道側溝連通。珠江口隧道明挖段段排水布置，詳見圖3。
圖3 珠江口隧道明挖段段排水布置
該部分結構滲漏水，經橫縱向溝收集后排入隧道盾構井廢水泵房，并通過盾構井廢水泵房將其排出隧道。
（2）盾構段排水布置。盾構段隧道電力電纜槽與邊墻間設置縱向排水溝，在隧道底部疏散廊道內設置一處中心排水溝，中心水溝設置蓋板，在隧道內軌道兩側設置明溝排水，每隔一定距離設置一處連通管連接軌道側邊溝和疏散廊道中心溝。不同斷面的隧道水溝平順連接。盾構段結構滲漏由盾構段中心溝順坡排入礦山段中心溝。珠江口隧道盾構段排水布置詳見圖4。
圖4 珠江口隧道盾構段排水布置
（3）礦山段排水布置。礦山段隧道內排水采用側溝和中心蓋板溝的方式。靠邊墻側左右縱向設置兩道邊墻側溝,側溝主要用于匯集地下水，并將地下水引入中心蓋板溝，同時起到沉淀兼顧部分排水的作用。中心蓋板溝縱向設置，主要用于排水，同時匯集道床頂部積水。
隧道襯砌拱墻防水板背后環向設置塑料排水板排水，縱向間距3～6m；防水板下端墻腳處設置縱向防結晶HDPE150雙壁打孔波紋管盲管，縱向盲管每隔12m分段引入側溝。環向盲溝與縱向盲溝均直接與隧道側溝連通，便于排水管路的維護。側溝與中心水溝通過橫向導水管連接，每隔10m設置一道。仰拱填充靠兩側溝槽側壁位置設置半圓形排水槽，每50m設置硬質PVC排水管與中心蓋板溝連通，以排除隧道內道床可能產生積水。
為排除隧底下可能積水，在隧底設置獨立排水系統，即仰拱底部縱向間距5m設置環向打孔波紋管收集基底水，并直接彎入側溝；仰拱底部縱向設置一道盲溝，并沿縱向每隔30m設一處邊長50cm的正方形減壓井，減壓井沿中心水溝兩側交錯布置。珠江口隧道礦山段排水布置詳見圖5。礦山段結構滲漏水及盾構段結構滲漏水最終由海底廢水泵房排出隧道。
圖5 珠江口隧道礦山段排水布置
2.2 盾構段與礦山段中心溝順坡排水
在盾構與礦山段接頭處，礦山段中心水溝溝底標高比盾構段水溝溝底標高高2m左右，如在隧道盾構與礦山段分界位置設局部集水坑，通過小型潛污泵將盾構段中心溝廢水提升至礦山段中心溝。會增加運營期工作量，需定期對水泵設備進行維護管理。為了能實現中心溝的順坡排水，本工程在盾構法與礦山法交界處適當加深礦山法隧道軌下結構，順坡降低中心溝標高，形成自然排水條件，從而避免交界處設置抽排水設施。為減少水溝過渡引起的結構外擴，通過溝槽的變化實現盾構和礦山兩端的水溝過渡，并結合圍巖情況，鄰近盾構拆解洞室一端，通過在斷面底部掏槽埋管的方式；遠離拆解洞室一端通過斷面內溝槽標高的調整實現水溝順接；中間段落按隧道底部加深0.25～1.1m 擴挖實現。盾構段與礦山段中心溝順坡排水布置詳見圖6。
圖6 盾構段與礦山段中心溝順坡排水布置
3 泵房設計
3.1 位置選擇與布置
珠江口隧道主線共設置3處廢水泵房，兩側盾構井各設置一處廢水泵房，用于排除敞口段進入隧道的雨水、明挖段結構滲漏水等；最低點設置一處海底廢水泵房，用于排除盾構段和礦山段結構滲漏水等。
海底廢水泵房位于斜井接入正洞處斜井側。海底泵房位置的選擇:①考慮位于線路最低點，便于廢水的集中匯集；②位于斜井側，泵房進出口獨立，日常泵房設備的檢修維護及緊急狀態下工程車的進出，不受正線行車影響。由于隧道埋深較大，斜井設置2處中轉泵房，本工程共設置5座泵房。隧道排水系統示意詳見圖7。
圖7 隧道排水系統示意
3.2 集水池容積確定
國內已建成的礦山水下隧道，排水泵房集水池有效容積設計標準不一,因為:①礦山法隧道的排水量大小設計階段很難確定，隨著隧道施工的推進是個動態變化的過程；②礦山法隧道的排水量比較大，如果標準取值太大，集水池容積可能非常大，并且集水池一般位于隧道最低點，埋深較大，對土建施工風險及費用都有較大的影響。
本工程海底泵房集水池容積的確定主要從規范標準，國內外工程案例兩個方面綜合分析，進而確定珠江口隧道的有效容積。
3.2.1 規范標準要求
國家和行業規范及標準都對排水泵站的設置有相關要求，但是集水池容積的大小規定是否適用于礦山法隧道有待商榷。礦山法水下隧道的結構滲水量較大，每天排水量可達上千甚至上萬m³。其集水池容積的確定對海底隧道排水系統的設計至關重要。表1列出了各規范對排水泵站集水池容積要求。
通過表1可以看出，根據國家標準《室外排水設計規范》(GB 50014-2006)要求，本工程海底泵站最大一臺水泵的設計流量Q=120m³/h，集水池容積大于10m³,即可滿足國標GB 50014—2006規范要求。
鐵路行業標準《鐵路給水排水設計規范》(TB 10010-2016)、《高速鐵路設計規范》(TB 10621-2014)均未對泵站集水池容積有明確。
《鐵路隧道設計規范》(TB 10003-2016)10.3.5條文解釋要求，水下鐵路隧道參照《公路水下隧道設計規范》(JTG D71)相關規定，集水池的有效容積可按排水分區內24~48h內結構滲水量的總和確定且大于最大一臺排水15~20min的出水量。但是《公路水下隧道設計規范》(JTG D71-2014,報批稿）經資料調查，該規范最終并未發布實施。其中集水池有效容積可取排水分區內24~48h結構滲水量總和的要求，并無明確的依據。
3.2.2 礦山段控制排水量標準
礦山法隧道相對準確地確定一個控制排水量標準是防排水設計的關鍵。珠江口鐵路礦山段隧道設計階段根據以往工程經驗并結合本工程特點，初步選定隧道控制排水量標準,進行防排水設計。通過對國內外礦山法水下隧道排水量的調研，得到目前國內外礦山法或組合工法礦山段海底隧道排水量情況，如表2所示。
(1）從表2可以看出已建成隧道的排水量標準集中在0.1~1.0 m³/(m·d)。在工程設計階段，可以根據隧道工程技術經濟指標、地質條件、線路選擇、施工水平并結合已建成隧道類比案例，在以上區間范圍初選出一個控制排水量標準。
(2）珠江口鐵路礦山段隧道大部分穿越硬巖地層，且巖石覆蓋層厚度超過20m，與膠州灣隧道有一定的相似性，隧道開挖斷面略大于膠州灣隧道。
(3）借鑒挪威海底隧道規范允許的滲水量為300L/(km·min)，即0432 m³/（m·d）的規定。
（4）珠江口鐵路隧道礦山段主要穿越弱、微風化花崗巖和片巖，綜合對隧道不同的排水量所需要的地層注漿圈厚度進行的對比分析并結合理論涌水量計算。
經以上分析并從降低后期運營排水及維護費用的角度，初步選定珠江口鐵路隧道礦山段控制排水量標準為0.3m³/（d·m）。
3.2.3 工程案例
國內目前已建成的主要礦山法海底隧道主要有公路隧道，青島膠州灣海底隧道、廈門翔安海底隧道；地鐵區間，青島地鐵1號線過海區間隧道、青島地鐵8號線過海區間隧道、廈門地鐵3號線過海區間隧道。其海底泵房集水池容積,詳見表2，國內外礦山法或組合工法礦山段海底隧道情況。從表2中公路過海隧道和地鐵過海區間隧道的集水池容積來看，均考慮了一定規模的儲備容積，用于特定情況下的安全儲備。
當隧道遇到極端事故，造成海底泵房停止運行，海底泵房集水池應滿足一定的安全應急儲備，以滿足設備更換、搶修、電力恢復等所需時間內的結構滲水量的存儲需要，避免隧道被淹。《鐵路隧道設計規范》（TB 10003—2016）對集水池有效容積可取排水分區內24~48h結構滲水量總和的要求。這也是基于極端工況下安全儲備的考慮。
珠江口鐵路隧道礦山段集水池容積從以下3方面確定：①《鐵路隧道設計規范》（TB 10003-2016）關于集水池有效容積的要求，雖然條文解釋出處不明確，但有其合理性，還應作為設計依據。②礦山法隧道同其他工法隧道的排水設計不同，結構滲水量隨著隧道施工的推進是個動態變化的過程，受地質條件、施工水平，注漿材料等的影響，存在很多不確定性。后續施工過程中，根據實測水量及對隧道未完成部分進行預測，還需進一步調整隧道排水設計，如集水池大小、水泵規模等，所以設計階段海底泵房需做好充分的預留和擴容條件。③珠江口鐵路隧道是我國目前最大埋深的海底隧道，海底泵房位于線路最低點，海底泵房的安全對隧道的安全極為重要。論證后海底廢泵房設集水坑和應急倉容積按排水分區內48h結構滲水量總和確定，共計4 000m³。
4 海底及斜井泵房永臨結合
4.1 廢水來源
珠江口鐵路隧道施工排水重點是礦山段正洞施工排水。礦山段隧道施工廢水來源主要有兩種，①施工廢水，主要是隧道開挖后的未襯砌段，即正在施工作業面，距離隧道作業面一定距離內廢水，其為隧道施工廢水的主要來源;②其余已襯砌完成的部位產生的滲水未受施工影響，水質較為清澈，為隧道施工清水來源。在隧道施工期，通過清水、廢水分流達到減少廢水排放量，控制廢水處理規模的目的。
4.2 施工廢水排水組織
施工廢水排水方式的確定是排水設計的關鍵，主要包括順坡排水、反坡排水等方式，排水方式的確定與各工區的工序的先后順序有直接關系。珠江口鐵路隧道施工由斜井進入正線進行礦山法施工，斜井進入正洞后向兩端進行掘進。礦山段正洞施工時，斜井已經挖通，海底泵房和兩處中轉泵房位于斜井位置。3處泵房均可兼作臨時泵房，臨時施工排水示意詳見圖8。
圖8 臨時施工排水示意
4.3 廢水泵房的永臨結合
海底及斜井泵房永臨結合分3個階段實施。第一階段，站前專業施工期，正洞施工為順坡排水，正洞順坡段設清濁分流排水溝，以中心水溝作為清水溝，二次襯砌段的環向盲管及縱向盲管的清水排入中心溝，兩側水溝收集掌子面、初襯段的施工污水及洞內臨時施工路面的散排水。清水部分直接引入海底泵房集水池，污水部分經海底泵房處一體化污水處理裝置處理達標后排入海底泵房集水池。可達標排放的施工廢水利用建好的海底廢水泵房及斜井兩處中轉廢水泵房進行臨時抽排至隧道外三類水體河涌，施工單位根據實際涌水量設置抽排設備。第二階段，站前站后專業施工過渡期，此階段廢水主要為二次襯砌完成后的結構滲漏水及少量施工路面散排水，出水量較第一階段會有較大的降低，接近運營期實際排水量，站后專業施工單位此階段負責運營期水泵設備及管路轉換。分步進行運營期水泵和管路安裝,完成運營期排水功能轉化，清理各收排水溝及泵房坑底使其與隧道保持水力聯系通暢。第三階段，運營期排水設備調試，實現整個隧道排水系統的正常運行。
5 設備配置及擴容預留
礦山法隧道地下水的控制排放量受地質條件、隧道埋深、施工質量等多種因素影響。很難通過規范、資料或者參考類似工程來確定排水量，需采用實測和預測相結合的方法進行設計，根據施工進度，實測結構滲漏水量并對剩余工程結構滲漏水量進行預測，不斷調整礦山段排水量。
以廈門市軌道交通3號線工程過海區間海底隧道工程經驗為例，礦山段控制排水量按0,4 m³/(m·d)進行防排水設計，預測排水為2 500m³/d，施工初期監測加預測排水量為6700 m³/d，施工后期監測加預測排水量達到8400 m³/d，隧道施工完成后實測水量為14 000m³/d。隧道排水方案也根據結構滲漏水量的變化而進行相應調整，進而設計出合理的排水系統。
珠江口隧道海底泵房排水能力按具備20h排除24 h結構滲漏水能力設計。單臺水泵排水能力120m³/h。海底廢水泵房配置潛污泵4臺，設計階段按1用3備設計，另根據運營要求，泵房冷備1臺水泵，共計5臺。
因礦山段結構滲水量施工過程中存在的不確定性，泵房預留了土建和水泵的擴容條件。以滿足設計與施工完成后可能存在的水量變化。排水設計是隨著實際施工工況推進,動態修正的過程。
6 結論與建議
（1）對于組合工法隧道，不同工法采用的防排水原則、防水標準、隧道結構滲漏水量不盡相同，應區別考慮，其重點是礦山段的防排水設計。
（2）隧道收排水系統設計應從防外排水進入、敞口段排水、隧道內排水全方位覆蓋，并優化隧道局部排水控制點，避免局部抽排。
（3）礦山法海底隧道，一方面應相對準確的確定一個控制排水量標準，另一方面結構滲水量隨施工的推進是一個動態變化的過程，應根據標準加強過程控制，做好排水系統冗余設計。
（4）礦山法隧道施工排水，一方面應根據廢水來源，通過清水、廢水分流達到減少廢水排放量，控制廢水處理規模的目的；另一方面應根據施工廢水排水組織實現廢水排放的永臨結合。
