公路富水地层超长隧道新型排水排烟设计方案

尹俊涛， 王海林， 任 会， 何 颖

(湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410200)

0 引言

近年来我国公路建设行业快速发展，已经成为了世界上公路隧道数量最多、规模最大的国家。随着新建隧道工程不断地投入到高速公路的建设运营中，隧道涌水和火灾事故也相对频发，尤其是在超长隧道中[1]。高速公路隧道建设经常穿越富水地层和下穿水库，常规的排水系统无法应对隧道的集中涌水，一旦发生涌水事故将造成非常大的社会影响。另外，超长隧道一般处于人员相对稀少的山岭地段，发生火灾事故后救援人员和车辆设备难以快速到达，往往造成火势蔓延扩大，不仅会引发人员伤亡和财产损失，也会对隧道建筑物本身造成了严重的损坏[2]。在高速公路建设中，5～5.5 km的隧道较为常见，根据《公路隧道通风设计细则》(JTGTD70—2014)要求，火灾烟雾在隧道内的最大行程不宜大于5 km，针对5～5.5km的隧道采用斜井排烟方案往往会造成工程建设的浪费。

本文针对设置平行泄水洞的超长隧道，研究采用新型排水系统实现隧道分区排水和融合排烟的工程方案，在解决超长隧道泄水排烟功能的同时降低工程造价[3]。

1 隧道概况

沅古坪隧道为双向4车道分离式隧道，设计速度100 km/h，左洞长5176m，右洞长5 121m，隧道按长度分类属大于5km的超长隧道。纵坡按0.8%人字坡设计，共设置19处人行横洞、6处车行横洞、2处平行导洞。

沅古坪隧道横穿郭家界向斜，范围内强岩溶发育，地下水丰富，地下管道水流众多，隧道最大涌水量为28.68万m3/d，隧道自身排水系统已无法满足排水要求(见图1)。另外，隧道顶部298 m处分布上黄鱼溪和下黄鱼溪两处小型水库，且物探显示存在断层连通水库和隧道，隧道存在倒灌涌水风险。

图1 隧道物探与地下水示意

2 常规建设方案分析

2.1 排水能力计算分析

考虑隧道纵坡为0.8%人字坡，假设周边地下水沿隧道全长均匀分布，通过计算得到各排水设施的排水能力(见表1)。

考虑因地下水结晶沉淀引起的管道堵塞效应，取2倍纵横向排水管排水能力安全系数，10 m为1个区段，纵向排水管和横向排水管的延米联合排水能力为：0.1×0.5×956×5 148.5(全长)×2(双洞)m3/d=49.22万m3/d>隧道最大涌水量28.68万m3/d。

表1 常规排水方案排水能力计算排水设施内径d/m宽度b/m高度h/m沟壁粗糙系数n水力坡度I水力半径R/m水沟横断面面积A/m2设计排水能力Q/(m3·d-1)ϕ110纵向排水管0.097——0.010.0080.024 250.007 4956ϕ110横向排水管(10 m/道)0.097——0.010.030.024 250.007 41 85250 cm×35 cm矩形侧水沟—0.500.350.0150.0080.1460.17549 99680 cm×83 cm中心水沟—0.800.830.0150.0080.270.664142 904平行泄水洞———————1 100 000

侧沟、中心排水沟及泄水洞的联合排水能力为：0.5×(2×49996+142904)×2(双洞)m3/d+1 100 000m3/d=124.29万m3/d>隧道最大涌水量28.68万m3/d。

因此，当隧道周边地下水沿隧道全长均匀分布时，隧道收排水能力大于隧道预测最大涌水量。由以上计算可知隧道排水能力取决于纵横向排水管排水能力，需要均匀收集28.68 万m3/d，而排水系统的延米收水能力为95.60 m3/d，则至少需要长度28.68×10000÷(2×0.1×0.5×956)m=3000m才能均匀收集全部最大涌水量。

由于隧道涌水量主要存在于断层和向斜核部区段，涌水量不可能均匀分布，故有必要提升隧道主洞的收水能力，同时应加大管沟设计尺寸，才能确保隧道在暴雨期的运营安全。

2.2 通风能力计算分析

根据通风计算，沅古坪隧道需风量如表2所示。

从需风量计算结果来看，隧道左右洞需风量均不大，因该隧道采用较为均衡的“人字形”纵坡，且交通量不大，大型车辆占比也不高，需风量主要是以换气次数要求的换气需风量控制。在以换气需风量为要求的前提下，机械通风可满足通风要求。因此，左右洞采用全纵向射流风机方式均能满足隧道通风要求，但长度超过5 km时，需考虑火灾工况下排烟[4]。

2.3 常规设计方案

常规设计采用独立的平行泄水洞和排烟斜井方案。平行泄水洞在排水的同时兼具施工辅助导洞的功能，斜井为排烟考虑设置，平行泄水洞和斜井分别独立解决排水和排烟问题。原设计方案如图2所示。

图2 原设计方案平面布置

表2 隧道需风量m3位置设计年限车速/(km·h-1)100807060504030火灾工况换气左洞2035年184.9 192.6 187.5 166.2 185.2 157.2 140.1 243.9 300.9 2044年240.3 250.3 243.7 216.0 240.7 204.3 187.4 243.9 300.9 右洞2035年184.4 192.0 186.8 165.5 184.4 156.2 138.6 243.9 297.42044年239.6 249.6 242.8 215.0 239.6 203.0 185.5 243.9 297.4

2.4 常规设计方案不足之处

虽然常规设计方案独立解决了隧道的排烟和泄水问题，但以下问题值得商榷： ① 沅古坪隧道顶部存在一水库，断层连通水库和隧道，隧道存在倒灌涌水风险，若水库与隧道直接连通，隧道内涌水无法及时排入泄水洞。应加强隧道区段排水能力。② 沅古坪隧道位于富水地层，独立斜井的设置会进一步增加主洞结构的排水负担。③ 泄水洞和排烟斜井独立设置会增加隧道运营期间的维护成本。且斜井洞口的偏远性使维护便利性较差。④ 通过设置纵向风机可以满足运营通风的要求，针对5～5.5 km的隧道采用独立斜井排烟方案往往会造成工程建设浪费。以700 m长斜井为例，独立斜井建安费需6 440万元。⑤ 为节约工程造价，斜井洞口位于标高较低区域，若洞口排水设置不到位，存在倒灌的可能性。⑥ 沅古坪隧道为该高速公路的控制性工程，工期十分紧张。

基于以上分析，常规设计方案在施工运营安全、环保、造价、工期等方面具有一定的缺陷，有必要进行方案改造。

3 新型设计方案分析

新型设计方案主要针对以下两点进行优化设计： ① 考虑分区排水的理念，加强隧道应对局部区段涌水量大的问题。② 将斜井融合到平行泄水洞里面，在满足排烟要求的同时降低工程造价。

3.1 新型分区排水方案分析

新型排水系统相对常规设计内容存在以下不同：

1) 纵横向排水管由原来直径110 mm增大到160 mm，且横向排水管在富水地区采用6 m/道，收集水分区缩短到6 m一段，提升主洞隧道地下水收集能力4.52倍。

2) 通过6处车行横洞分区排水，及时将水引入泄水洞，充分发挥泄水洞的排水能力。隧道每个分区排水长度约为750 m(见图3)。

图3 分区排水平面布置

3) 采用双中心水沟设计，侧沟、中心排水沟联合排水能力为：0.5×(2×49996+2×142904)×2(双洞)m3/d=38.58万m3/d，仅靠主洞隧道即可满足排水能力。

4) 针对沅古坪隧道富水高压地层的特点，隧道环向施工缝采用新型可排水背贴式止水带，以解决传统止水带只堵不排引起高水压以及不能排水、凸楞过小、质地过软、不便施工的问题[5]。

5) 路面面层以下设置φ50mm透水盲管，收集路面积水，确保路面干燥和行车安全。

6) 新型排水系统如图4所示，收排水能力计算见表3。

图4 新型隧道排水系统图

表3 新型排水系统排水能力计算排水设施内径d/m宽度b/m高度h/m沟壁粗糙系数n水力坡度I水力半径R/m水沟横断面面积A/m2设计排水能力Q/(m3·d-1)ϕ160纵向排水管0.141——0.010.0080.035 250.015 62 593ϕ160横向排水管(6 m/道)0.141——0.010.030.035 250.015 65 85750 cm×35 cm矩形侧水沟—0.500.350.0150.0080.1460.17549 99680 cm×83 cm中心水沟—0.800.830.0150.0080.270.664142 904平行泄水洞———————1 100 000

新型排水系统纵向排水管和横向排水管的延米联合排水能力为：0.167×0.5×2 593×5 148.5(全长)×2(双洞)m3/d=222.50万m3/d>隧道最大涌水量28.68万m3/d。

侧沟、中心排水沟联合排水能力为：0.5(2×49 996+2×142 904)×2(双洞)m3/d=38.58万m3/d>隧道最大涌水量28.68万m3/d。隧道主洞管沟即可承担最大涌水量。

因此，新型排水系统的延米收水能力为432.16m3/d，提升为原来的4.52倍。仅需要长度28.68×10 000÷432.16 m=664 m即可均匀收集全部最大涌水量。而隧道采用分区排水，每个分区仅约750 m，每个区段均能有效应对最大涌水量，大幅度提升了隧道结构应对区段集中涌水的能力。

3.2 新型融合排烟方案分析介绍

考虑到隧道两端均设置排水洞，为满足隧道排烟行程不大于5 km要求，设计通过局部加大排水平洞，兼作排烟风道，设置排烟轴流风机，采用“全纵向射流风机通风+平行导洞补充排烟”方式满足通风及排烟要求[6]。

相较于常规设计方案，新型融合排烟方案增加两处地下风机房，增加4台大功率轴流风机，局部改善洞口端(行车方向进口)350 m范围内的排烟。总成本增加有限，且能完全满足规范要求，有较好的经济适用性。

新型排烟建设方案相对原建设方案有以下优势： ① 借助平行泄水洞设置地下风机房，可以在满足规范排烟行程的前提下，节约设置斜井排烟的工程费用，如图5所示。地下风机房的设置仅增加造价约1200万元，相对常规斜井方案节约5240万元的工程造价。② 排烟泄水洞断面和风机房分两个功能分区，上部人行检修通道和下部排水箱涵，可在满足排水的同时方便人工进入检修，如图6、图7所示。③ 由于泄水洞和排烟斜井的融合设置，降低了隧道运营期间的维护成本，维护便利性较好，可以提升火灾工况下风机房的可靠性。

图5 隧道排烟泄水平面设计图

图6 排烟泄水洞断面

图7 风机房断面(单位： cm)

4 结论与建议

本文针对5～5.5 km超长富水隧道，将平行泄水洞采用分区排水并融合排烟，有效解决了隧道集中涌水和火灾排烟的建设难题。相对常规建设方案具有以下优点：

1)常规设计方案平行泄水洞以主洞降水为主，而新型排水系统则采用分区排水的理念，分6处支洞及时将主洞内地下水排入泄水洞，充分发挥了泄水洞的排水能力，避免了泄水洞的收水障碍。

2)通过采用φ160排水管并加密横向排水管布设，将主洞隧道收集水的能力提升了4.52倍。

3)新型排水系统提高了主洞自身的排水能力，主洞管沟的排水能力高于最大涌水量。

4)通过平行泄水洞分区排水设置、加大收集水管、双中心水沟及采用可排水式背贴式止水带和路面收水盲管，可有效保证隧道路面干燥，确保行车安全。

5)泄水洞与排烟通道联合设置，解决了本隧道火灾排烟的问题，并能满足最新规范要求。

6)泄水洞和排烟通道的融合设置，可降低隧道运营期间的维护成本，维护便利性较较好，提升了火灾工况下风机房的可靠性。

7)借助多个排水支洞可扩展多个施工作业面，有效缩短施工工期。