廖 郁

(四川路橋盛通建筑工程有限公司, 四川成都 610000)

隧道施工過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)隧道涌水的現(xiàn)象，尤其是超長(zhǎng)超深的隧道排水更是工程上較為棘手的問(wèn)題，為了解決這一施工難題，反坡排水施工技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。劉金山[1]通過(guò)錦屏山隧道工程，介紹了反坡斜井突涌水條件下的施工技術(shù)；吳建斌[2]于古田隧道工程，對(duì)反坡排水方案進(jìn)行了研究；劉艷霞[3]以西秦嶺特長(zhǎng)隧道店子坪一號(hào)斜井為例，介紹了多級(jí)泵站接力排水的施工技術(shù)。

1 工程概況與水文地質(zhì)條件分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

擬建金口河隧道斜井位于四川省西南部樂(lè)山市峨邊彝族自治縣楊村鄉(xiāng)土地堂。擬建斜井左線全長(zhǎng)1 700.541 m，樁號(hào)范圍：ZXK0+010.459～ ZXK1+711；右線全長(zhǎng)1 630.312 m，樁號(hào)范圍：XK0+015.688～XK1+646。斜井進(jìn)口附近有鄉(xiāng)村道路通過(guò)，交通方便。隧道左線長(zhǎng)8 107 m，右線長(zhǎng)8 130 m，采用雙斜井二區(qū)段分段縱向式通風(fēng)，右洞送排風(fēng)斜井長(zhǎng)1 630.312 m，左洞送排風(fēng)斜井長(zhǎng) 1 700.541 m。

1.2 水文地質(zhì)特點(diǎn)

擬建隧道穿越的山體屬馬鞍山北麓，根據(jù)調(diào)查，斜井區(qū)地表水系主要為官料河支流太陽(yáng)溝，支溝內(nèi)均具右常年流水，流量不一。此外，斜井區(qū)地表溪溝內(nèi)較多井泉。工程區(qū)內(nèi)沿官料河兩岸發(fā)育有多條溪(沖)溝，多呈羽狀或樹(shù)枝狀分布，具山間溪流河道特點(diǎn)，即岸坡陡、溝(河)床窄、峽谷多、比降大，下切作用明顯，區(qū)內(nèi)各條支溝為地表水、地下水的主要匯集、排泄通道，亦為區(qū)內(nèi)地表水最低侵蝕基準(zhǔn)面和地下水最低排泄基準(zhǔn)面。

2 涌突水分析與斜井布置

2.1 斜井涌突水分析評(píng)價(jià)

勘察階段分析計(jì)算所推薦的涌水量：正常涌水量Q≈4500m3/d，最大涌水量Q≈9000m3/d。

根據(jù)勘察階段涌突水分析評(píng)價(jià)結(jié)果：斜井未穿越可溶巖區(qū)，發(fā)生斜井涌(突)水可能性較小，但時(shí)因?yàn)樗淼来┰綌鄬?，斷層影響帶?nèi)巖體較破碎，透水性較強(qiáng)，是隧道突水、涌水、突泥的一個(gè)重要來(lái)源，所以在施工過(guò)程中加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)，用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)探+隧道超前鉆探等方法解決問(wèn)題。

2.2 斜井井位布置

綜合考慮隧道通風(fēng)、地質(zhì)條件、路線布置、斜井施工等多方面的因素，確定斜井的布置。

3 反坡排水施工方案

3.1 總體方案

反坡排水一般條件下設(shè)置多級(jí)泵站接力排水，采用移動(dòng)式潛水泵將工作面積水抽至就近泵站或者臨時(shí)集水坑內(nèi)，其余已施工地段隧道滲(涌)水通過(guò)隧道內(nèi)側(cè)溝匯集到臨時(shí)集水坑或泵站水池內(nèi)，通過(guò)固定排水泵站將積水經(jīng)排水管路抽排至上一級(jí)排水泵站內(nèi)，如此由固定式排水泵站接力的方式將洞內(nèi)積水抽排至洞外，經(jīng)污水處理池處理后排放，針對(duì)隧道涌水量大時(shí)要適當(dāng)增加工作水泵；同時(shí)為防止突水，設(shè)置利用高壓風(fēng)管作為應(yīng)急排水系統(tǒng)。

根據(jù)預(yù)測(cè)涌水量以及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)掌子面前方地下水情況，進(jìn)行抽排水專項(xiàng)設(shè)計(jì)，根據(jù)施工進(jìn)度采用多級(jí)排水，設(shè)置泵站，采用相應(yīng)揚(yáng)程的水泵，泵站設(shè)置應(yīng)滿足以下要求：

(1)如果地下水質(zhì)雜質(zhì)含量較多，則考慮選用高效耐磨排水泵，斜井反坡施工時(shí)，各排水泵站的水泵應(yīng)盡量選用同一種型號(hào)，方便調(diào)配更換。

(2)工作泵和排水管能力應(yīng)滿足20 h內(nèi)排出24 h斜井設(shè)計(jì)涌水量。

(3)配備備用的水泵和排水管，并保證備用設(shè)備達(dá)到斜井的設(shè)計(jì)涌水量。

(4)備用水泵的配備能力不應(yīng)小于工作水泵的總能力。

(5)排水管沿斜井鋪設(shè)，當(dāng)壓力大于 1 MPa 時(shí)，不應(yīng)采用鑄鐵管。

(6)除了設(shè)置日常排水泵及日常備用水泵外，還應(yīng)備用應(yīng)對(duì)突發(fā)性涌突水的水泵。保證一旦發(fā)生涌突水，能夠及時(shí)將水排出井外。

本標(biāo)隧道反坡排水段落情況詳見(jiàn)表1和表2。

表1 隧道工程反坡排水情況統(tǒng)計(jì)

表2 隧道反坡涌水量情況統(tǒng)計(jì)

3.2 抽排水系統(tǒng)布置及方案設(shè)計(jì)

(1)隧道斜井高差計(jì)算。隧道右洞斜井全長(zhǎng)1 630 m，綜合坡度10.9 %，高差173 m；隧道左洞斜井全長(zhǎng)1 700 m，綜合坡度10.6 %，高差178 m。

(2)泵站位置確定。根據(jù)反坡排水總體方案，確定各泵站設(shè)置位置。

(3)水力計(jì)算及設(shè)備選型。因?yàn)樗淼婪雌率┕ぽ^長(zhǎng)、隧道坡度平均達(dá)10.9 %、水泵揚(yáng)程較短，所以采用長(zhǎng)距離管道配合小集水泵收集反坡排水。

以金口河隧道右洞設(shè)備選型為例：

(1)第一階段臨時(shí)移動(dòng)泵站選型。

前期最大涌水量可按照4 500 m3/d，確定計(jì)算斜井臨時(shí)移動(dòng)泵站的抽水設(shè)備，同時(shí)考慮抽水設(shè)備進(jìn)入正洞后能重復(fù)使用。

①移動(dòng)水泵的排水能力Q(m3/h)(按最大涌水量，取4 500 m3/d)。

Q=4 500m3/d，按照礦井排水規(guī)范，必須在20 h內(nèi)排出斜井工區(qū)24 h涌水量，總的最大小時(shí)流量Q=4500÷20=225m3/h。

②移動(dòng)水泵揚(yáng)程計(jì)算。

斜井長(zhǎng)1 630 m，綜合坡度為10.9 %，計(jì)算工區(qū)垂直高差凈揚(yáng)程為173 m；目前施工未開(kāi)始，要滿足斜井前期開(kāi)挖時(shí)的抽排水要求，設(shè)置抽水設(shè)備排水能力應(yīng)大于225 m3/h，按照間隔150 m設(shè)置臨時(shí)小型集水坑泵站要求，排水揚(yáng)程設(shè)計(jì)為為35 m，排水管道為DN150，初步選用150WQ150-35-30潛污泵，流量150 m3/h，揚(yáng)程35 m，數(shù)量9臺(tái)，2用1備原則，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況增減設(shè)備。

(2)第二階段井身固定泵站水泵選型。

開(kāi)挖至550 m位置時(shí)，擬設(shè)置固定式排水泵站1座，隨施工進(jìn)度設(shè)置1、2、3號(hào)固定泵站，采用臥式離心泵，功率110 kW。同時(shí)取消前500 m處移動(dòng)排水泵站(設(shè)備下移)。

①水泵的排水能力Q(m3/h)(按最大涌水量，取9 000 m3/d)。

Q=9000m3/d，按照礦井排水規(guī)范，必須在20 h內(nèi)排出斜井工區(qū)24 h涌水量，總的最大小時(shí)流量Q=9000÷20=450m3/h。

②水泵揚(yáng)程計(jì)算。

斜井長(zhǎng)1 630 m，綜合坡度為10.9 %，計(jì)算工區(qū)垂直高差凈揚(yáng)程為173 m；每間隔550，即為60 m凈揚(yáng)程，設(shè)備沿途損失計(jì)算如下：

HB=Hsy/ηg=(60+2)/0.77=80.5m

式中：HB為水泵所需揚(yáng)程(m)；Hsy為側(cè)地高度，即吸水井最低水位至排水管出口間的高度差，一般可取Hsy=井底與地面標(biāo)高差+2(水倉(cāng)井底與吸水井最低水位距離)；ηg為管路效率。當(dāng)管路在立井中鋪設(shè)時(shí)，ηg=0.9～0.89；當(dāng)管路在斜井中鋪設(shè)，且傾角>30°時(shí)，ηg=0.83～0.8；α=30°～20°時(shí)，ηg=0.77～0.8；α<20°時(shí)，ηg=0.74～0.77。

由此計(jì)算，要滿足斜井井身施工開(kāi)挖時(shí)梯級(jí)的抽排水要求，設(shè)置抽水設(shè)備排水能力應(yīng)大于450 m3/h，揚(yáng)程大于80 m。初步選用DFSS200-7/2A 臥式離心泵，單泵流量280 m3/h，揚(yáng)程87 m，功率110 kW，每個(gè)泵站配置3臺(tái)，使用2臺(tái)，備用1臺(tái)。

3.3 泵站洞室水倉(cāng)布置

TB 10109-95《隧道輔助坑道技術(shù)規(guī)范》已規(guī)定：斜井水倉(cāng)容積宜按泵站5～10 min排水能力設(shè)計(jì)。

(1)集水坑沉淀池設(shè)計(jì)。

按斜井涌水量225 m3/h測(cè)算，臨時(shí)水倉(cāng)應(yīng)不小于20 m3，臨時(shí)水倉(cāng)開(kāi)挖斷面設(shè)計(jì)為3 m×2 m×4 m(寬×深×長(zhǎng))。

(2)井底水倉(cāng)及對(duì)應(yīng)沉淀池設(shè)計(jì)。

斜井輔助正洞進(jìn)口反坡施工段排水，正洞大小里程設(shè)計(jì)涌水量合計(jì)為450 m3/h，考慮隨時(shí)突發(fā)涌水預(yù)留富余量，則井底泵站容積應(yīng)不小于75 m3。沉淀池水倉(cāng)設(shè)計(jì)為4 m×3.5 m×6 m(寬×深×長(zhǎng))。

(3)水倉(cāng)二級(jí)沉淀池設(shè)計(jì)。

通過(guò)在井底泵站洞口方向設(shè)置沉淀池來(lái)減少水中雜物對(duì)抽水機(jī)、排水管路的影響。即施工涌水進(jìn)入沉淀池后，自然溢流至水倉(cāng)，沉淀池與水倉(cāng)采用50 cm厚混凝土隔墻。在沉淀池進(jìn)水口處加裝過(guò)濾網(wǎng)，有效攔截施工過(guò)程中大量涌水中含有的巖石、噴射泥漿、石屑，水倉(cāng)底部建議15 d清理一次淤泥砂石。

在水倉(cāng)上部安裝工字鋼及木板鋪設(shè)，設(shè)備和管路、控制系統(tǒng)安裝在水池上方，泵站需預(yù)留1～2臺(tái)增補(bǔ)機(jī)組安裝位置，避免出現(xiàn)大涌水時(shí)，可隨時(shí)有效的增補(bǔ)排水泵。

3.4 抽排水管路系統(tǒng)、電力配備設(shè)計(jì)

3.4.1 排水管路設(shè)計(jì)

根據(jù)《給水排水工程快速設(shè)計(jì)手冊(cè)》2.3管徑計(jì)算d2=4Q/π/V，最高和最低允許流速：

(1)為防止發(fā)生水錘現(xiàn)象，最大流速不超過(guò)2.5～3.0 m/s。

(2)當(dāng)輸送渾水時(shí)，為避免管內(nèi)淤積，最小流速應(yīng)大于0.6 m/s。

各抽水機(jī)排水管徑選擇要求及出水口管徑大小。根據(jù)斜 井最大涌水為450m3/h，查閱管道壓力損失表，單根DN200管道每小時(shí)輸送水450m3/h，流速為3.7m/s，設(shè)計(jì)選擇DN200管道，鋪設(shè)1趟，那么最大流量計(jì)算則為：

Q=πR2×3.7×3600×24

計(jì)算得出DN200管道Q=10035m3/d，DN200管道輸水能力基本滿足最大涌水量9 000 m3/d，如果后續(xù)水量增大，需再增加一趟DN200管路。

3.4.2 排水電力設(shè)計(jì)

所有水泵控制柜的用電業(yè)主來(lái)將配電引致水泵控制柜不超過(guò)30 m的范圍內(nèi)(變壓器配電至水泵控制柜之間的線纜及變壓器由業(yè)主提供)。清單中的變壓器為單獨(dú)供水泵組使用時(shí)的容量，如需要與其他用電單元共同用電，則需業(yè)主根據(jù)實(shí)際情況把變壓器容量進(jìn)行放大。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)金口河隧道工程，介紹了斜井反坡排水的施工技術(shù)，并對(duì)實(shí)際工程中一些特殊工況的反坡排水方案進(jìn)行了研究。反坡排水通過(guò)多級(jí)泵站接力排水的方式將掌子面的積水排至洞外。若遇到隧道涌水量大時(shí)，要適當(dāng)增加工作水泵，同時(shí)為防止突水，設(shè)置利用高壓風(fēng)管作為應(yīng)急排水系統(tǒng)。當(dāng)?shù)叵滤s質(zhì)成分過(guò)多時(shí)，采用高效耐磨泵排水。