趙宇，全斐，沈家君，趙春杰，高明成

（中鐵十局集團(tuán)有限公司 大臨鐵路項目經(jīng)理部，云南 臨滄675800）

0 引言

隨著我國交通基礎(chǔ)建設(shè)迅速發(fā)展，長大、深埋隧道工程數(shù)量急劇增加，斜井作為最主要的輔助坑道形式之一，對加快長大隧道施工進(jìn)度起到至關(guān)重要的作用，但深長斜井反坡排水給施工安全帶來極大挑戰(zhàn)。劉海榮［1］介紹關(guān)角隧道長大斜井反坡抽排水水泵配置、雙聯(lián)拱式固定泵站、供電線路并網(wǎng)等技術(shù)措施；李方東［2］介紹基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的公路隧道長距離反坡排水施工技術(shù)，采用瞬變電磁、激發(fā)極化超前探測技術(shù)，對掌子面前方含水區(qū)位置及水量進(jìn)行較準(zhǔn)確的定位和預(yù)估；提出成本最小化排水優(yōu)化公式，優(yōu)化泵站分級設(shè)計及水泵功率選擇；同時，動態(tài)監(jiān)測涌水量進(jìn)行排水設(shè)置，提出了增級截流集水坑技術(shù)。陳光吉等［3］介紹基于涌水仿真模擬的公路隧道反坡排水系統(tǒng)，通過涌水仿真模擬，計算隧道底板壓力、近掌子面處底板局部壓力以及各標(biāo)段涌水量情況，設(shè)計了公路隧道反坡排水系統(tǒng)，采用分時抽水方案。李占先［4］介紹公路隧道長距離反坡排水及其優(yōu)化技術(shù)，提出“監(jiān)測先行、動態(tài)調(diào)整、安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保”的長距離反坡排水原則，建立基于涌水量動態(tài)監(jiān)測的長距離反坡排水設(shè)計與優(yōu)化技術(shù)。張品［5］介紹負(fù)壓排水技術(shù)在長大隧道反坡排水施工中的應(yīng)用。

總體而言，目前反坡排水仍沿用常規(guī)技術(shù)，很難應(yīng)對突發(fā)大規(guī)模涌水造成的淹井災(zāi)害。結(jié)合紅豆山隧道2號斜井反坡排水特點，提出基于水量監(jiān)測和限量排放的大坡度長距離隧道分階段反坡排水技術(shù)，通過地震波反射法（TSP）、瞬變電磁判斷隧道前方及周邊富水區(qū)域的位置和規(guī)模，以長距離探測孔提前泄水，動態(tài)監(jiān)測并控制單孔涌水量保證排水系統(tǒng)安全的反坡排水思路；結(jié)合實際監(jiān)測涌水量，提出可能造成的淹井長度計算方法和針對不同涌水量限量排放標(biāo)準(zhǔn)，建立基于涌水量監(jiān)測和限量排放的排水系統(tǒng)安全運行體系，避免因突發(fā)涌水造成排水系統(tǒng)失效引發(fā)的淹井災(zāi)害，順利通過大規(guī)模涌水段，為反坡排水隧道施工安全提供技術(shù)保障。

1 工程概況

大臨鐵路紅豆山隧道位于瀾滄江以南、臨滄市鳳慶縣及云縣境內(nèi)，隧道起訖里程DK114+497—DK125+113，全長10 616 m，最大埋深1 020 m。隧道地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶，主要穿越地層為印支期黑云花崗巖，區(qū)內(nèi)發(fā)育龔家斷層、星源斷層、關(guān)口平移斷層、冬瓜村斷層、學(xué)房斷層、老茶房斷層、小溫崩斷層等7個斷層，地質(zhì)條件極其復(fù)雜。全隧共設(shè)2座斜井+2座洞身平導(dǎo)，1號斜井平長1 799 m，斜井縱坡10%；2號斜井平長1 657 m，斜井縱坡10.3%；設(shè)計預(yù)測正洞最大涌水量42 994 m3/d，1號斜井最大涌水量Qmax=7 234 m3/d，2號斜井最大涌水量Qmax=7 216 m3/d。

2 涌水概況

紅豆山隧道2號斜井施工期間，先后發(fā)生5次大規(guī)模涌水，2018年8月17日，平導(dǎo)施工至PDK121+661突發(fā)大規(guī)模涌水，瞬時最大涌水量達(dá)3 500 m3/h，造成淹井，至8月20日16時，水位上升至斜井X2DK0+470，已經(jīng)開挖的平導(dǎo)、正洞全部被淹沒，抽排水時間長達(dá)1個月。自2018年8月17日至今，平導(dǎo)長期處于大規(guī)模強(qiáng)涌水段落施工，累計涌水量達(dá)到2 000萬m3。

2018年3月14日，2號斜井涌水量超過設(shè)計值，調(diào)整為14 000 m3/d。2018年8月17日，2號斜井平導(dǎo)突發(fā)涌水后，對剩余工程涌水量重新預(yù)測，將紅豆山隧道最大涌水量調(diào)整為59 860 m3/d。

3 分階段排水系統(tǒng)

3.1 涌水前排水系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1 排水階段劃分

紅豆山隧道2號斜井全長1 657 m，洞口至井底高差150 m，承擔(dān)2 210 m反坡平導(dǎo)、2 594 m反坡正洞和706 m順坡正洞施工任務(wù)。2號斜井反坡排水采用多級泵站接力方式，排水線路為正洞（平導(dǎo)）→斜井→洞外沉淀池→既有河溝（見圖1）。

圖1 反坡排水線路圖

根據(jù)施工任務(wù)，將2號斜井排水系統(tǒng)設(shè)計和投入劃分為斜井施工和平導(dǎo)、正洞施工2個階段：

第1階段為斜井施工。本階段根據(jù)斜井設(shè)計最大涌水量的1.2倍數(shù)值設(shè)計反坡排水設(shè)備、管路及電力供應(yīng)系統(tǒng)；為減少資金占用，在設(shè)備投入時，只投入斜井最大涌水量所需要的排水設(shè)備、管路及電力系統(tǒng)，預(yù)留第2階段排水設(shè)備和管路的空間位置。

第2階段為平導(dǎo)、正洞施工。本階段根據(jù)斜井實際揭示的涌水量和正洞預(yù)測涌水量，按需求投入斜井和正洞需補(bǔ)充的排水設(shè)備、管路及供電系統(tǒng)。因平導(dǎo)與正洞中線水平距離30 m，距離較近，設(shè)計涌水量只考慮正洞涌水量。

3.1.2 排水系統(tǒng)分階段布置

2號斜井工區(qū)施工段落設(shè)計最大涌水量之和為26 431 m3/d，其中斜井最大涌水量為7 234 m3/d，正洞及平導(dǎo)最大涌水量19 197 m3/d。按照工區(qū)最大涌水量的1.2倍數(shù)值進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)計。采用分級接力排水系統(tǒng)：

一級固定泵站：設(shè)置在斜井距離隧道洞口1 km處，距離洞口高差103 m，安裝256 kW水泵5臺，排水能力為1 750 m3/h，揚程為120 m，5套φ200 mm排水管路，在一級泵站對面安裝1 000 kW+800 kW變壓器為泵站供電。第1階段斜井施工期間配備2套256 kW水泵和1套65 kW水泵、3套管路；剩余水泵及管路在進(jìn)入正洞前配置到位。

二級固定泵站：設(shè)置在斜井底，與一級泵站高差50 m。斜井施工至二級泵站處時，斜井的穩(wěn)定涌水量為4 000 m3/d；根據(jù)實際涌水量，將2號斜井工區(qū)最大涌水量調(diào)整為23 197 m3/d，并對排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，安裝132 kW水泵4臺，揚程為60 m，排水能力為1 620 m3/h，配備φ200 mm排水管道4套。在二級泵站對面安裝1 000 kW變壓器，為二級泵站和正洞、平導(dǎo)臨時泵站供電。在對二級固定泵站排水能力進(jìn)行調(diào)整后，同時對一級泵站排水能力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，排水管路由5根優(yōu)化為4根，優(yōu)化后一級泵站總排水能力為1 152 m3/h。

在平導(dǎo)每間隔1 000 m左右設(shè)置臨時泵站，根據(jù)前方1 000 m需要承擔(dān)的設(shè)計最大涌水量和已開挖揭示段落實際穩(wěn)定涌水量之和確定排水設(shè)備和管路。正洞涌水采用小型水泵通過橫通道抽排至平導(dǎo)后排出。

3.2 涌水后排水系統(tǒng)調(diào)整

2號斜井平導(dǎo)突發(fā)大規(guī)模涌水后，為加快涌水抽排，對排水系統(tǒng)調(diào)整。

調(diào)整后的排水系統(tǒng)見圖2，一級泵站增加2臺256 kW水泵、1臺220 kW水泵、1臺64 kW水泵，增設(shè)5根φ200 mm排水管（其中1根備用），一級泵站增加排水能力1 026 m3/h，總排水能力為2 220 m3/h，增加1臺800 kW變壓器。二級泵站在2號泵站對面增加2-1號 泵站，增設(shè)3臺160 kW水 泵、3根φ200 mm排水管，增加排水能力972 m3/h，總排水能力為2 073 m3/h，增加800 kW變壓器。考慮隧道工程地下水出水點不確定性，平導(dǎo)內(nèi)小型泵站設(shè)置間距由1 000 m調(diào)整為500 m?？傮w排水能力涌水后較涌水前提高了1.76倍。

圖2 紅豆山隧道2號斜井排水系統(tǒng)示意圖

3.3 水泵選型

紅豆山隧道2號斜井水泵參數(shù)見表1。固定泵站水泵在滿足流量、揚程的條件下，選擇小功率水泵；臨時泵站選擇型號統(tǒng)一的小功率、小揚程、大流量水泵。同一級泵站水泵的配置盡量統(tǒng)一，便于管理和維修。

3.4 供電系統(tǒng)

抽排水供電系統(tǒng)作為供電系統(tǒng)的重要組成部分，需24 h不間斷供電，2號斜井僅排水設(shè)備用電量達(dá)4 568 kW，采用傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)組在停電時很難在短時間內(nèi)同時啟動，且隧道作業(yè)環(huán)境對發(fā)電機(jī)組的損害和運行效率影響較大。為保證抽排水的連續(xù)性，2號斜井配備了云縣、鳳慶2路10 kV電源，各泵站附近按需要配備變壓器，保證1路電源停電時可在短時間內(nèi)切換供電系統(tǒng)。

表1 紅豆山隧道2號斜井水泵參數(shù)

4 涌水量監(jiān)測

4.1 富水區(qū)域探測

采用TSP、瞬變電磁等物探手段探測富水區(qū)可能存在的空間位置和展布規(guī)律，利用超前鉆孔對物探結(jié)果進(jìn)行驗證［6-7］。

（1）TSP：利用人工激發(fā)的地震波在不均勻地質(zhì)體中所產(chǎn)生的反射波特性來預(yù)報隧道開挖工作面前方100～150 m的地質(zhì)情況。重點通過波速、泊松比、密度、靜態(tài)楊氏模量的變化和反射截面的分布情況，判斷圍巖強(qiáng)度、完整性、裂隙發(fā)育程度和富水段落區(qū)間長度。

（2）瞬變電磁法：利用瞬變電磁法對低阻體反應(yīng)敏感的特點，探測隧道前方及周邊100 m范圍內(nèi)含水地質(zhì)和不規(guī)則水體［8-10］。

2號平導(dǎo)迂回繞行導(dǎo)坑YPDK0+031—131段（100 m）與掌子面水平夾角0°視電阻率剖面見圖3，從圖中分析，YPDK0+070—110段為相對低阻異常帶，推斷水量較大。因瞬變電磁預(yù)報精度受周邊環(huán)境影響較大，從2號斜井瞬變電磁預(yù)報結(jié)果與開挖揭示的情況分析，瞬變電磁對前方及周邊第1個低阻體的預(yù)報結(jié)果準(zhǔn)確性較高，穿過第1個低阻體后的預(yù)報結(jié)果存在一定偏差，因此瞬變電磁的預(yù)報長度應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況靈活調(diào)整。

圖3 掌子面水平夾角0°視電阻率剖面圖

（3）超前鉆探：超前鉆探的數(shù)量、長度、角度應(yīng)根據(jù)物探分析結(jié)果針對性布置，一般孔深30～60 m，重點是對物探結(jié)果的驗證。鉆孔過程中，安排專人全程跟蹤記錄鉆進(jìn)速度、出水點位置、水量變化點及變化量，是否有卡鉆、頂鉆等異常情況，為風(fēng)險評估和施工方案確定提供依據(jù)。

4.2 涌水量監(jiān)測

4.2.1 泄水孔涌水量監(jiān)測

通過測量泄水孔深度、高度、水平噴射距離等參數(shù)，推算涌水速度和單孔涌水量，配備相應(yīng)的抽排水設(shè)備，并用抽排水設(shè)備的抽排能力驗證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

根據(jù)現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)測的涌水量，評估現(xiàn)有抽排水能力下是否存在淹井的可能，并按幾何關(guān)系推測掌子面積水深度及可能淹沒的作業(yè)面長度與時間關(guān)系。

（1）當(dāng)掌子面積水深度小于隧道高度時，近似認(rèn)為積水體縱斷面上為三角形，掌子面淹沒前積水縱斷面見圖4。

圖4 掌子面淹沒前積水縱斷面

積水體積：

式中：h為掌子面積水深度，m；l為淹沒隧道水平長度，m；b為隧道寬度，m；Q涌為實測涌水量，m3/h；Q排為排水系統(tǒng)抽排水能力，m3/h；t為涌水時間，h。

根據(jù)圖4的三角函數(shù)關(guān)系：

式中：i為隧道縱坡，%。

由式（1）和式（2）可得到：

由式（3）和式（4）可得淹沒隧道的長度L：

（2）掌子面淹沒后積水縱斷面圖見圖5。

當(dāng)掌子面積水深度超過隧道高度時，積水體積：

式中：V1為積水深度超過隧道高度段體積，m3；V2為積水深度未超過隧道高度段體積，m3；Q涌為實測涌水量，m3/h；Q排為排水系統(tǒng)抽排水能力，m3/h；t為涌水時間，h。

圖5 掌子面淹沒后積水縱斷面

其中：

式中：S為隧道斷面面積，m2；L為淹沒隧道長度，m；L1為積水深度超過隧道高度段淹沒長度，m；L2為積水深度未超過隧道高度段淹沒長度，m；H為隧道高度，m；i為隧道縱坡，%；b為隧道寬度，m。

淹沒隧道的長度L=L1+L2，其中：

得到：

紅豆山隧道2號平導(dǎo)斷面面積為42 m2，隧道高度為6.2 m、寬度為7.0 m、線路縱坡為2%。紅豆山隧道2號平導(dǎo)實際涌水量2 500 m3/h時，計算得到的24 h淹沒隧道的長度見表2，從計算結(jié)果分析，16 h積水即可淹沒掌子面，24 h淹沒隧道長度達(dá)到394 m。

實際涌水量超過排水能力時，增加排水系統(tǒng)往往無法在短時間內(nèi)完成，因此預(yù)防淹井災(zāi)害必須從控制實際涌水量著手。

4.2.2 整體涌水量監(jiān)測

在排水管路上安裝流量計，并在洞口設(shè)置簡易導(dǎo)流槽，對整體涌水量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。

2018年6月—2019年6月紅豆山隧道2號斜井涌水量監(jiān)測結(jié)果見圖6，累計涌水量隨時間變化呈現(xiàn)出線形增長趨勢，單月涌水量在2018年8月出現(xiàn)最高值，9月、10月呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，2018年10月—2019年2月水量無明顯變化，2019年3—5月明顯降低且保持穩(wěn)定，2019年6月水量呈現(xiàn)增高趨勢。從涌水量總體變化趨勢看，除2018年8月突發(fā)涌水外，其余時間涌水量變化與當(dāng)?shù)貧夂蜃兓?guī)律基本吻合，呈現(xiàn)雨季涌水量增大、旱季涌水量減少的規(guī)律。

表2 紅豆山隧道2號平導(dǎo)24 h淹沒長度計算

5 限量排放標(biāo)準(zhǔn)

限量排放是在對富水區(qū)域探測和涌水量實時監(jiān)測的基礎(chǔ)上，實施超前鉆孔泄水，通過控制泄水孔的數(shù)量和單孔流量，保證總體涌水量低于現(xiàn)場實際抽排水能力的方法?？煞乐挂蛲话l(fā)性涌水量過大造成排水系統(tǒng)癱瘓而引發(fā)淹井災(zāi)害。紅豆山隧道2號斜井針對不同涌水量的限量排放標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 紅豆山隧道2號斜井不同涌水量的限量排放標(biāo)準(zhǔn)

6 基于水量監(jiān)測和限量排放的反坡排水系統(tǒng)設(shè)計及安全運行體系

基于水量監(jiān)測和限量排放的反坡排水系統(tǒng)設(shè)計及安全運行體系見圖7，分為排水系統(tǒng)設(shè)計、排水系統(tǒng)安裝運行、涌水量監(jiān)測與限量排放3個模塊。

6.1 排水系統(tǒng)設(shè)計

（1）根據(jù)隧道勘察設(shè)計資料，結(jié)合區(qū)域水文地質(zhì)條件，計算隧道分段涌水量。

（2）反坡排水系統(tǒng)設(shè)計包括泵站分級設(shè)計、水泵選擇、排水管路布置、供電系統(tǒng)設(shè)計。

6.2 排水系統(tǒng)安裝運行

（1）按照反坡排水系統(tǒng)設(shè)計方案，結(jié)合施工進(jìn)度安排，分階段安裝排水系統(tǒng)，并根據(jù)實際涌水量分階段對排水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（2）建立排水系統(tǒng)安全運行體系。成立排水系統(tǒng)專業(yè)班組，按泵站設(shè)置配備專業(yè)抽排水人員，每個泵站配備2人/班，每班工作8 h；配備專職清淤和管道維修人員，對泵站及排水管路進(jìn)行日常清理、保養(yǎng)；建立排水系統(tǒng)專項檢查和供電系統(tǒng)專業(yè)檢查制度，每周檢查排水方案的落實情況和排水設(shè)備、供電系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，及時排除隱患，保證排水系統(tǒng)和供電系統(tǒng)24 h正常運轉(zhuǎn)。

6.3 涌水量監(jiān)測與限量排放

（1）建立隧道超前地質(zhì)預(yù)報管理制度，落實TSP、瞬變電磁等物探手段和超前鉆孔卸壓排水措施，探測富水區(qū)域空間位置和分布規(guī)律。

（2）成立涌水量監(jiān)測領(lǐng)導(dǎo)小組，安排專人每天對泄水孔及各排水管道出水量進(jìn)行監(jiān)測，形成涌水量變化曲線圖；專人對超前卸壓排水孔施工全過程盯控，對出水點、涌水量大小及變化點、水質(zhì)變化、鉆速、突進(jìn)及卡鉆等進(jìn)行記錄，分析涌水量變化，指導(dǎo)施工。

（3）建立隧道安全風(fēng)險預(yù)警機(jī)制，根據(jù)實際涌水量大小和水質(zhì)變化分Ⅰ級紅色、Ⅱ級橙色、Ⅲ級黃色3級預(yù)警，由項目部、工區(qū)、架子隊分別按照不同預(yù)警級別，依據(jù)限量排放標(biāo)準(zhǔn)采取對應(yīng)的技術(shù)和管理措施。

7 實踐效果

紅豆山隧道2號斜井自2018年8月17日發(fā)生大規(guī)模涌水淹井災(zāi)害后，長期處于大規(guī)模涌水段施工，截至2020年4月，累計抽排水量達(dá)到2 000萬m3。采用基于水量監(jiān)測和限量排放的反坡排水技術(shù)后未發(fā)生因涌水量超過排水能力造成的淹井災(zāi)害，降低反坡排水隧道因突發(fā)涌水造成淹井的風(fēng)險，保證隧道順利、快速施工。

8 結(jié)論

紅豆山隧道2號斜井采用基于水量監(jiān)測和限量排放的大坡度長距離隧道分階段反坡排水技術(shù)，有效遏制了反坡排水隧道因突發(fā)涌水造成排水系統(tǒng)失效引發(fā)的淹井災(zāi)害，通過1年多的現(xiàn)場實踐，取得了顯著效果。

（1）采用物探+超前鉆孔泄水的探測方式，動態(tài)監(jiān)測涌水量變化，計算分析可能造成的淹井長度與時間關(guān)系，判定淹井風(fēng)險程度，并根據(jù)不同涌水量，采用限量排放措施，可有效避免淹井災(zāi)害發(fā)生。

（2）紅豆山隧道2號斜井施工期間，僅按斜井本身涌水量投入排水設(shè)備，轉(zhuǎn)入平導(dǎo)和正洞施工后，根據(jù)斜井實際揭示涌水量調(diào)整和優(yōu)化排水系統(tǒng)的方法可行，可節(jié)約施工成本，減少資金占用。

（3）排水設(shè)備的選擇綜合考慮揚程、流量、功率等參數(shù)，選用統(tǒng)一型號，方便維修和管理。排水設(shè)備的供電系統(tǒng)采用2路電源，既能實現(xiàn)在1路電源停電時迅速切換，又能解決傳統(tǒng)備用電機(jī)組管理、維修難度大的問題。

（4）建立反坡排水安全運行管理體系，是保證各項技術(shù)措施落實的關(guān)鍵。

（5）突發(fā)涌水引起的排水系統(tǒng)調(diào)整，造成斜井凈寬減小給隧道交通組織帶來極大困難，勘察設(shè)計階段隧道最大涌水量的探測精度需進(jìn)一步提高，同時斜井?dāng)嗝嬖O(shè)計時，應(yīng)考慮排水系統(tǒng)布設(shè)預(yù)留富余量。

（6）長期抽排水可能改變地下水徑流關(guān)系，破壞地下水平衡，在富水隧道施工時，應(yīng)考慮采用注漿堵水等措施，減少地下水抽排對環(huán)境的影響。