青云山特長隧道涌水段反坡排水技術

王俊和

（中國土木工程集團有限公司，北京100038）

青云山特長隧道涌水段反坡排水技術

王俊和*

（中國土木工程集團有限公司，北京100038）

基于江西向塘至福建莆田鐵路隧道工程施工中的反坡排水問題，根據隧道的線型、地質和涌水量情況，提出了一套完整的適用于隧道施工反坡排水的處理方案，并對排水設備相關參數進行了計算，可為建設環境類似的工程提供借鑒。

特長隧道；斜井；涌水；反坡排水

1　概述

長大隧道由于地質、水文條件復雜的特點，大多穿越富水斷層帶，且由于受到進出口地表高程或者線路縱坡等其他因素的限制，正洞或輔助坑道常采用反坡排水［1-3］。秦猛［4］就反坡排水施工組織及管理做出了詳細的論述。劉艷霞［5］以實際工程為例，采用多級泵站接力技術成功地解決了高反坡、長距離排水。吳建斌［6］基于古田隧道的反坡排水，經過相應的計算分析，對防排水方案進行了研究。

2　工程概況

2.1工程情況

青云山隧道為新建鐵路江西向塘至福建莆田段最長的隧道，分為左線和右線2座單線隧道，其中隧道左線全長22.175km，隧道右線全長21.837km，為特長鐵路隧道，隧道縱斷面線形詳見表1。

表1　青云山隧道縱斷面線形

全隧設置4座斜井和1座通風豎井，其中2#斜井全長2608.71m，斜井內綜合坡度7.005%，整座斜井的高差有182.75m，采用的是反坡開挖和排水。

2.2涌水情況

2#斜井進入正洞后向進口方向將分別穿越F7、F8、F9三個斷層，其中首先穿越F9斷層破碎帶，該斷層屬壓扭性斷層，內部為碳酸鹽化蝕變及石英巖脈填充，隧道通過含水體的長度為55m，滲透系數為1.1m/d，設計預測涌水量為12196m3/d，最大單位涌水量為221.75m3/d·m，該斷層在地貌上形成了深切的沖溝，地表匯水面積大，沖溝上下游數量變化較大，導水性極好，屬強富水段。

隧道左線進口因突發特大涌水淹沒斜井交叉口以后，根據水位標高計算隧道內的淹沒面積，計算隧道內所有水庫容量，確定實時涌水量。經監測結果表明，隧道出現涌水量峰值達到2300m3/h，之后涌水量出現回落，水量基本保持在850～1000m3/h之間。

3　排水設備選取

3.1排水管的設計

根據2#斜井的涌水狀況和出現隧道突發涌水的情況，最大應急排水能力應達1666m3/h。采用鋼管作為所有泵站的排水管，斜井高差為182.75m，配備水泵則需考慮抽水高差和水頭損失，按照如下公式計算水頭損失［7］：

式中：λ——水管摩阻系數（普通鋼管為0.024）；

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L——水管長度；

dj——水管內徑；

v——管內流速，取1.5m/s；

g——重力加速度，取9.81。

采用上述公式計算，當直徑為200mm時，水管的水頭損失是100m為1.38m，除此之外，還需考慮局部水頭損失，通過計算得出排水理論所需揚程為244m，再乘以1.1以上的揚程保證系數，則配備水泵需保證268m以上的揚程。

通過對隧道涌水情況的分析，需保證緊急排數能力在1666m3/h以上，因此，在斜井內以布設大管道為主。對于鋼管，其流速為2.0～3.0m/s，應急抽排水時，流速為2.5m/s，管道總斷面積應有0.186m2；正常排水時，需保證排水能力為744m3/h，取流速為1.5 m/s，管道面積至少應為0.14m2。

抽水鋼管直徑d的選取應滿足考慮一定的富裕系數的隧道晝夜涌水量，同時結合技術和經濟2方面。

VP——管道允許流速，m/s，一般鋼管流速為2.0～3.0m/s。

采用上述公式，其計算結果如表2所示。

表2　管道直徑選取計算表

在確保抽水設備及管道有一定的富裕系數的同時，也需考慮利用率。在斜井內采用1排?300mm、4 排?200mm、3排?150mm的不同管徑鋼管搭配使用，突發涌水時，將高壓供水管和高壓供風管也作為排水管使用。在正洞左右線的正常排水管采用1排?150mm 和2排?200mm的鋼管，同時為了減少管道重復布置和對左線施工的影響，利用距掌子面最近的橫通道將左線進口的涌水全部抽排至右線進口方向集水井，這樣可以保證左線先于右線貫通的要求。

3.2泵站的設計

在水泵電機的選型，應綜合考慮能量利用、電機功效、電機安全系數及揚程等，按以下經驗公式配備電機功率：

電機功率=流量（m3/h）×揚程（m）×9.81/（3600×功效）

式中，功效為0.5～0.75，水泵功率越大，功效取值越大。

為了保證較短的作業循環時間，采取將主泵站隨著水位下降而移動的措施，直到水位降至安全水位。3組輪胎行走式移動泵站平臺的移動泵站的建立是由同類型水泵配置情況來考慮建立的，而且除此之外，在每個作業面還有5.5kW的水泵2～4臺，主要是用以配合主泵站和抽排一些小坑洼處的積水。表3是主泵站具體配置。

表3　泵站設備配置表

4　總體排水方案

4.1抽水方案

排水方案的制定是在充分利用既有的水泵和管路設備的同時，再考慮涌水情況和斜井段深積水的特性，總體分為2個抽水階段。在斜井段的涌水，分級抽排至洞外；正洞的涌水，直接抽排出洞外。

第一階段：抽排交叉口地面以上積水，水泵及管路布置如圖1所示。在這個階段，主要是隨著水位變化移動抽水泵站。先恢復既有設備的部分抽水能力，加強涌水量的監測，通過檢測獲得的涌水量的變化規律來確定抽排水設備配備及布置方案。首先恢復斜井內既有梯級泵站的抽水工作，設置2處一級泵站，初步水泵配置：1臺188m3/h，揚程150m。然后逐步加大設備投入，直至達到抽排能力1800m3/h，具體水泵配置為：2臺110kW、150m3/h，為分級固定泵站；4臺220kW、188m3/h，3臺360kW、288m3/h，采用移動泵站的方式，隨時根據水位變化情況調整移動泵站安裝里程。4臺220kW、188m3/h備用，抽排能力為7500m3/h。

第二階段：抽排正洞進口方向積水及涌水，水泵及管路布置如圖2所示。洞內穩定涌水量為650m3/h，再考慮不小于1.2倍的富裕系數，在斜井底的抽水泵配置為：5臺220kW、188m3/h。左線進口方向抽水泵配置為：4臺180m3/h，這樣可以將涌水抽排至斜井交叉口處的主泵站再排出洞外。由于左右線未連通，右線進口方向又沒有涌水，所以只需將洞內積水抽排，抽水泵配置為：2臺55kW、180m3/h。設置臨時集水坑在距離掌子面100m左右處，然后集中抽至斜井交叉口處再排出。

圖1　抽排水第一階段泵站布置示意圖

圖2　抽排水第二階段泵站布置示意圖

4.2排水系統

（1）管路。根據洞內最大水量情況，除按表2和表3內容要求進行布置外，還需其他的應急排水管，可由1 排?150mm的高壓供風管和2排?200mm的高壓供水管組成。為了防止遭遇特大涌水或管路出現故障，在永久集水坑處，供風水管路需要設置閘閥及接頭，可以作為應急處理。

（2）臨時集水坑。斜井內臨時集水坑的設置是：間隔100m或集中涌水段，位于洞內右側，容量的確定應考慮施工涌水量和該段15min的匯水量，通常的集水坑容量設置為15m3，具體尺寸為：4m（長）×2.5m（寬）× 1.5m（深）。

5　結語

基于江西向塘至福建莆田鐵路的隧道工程，提出了隧道施工中的反坡排水技術。首先采用既有設備恢復抽水能力，同時加強涌水量監測，通過涌水量變化規律確定抽排水方案，其中抽水泵站以隨水位變化移動為主。

青云山隧道2號斜井成功的反坡排水的排水方案，利用短短的一個月時間，安全地控制住了洞內水位，為后期帷幕注漿工作的及時開展搶得了時間。同時確保了青云山隧道通過富水斷層及涌水時的施工安全，加快了施工進度，確保了青云山隧道的順利貫通。

［1］奚成.青云山隧道一號斜井反坡排水優化施工方案研究［J］.鐵道建筑技術，2015（12）：83-85.

［2］解師尚，梁世俊.康家樓隧道1號斜井反坡排水施工技術［J］.公路，2014（5）：161-163.

［3］張兆杰，郭鵬，林國進，田志宇.長大隧道反坡施工排水技術研究［J］.北方交通，2015（7）：111-113.

［4］秦猛.反坡排水在地下水豐富的下坡隧道中的應用［J］.西部交通科技，2010（6）：109-112.

［5］劉艷霞.山嶺特長隧道斜井高反坡長距離排水施工技術［J］.國防交通工程與技術，2013（1）：47-49.

［6］吳建斌.古田隧道斜井反坡施工技術［J］.現代隧道技術，2012（增刊）：365-369.

［7］黃東.高寒地區隧道富水段反坡排水施工技術［J］.鐵道建筑技術，2011（12）：48-50.

Reverse Slope Drainage Technology in Water Inflowing Section of Qingyunshan Extra Long Tunnel

WANG Jun-he
（ChinaCivilEngineeringConstructionCorporation，Beijing 100038，China）

Based on the reverse slope drainage problem in construction of railway tunnel engineering from Xiangtang，Jiangxi to Putian，Fujian，a complete set of treatment scheme for reverse slope drainage in the tunnel construction is proposed according to linear type，geology and water inflow condition of the tunnel，related parameters of drainage facilities are calculated.It can be as reference for projects with similar construction environment.

extra long tunnel；inclined shaft；water Inflow；reverse slope drainage

U455

B

1004-5716（2016）08-0206-03

2016-04-13

2016-04-19

國家自然科學基金項目資助（51178399，51478392）。

王俊和（1976-），男（漢族），山西壽陽人，高級工程師，現從事交通土建工程技術（隧道與地下工程）工作。