公路隧道長距離反坡排水及其優化技術

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福州350000)

公路隧道長距離反坡排水及其優化技術

■董健

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福州350000)

本文結合福建省南平至順昌高速公路項目的大窠山2#隧道工程，試分析當前公路隧道長距離反坡排水技術的實施及優化策略，旨在為今后的建設發展提供理論支持。

公路隧道工程長距離反坡排水技術優化

0 前言

在公路隧道的施工過程中，由于施工建設的特殊性會出現很多特殊的具有危險性的情況，如果不能全面應對這些情況，就會嚴重影響到施工建設的工程質量與效率，甚至會危及到施工人員的生命安全。為此，要保障公路隧道的質量，盡可能地避免災情的發生，就需要大力加強各項技術工藝的優化工作，提高建設施工技術的水平將具有十分深遠的現實意義。其中，長距離反坡排水技術能夠有效地防止公路隧道發生突涌水災害，確保施工的順利與質量安全。為探討公路隧道長距離反坡排水及其技術優化問題，筆者以福建省南平至順昌高速公路項目的大窠山2#隧道為實例試進行分析。

1 工程概況

大窠山2#隧道位于南平市延平區境內，采用雙向四車道分離式雙洞隧道設計，隧道建筑限界凈寬10.25m，凈高5.0m。施工起訖樁號為左洞ZK4+949～ZK7+943，右洞YK4+929～YK7+920，左洞長2994m，右洞長2991m，為長隧道，由A1、A2兩個合同段雙向掘進施工，為南平延順高速控制性工程。其中A1合同段由隧道的小里程向大里程方向施工，左洞的施工里程為ZK4+949～ZK7+ 026，洞長2077m，縱坡為-1.58%，進洞口至合同段終點最大高差為32.82m；右洞的施工里程為YK4+929～YK7+ 000，洞長2071m，縱坡為-1.57%，進洞口至合同段終點最大高差為32.51m。

2 基于涌水量動態實時監測的長距離反坡排水技術

相較于其他地處穿越大峽河谷地段以及構造帶褶皺的公路隧道而言，大窠山2#隧道總體地表水資源貧乏，但這并不意味著其不需要進行長距離反坡排水施工，盡管沒有大量的地表水資源，但是其所處址區內蘊藏著水量豐富的地下水，且為基巖裂隙水。如果不進行良好的排水處理，很可能會發生突涌水現象，導致隧道被淹、工期延誤或者累及他人生命財產安全的情況。為此，必須要將長距離反坡排水問題納入到大窠山2#隧道的修建工程重點中，“建立起基于涌水量動態監測的長距離反坡排水設計與優化技術，并提出‘監測先行、動態調整、安全高效、經濟環保’的長距離反坡排水原則。”[1]

2.1 前期涌水量預估工作

首先，要提前做好隧洞涌水量的預估工作。為確保能夠得到精準、有效的隧洞涌水量預估值，需要對隧洞的地質情況、水文條件進行全面、細致的考察，得出施工所需的詳細數據信息，并細心搜集大量關于區域水文氣象的資料，以此為主要依據判斷分析隧道的涌水量數值。在進行涌水量計算預估時，工作人員可以應用地下徑流模數法或降水入滲法，地下徑流模數法是對地下徑流模數的求解，在實際測得水面流量后做出的計算。而降水入滲法主要是利用大氣降水的入滲量來進行預估，兩種方法都較為簡便，在預估時會存在一定程度上的偏差。大窠山2#隧道在結合了施工圖紙計算及現場實測對照后推算出，左洞總計正常涌水量為7915m3/d，總計最大涌水量為10949m3/d；右洞總計正常涌水量為5616.8m3/d，總計最大涌水量為7040.6m3/d。

2.2 長距離反坡排水預行方案制定

為保障反坡排水設計的質量與安全，須對隧洞各段落的涌水量進行分析預估，在得到相應的較為精準的預估值后制定反坡排水方案，方案的制定原則應具有針對性、全面性、合理性、可操作性，方案涉及到的主要內容為施工設備的籌劃與選型、排水系統的要求與布置、以及預測各種可能發生的突涌水風險，并做好相應的安全對策。

2.3 實時動態監測工作

反坡排水技術是一個長期的、任重道遠的工作，在制定了較為合理的預行方案后，應采取地質預報技術對大窠山2#隧道進行動態觀察與監測，監測時主要針對隧洞的涌水點受地質情況或天氣變化影響的實時動態情況。并根據其實時動態情況做進一步的方案調整，以期能夠達到優先排水、防治結合、經濟高效、安全無患的排水目的。

2.4 長距離反坡排水實施

針對大窠山2#隧道的具體情況，反坡排水方案采用機械排水，設置多級泵站接力排水，固定泵站和移動泵站相結合的方式。首先，在掌子面位置開挖下斷面，與仰拱之間在隧道中線每隔50m設置1處臨時匯水坑，先將掌子面滲流水經水溝匯集至坑內，再就近抽至移動泵站或固定泵站，直至將洞內積水抽至隧道外污水池并經三級處理后進行排放，同時洞口需設置截水溝，防止洞外水倒流。大窠山2#隧道設置移動泵站和固定泵站各2處，臨時泵站集水坑采用鋼板加工水箱，排水機械為排污泵，固定泵站設置于緊急停車帶位置，采用混凝土結構，排水機械為單級雙吸中開泵。

3 公路隧道長距離反坡排水系統的技術

公路隧道長距離反坡排水，可采用長距離管道配合小型水泵與集水坑接力式反坡排水兩種技術方法進行實施。

3.1 長距離管道配合小型水泵

大窠山2#隧道采用的是較長距離開挖固定式集水坑作為泵站，用小集水泵將開挖面的積水抽到最近的集水坑內，再用大功率的泥漿泵通過排水管道將水排至移動泵站、固定泵站后排到洞外。如圖1所示：

圖1 隧洞內平面布置示意圖

將積水利用小集水泵抽到集水坑內可以有效地減少能源的消耗，提高排水施工的效率，是基于功率最優化的長距離排水設計。

3.2 集水坑接力式反坡排水

在進行長距離反坡排水時，由于距離較長，所以對抽水泵有著很高的要求，需要其具有足夠的揚程。為此，可以采用增加集水坑、分段抽排水的方式，將積水通過一級一級的水泵最終抽至排水段，再排至隧道洞外的處理池。如圖2所示：

圖2 集水坑接力式反坡排水

以上兩種技術方法應結合實地情況建設排水系統，做到“因地制宜、綜合治理”，不能一味追求經濟成本而忽略了排水系統的質量，對人們生命財產安全失責，也不能一味治理排水大患而肆意揮霍成本，最終得不償失。治理要謹遵“防、排、截、堵”的四字原則，通過對反坡排水技術的精心設計與優化加強，力求做到排水量的大幅增加與經濟成本的有效減少，實現效益與質量的雙贏。

4 常規長距離反坡排水積水存在的問題

長距離管道配合小型水泵與集水坑接力式反坡排水兩種技術方法都是較為常規的公路隧道長距離反坡排水技術，在設計應用的過程中能起到非常良好的排水效果，但是仍存在一些不容忽視的問題，亟待解決及優化。

4.1 數據誤差

“根據目前的研究現狀，常規反坡排水技術涌水量預測是基于設計涌水量，采用地質分析法，通過收集分析地質資料、地表詳細調查等方法，了解隧道所處地段的地質條件，運用地質學理論，對比、論證、判斷和預報隧道施工前方的工程及水文地質情況。”[2]這也就意味著，涌水量預估的數據值可能與實際開挖過程中的涌水量有出入，一旦誤差過大，就會出現排水系統能力不足或過強的情況，如果涌水量比預估數據值大，排水系統能力不足，就會導致涌水災害的發生，給施工的效率、質量，甚至人身安全帶來嚴重的影響，如果涌水量比預估數據值小，排水系統能力過強，就會導致資源配置的極大浪費，造成能源、資金成本的大量消耗，不利于工程的經濟效益與國家的可持續發展戰略實施。目前，基于涌水量預估和動態監測的隧道長距離反坡排水技術尚處在不完全成熟的階段，有很大的優化發展空間，公路隧道施工應進一步提高動態監測的實時性和準確性，為獲取更為精準的涌水量預估值發揮效用。

4.2 設計方案不全面

常規長距離反坡排水技術確實存在許多可取之處，但是在其方案的設計中，往往只針對水泵的工作能力做出要求，來選擇水泵的分級以及功率，卻忽略了市場上水泵的單位價格與實際工作中水泵功率的能源消耗量，大功率水泵有著良好的抽排水效果，但是在單位價格與能源消耗上也比較大，小功率水泵的抽排水效果不及大功率水泵，但是其單位價格與能源消耗上也相對較小，如果只考慮工作能力，卻不將市場價格與能源的消耗考慮在內的話，就會造成水泵功率與實際工程排水及成本控制的不對應，導致水泵排水能力過剩，以至于浪費了大量的能源和資金成本，對于我國公路隧道建設的長遠發展極其不利。

要想有效解決這些問題，就必須加強對長距離反坡排水設計以及技術施工的優化，切實將排水問題考慮得更加全面、充分、合理，以追求經濟、質量、效率的三重達標。

5 長距離反坡排水設計與技術優化

5.1 實時動態監測技術的優化

為了隨時對隧洞的各段落涌水風險做出較為準確的評估，應對實時動態監測技術作出優化，在進行地質探測時，采用瞬變電磁與激發極化技術，瞬變電磁技術利用的是不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場，并在地下導電巖礦體中產生感應電流的原理，具有施工效率高、異常響應強、不影響地形情況的優勢，可以較為迅速、精準地探測出水文地質情況。而激發極化技術是尋找金屬和解決水文地質、工程地質等問題最常用的電法勘探方法，利用的是巖石、礦石的激化極化效應，具有操作簡便、效果明顯等優勢。這樣可以有效獲取地下水區的位置，并根據地下水區的大小預估地下水的含水量。

5.2 超前鉆探技術

在確定了含水區位置及大小，預估了地下水含量后，可以采用超前鉆探技術來進行進一步的判斷分析，繼而得到更加精準有效的結果。

超前鉆探是為了查明隧道開挖前方的地質狀況，從開挖面附近朝掘進方向鉆水平孔進行探察的技術，這種技術具有良好的控制性，造成的破壞小，獲得的信息明確，通過鉆孔，可以根據鉆探獲得的巖芯、巖粉進行觀察，以及鉆孔時的進展方向、地下水壓力的變化等都可以作為獲取數據來源的資料，能夠預測地下水情況，以此來推測出涌水量的數據值。

5.3 動態監測涌水量的抽排水設置

“在隧道施工過程中，富水隧道的排水，特別是長距離反坡排水是必須解決的難題”[3]，只有及時排出隧道內匯集的水源，才能有效避免施工過程中的突涌水情況帶來的安全隱患。然而在實際施工過程中，常常會出現抽排水設置與涌水情況不相符的問題，必須采取有力的設計與技術優化來進行改善。為此可以根據涌水量的實時動態監測來設置安排抽排水設施的方法，如涌水量不同時，抽水泵與集水坑的安排設置也有所不同。具體操作如表1所示：

表1 基于動態監測的抽排水設置

5.4 長隧道反坡風壓排水技術

由于我國現有反坡長隧道的排水技術始終存在著一定程度上的缺陷與問題，所以要反復進行優化，不斷做出改良。在目前的改進措施中，風壓排水技術能夠更好地利用資源，進行整合，提高排水的效果與效率。圖3為風壓排水技術所需的裝置，在進行排水施工時，要確保高壓氣的進氣管口與進水口安裝準確，并在各儲氣罐體底部設置與之對應的排污管口和排水管口，利用隧道中的高壓風對抽入罐中的水進行排放，繼而滿足長隧道反坡排水的需要。

圖3 風壓排水裝置

6 結論

大窠山2#隧道的建設施工過程中,在進行反坡排水設計時，致力于將“有效的長距離隧道反坡排水優化，實現更好的運輸和通風排水”[4]作為工作重點，以期解決隧道修建區域內存在的地下水發生突涌現象的問題，進而保障工程質量安全，嚴格貫徹“安全第一、預防為主、綜合治理”的方針原則，樹立良好的工程企業形象，為國家的長遠建設發展作出貢獻。

[1]李占先.公路隧道長距離反坡排水及其優化技術[J].鐵道建筑技術, 2015(12):59-63.

[2]李方東.基于涌水量預估和動態監測的公路隧道長距離反坡排水施工技術及其應用[J].隧道建設,2015(12):1321-1330.

[3]宋煜堃.富水隧道長距離反坡排水設施配置[J].城市建設理論研究, 2012(16).

[4]陳彪.長大隧道反坡排水優化措施[J].中外企業家,2015(11):259+ 267.