富水超長超深隧道斜井反坡排水施工技術(shù)

廖 郁

(四川路橋盛通建筑工程有限公司, 四川成都 610000)

隧道施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)隧道涌水的現(xiàn)象，尤其是超長超深的隧道排水更是工程上較為棘手的問題，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，對反坡排水方案進行了研究；劉艷霞[3]以西秦嶺特長隧道店子坪一號斜井為例，介紹了多級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 工程簡介

擬建金口河隧道斜井位于四川省西南部樂山市峨邊彝族自治縣楊村鄉(xiāng)土地堂。擬建斜井左線全長1 700.541 m，樁號范圍：ZXK0+010.459～ ZXK1+711；右線全長1 630.312 m，樁號范圍：XK0+015.688～XK1+646。斜井進口附近有鄉(xiāng)村道路通過，交通方便。隧道左線長8 107 m，右線長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1 630.312 m，左洞送排風(fēng)斜井長 1 700.541 m。

1.2 水文地質(zhì)特點

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，多呈羽狀或樹枝狀分布，具山間溪流河道特點，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 斜井涌突水分析評價

勘察階段分析計算所推薦的涌水量：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價結(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，但時因為隧道穿越斷層，斷層影響帶內(nèi)巖體較破碎，透水性較強，是隧道突水、涌水、突泥的一個重要來源，所以在施工過程中加強超前預(yù)報，用地質(zhì)雷達(dá)預(yù)探+隧道超前鉆探等方法解決問題。

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)置多級泵站接力排水，采用移動式潛水泵將工作面積水抽至就近泵站或者臨時集水坑內(nèi)，其余已施工地段隧道滲(涌)水通過隧道內(nèi)側(cè)溝匯集到臨時集水坑或泵站水池內(nèi)，通過固定排水泵站將積水經(jīng)排水管路抽排至上一級排水泵站內(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，針對隧道涌水量大時要適當(dāng)增加工作水泵；同時為防止突水，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)測涌水量以及超前地質(zhì)預(yù)報掌子面前方地下水情況，進行抽排水專項設(shè)計，根據(jù)施工進度采用多級排水，設(shè)置泵站，采用相應(yīng)揚程的水泵，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，各排水泵站的水泵應(yīng)盡量選用同一種型號，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，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)對突發(fā)性涌突水的水泵。保證一旦發(fā)生涌突水，能夠及時將水排出井外。

本標(biāo)隧道反坡排水段落情況詳見表1和表2。

表1 隧道工程反坡排水情況統(tǒng)計

表2 隧道反坡涌水量情況統(tǒng)計

3.2 抽排水系統(tǒng)布置及方案設(shè)計

(1)隧道斜井高差計算。隧道右洞斜井全長1 630 m，綜合坡度10.9 %，高差173 m；隧道左洞斜井全長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)水力計算及設(shè)備選型。因為隧道反坡施工較長、隧道坡度平均達(dá)10.9 %、水泵揚程較短，所以采用長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)第一階段臨時移動泵站選型。

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

①移動水泵的排水能力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，總的最大小時流量Q=4500÷20=225m3/h。

②移動水泵揚程計算。

斜井長1 630 m，綜合坡度為10.9 %，計算工區(qū)垂直高差凈揚程為173 m；目前施工未開始，要滿足斜井前期開挖時的抽排水要求，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)置臨時小型集水坑泵站要求，排水揚程設(shè)計為為35 m，排水管道為DN150，初步選用150WQ150-35-30潛污泵，流量150 m3/h，揚程35 m，數(shù)量9臺，2用1備原則，可根據(jù)現(xiàn)場情況增減設(shè)備。

(2)第二階段井身固定泵站水泵選型。

開挖至550 m位置時，擬設(shè)置固定式排水泵站1座，隨施工進度設(shè)置1、2、3號固定泵站，采用臥式離心泵，功率110 kW。同時取消前500 m處移動排水泵站(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，總的最大小時流量Q=9000÷20=450m3/h。

②水泵揚程計算。

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

HB=Hsy/ηg=(60+2)/0.77=80.5m

式中：HB為水泵所需揚程(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，ηg=0.9～0.89；當(dāng)管路在斜井中鋪設(shè)，且傾角>30°時，ηg=0.83～0.8；α=30°～20°時，ηg=0.77～0.8；α<20°時，ηg=0.74～0.77。

由此計算，要滿足斜井井身施工開挖時梯級的抽排水要求，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，揚程87 m，功率110 kW，每個泵站配置3臺，使用2臺，備用1臺。

3.3 泵站洞室水倉布置

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

(1)集水坑沉淀池設(shè)計。

按斜井涌水量225 m3/h測算，臨時水倉應(yīng)不小于20 m3，臨時水倉開挖斷面設(shè)計為3 m×2 m×4 m(寬×深×長)。

(2)井底水倉及對應(yīng)沉淀池設(shè)計。

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

(3)水倉二級沉淀池設(shè)計。

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

在水倉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臺增補機組安裝位置，避免出現(xiàn)大涌水時，可隨時有效的增補排水泵。

3.4 抽排水管路系統(tǒng)、電力配備設(shè)計

3.4.1 排水管路設(shè)計

根據(jù)《給水排水工程快速設(shè)計手冊》2.3管徑計算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2.5～3.0 m/s。

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

各抽水機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管道每小時輸送水450m3/h，流速為3.7m/s，設(shè)計選擇DN200管道，鋪設(shè)1趟，那么最大流量計算則為：

Q=πR2×3.7×3600×24

計算得出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

所有水泵控制柜的用電業(yè)主來將配電引致水泵控制柜不超過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供水泵組使用時的容量，如需要與其他用電單元共同用電，則需業(yè)主根據(jù)實際情況把變壓器容量進行放大。

4 結(jié)束語

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)，并對實際工程中一些特殊工況的反坡排水方案進行了研究。反坡排水通過多級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，要適當(dāng)增加工作水泵，同時為防止突水，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)成分過多時，采用高效耐磨泵排水。