引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞越嶺段嶺北工區(qū)抽排水方案研究與設(shè)計(jì)

劉 旭

（西安市水環(huán)境監(jiān)測中心，陜西 西安710100）

1 工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是陜西省省內(nèi)跨流域調(diào)水工程，整個(gè)調(diào)水工程由三個(gè)部分組成，包括秦嶺輸水隧洞（黃三段和越嶺段）、三河口水利樞紐和黃金峽水利樞紐［1］。

1.1 工程范圍

嶺北工程包含5、6、7號(hào)主洞及支洞，隧洞施工過程中涌水及生產(chǎn)廢水經(jīng)5、6、7支洞排出，出口段及出口延伸段自流至出口洞外排出，此處暫不考慮其抽排水設(shè)計(jì)。

1）隧洞相鄰關(guān)系平面布置圖

秦嶺隧洞嶺北段工程主要包括：正洞以及輔助支洞5號(hào)和6號(hào)、7號(hào)勘探試驗(yàn)洞，項(xiàng)目主要工程見圖1。

圖1 隧洞相鄰關(guān)系平面示意圖

2）6號(hào)勘探試驗(yàn)洞及主洞試驗(yàn)段

6號(hào)勘探試驗(yàn)洞包括勘探試驗(yàn)洞土建工程和有關(guān)的勘探試驗(yàn)。勘探試驗(yàn)洞平距2470 m，洞口底板高程721.93 m，洞底高程516.57 m。洞身段為圓拱直墻型斷面，斜長2479 m，斷面凈尺寸7.7 m×6.75 m（襯砌后），綜合縱坡8.32%；6號(hào)勘探試驗(yàn)洞主洞試驗(yàn)段工程擔(dān)負(fù)下游2 km、上游2.261 km的鉆爆法施工任務(wù)。其中，6號(hào)勘探試驗(yàn)洞與主洞試驗(yàn)段交點(diǎn)的正洞樁號(hào)為K65+163.517，主洞試驗(yàn)段交叉點(diǎn)底板高程為516.57 m。洞身段為圓拱曲墻馬蹄型斷面，斷面凈尺寸6.76 m×6.76 m（襯砌后）、正洞坡降為1/2530。

3）5號(hào)支洞及TBM施工段

5號(hào)支洞長4595 m（平距），斜長4620 m，洞身斷面凈尺寸5.2 m×6.0 m（襯砌后），為圓拱直墻型斷面，綜合縱坡9.94%。采用無軌運(yùn)輸方式，主要解決TBM長段施工中通風(fēng)、出渣、檢修等問題［2］。

秦嶺隧洞TBM施工段由TBM后配套安裝洞（160 m）、TBM主機(jī)安裝洞（50 m）、TBM步進(jìn)洞（410 m）、TBM始發(fā)洞（25 m）、TBM檢修洞（560 m）、TBM拆卸洞（50 m）和TBM掘進(jìn)施工段（7175.517＋8310 m）組成［3］。其中TBM后配套安裝洞、TBM主機(jī)安裝洞、TBM步進(jìn)洞、TBM始發(fā)洞、TBM檢修洞、TBM拆卸洞采用鉆爆法施工，現(xiàn)澆混凝土襯砌。

嶺北TBM施工段采用一臺(tái)Φ8.02 m敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，支洞采用固定皮帶機(jī)配合主洞連續(xù)皮帶機(jī)出渣，模筑襯砌段采用全圓穿行式模板臺(tái)車TBM同步襯砌技術(shù)。TBM通過6號(hào)支洞運(yùn)至組裝洞室，在洞內(nèi)組裝并完成調(diào)試后向進(jìn)口方向掘進(jìn)［4］。

4）7號(hào)勘探試驗(yàn)洞

7號(hào)勘探試驗(yàn)洞工程建設(shè)內(nèi)容包括施工臨建工程、7號(hào)勘探試驗(yàn)洞土建工程、黑河中橋、王家河中橋以及棄碴道路等。勘探試驗(yàn)洞平距1877 m，洞口底板高程623.27 m，洞底高程514.37 m。洞身段為圓拱直墻型斷面，斜長1880 m，斷面凈尺寸7.0 m×6.0 m（襯砌后），綜合縱坡5.8%。

2 地質(zhì)勘探概況

2.1 秦嶺隧洞區(qū)地下水類型

以秦嶺山脊為界，地勢(shì)北高南低，高程多在1000 m～2500 m之間，相對(duì)高差1500 m，隧洞最大埋深約2000 m，地貌上分為秦嶺嶺南中低山區(qū)、秦嶺嶺脊高中山區(qū)及秦嶺嶺北中低山區(qū)三個(gè)主要地貌單元。根據(jù)秦嶺隧洞在區(qū)內(nèi)出露地層巖性和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，將含水介質(zhì)與地下水結(jié)合，分為第四個(gè)孔隙水、碳酸鹽巖巖溶水及基巖裂隙水三大類。

2.2 區(qū)域地下水補(bǔ)、徑、排特征

秦嶺隧洞通過區(qū)地下水根據(jù)其斷裂構(gòu)造和地形地貌條件分為嶺南、嶺北兩大水流系統(tǒng)及若干子水流系統(tǒng)，主要以潛水為主，局部表現(xiàn)出弱承壓性。因此，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄主要受地層、巖性、地質(zhì)構(gòu)造的控制［5］。

區(qū)域地下水以近南北向徑流排泄，各子水流系統(tǒng)（即支流水系）地下水徑流方向與區(qū)域徑流方向有所不同。基巖山區(qū)的大氣降水及冰雪消融水通常以風(fēng)化裂隙、構(gòu)造裂隙作為主要通道，補(bǔ)給溝谷地下水。地下水的排泄方式，除以河流、溝谷作線狀排泄外，還以泉點(diǎn)作點(diǎn)狀排泄［6］。

3 各施工段地下水涌水量情況

3.1 5號(hào)勘探試驗(yàn)洞

5號(hào)支洞工區(qū)輔助正洞施工，不施工正洞。正常涌水量5076 m3/d，最大涌水量10150 m3/d。5號(hào)支洞與主洞相交里程為k55+280。

3.2 6號(hào)勘探試驗(yàn)洞

6號(hào)支洞承擔(dān)主洞施工工區(qū)為k46+360～k67+163.517，長度20803.517 m。正常涌水量14919 m3/d，最大涌水量29838 m3/d；支洞水平長度2470 m，正常涌水量1101 m3/d，最大涌水量2202 m3/d。6號(hào)支洞與主洞相交里程為k65+164。

6號(hào)支洞承擔(dān)的排水總量為：正常涌水量16020 m3/d，最大涌水量32040 m3/d。

3.3 7號(hào)勘探試驗(yàn)洞

7號(hào)支洞承擔(dān)主洞施工工區(qū)為k67+163.517～k75+286，長度8122.483 m。正常涌水量5800 m3/d，最大涌水量11600 m3/d；支洞水平長度1877 m，正常涌水量2065 m3/d，最大涌水量4130 m3/d。7號(hào)支洞與主洞相交里程為k70+723。

7號(hào)支洞承擔(dān)的排水總量為：正常涌水量7865 m3/d，最大涌水量15730 m3/d。

4 總體排水方案

4.1 5號(hào)支洞排水方案

4.1.1 5號(hào)支洞施工排水方案（與正洞貫通前）

根據(jù)設(shè)計(jì)5號(hào)支洞正常涌水量5076 m3/d，最大涌水量為10152 m3/d，采取DN300單管道排水。根據(jù)施工進(jìn)度情況，在洞壁一側(cè)修建四級(jí)泵站排水。

4.1.2 5號(hào)支洞施工排水方案（與正洞貫通后）

5號(hào)支洞與正洞貫通后，排水通過引水溝流入主隧洞，通過主隧洞排除洞外。即5號(hào)支洞的水直接排入正洞由6號(hào)水泵站排出。

4.2 6號(hào)支洞排水方案

4.2.1 6號(hào)與5號(hào)支洞之間正洞貫通前排水方案

6號(hào)支洞正洞與5號(hào)支洞正洞貫通前，正洞內(nèi)的6號(hào)水泵站承擔(dān)著6號(hào)支洞及正洞地下水排出任務(wù)。6號(hào)支洞工區(qū)正常涌水量16020 m3/d，最大涌水量32040 m3/d，采取DN400雙管道排水。因6號(hào)支洞已完工，考慮泵站維護(hù)運(yùn)營成本，采取一級(jí)排水。

4.2.2 6號(hào)與5號(hào)支洞之間正洞貫通后排水方案

6號(hào)支洞與5號(hào)支洞之間正洞貫通后，6號(hào)支洞同時(shí)承擔(dān)5號(hào)支洞主洞上游排水任務(wù)，5號(hào)泵站承擔(dān)自身斜井的排水。

4.2.3 6號(hào)與7號(hào)支洞之間正洞貫通后排水方案6號(hào)支洞與7號(hào)支洞之間正洞貫通后，6號(hào)支洞和7號(hào)支洞仍各自承擔(dān)本工區(qū)段的施工排水任務(wù)。

4.3 7號(hào)勘探試驗(yàn)洞排水方案

根據(jù)設(shè)計(jì)7號(hào)支洞正常涌水量為2065 m3/d，最大涌水量為4130 m3/d；采取DN300單管道排水。7號(hào)支洞貫通前，根據(jù)施工進(jìn)度情況，在洞壁一側(cè)修建二級(jí)泵站排水。

7號(hào)泵站貫通后，還承擔(dān)本支洞工區(qū)的排水任務(wù)，設(shè)計(jì)正洞工區(qū)正常涌水量為5800 m3/d，最大涌水量為11600 m3/d；增加一路DN300排水管道，采取雙管道排水。同時(shí)，在7號(hào)斜井施工過程中，水泵選型上必須兼顧7號(hào)支洞貫通后的排水量。

5 排水方案計(jì)算

5.1 5號(hào)支洞排水方案計(jì)算

1）水量計(jì)算

5號(hào)支洞正常涌水量QZ=5076m3/d，最大涌水量Qmax=10152 m3/d；鉆爆施工用水量Q2=120 m3/d。

隧洞正常總排水量：

Q=QZ+Q2=5076+120=5196 m3/d÷20 h=259.8 m3/h

隧洞最大排水量：

QZmax=Qmax+Q2=10152+120=10272 m3/d÷20 h=513.6 m3/h

2）管徑選擇

選用DN325鋼管2根，一根正常，一根備用。

3）揚(yáng)程計(jì)算

5號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為520.554 m，最高點(diǎn)高程978.018 m

地形高差：H1=978.018-520.554=457.464 m

揚(yáng)水管道長度：斜井長度L=4620 m

揚(yáng)水管道沿程損失為：DN325鋼管v=0.87 m/s，1000i=3.66，H2=4620×3.66/1000=16.91 m

考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失，管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=457.464+2.5×16.91=499.739 m

4）水泵選型

按四級(jí)潛水泵考慮，水泵選型為：礦用隔爆型潛水排沙電泵320-30×5-260，Q=320 m3/h，H=150 m，N=260 kW；工作1臺(tái)，備用1臺(tái)，檢修1臺(tái)。共設(shè)泵12臺(tái)。

5.2 6號(hào)洞排水方案計(jì)算

5.2.1 主洞TBM施工前

1）水量計(jì)算

6號(hào)支洞正常涌水量Q1=1101 m3/d，最大涌水量Q1max=2202 m3/d；

正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d，最大涌水量Q2max=29838 m3/d；鉆爆施工用水量Q3=120 m3/d。

隧洞正常總排水量：

QZ=Q1+Q2+2×Q3=1101+14919+2×120=16260 m3/d÷20 h=813 m3/h

隧洞最大排水量：

QZmax=Q1max+Q2max+2×Q3=2202+29838+2×120=32280 m3/d÷20 h=1614 m3/h

2）管徑選擇

選用DN400 mm鋼管2根，一根正常，一根備用。

3）揚(yáng)程計(jì)算

6號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為516.57 m，最高點(diǎn)高程721.93 m

地形高差：H1=721.93-516.57=205.36 m

揚(yáng)水管道長度：斜井長度L=2479 m

揚(yáng)水管道沿程損失為：DN400鋼管v=1.80 m/s，1000i=11.4，H2=2479×11.4/1000=28.3 m

考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失，管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×28.3=276.11 m

4）水泵選型

鑒于6號(hào)斜井已施工完成，考慮減少維護(hù)成本，采取井底一級(jí)潛污泵排水：

水泵選型為：礦用隔爆型潛水排沙電泵400-50×6-630，

Q=400 m3/h，H=300 m，N=630 kW；

工作2臺(tái)、備用2臺(tái)、檢修1臺(tái)，共設(shè)潛污泵5臺(tái)。

5.2.2 TBM第一階段施工

1）水量計(jì)算

6號(hào)支洞正常涌水量Q1=1101 m3/d，最大涌水量Q1max=2202 m3/d；

正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d，最大涌水量Q2max=29838 m3/d；TBM施工排水量Q3=1100 m3/d。

隧洞正常總排水量：

QZ=Q1+Q2+Q3=1101+14919+1100=17120 m3/d÷20 h=856 m3/h

隧洞最大排水量：

QZmax=Q1max+Q2max+Q3=2202+29838+1100=33140 m3/d÷20 h=1657 m3/h

2）管徑選擇

選用DN400 mm鋼管2根，一根正常，一根備用。

3）揚(yáng)程計(jì)算

6號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為516.57 m，最高點(diǎn)高程721.93 m

地形高差：H1=721.93-516.57=205.36 m

揚(yáng)水管道長度：斜井長度L=2479 m

揚(yáng)水管道沿程損失為：DN400 mm鋼管v=1.89 m/s，1000i=12.58，H2=2479×12.58/1000=31.19 m

考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失，管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×31.19=283.335 m

4）水泵選型

鑒于6號(hào)斜井已施工完成，考慮減少維護(hù)成本，采取井底一級(jí)潛污泵排水。

水泵選型為：礦用隔爆型潛水排沙電泵500-55×5-720，Q=500 m3/h，H=275 m，N=720 kW；工作2臺(tái)、備用2臺(tái)、檢修1臺(tái)。共設(shè)潛污泵5臺(tái)。

5.2.3 TBM第二階段施工

1）水量計(jì)算

6號(hào)支洞正常涌水量Q1=11 0 1 m3/d，最大涌水量Q1max=2202 m3/d；

正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d，最大涌水量Q2max=29838 m3/d；TBM施工排水泵流量Q4=1100 m3/d。

5號(hào)支洞正常涌水量Q3=5076 m3/d，最大涌水量Q3max=10152 m3/d；

隧洞正常總排水量

QZ=Q1+Q2+Q3+Q4=1101+14919+5076+1100=22196 m3/d÷20 h=1109.8 m3/h

隧洞最大排水量

QZmax=Q1max+Q2max+Q3max+Q4=2202+29838+10152+1100=43292 m3/d÷20 h=2164.6 m3/h

2）管徑選擇

選用DN450 mm鋼管2根，一根正常，一根備用。

3）揚(yáng)程計(jì)算

6號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為516.57 m，最高點(diǎn)高程721.93 m

地形高差：H1=721.93-516.57=205.36 m

揚(yáng)水管道長度：斜井長度L=2479 m

揚(yáng)水管道沿程損失為：

DN450鋼管v=1.94 m/s，1000i=11.37，H2=2479×11.37/1000=28.19 m

考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失，管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×28.19=275.835 m

4）水泵選型

6號(hào)斜井已施工完成，考慮減少維護(hù)成本，采取井底一級(jí)潛污泵排水：

水泵選型為：礦用隔爆型潛水排沙電泵600-50×6-1000，Q=600 m3/h，H=300 m，N=1000 kW；工作2臺(tái)、備用2臺(tái)、檢修1臺(tái)。共設(shè)潛污泵5臺(tái)。

5.3 7號(hào)支洞排水方案計(jì)算

1）水量計(jì)算

7號(hào)支洞正常涌水量Q1=2065 m3/d，最大涌水量Q1max=4130 m3/d；掌子面施工用水量Q3=120 m3/d。

正洞段正常涌水量Q2=5800 m3/d，最大涌水量Q2max=11600 m3/d；每個(gè)掌子面施工用水量Q3=120 m3/d。

隧洞正常總排水量QZ=Q1+Q2+Q3=2065+5800+120×2=8105 m3/d÷20 h=405.25 m3/h

隧洞最大排水量

QZmax=Q1max+Q2max+2×Q3=4130+11600+120×2=15970 m3/d÷20 h=798.5 m3/h

2）管徑選擇

選用DN300 mm鋼管2根，一根正常，一根備用。

3）揚(yáng)程計(jì)算

7號(hào)斜井最低點(diǎn)高程為514.37 m，最高點(diǎn)高程623.27 m

地形高差：H1=623.27-514.37=108.9 m

揚(yáng)水管道長度：斜井長度L=1880 m

揚(yáng)水管道沿程損失為：DN300 mm鋼管v=1.59 m/s，1000i=12.6，H2=1880×12.6/1000=23.69 m

考慮到管道連接及彎頭等對(duì)水頭的損失，管道總的水頭損失按照沿程損失的2.5倍考慮。

水泵所需總揚(yáng)程H=H1+2.5H2=108.9+2.5×23.69=168.125 m

4）水泵選型

按二級(jí)潛污泵考慮水泵選型為：礦用隔爆型潛水排沙電泵400-50×2-220，Q=400 m3/h，H=100 m，N=220 kW；工作1臺(tái)、備用1臺(tái)、檢修1臺(tái)。共設(shè)潛污泵3臺(tái)。

6 結(jié)語

隧洞內(nèi)抽排水方案的確定既需要結(jié)合工程所在的地質(zhì)情況，也需要理論的計(jì)算作為支撐，需要結(jié)合工程的實(shí)際情況做研究做設(shè)計(jì)，排水能力不宜過大也不宜過小，。

施工過程中國按照此方案進(jìn)行了排水布置，排水效果良好，既保證了施工安全，也滿足了工程進(jìn)度要求，可為后續(xù)隧洞工程提積累經(jīng)驗(yàn)、供提借鑒。