高海拔富水隧道斜井輔助正洞施工抽排水技術研究
——以西藏林拉公路米拉山特長隧道為例

楊 洋， 唐 柯， 龔 彬， 嚴 健， 汪 波

(1. 中鐵二局第五工程有限公司， 四川 成都 610091;2. 西南交通大學 交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川 成都 610031)

0 引言

在山嶺公路隧道中防止出現涌突水一直是施工過程中要解決的難題之一。西格二線關角隧道[1]、花石峽至久治公路段的雪山1號隧道[2]、共和至玉樹(結古)公路B5合同段雁口山隧道工程[3]，西藏林拉公路米拉山特長公路隧道等高海拔富水隧道工程實踐表明，隧道建設過程中滲漏水危害、防排水技術等問題嚴峻，施工面臨巨大的挑戰。受區域氣候條件、水文條件、工程地質和地質構造影響，治“水”是隧道施工的關鍵。

目前，在特長山嶺隧道設計中，斜井、平行導坑等常作為服務通道、運營通風或輔助施工通道。針對富水斜井施工，李建軍[4]以雅瀘高速公路大相嶺隧道為依托，詳細介紹了陡坡富水斜井抽排水施工技術；馮興龍[5]針對中條山隧道 3 號斜井正洞涌水量較大的施工現狀，提出了相應的反坡排水方案及工藝流程；鄭劍鋒[6]研究了公路隧道陡坡長距離通風斜井抽排水技術。奚成[7]、李鴻杰[8]、左玉杰[9]、谷崇建[10]等分別以青云山隧道1號斜井、麻崖子隧道等為依托，進行了反坡排水優化施工等技術研究。

上述研究主要集中于斜井本身的抽排水，較少考慮到高海拔對抽水設備的降效影響，而如何利用斜井輔助施工、特別是輔助主洞施工抽排水方面的報道較少。新建世界海拔最高的西藏林拉公路米拉山特長隧道涌水量巨大、工期要求緊迫，為解決高海拔環境下富水隧道抽排水降效問題、保證正洞排水效果和施工進度、降低施工成本，利用先期已施工完成的斜井輔助正洞進行抽排水,有效解決了高海拔環境下富水隧道抽排水問題，保證了施工安全和進度。

1 工程概況

西藏林拉公路米拉山隧道是國道318線林芝至拉薩高等級公路的控制工程，是國家高速公路網展望線G4218的重要組成路段，是西藏“四縱、三橫”骨架公路網的重要組成部分，是連接藏中藏東經濟帶、對接長江經濟帶的重要通道[11]。米拉山隧道(見圖1)進口位于工布江達縣境內，隧道南北向橫穿米拉山。設計為分離式隧道，隧道左、右洞全長分別為5 727、5 720 m，進口、出口海拔分別為4 752、4 774 m，斜井井口海拔4 889.6 m，是目前已建成的世界海拔最高的特長公路隧道。

(a) 隧道位置

(b) 現場照片

米拉山隧道分為2個合同段，由中鐵二局五公司施工米拉山隧道進口段，斜井及出口段由中鐵十二局施工。工程于2015年1月進場，施工穿越富水斷層。結合地質背景調查資料，上述區段富水條件受米拉山口一夏瑪日次級斷裂(F3)影響明顯，該斷層走向近北 60°東、傾南東、傾角 70°，屬逆斷層，上下盤巖性為下第三系—上白堊系林子宗(K2-E)L3)凝灰巖，巖石較破碎、糜棱巖化、富水性強，分布于洞身 ZK4478-780～ZK4479+200 段，斷層及其影響帶寬度約 300 m，斷層致地表形成寬緩的凹地，涌突水段均位于斷層破碎帶附近，施工中最高持續涌水量達38 590 m3/d，即1 607. 92 m3/h，涌水持續時間長、水量分布不均。掌子面涌水塌方現場照片如圖2所示。

圖2 米拉山隧道掌子面涌水塌方現場照片

采用水平廊道法和達西定律對隧道進出口施工期間地下涌水量進行預測，預測結果如表1所示。

表1 米拉山隧道進出口施工期隧道涌水量預測

由表1可見，在整個5 520 m預測范圍內，采用水平巷道法和達西定律法預測的涌水總量數值較為一致。但在ZK4478+666～ZK4479+210、ZK4478+070～+370以及ZK4479+595～ZK4480+155共1 197 m范圍內，由于2種預測方法對隧道涌水的影響半徑、滲透系數、不同水文地質條件等因素的考量不同，使結果存在一定的差異；但上述3段范圍內的水量均較大，其中以突水段富水性為最強，施工中應引起高度重視。

工程實施中統計顯示，2017 年 6—8月，因米拉山隧道涌水造成工程工期延誤3個月。經初步測算，涌水及引起的塌方導致直接經濟損失及產生附加的工程費用達1 200萬元，導致間接經濟損失及費用增加多達3 500萬元。

2 高海拔環境下的抽排水機械設備功率降效及設備配置

在富水隧道中，通常采用抽水機械設備及時排除隧道內余水。抽排水系統一般由集水井、抽水機械設備、管道系統、電力系統、控制系統等組成。

2.1 高海拔環境影響及環境參數測試

高海拔環境下空氣密度和濕度相應減少，進而使氣壓也發生變化。參考典型工程不同海拔的大氣壓、空氣密度和濕度測試結果如表2所示。

表2 不同海拔的大氣壓、空氣密度和濕度

結合米拉山實際情況，由表2可見，氣壓隨海拔升高而降低，在4 500 m處大氣壓僅為海平面大氣壓的62.2%，空氣密度僅為66.8%；隨海拔增加氣溫相應下降，進而造成空氣中水蒸氣含量相應降低，空氣濕度變小，海拔4 500 m處濕度僅為25.9%。

此外，空氣壓力降低，氧氣壓力也隨之降低。據測算，在海拔4 200 m處氧氣壓力只有海平面的58%。隨著海拔的增加，太陽光透過度愈大，到達地面的輻射強度較強；由于夏季和冬季氣溫相差較大，夏季6—8月太陽直接輻射強度值最大。

上述氣候環境條件對米拉山隧道施工機具設備產生了不良影響，包括： 功率下降、故障增多、有害氣體排放增加、啟動困難等；鉛蓄電池的容量及啟動放電性能也隨溫度的降低而降低。由于隧道涌水量巨大，高海拔隧道配備柴油發電機作為主要或備用電源，其高海拔環境下的動力性、經濟性和可靠性都發生了較大變化。因此，需要對隧道排水設備和發生機組功效進行測試分析，進而開展配套選型。

2.2 基于現場測試的抽排水機械設備功率降效特性分析

現場通過對米拉山隧道進口端洞內HDL354D-14 柴油發電機組(標定功率為450 kW)功率、油耗及水泵參數進行測試，進而確定抽排水機械設備降效特性。在ZK4478+070和ZK4478+950 2處對柴油發電機組功率、油耗及水泵參數進行測試，其中，針對PL100-45電動單級離心清水泵的現場測試內容包括流量、揚程、功率、轉速、效率等。

采用電參數測量儀測試電壓、電流、功率因數、頻率，獲取電機的輸入功率，流量測量采用電磁流量計，采用精密壓力表測量揚程；根據測得的流量、揚程再計算出泵的輸出功率，并根據泵的輸出功率和輸入功率來計算泵的效率。

流量的計算公式：

Q=v·A·t。

(1)

式中：Q為液體的流量,m3；v為通流截面上的平均流速,m3/h；A為通流管道的截面積,m2；t為計算時間，h。

揚程的計算公式：

H=(p2-p1)×ρg+(v22-v12)/2g+Z2-Z1。

(2)

式中：H為揚程，m;p2和p1分別為水泵出口和進口處的水壓力，Pa；v2和v1分別為水泵出口和進口處的流速，m/s；Z2和Z1分別為水泵出口和進口處的高度，m；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度,取9.8 m/s2。

泵的效率

η=Pu/Pi。

(3)

Pu=Q·H·ρ·g×10-3。

(4)

式(3)—(4)中：Pu為水泵輸出功率，kW；pi為水泵輸入功率;Q為液體的流量，m3。

測得結果見表3。

表3 米拉山隧道水泵參數測試

由以上測試結果可知：

1)根據對米拉山隧道額定功率450 kW發電機組最高輸出功率現場測試可見，該發電機組自吸氣柴油機的功率修正系數約為0.52，自吸氣式柴油機的功率僅為額定功率的一半。

2)根據對柴油發電機燃油消耗的計算，隧道內使用的柴油抽水機組平均燃油消耗是其在平原地區的1.43倍，因此，內燃機械在高海拔環境下會出現功率下降、燃油消耗增加等問題。

3)經測算，水泵功率、流量等所有參數均明顯下降。其中，抽水機流量、揚程最大降幅分別為11%和8%，而流量受影響最大。為有效排水、縮短工期和節約施工成本，應對抽水機和泵站的配套進行優化，并采用大功率、大流量機型。

2.3 富水隧道抽排水機具選型及配套原則

1)泵站宜設置在施工干擾小的地方，泵站水泵宜按“大流量、低揚程”原則進行選擇，“一用一備”，水泵的選型要根據工作環境、條件，泵正常運行必需的性能參數，以及被輸送介質的物理、化學性能，全面考慮泵裝置系統中技術性能指標、材質選用、電動機匹配、密封可靠性及節能、使用維護等綜合經濟指標的要求，在定型的泵產品中選擇出最合適的類型與型號規格，并采用三通將主水泵、備用水泵同時與主排水管路連接。

2) 富水隧道中的排水管路要與水泵相匹配，能滿足正常排水需要并考慮突水因素，各級泵站排水管路均需設置雙進水口分別與主、備設備連接，排水管路設置逆止閥，與移動水箱連接的排水管宜采用可防鋼性損傷的鋼絲軟管。

3)隧道內設置集水井、水艙或水箱，起到截水、匯水的作用，必要時可增設移動泵站，同時，在掌子面、集水井及泵站附近安排抽排水作業班組，做好抽排水管理，合理控制抽排水時間。

4)電力配置必須與“一用一備”相協調，設置柴油發電機或配足備用電源；其中，柴油機發電機修正功率計算公式[12]為

Pt=ac·Py。

(5)

式中：Pt為修正后的實際功率；ac為修正系數;Py為柴油機的標定功率。

5)在隧道及地下工程機械化和智能化趨勢下，宜選擇具有延時開關的集水井自動抽排水裝置系統，通過延時開關控制抽水泵開啟的觸發裝置，進而實現抽水泵的自動啟停。

6)高原缺氧環境中，工人不適合進行劇烈的體力勞動，而抽水機作業采用人工移動的方式，勞動強度高，安全隱患大。為此，排水機械配套主要考慮泵站建設、水泵選型配置、水管選型和水泵電動力選擇，從而減少掌子面抽水作業人工人數、提高工效、降低成本,達到富水隧道抽排水要求。

3 米拉山隧道斜井輔助正洞施工抽排水設計

3.1 米拉山富水隧道合同工期及抽水方案

高海拔隧道機械配套系統受隧道工期、掘進長度、海拔、圍巖情況、隧道涌水量、隧道坡度、施工方法等各種因素的共同影響，解決好抽排水問題必須處理好水泵選型、泵站建設、抽排水管道選型和供電方案的選擇等多個方面的問題[4]。根據高海拔富水隧道涌水量預測和特點分析，以及抽排水機械設備功率降效及配置原則，根據施工組織整體施工計劃，斜井工區采用隧道出口左洞及斜井輔助正洞施工抽排水的方案。

米拉山隧道進口施工左洞任務段落為ZK4475+960～ZK4477+720，利用斜井施工左洞工區段為ZK4477+720～ZK4478+780，施工天數801 d。米拉山隧道進口施工右洞任務段為YK4475+980～YK4477+718，利用斜井施工右洞工區段為YK4477+718～YK4478+760，施工天數795 d。綜合考慮米拉山隧道主洞涌水量、施工工期及抽排水可行性，確定斜井輔助主洞施工段內共設置Ⅲ級固定泵站。其中隧道主洞內為Ⅰ級泵站并配移動泵站，斜井內設置Ⅱ級泵站，泵站分布如圖3所示。

圖3 米拉山隧道斜井輔助正洞施工泵站分布圖

3.2 米拉山富水隧道泵站水泵配置計算

米拉山隧道Ⅲ級泵站的總揚程需要同時考慮泵站間的相對高差和管道摩擦損失值。通過計算選配相應功率的水泵，因第Ⅲ級泵站最大抽水距離達到915 m，在泵站水泵及管道型號一致的情況下，以Ⅲ級泵站進行計算分析，米拉山隧道斜井輔助正洞施工各級泵站水泵配套數見表 4。

表4 米拉山隧道斜井輔助正洞施工各級泵站水泵配套數

根據相關規定要求，配備正常工作水泵、備用水泵和檢修水泵。工作水泵抽排水能力按工作 20 h內排出24 h隧道正常涌水量計算，則Ⅲ級泵站每h排水流量為：Qh=(30 492 m3/d)/(20 h/d)=1 524.6 m3/h。

考慮高海拔降效情況，斜井輔助正洞施工中Ⅲ級泵站按利用系數0.7計算，則每h排水量為：

12×750×0.66×0.7=4 158 m3/h。

由4 158 m3/h>1 607.92 m3/h，通過計算并對照所選水泵的型號，泵站所配置的水泵可以滿足使用要求。備用水泵抽排水能力按≥70%工作水泵配備，檢修水泵的抽排水能力按≥25%工作水泵配備。工作和備用水泵的總能力應按 20 h 內排出隧道內 24 h 的最大涌水量計算。對高海拔富水隧道，要考慮高海拔降效影響，因此現場還增配4 kW的增壓泵，以更好地增強抽排水效果。

3.3 米拉山富水隧道泵站水管選型

根據富水隧道抽排水機械選型及配套原則，按照富水隧道中水泵在 20 h排出隧道內 24 h正常涌水量和最大涌水量需求，對工作水管和備用水管進行計算選型。

最大涌水量時，Ⅲ級泵站每h排水流量為1 524.6 m3/h=423.84 L/s，根據《直管摩擦損失簡表》中最大直徑管道最大流量限制表，管道直徑φ=250 mm，數量增加為3路。

根據式(1)反算得出水管截面上的平均流速v=2.68 m/s<2.72 m/s，管道流量符合要求。

3.4 米拉山富水隧道泵站水泵揚程核算

米拉山進口端左洞斜井輔助抽排水過程中揚程可按式(6)計算：

HB=HSY/ηg。

(6)

式中：HB為水泵所需揚程，m；HSY為集水井最低水位至排水管出口間的高度差；ηg為管路效率。

參考文獻[13]，式(6)中HSY一般可取+4 m；當管路在豎井中鋪設時，ηg=0.89～0.9；當管路在斜井中鋪設且傾角α>30°時，ηg=0.8～0.83； 20°<α<30°時，ηg=0.77～0.8；α<20°時，ηg=0.74～0.77。

1)Ⅰ級移動泵站相對高差

h=284×sinα=284×0.174=49.41 m,

需要最大揚程為(49.41+ 4)/0.75=71.22 m<100 m，滿足抽排水揚程需求。

2)Ⅱ級移動泵站泵相對高差

h=145×sinα=145×0.174=25.23 m,

需要最大揚程為(25.23+4)/0.75=38.97 m<100 m，滿足抽排水揚程需求。

3)Ⅲ級泵站相對高差

h=915×sinα=159 m。

2種流量下水泵的管路損失值為：

250 kW抽水機Qh=750 m3/h，φ250 直管每 100 m 的損失為15 m，則 915/100×15=137 m；

37 kW抽水機Qh=220 m3/h，φ250 直管每 100 m 的損失為9.5 m，則 915/100×9.5=86.925 m；

彎頭和閥門損失按 3 m 計算，則Ⅲ級泵站所配置的2種水泵總揚程分別為：

137+159+3=299 m<125×13/3=541 m；

86.925+159+3=248 m<100×12/3=400 m。

經計算， Ⅰ—Ⅲ級泵站配置的水泵均滿足設計要求。

3.5 米拉山富水隧道水泵電動力選擇

在米拉山隧道中架設供電專線，當隧道掘進到450 m時，采用高壓進洞技術，確保洞內抽水用電，陡坡斜井輔助主洞解決抽水問題。根據表 4，泵站抽排水用電負荷總有效功率為2 721.6 kW，因此選擇變壓器容量(S)為3 505 kW，隧道施工電壓(U)等級為10 kV，則最大工作電流

根據GB 50217—2018《電力工程電纜設計規范》[14]可選用 YJV 3×70+2×35電纜(額定電流200 A/225 A)。

4 結論與討論

1)米拉山隧道穿越富水斷層，涌水量預測結果顯示全隧1 197 m涌水量均異常巨大，施工中最高持續涌水量達1 607.92 m3/h，涌水持續時間長、水量分布不均。

2)米拉山隧址區處于高海拔氧含量偏低的惡劣環境中，隧道進口端洞外各月平均氧分壓、柴油發電機組油耗測試顯示自吸氣柴油機功率修正系數約為0.52，發電機組最高輸出功率僅為發電機組額定功率450 kW的66.2%；抽水機流量、揚程最大降幅分別為11%和8%；為有效排水、縮短工期節約施工成本，應采用大功率、大流量水泵。

3)綜合考慮主洞涌水量、工期、水泵效率等因素，確定斜井輔助主洞施工段內設置Ⅲ級固定泵站，其中隧道主洞內為Ⅰ級泵站并配移動泵站，斜井內設置 2個泵站。

4)水泵選型配套應考慮高海拔降效影響，增配4 kW增壓泵能，以更好地增強抽排水效果。斜井輔助正洞施工抽排水中水管選型、水泵揚程均滿足要求，其成果可應用于川藏鐵路、川藏公路等高海拔富水隧道工程。