深埋高滲壓反坡大涌水隧洞長距離排水技術(shù)

孫 振

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司，天津 300308)

深埋高滲壓反坡大涌水隧洞長距離排水技術(shù)

孫 振

(中鐵十三局集團(tuán)有限公司，天津 300308)

以長距離隧洞反坡施工為工程背景，結(jié)合錦屏隧洞實(shí)際情況，運(yùn)用理論分析、最優(yōu)化方法和現(xiàn)場試驗(yàn)等手段，提出了設(shè)置一、二級(jí)儲(chǔ)水倉，且分別布置在隧洞斜坡段前進(jìn)方向右側(cè)落平段拐彎處的總體排水系統(tǒng)方案，進(jìn)而確定了儲(chǔ)水倉、排水溝、沉淀池以及儲(chǔ)水倉水泵、布設(shè)位置，同時(shí)還設(shè)置了豎井輔助排水系統(tǒng)。實(shí)踐表明，該錦屏大涌水強(qiáng)力排水系統(tǒng)完全可以滿足錦屏工程實(shí)際需要，可以迅速排出隧洞大量涌水，能夠保證長距離隧洞反坡施工的安全和進(jìn)度。

隧洞工程 排水 長距離 反坡 大涌水 高滲壓

錦屏二級(jí)水電站引水隧洞工程區(qū)內(nèi)碳酸鹽類地層分布廣泛(約占70% ～80%)，在引水隧洞高程附近發(fā)育溶蝕裂隙、溶洞，巖溶裂隙水豐富且水壓力很大。在5 km長探洞施工過程中已發(fā)生多次大的涌水，涌水點(diǎn)水頭高且流量大，期間輔3#支洞等工程穿越中部第五出水帶，曾因大量涌水無法處理而停工半年。根據(jù)錦屏二級(jí)水電站AB輔助洞實(shí)際涌水情況，以最為復(fù)雜的輔引3#支洞為例，預(yù)計(jì)單點(diǎn)涌水量可能達(dá)300～500 L/s，匯總水量在施工支洞開挖期間為1 m3/s。輔引3#支洞在原支洞樁號(hào)0+022—0+042洞段開挖時(shí)揭露最大流量達(dá)1.5 m3/s的多股股狀涌水。輔引3#支洞施工穿越超高壓力、超大流量涌水地層時(shí)，溶蝕空洞對(duì)隧洞施工穩(wěn)定性的影響及超高壓力、超大流量的溶蝕、裂隙涌水對(duì)施工影響非常大。另外，按實(shí)際需要，隧洞必須反坡掘進(jìn)，其坡度局部區(qū)段高達(dá)15%，輔引3#支洞全長1 155.516 m，其中縱坡坡度為 －13%的長度近800 m，給施工排水和運(yùn)輸帶來了巨大的困難和嚴(yán)峻考驗(yàn)。

基于此，必須針對(duì)錦屏隧洞特點(diǎn)并充分結(jié)合錦屏二級(jí)水電站工程背景，在西南、西北地區(qū)隧洞巖溶溶蝕災(zāi)害調(diào)查基礎(chǔ)上，深入、系統(tǒng)研究巖溶溶蝕對(duì)隧洞地下工程的影響，提出錦屏二級(jí)水電站隧洞工程中的富水區(qū)大埋深、高滲壓條件下切實(shí)可行的高強(qiáng)排水方案及技術(shù)方法，以確保工程施工不受涌水危害，從而為工程安全順利竣工提供有力保障。

1 排水系統(tǒng)設(shè)置總體方案

以較為復(fù)雜且受地下涌水影響嚴(yán)重的輔引3#支洞為研究對(duì)象。輔引3#支洞位于富水區(qū)，立面為緩坡布置，最大反坡坡度為 －13%，進(jìn)口底板高程由1 618.00 m降至1 564.70 m，與上游調(diào)壓室相接。輔引3#支洞上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，具有埋深大、高滲壓、涌水強(qiáng)、反坡獨(dú)頭掘進(jìn)等特點(diǎn)，在施工過程中隧洞涌水經(jīng)常突出，成為隧洞安全施工和控制進(jìn)度的關(guān)鍵性難題。根據(jù)“防排堵結(jié)合”綜合治理要求，輔引3#支洞施工過程中的排水顯得極為重要。

運(yùn)用隧洞工程技術(shù)［1-2］，結(jié)合輔引3#支洞實(shí)際情況，排水系統(tǒng)設(shè)置總體方案確定如下：

設(shè)置一、二級(jí)儲(chǔ)水倉，均為單水倉。一級(jí)儲(chǔ)水倉共設(shè)3個(gè)，各儲(chǔ)水倉間高差約20 m，布置在輔引3#支洞斜坡段前進(jìn)方向右側(cè);二級(jí)儲(chǔ)水倉布置在輔引3#支洞落平段拐彎處，長約200 m。排水系統(tǒng)布置如圖1。

2 排水系統(tǒng)布置

結(jié)合地下工程施工技術(shù)［3-7］，布置排水系統(tǒng)。

2.1 儲(chǔ)水倉布置

結(jié)合隧洞反坡掘進(jìn)實(shí)際情況，輔引3#支洞的一級(jí)3個(gè)儲(chǔ)水倉分別布置在輔引3#支洞支(3)0+212.979，支(3)0+394.797和支(3)0+612.616處，儲(chǔ)水倉起點(diǎn)底板高程分別為1 656.125，1 636.125和1 616.125 m，水泵安裝平臺(tái)底板高程分別為1 646.098，1 628.425和1 606.098 m。一級(jí)儲(chǔ)水倉長約100 m，斷面(寬×高)為6.0 m×2.4 m，水倉容量1 440 m3，三心拱形錨噴支護(hù)。二級(jí)儲(chǔ)水倉起點(diǎn)在支(3)0+802.975 m處，洞口底板高程1 596.722 m，儲(chǔ)水倉底板高程1 591.592 m，水泵安裝平臺(tái)底板高程1 588.592 m，水倉總長度約200 m，斷面(寬×高)為13.0 m×3.5 m，水倉容量9 100 m3，三心拱形錨噴支護(hù)。

圖1 輔引3#施工支洞排水系統(tǒng)布置縱剖面

一級(jí)儲(chǔ)水倉選用3臺(tái)450SLDB2000/40-355型單級(jí)雙吸雙蝸殼潛水電泵，二級(jí)儲(chǔ)水倉選用3臺(tái)700SLDB4000/100-1800型單級(jí)雙吸雙蝸殼潛水電泵，均為排正常涌水時(shí)1用2備，排最大涌水時(shí)2用1備。

儲(chǔ)水倉容積按下式計(jì)算

式中：Q正為礦井正常涌水量，據(jù)現(xiàn)場提供的資料，一級(jí)儲(chǔ)水倉正常涌水量0.3 m3/s，最大涌水量0.5 m3/s;二級(jí)儲(chǔ)水倉正常涌水量1.0 m3/s，最大涌水量1.5 m3/s;t為正常涌水量的時(shí)間，h。

按上式計(jì)算，一級(jí)儲(chǔ)水倉(臨時(shí)水倉，匯水面積小，取1 h正常涌水量)容積為V1=0.3×3 600×1=1 080 m3;二級(jí)儲(chǔ)水倉(臨時(shí)水倉，匯水面積較小，取2 h正常涌水量)容積V2=1.0×3 600×2=7 200 m3。

考慮儲(chǔ)水倉裝滿系數(shù)為0.8，一級(jí)儲(chǔ)水倉容積取1 440 m3;二級(jí)儲(chǔ)水倉容積取9 100 m3。

2.2 輔引3#支洞排水溝布置

輔引3#支洞水溝為矩形斷面，水溝寬2.0 m、深2.0 m，坡度與支洞相同，布置在支洞前進(jìn)方向的右側(cè)，均為單水溝布置。為解決施工中的涌水，即掘進(jìn)工作面的涌水，在輔引3#支洞的一側(cè)設(shè)置一個(gè)用于排施工中涌水的水溝。掘進(jìn)工作面在作業(yè)時(shí)，掘進(jìn)工作面及其附近段巷道的涌水不斷通過縫隙匯集至水溝內(nèi)，通過水溝內(nèi)設(shè)置的排水設(shè)備將水排出;當(dāng)掘進(jìn)工作面放炮后，由于放炮后的30 min內(nèi)人員不能進(jìn)入，此時(shí)掘進(jìn)工作面的涌水通過縫隙匯集至水溝內(nèi)，經(jīng)水溝內(nèi)設(shè)置的排水設(shè)備將水排出。

水溝隨著掘進(jìn)工作面的推進(jìn)而不斷推進(jìn)。但水溝端頭(靠近掘進(jìn)工作面)距掘進(jìn)工作面不少于3 m，以防放炮時(shí)水溝上方管路設(shè)備損壞。

施工中靠近掘進(jìn)工作面作業(yè)處的一段水溝上部采用鋼板蓋住，蓋板與水溝之間留有水通過的縫隙，巷道內(nèi)的涌水通過縫隙匯集到水溝。施工中若遇單點(diǎn)涌水量較大時(shí)，可用管道將涌水引入儲(chǔ)水倉或排出支洞外，減小水溝流量。

2.3 沉淀池布置

平洞段水溝內(nèi)設(shè)沉淀池，隧洞涌水進(jìn)入儲(chǔ)水倉前先經(jīng)過水溝沉淀池沉淀。沉淀池比水溝深0.5 m，長×寬×深=4.0 m×2.0 m×2.5 m，沉淀池視淤積情況隨時(shí)清理。

2.4 儲(chǔ)水倉水泵布置

為了能快速安裝，排水設(shè)備能盡快投入使用，且排水設(shè)備在水淹的情況下能繼續(xù)排水，在一、二級(jí)儲(chǔ)水倉內(nèi)設(shè)置符合要求的潛水泵。一、二級(jí)儲(chǔ)水倉的底部設(shè)置水泵安裝平臺(tái)，潛水泵固定放置于安裝平臺(tái)上。水泵安裝平臺(tái)比儲(chǔ)水倉底高0.3 m，以便于水倉內(nèi)的泥沙淤積和減少水泵吸入泥沙而影響排水。

排水設(shè)備布置主要考慮到施工快速、安裝快捷、檢修維護(hù)方便等因素。設(shè)計(jì)均選用潛水電泵方案，其布置具有以下特點(diǎn)：安裝快捷，檢修維護(hù)占地小，土建工程量小，不需輔助吸水設(shè)施等特點(diǎn)。

潛水泵安裝于水面以下，不需設(shè)置獨(dú)立泵房，不需要設(shè)置吸水井及配水設(shè)施。只需在水倉內(nèi)設(shè)一個(gè)潛水泵布置平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)置3條安裝軌道，安裝軌道沿設(shè)置的斜坡延伸至上部水倉洞口以外，當(dāng)水泵需要檢修維護(hù)時(shí)，通過提升設(shè)備將水泵沿軌道拉至上部水倉洞口以外的場地檢修。

水泵吸水口設(shè)置吸水過濾裝置，以避免將顆粒較大的沙粒及碎石吸入泵內(nèi)，從而影響潛水泵內(nèi)的電動(dòng)機(jī)殼及水泵葉輪等，以延長水泵使用壽命和提高排水效率。

水泵設(shè)置自動(dòng)液位控制裝置，以避免水面過低而吸入空氣產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，液位自動(dòng)控制裝置設(shè)置有水位傳感器。二級(jí)水倉的排水最低水位為3.0 m(由水倉底部算起)，當(dāng)水位低于3.0 m時(shí)水泵自動(dòng)跳閘停止排水，當(dāng)涌水量達(dá)到最高水位4.5 m(由水倉底部算起)時(shí)水泵自動(dòng)開啟排水。一級(jí)水倉排水最低水位為2.7 m，當(dāng)水位低于2.7 m時(shí)水泵自動(dòng)跳閘停止排水，當(dāng)涌水量達(dá)到最高水位4.5 m時(shí)水泵自動(dòng)開啟排水。

由于裝載水泵的車架位于水面以下，固定水泵車架的轉(zhuǎn)動(dòng)部位需涂抹潤滑脂，以防銹蝕。

2.5 管路布置

排水管路布置主要考慮到隧洞斷面大小、車輛運(yùn)行方便、安裝快捷、檢修維護(hù)方便等因素。由于管路直徑較大，管路采用并排垂直排列，以將隧洞空間最大化，減小對(duì)機(jī)車運(yùn)輸?shù)鹊挠绊?，詳見圖2和圖3。

圖2 排水管路布置方案(單位：cm)

圖3 排水管路現(xiàn)場布置

排水管路均選用螺旋焊接鋼管，二級(jí)排水系統(tǒng)管路規(guī)格為φ920×10，一級(jí)排水系統(tǒng)3#水倉排水管路規(guī)格為φ720×10，一級(jí)排水系統(tǒng)2#水倉排水管路規(guī)格為φ630 ×10。

管路連接采用快速接頭進(jìn)行連接，管路采用鋼架支座支撐。管路設(shè)置電動(dòng)閘閥，采用電力驅(qū)動(dòng)，控制方便。管路設(shè)置止回閥，以便水流倒流毀壞水泵。管路沿隧洞一側(cè)敷設(shè)，通過鋼架固定于水溝上方。

3 豎井輔助排水

隨著輔引3#支洞獨(dú)頭反坡施工里程增加，排水系統(tǒng)負(fù)荷將會(huì)逐漸加大。為此，除了一級(jí)2#，3#水倉和二級(jí)水倉，還必須設(shè)置豎井輔助排水。一級(jí)2#和3#水倉排水豎井平洞投影與提前施工完成的交通A輔助洞垂直，二級(jí)水倉排水豎井上升到A輔助洞地板標(biāo)高后采用平洞與A輔助洞相連，再由A洞排到排水洞。二級(jí)水倉排水豎井最高，達(dá)到75 m，能夠滿足水泵抽水揚(yáng)程要求。

實(shí)踐表明，強(qiáng)力排水系統(tǒng)的成功應(yīng)用，可以迅速排出大量涌水，使得輔引3#支洞等反坡工程能夠安全而高效施工，比預(yù)計(jì)工期提前20 d完成，獲得了較大的直接經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)獲得了顯著的社會(huì)效益。

4 結(jié)論

1)高滲壓涌水是輔引3#支洞等大量反坡工程的突出問題，排水系統(tǒng)關(guān)系到整個(gè)工程的施工與進(jìn)度，排水是該隧洞施工過程中最為關(guān)鍵的施工控制環(huán)節(jié)，必須嚴(yán)密關(guān)注。

2)結(jié)合大埋深、高富水、高滲壓、大涌水等實(shí)際情況，提出的錦屏大涌水強(qiáng)力排水系統(tǒng)，完全可以滿足錦屏工程實(shí)際需要，很好地保證了長距離隧洞反坡施工安全和進(jìn)度。

［1］關(guān)寶樹．隧道工程的理論與實(shí)踐［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，1990．

［2］陳豪雄，殷杰．隧道工程［M］．北京：人民交通出版社，1995．

［3］關(guān)寶樹，鐘新焦．地下空間利用［M］．成都：西南交通大學(xué)出版社，1989．

［4］易萍麗．現(xiàn)代隧道設(shè)計(jì)與施工［M］．北京：中國鐵道出版社，1997．

［5］王毅才．隧道工程［M］．北京：人民交通出版社，1993．

［6］秦亮，郭建鋼，姚智慧．武廣鐵路客運(yùn)專線隧道防排水施工［J］．鐵道建筑，2010(1)：151-152．

［7］谷金富．高滲壓大流量隧洞施工涌水治理技術(shù)［J］．鐵道建筑，2013(5)：69-71．

U453．6+1

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．02．18

1003-1995(2014)02-0053-03

2013-07-22;

2013-10-11

孫振(1974— )，男，黑龍江密山人，工程師。

(責(zé)任審編 趙其文)