基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的公路隧道長距離反坡排水施工技術(shù)及其應(yīng)用

李方東

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司， 山東 兗州　272100)

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基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的公路隧道長距離反坡排水施工技術(shù)及其應(yīng)用

李方東

(中鐵十四局集團(tuán)第五工程有限公司， 山東 兗州272100)

摘要：常規(guī)的隧道反坡排水方案都是基于設(shè)計(jì)涌水量制定的，往往由于對涌水量判斷不準(zhǔn)確而導(dǎo)致排水能力不足或過剩，造成涌水災(zāi)害或資源配置浪費(fèi)。為此，在“提前整體配置，過程局部優(yōu)化”設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，提出基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的隧道長距離反坡排水技術(shù)。該技術(shù)采用瞬變電磁、激發(fā)極化超前探測技術(shù)，對掌子面前方含水區(qū)位置及水量進(jìn)行較準(zhǔn)確的定位和預(yù)估；提出成本最小化排水優(yōu)化公式，優(yōu)化泵站分級設(shè)計(jì)及水泵功率選擇；同時，動態(tài)監(jiān)測涌水量，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行排水設(shè)置，提出了增級截流集水坑技術(shù)，有效解決2級泵站之間的排水問題。在寧夏東毛高速公路六盤山隧道中對該技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用，通過對反坡排水方案的優(yōu)化，較好地完成了反坡排水任務(wù)，節(jié)約了排水成本，保證了隧道施工安全，取得了良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：公路隧道； 六盤山隧道； 反坡排水； 涌水量預(yù)估； 動態(tài)監(jiān)測； 成本最小化

0引言

長大隧道往往是公路工程的關(guān)鍵性和控制性工程。隨著我國交通建設(shè)環(huán)境向地質(zhì)條件復(fù)雜的西部山區(qū)轉(zhuǎn)移，一些特長公路隧道不斷涌現(xiàn)。在長大隧道建設(shè)中，存在大量的長距離反坡施工狀況，長距離反坡施工一旦遭遇突涌水災(zāi)害，排水能力不足，易造成隧道被淹，輕則影響工期，造成經(jīng)濟(jì)損失，重則造成人員傷亡。湖北滬蓉西齊岳山隧道出口段落反坡施工中，在雨季穿越馬槽洞地下暗河和超大斷層時遭遇大型涌水，由于排水系統(tǒng)能力有限，導(dǎo)致超過700 m的洞身被淹，工期延誤超過半年[1-2]。

為解決隧道施工期反坡排水問題，大量科技工作者進(jìn)行了相關(guān)研究。左玉杰[2]論述了隧道出口段抽排水系統(tǒng)的設(shè)置方法，強(qiáng)調(diào)了隧道排水管理的重要性；陳冉[3]提出了一種基于抽水列車設(shè)備的追蹤排水技術(shù)；張勝[4]從烏鞘嶺隧道6#斜井方案設(shè)計(jì)、設(shè)備型號選擇、排水作業(yè)管理、洞外排水及施工效果等方面，系統(tǒng)介紹了隧道反坡排水方案；周國龍[5]提出了一套適用于特長隧道反坡排水的快速施工技術(shù)；李鴻杰[6]論證了有效快捷的排水作業(yè)對保證施工質(zhì)量和安全的重要性；高文濤等[7]提出了采用靜水壓力的隧道反坡排水施工工藝，避免涌水對隧道施工的影響；馮藝[8]重點(diǎn)研究了煤礦大型抽排水系統(tǒng)，驗(yàn)證其設(shè)計(jì)滿足隧道反坡排水需要；王靜[9]根據(jù)對水泵及管路的數(shù)學(xué)計(jì)算進(jìn)行水泵選型，進(jìn)而對整個隧道反坡排水進(jìn)行設(shè)計(jì)；傅俊[10]提出一套基于盲溝排水、排水管排水、適用于官山隧道及類似工程的反坡排水方法；劉牛生[11]研究制訂了一整套基于涌水量變化的排水設(shè)置及方案。

但總體來說，目前反坡排水技術(shù)基本沿襲常規(guī)技術(shù)。對隧址區(qū)域范圍內(nèi)的地質(zhì)特征、環(huán)境特點(diǎn)、施工情況進(jìn)行勘察，進(jìn)行涌水風(fēng)險評估、反坡排水設(shè)計(jì)時，參照設(shè)計(jì)涌水量并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行機(jī)械排水工區(qū)的劃分、集水池與水泵的選型，采用備用水泵及輔助泵站的設(shè)計(jì)。由于常規(guī)方法是基于設(shè)計(jì)涌水量的排水方案，設(shè)計(jì)涌水量往往與實(shí)際涌水量有較大偏差，特別是隧道施工揭露充水溶洞、導(dǎo)水?dāng)鄬拥群w時，其實(shí)際涌水量具有很大的隨機(jī)性和未知性，往往遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)涌水量，排水系統(tǒng)難以滿足排水要求，造成隧道被淹，危及隧道施工安全。

因此，十分有必要對基于涌水量的動態(tài)預(yù)估和監(jiān)測進(jìn)行長距離反坡排水方案的信息化設(shè)計(jì)和布設(shè)，在此基礎(chǔ)上發(fā)展和完善現(xiàn)有長距離反坡排水技術(shù)，為隧道施工安全提供支撐。

1常規(guī)的反坡排水技術(shù)

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，常規(guī)反坡排水技術(shù)涌水量預(yù)測是基于設(shè)計(jì)涌水量，采用地質(zhì)分析法，通過收集分析地質(zhì)資料、地表詳細(xì)調(diào)查等方法，了解隧道所處地段地質(zhì)條件，運(yùn)用地質(zhì)學(xué)理論，對比、論證、推斷和預(yù)報(bào)隧道施工前方的工程及水文地質(zhì)情況。

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)隧道的突涌水情況，排水方案主要采用以下2種。

1)長距離水管配合小型集水坑抽排。長距離反坡施工段，在較長距離處開挖固定集水坑作為排水泵站，將掌子面突涌水用移動式水泵抽取到附近的集水坑內(nèi)，再用大功率水泵將水抽到順坡排水段，排水原理見圖1。該方法的優(yōu)點(diǎn)是所需抽水泵、集水坑、泵站都較少，缺點(diǎn)是所需安裝的排水管較長，移動式抽水機(jī)需要跟隨掌子面的開挖而前移。

圖1　長距離水管配合小型集水坑抽排布置

Fig. 1Drainage by means of long-distance water pipeline and small sump pit

2)集水坑接力式反坡排水。該方法設(shè)置多個集水坑進(jìn)行分段抽排水施工作業(yè)，施工過程中分段開挖排水溝渠，在每一段排水溝渠的終點(diǎn)設(shè)置集水坑，并設(shè)水泵，水泵把積水抽排至反坡的最后部位，以此類推，一級接一級地抽水，最后的水泵將積水抽排至順坡排水段，將隧道涌水排至洞外的處理池。排水原理見圖2。

圖2　集水坑接力式反坡排水布置

總體來看，目前常規(guī)的長距離反坡排水技術(shù)存在以下主要問題。

1) 在以往的隧道反坡排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常采用初勘資料的涌水量數(shù)據(jù)，難免會與實(shí)際開挖揭露的涌水量有誤差，往往導(dǎo)致系統(tǒng)排水能力不足或過剩，致使涌水災(zāi)害或資源配置浪費(fèi)；因此，亟待研究基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的隧道長距離反坡排水技術(shù)。

2) 在以往的反坡排水方案設(shè)計(jì)中，水泵的分級和功率選擇往往只對水泵的工作能力進(jìn)行要求，并未對實(shí)際的市場單價及工作消耗進(jìn)行考慮，往往會造成排水能力過剩及排水成本較高；因此，亟待提出一種泵站分級及功率選擇的計(jì)算方法。

2基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的隧道長距離反坡排水技術(shù)

反坡排水技術(shù)路線見圖3。

圖3基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的隧道長距離反坡排水技術(shù)

Fig. 3Reverse slope drainage technology for long tunnel based on water inflow prediction and dynamic monitoring

1)第1階段。整體配置設(shè)計(jì)。

①對隧址區(qū)勘察資料進(jìn)行分析，必要時補(bǔ)充勘察，進(jìn)行各段落的涌水風(fēng)險評估。

②通過最小成本優(yōu)化，計(jì)算泵站最優(yōu)分級數(shù)與水泵功率。

③反坡排水方案的設(shè)計(jì)，包括泵站位置、水泵選型、管路設(shè)置及供電設(shè)計(jì)。

2)第2階段。過程局部優(yōu)化。

①采用瞬變電磁與激發(fā)極化技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)探測，確定含水區(qū)并預(yù)估含水量，采用超前鉆探驗(yàn)證探測結(jié)果。根據(jù)水量情況進(jìn)行處理措施選定(堵/排，文中主要介紹排水處理方法)，并通過鉆孔安置導(dǎo)排水裝置，根據(jù)探測數(shù)據(jù)，提前調(diào)用排水設(shè)備。

②在排水施工中對涌水量進(jìn)行實(shí)時動態(tài)監(jiān)測，通過涌水量的大小選擇適當(dāng)?shù)呐潘O(shè)置，避免排水功率的不足或浪費(fèi)。

2.1基于成本最小的反坡排水優(yōu)化方法

對隧道全段各區(qū)段涌水量估算后，提出成本最小優(yōu)化公式進(jìn)行泵站的分級計(jì)算，在滿足排水要求的條件下，對水泵購買成本及使用成本進(jìn)行深入研究。通過對水泵單價、排水運(yùn)營消耗以及水泵功耗的計(jì)算，選取最佳的水泵功率，提出了優(yōu)化計(jì)算公式。

(1)

式中： G為排水系統(tǒng)總成本； W為單級水泵功率； X為分級數(shù)； f1為單級做功花費(fèi),元/(kW·h)； f2為單級泵站制作成本，包含水泵購置價格與泵站制作費(fèi)用，元/級； w為不同功率水泵對應(yīng)的功率損耗率； t為隧道反坡排水時間。

由于選型安裝簡便及購置統(tǒng)一，采用同一型號水泵，在正常排水階段采用伺服抽水技術(shù)，排水系統(tǒng)需管理人員1人即可。

其推導(dǎo)過程如下：

已知單級泵站的正常工作功率為W，單級泵站工作功率損耗為w×W，單級泵站工作成本

(2)

單級泵站制作成本

(3)

泵站工作總成本

(4)

由式(1)—(4)可知，在滿足排水能力的情況下，將不同水泵的揚(yáng)程與功率代入后，當(dāng)總費(fèi)用最小時，可對應(yīng)得出分級數(shù)及分級功率。對于長距離反坡施工，由于施工工期較長，泵站使用時間較長，除了水泵等設(shè)備一次性投入費(fèi)用之外，后期維護(hù)費(fèi)用較高，故當(dāng)泵站成本最優(yōu)化時較為經(jīng)濟(jì)。

2.2涌水量預(yù)估技術(shù)

為了在隧道施工中對涌水量進(jìn)行較為準(zhǔn)確的動態(tài)預(yù)估，采用對含水體響應(yīng)敏感的地球物理探測方法來確定掌子面前方的含水體位置，并預(yù)估涌水量。基于上述目的，采用瞬變電磁技術(shù)和激發(fā)極化技術(shù)相互補(bǔ)充、相互驗(yàn)證的優(yōu)勢(瞬變電磁技術(shù)探測距離較遠(yuǎn)(60～80m)，可識別地質(zhì)構(gòu)造是否含水并確定其空間位置； 激發(fā)極化技術(shù)屬于近距離精細(xì)探測技術(shù)(30～40m)，可對含水體進(jìn)一步三維定位，并估算涌水量)，對含水區(qū)位置進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位及涌水量估算，據(jù)此進(jìn)行適時的方案優(yōu)化與排水準(zhǔn)備，達(dá)到工程施工安全生產(chǎn)的要求。

2.2.1TEM瞬變電磁技術(shù)

瞬變電磁(TransientElectromagnetic，簡稱TEM)原理為： 利用不接地回線向隧道掌子面前方發(fā)射一次脈沖磁場，當(dāng)發(fā)射回線中的電流突然斷開，介質(zhì)中將會激發(fā)起二次渦流場，以維持在斷電前回線產(chǎn)生的磁場(即一次場)，二次渦流場的大小及其衰減特性與周圍介質(zhì)的電性分布有關(guān)，在一次場間歇觀測二次場隨時間的變化特征，可了解地下介質(zhì)的電性、規(guī)模、產(chǎn)狀等，從而完成對目標(biāo)體的探測任務(wù)。其原理如圖4所示。

圖4　瞬變電磁工作原理[12]

2.2.2激發(fā)極化技術(shù)

激發(fā)極化(Induced Polarization，簡稱IP)是電法勘探的一個重要分支，原理(見圖5)為： 向地下輸入穩(wěn)定電流，不同測量電極之間的電位差隨時間變化，經(jīng)一段時間后，變化逐漸減小并趨于穩(wěn)定的飽和值；但在斷開電流后，測量電極電位差在最初的一瞬間快速下降，而后隨時間緩慢下降并趨于零。激發(fā)極化法正是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間的激電效應(yīng)差異為基礎(chǔ)，通過觀測和研究被測對象的激電效應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)探查的一種電法。

該方法以定點(diǎn)源三極法為測量裝置布置形式，向地下供入大電流與小電流2種電流，將大電流作用下的二次場半衰時減去小電流作用下的二次場半衰時得到半衰時之差。通過對激發(fā)極化法中極化率、電阻率以及半衰時之差等參數(shù)進(jìn)行分析和反演，可以得到掌子面前方巖體的電阻率、極化率結(jié)構(gòu)。有研究通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得到了半衰時之差對于水量的響應(yīng)特征[13-15]，主要有： 1) 當(dāng)含水構(gòu)造不含自由水時，半衰時之差為負(fù)值； 2)當(dāng)含水構(gòu)造中注水后，曲線開始出現(xiàn)正值，且曲線的正值部分與坐標(biāo)軸的包絡(luò)面積隨水量的增加而增加。

圖5　時間域激發(fā)極化現(xiàn)象示意圖[13]

2.2.3超前鉆探技術(shù)

在隧道工作面進(jìn)行平行軸線方向鉆進(jìn)，控制鉆孔數(shù)量、鉆孔角度以及鉆孔深度，根據(jù)鉆進(jìn)速度的變化、鉆孔巖芯情況、鉆孔沖洗液顏色、氣味、巖粉及其他資料來進(jìn)行預(yù)報(bào)，能較直觀地反映出巖體情況。在本實(shí)驗(yàn)方案中，可通過鉆孔出水情況判斷前方有無地下水和前方何處有地下水。

2.3動態(tài)監(jiān)測涌水量的抽排水設(shè)置

隧道施工實(shí)踐證明，初勘工作對各段落涌水量的預(yù)估通常與實(shí)際涌水情況有較大差別，導(dǎo)致反坡排水預(yù)案不一定與實(shí)際涌水情況相契合，易出現(xiàn)排水能力不足或過高，從而導(dǎo)致隧道被淹或功率浪費(fèi)。為解決該問題，動態(tài)監(jiān)測隧道涌水量，動態(tài)修正洞內(nèi)各段落的實(shí)際涌水量，合理進(jìn)行抽排水設(shè)置。在隧道中出現(xiàn)涌水情況時，需按照不同的涌水量進(jìn)行抽水泵及集水坑的調(diào)撥安排，具體方式如表1所示。

表1　基于動態(tài)監(jiān)測的抽排水設(shè)置

3寧夏東毛高速公路六盤山隧道反坡排水技術(shù)應(yīng)用

3.1工程概況

寧夏東毛高速公路六盤山隧道設(shè)計(jì)為單洞分離式(雙車道)隧道，左右線間隔31～48 m，隧道全長9 490 m，屬超長隧道、長距離反坡施工。左線隧道起止于R=3 060 mm的圓曲線上，右線隧道起止樁號為K6+230和K15+710，隧道長度9 480 m，右線進(jìn)口位于直線上，出口位于半徑為R=3 080 mm的圓曲線上，隧道縱坡為-2.7%和1.68%。項(xiàng)目區(qū)地勢中間高兩側(cè)低，六盤山主脈地勢最高，海拔2 900 m左右，南北走向，為中低山嶺地段，區(qū)內(nèi)峰巒疊嶂、溝谷縱橫、山大溝深，路線經(jīng)過處寬度約10 km。六盤山隧道除右線出口段210 m、左線出口段183 m為順坡排水外(隧道縱坡為-2.7%)，其余段落全部為反坡排水，隧道縱坡為1.68%，施工至本標(biāo)起點(diǎn)落差達(dá)50.4 m，坡長長達(dá)3 000 m。

隧道區(qū)位于祁呂賀山字型構(gòu)造體系的脊柱—賀蘭山褶皺帶南段、隴西系旋卷構(gòu)造六盤山旋回褶皺帶的中部及伊陜盾地的西南部，屬六盤山大斷裂(和尚鋪—涇源)與月亮山—六盤山西麓斷裂帶的相挾部位。隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為褶皺及斷裂。隧址區(qū)地處六盤山腹地，地下水賦存主要受地質(zhì)構(gòu)造、地貌、巖性、氣候和古地貌條件的控制。根據(jù)地下水的賦存狀態(tài)和水力特征，可將地下水分為第四系松散巖類孔隙水(砂礫石層潛水)、碎屑巖風(fēng)化裂隙水(白堊系)、基巖裂隙水(白堊系)、

碎屑巖裂隙(孔隙)水(第三系)、斷裂帶構(gòu)造裂隙水5種含水類型。

隧址區(qū)地表水不發(fā)育，進(jìn)口端溝谷具常年流水，地下水以泉的形式補(bǔ)給，出口端多為無水干溝。六盤山隧道處于弱透水性巖層中，伴有干濕、凍融交替作用。

經(jīng)初勘資料計(jì)算分析，預(yù)測隧道通過地段一般涌水量為Q=17 427.6 m3/d，最大涌水量為37 999.4 m3/d。根據(jù)隧址區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，對隧道涌突水地段進(jìn)行預(yù)測，發(fā)生涌突水可能性較大的段落主要為： 隧道在K12+980～K13+180處穿越大峽河谷地段以及隧道穿越褶皺構(gòu)造帶(受向斜、背斜影響，隧道有可能發(fā)生涌突水現(xiàn)象)。

3.2成本最優(yōu)化的確定方法

成本最優(yōu)化中的最大涌水量為初勘設(shè)計(jì)涌水量，經(jīng)計(jì)算分析，A4標(biāo)段設(shè)計(jì)預(yù)測隧道一般涌水量為Q=5 501.4 m3/d，即最大涌水量為15 847.9 m3/d。出水段落預(yù)估涌水量見表2。隧道在右線K12+980～K13+180、左線ZK12+940～ZK13+180處穿越大峽河谷地段時，發(fā)生突涌水事故的可能性高。

綜合初勘資料和其他資料，隧道排水量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表2　預(yù)估涌水量分段統(tǒng)計(jì)表

表3　排水量統(tǒng)計(jì)表

采用涌水量設(shè)計(jì)為： 六盤山隧道左線累計(jì)一般涌水量取值為2 920.3 m3/d，雨季累計(jì)最大涌水量取值為8 425.7 m3/d；右線累計(jì)一般涌水量取值為2 581.1 m3/d，雨季累計(jì)最大涌水量取值為7 422.2 m3/d。正常抽排水能力應(yīng)為1.2倍設(shè)計(jì)涌水量，應(yīng)急排水能力大于2倍最大設(shè)計(jì)涌水量，備用水泵的抽水能力應(yīng)不小于0.7倍正常涌水的要求。

根據(jù)要求，水泵滿足243.4 m3/h的排水要求，故以此為基本對水泵進(jìn)行市場調(diào)研，調(diào)研內(nèi)容包括單價、功率、功耗、揚(yáng)程等。水泵排水工作總時間以1年為例，對排水系統(tǒng)總成本進(jìn)行計(jì)算。

此處以200ZW300-18型號水泵為例，排水時間為1個月。將數(shù)據(jù)與排水所需功率代入式(1)可以得到：t=1×30 d×20 h=600 h，w=5%，f1=1 (元/kW·h)，f2=14 000元。

根據(jù)水泵的配置(揚(yáng)程)要求，可得在該型號水泵情況下，當(dāng)分級數(shù)為4時，其總成本為G=149 240元。

采用其他水泵調(diào)研參數(shù)代入式(1)，可求得當(dāng)采用200ZW300-18型號水泵，且泵站分級數(shù)為4時，其排水系統(tǒng)總成本最小。下文將在3.5.2中進(jìn)一步驗(yàn)算該型號水泵的排水能力。

3.3抽排水方案設(shè)計(jì)

長距離反坡排水的各級泵站抽水功率需滿足相互匹配的要求，以實(shí)現(xiàn)低成本與高效排水的雙重目標(biāo)。各級泵站功率設(shè)置與隧道實(shí)際出水量對應(yīng)，最新一級泵站功率滿足尚未施工段落預(yù)估排水量的要求。泵站的功率Wi+1設(shè)置應(yīng)在其下一級泵站功率Wi+2的基礎(chǔ)上，相應(yīng)增加該泵站與其上一級泵站(功率為Wi)間的隧道已施工段落出水的排水能力?？紤]到六盤山隧道的施工條件，右線排水系統(tǒng)布置在左側(cè)，左線排水系統(tǒng)布置在右側(cè)。通過成本最小優(yōu)化，設(shè)置3處固定泵站，最后一級泵站將水排至順坡排水段。同時，在ZK14+400、ZK13+330、K14+415和K13+345水量較大處增設(shè)增級截流集水坑。

以隧道左線為例，其泵站里程設(shè)置見圖6，其中，增級截流集水坑可根據(jù)雨季涌水量大小進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，靈活拆卸與安裝。洞口配備2臺400 kW發(fā)電機(jī)，作為應(yīng)急電源。停電期間備用電路及時發(fā)揮功能，以達(dá)到停電期間排水系統(tǒng)正常作業(yè)的要求。

圖6六盤山隧道左線抽排水方案示意圖

Fig. 6Schematic diagram of pumping and drainage in left tube of Liupanshan tunnel

3.4反坡排水布置

六盤山隧道出口3 210 m施工段，除出口段210 m為順坡排水外，其余段落均為反坡排水。隧道洞內(nèi)設(shè)“人”坡，K15+710～+500、ZK15+760～+577段隧道為順坡排水，在隧道一側(cè)開挖40 cm×40 cm排水溝。洞內(nèi)水可通過排水溝自流出洞外，在洞外修建污水處理池，經(jīng)沉淀凈化后排入溝谷中。

隧道K15+500～K12+500和ZK15+577～ZK12+500段為反坡排水，路面坡度為1.68%。反坡排水距離超過3 000 m。采用機(jī)械排水，設(shè)置多級泵站接力排水。施工工作面積水采用移動式潛水泵抽至就近泵站或臨時積水坑，其余已施工地段出水經(jīng)中心管溝臨時集水坑自然匯積到泵站池內(nèi)。

工作水泵按使用1臺、備用1臺、檢修1臺配備，為防止斷層突水，設(shè)置1套應(yīng)急排水系統(tǒng),設(shè)專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行管理和操作。

3.5設(shè)備選型及配套

3.5.1選型原則

1) 隧道排水主要為排除地層中的地下水，同時需要考慮施工用水(20～30 m3/d)、掌子面突發(fā)涌水、已開挖段落涌水。地下水中混有巖石石屑、泥漿、噴射混凝土的回彈物等摻雜物。

2) 隨著集水井的后移和水量的增加，要求水泵的排水能力亦要增加，考慮在管理、操作維修上的方便，選擇型號相同的水泵，只在數(shù)量上相應(yīng)增加。

3.5.2水泵排水計(jì)算

本隧道左右線坡度約為1.68%，考慮現(xiàn)場實(shí)際施工情況和設(shè)計(jì)地質(zhì)勘察資料，選用大流量的潛水泵。每個泵站配備3臺水泵，工作水泵按使用1臺、備用1臺、檢修1臺的方式配備。經(jīng)排水能力計(jì)算，具體泵站配置見表4。

表4　泵站配置

3.5.3排水系統(tǒng)

1) 管路。根據(jù)洞內(nèi)水量、選配的抽水設(shè)備，本隧道的集水井固定水泵管路采用φ200 mm的鋼管，隧道掌子面開挖集水井位置前移，掌子面及集水坑采用φ80 mm的消防軟管。

2) 泵站集水坑。在洞內(nèi)一側(cè)間隔950 m設(shè)置集水坑，集水坑尺寸為4 m ×3 m×1.5 m(長×寬×深)，容量18 m3。

3) 臨時集水坑。主洞2個集水井之間可根據(jù)具體地下水發(fā)育情形設(shè)置多個臨時集水坑，尺寸為2 m×

1 m×1.0 m(長×寬×深)，容量2 m3，通過移動式水泵將水抽至泵站集水坑，管路采用φ80 mm消防軟管。

3.6優(yōu)化排水方案

由初勘資料可知，隧道在K12+980～K13+180處穿越大峽河谷地段以及褶皺構(gòu)造帶，在YK13+265～YK14+165處一般涌水量為802.9 m3/d，有可能發(fā)生涌突水現(xiàn)象。為保證對隧道含水段落以及含水量的精確探測，分別采用TEM瞬變電磁法和激發(fā)極化法對隧道該含水段落含水區(qū)進(jìn)行精確定位，并對含水量進(jìn)行預(yù)估。

3.6.1瞬變電磁超前地質(zhì)探測

在隧道里程K13+265處進(jìn)行瞬變電磁超前地質(zhì)探測，由于隧道內(nèi)地質(zhì)與電磁環(huán)境限制，此次瞬變電磁探測的工作裝置選用同點(diǎn)裝置，發(fā)射線框?yàn)? m×2 m×64匝。接收裝置為空心線圈，有效接收面積為31.4 m2，測點(diǎn)數(shù)為10個，點(diǎn)距0.9 m，采用Protem EM47-Hp瞬變電磁儀(見圖7)。

(a)

(b)

瞬變電磁測線布置如圖8所示。掌子面后方鋼拱架等金屬構(gòu)件和汽車及洞內(nèi)照明電纜等對瞬變電磁數(shù)據(jù)有一定干擾，且由于關(guān)斷時間不為零，探測深度具有盲區(qū)，根據(jù)本次實(shí)際情況，掌子面前方10 m為探測盲區(qū)。

圖8　掌子面測線布置示意圖[16-17]

圖9為視電阻率等值線斷面圖，反映掌子面前方視電阻率隨不同深度的變化情況，橫坐標(biāo)為測線長度，縱坐標(biāo)為探測距離。從圖9可以看出，存在較大的低阻區(qū)域。結(jié)合隧道所處的地質(zhì)情況，在探測范圍內(nèi)，可推斷如下結(jié)論： 1)隧道正前方10～42 m范圍內(nèi)，圍巖相對較好； 2)隧道正前方42～50 m范圍內(nèi)巖溶裂隙發(fā)育，局部區(qū)域(圖9虛線區(qū)域)充水充泥； 3)開挖到40 m時，應(yīng)加強(qiáng)防護(hù)措施，并開展進(jìn)一步的探測工作。

圖9　視電阻率等值線斷面圖

3.6.2激發(fā)極化超前地質(zhì)探測

激發(fā)極化超前探測采用了山東大學(xué)自主研發(fā)的激發(fā)極化超前探測儀器[18-20]，主要采集視電阻率、半衰時差等參數(shù)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù)包絡(luò)線的正值部分與坐標(biāo)軸之間包絡(luò)面積和水量成正比，二者具有良好的線性關(guān)系(如圖10所示)。根據(jù)瞬變電磁探測結(jié)果，在K13+240進(jìn)行直流電流激發(fā)極化法地質(zhì)探測。利用定點(diǎn)源三極法測量方式，因場地有限，在左邊墻布置測線，測線距地面1.3 m，采用激發(fā)極化時差儀器，通過現(xiàn)場操作采集了視電阻率、半衰時之差等數(shù)據(jù)。

探測到的激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù)如圖11所示，三維成像如圖12所示。圖12中，X方向表示水平方向，Y方向表示掌子面豎直方向，Z方向表示隧道開挖方向。設(shè)掌子面中心位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，探測結(jié)果顯示，在K13+221～+217范圍內(nèi)圍巖電阻率較低，在半衰時之差曲線圖中存在正值部分，且其包絡(luò)面積為100 m·s，是前期探測包絡(luò)面積的20倍左右。因此，推斷掌子面前方上述范圍內(nèi)發(fā)育裂隙等導(dǎo)水構(gòu)造，存在含水體或富水區(qū)域。根據(jù)此次和前期包絡(luò)面積的比值，推測此次涌水量約為30 m3/h。

Fig. 10Correlation between envelope area of difference of half-decay time and water volume

圖11　激發(fā)極化半衰時之差數(shù)據(jù)

圖12　三維電阻率反演成像結(jié)果(單位： Ω·m)

3.6.3超前地質(zhì)鉆機(jī)探測

根據(jù)以上探測結(jié)果，在K13+230處采用地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行超前地質(zhì)探測，鉆機(jī)為非取芯鉆機(jī)，鉆孔直徑為80 mm，當(dāng)鉆機(jī)鉆進(jìn)到10.4 m位置處時，有水從鉆孔中流出，即確認(rèn)在里程K13+219.6處有富水區(qū)域，與激發(fā)極化探測方法所得結(jié)果誤差為1.4 m。

3.7涌水量的動態(tài)監(jiān)測

在隧道掌子面上利用超前地質(zhì)鉆探打通含水構(gòu)造的鉆孔，設(shè)置排水管，并在排水管末端安裝流量計(jì)，對涌水量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。實(shí)時監(jiān)測涌水量如圖13所示。含水構(gòu)造打通初期，單位時間涌水量有較快的增長，由23 m3/h上升到29.7 m3/h，之后逐漸減小；總涌水量呈持續(xù)線性增長狀態(tài)，在涌水35 d后，總涌水量逐漸趨于穩(wěn)定值。

圖13　隧道涌水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.8基于涌水量預(yù)估和動態(tài)監(jiān)測的反坡排水方案調(diào)整

已知掌子面施工用水量為20～30 m3/d，由于不同施工作業(yè)用水量不同，按最大用水量計(jì)算，水量約為2.3 m3/h(每天用水13 h)；另外根據(jù)實(shí)時監(jiān)測所獲得的涌水量為25.3 m3/h，為安全考慮采用26 m3/h，故排水總要求為28.3 m3/h，小于常用水泵最大抽水量(300 m3/h)。調(diào)整水泵抽排水設(shè)置，由原來的水泵恒定功率抽水改為分時抽水作業(yè)。集水井容量為18 m3，預(yù)留3 m3安全容量，計(jì)算可得每集水0.53 h，集水量為15 m3，水泵功率為300 m3/h，故設(shè)定每隔0.5 h，水泵自動抽水3 min，采用分時抽水技術(shù)實(shí)現(xiàn)水泵自動伺服抽水。

根據(jù)對隧道涌水量及其變化速率的實(shí)時監(jiān)測，推斷掌子面前方導(dǎo)水構(gòu)造為大范圍含水裂隙，總水量約為20 000 m3以上，繼續(xù)采用分時抽水方案，共排水49 d，平均排水量為518 m3/d，共排水25 390 m3，順利地完成了排水工作，保證了隧道各部分的正常施工，為規(guī)避施工風(fēng)險提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保證。

4結(jié)論與討論

本文以“提前整體配置，過程局部優(yōu)化”的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，基于涌水量預(yù)估與動態(tài)監(jiān)測的公路隧道長距離反坡排水技術(shù)，有效地解決了常規(guī)反坡排水技術(shù)的不足。

1)采用瞬變電磁及激發(fā)極化探測技術(shù)對掌子面前方含水區(qū)位置做精確定位，并預(yù)估涌水量，通過超前鉆孔技術(shù)進(jìn)行含水區(qū)的驗(yàn)證，做好排水工作前期準(zhǔn)備。

2)該技術(shù)采用了成本最小優(yōu)化方法，在滿足排水需求的前提下，選擇最佳泵站分級以及最小功率水泵，節(jié)約了反坡排水的施工成本。

3) 采用動態(tài)監(jiān)測涌水量的抽排水設(shè)計(jì)，在動態(tài)監(jiān)測涌水量的前提下，采用不同抽排水方法，極大地節(jié)約了排水經(jīng)費(fèi)，即使面對緊急大突水，也能做好排水工作。

本文設(shè)計(jì)方案中，在超前探測技術(shù)方面尚有不足，不能精確探測水量，需進(jìn)一步研究含水體定量探測方法。在成本最小化公式方面，除市場價格以外，還需對環(huán)境因素及再利用效果做進(jìn)一步的評定研究工作。

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Reverse Slope Drainage Technology Based on Water Inflow Prediction and

Dynamic Monitoring and Its Application in Long Tunnel

LI Fangdong

(TheFifthEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway14thConstructionBureauGroup,Yanzhou272100,Shandong,China)

Abstract:The design of conventional reverse slope drainage is based on the design water inflow. However, due to the inaccurate estimation on the water inflow, the capacity of the drainage facilities designed is often inadequate or surplus, which may result in water gushing disaster or resource waste. In the paper, the concept of long-distance reverse slope drainage based on the prediction and dynamic monitoring of the water inflow is proposed on basis of the design concept “providing an integrated drainage system in advance and making local optimization during tunneling”. The technology described in the paper can position and forecast the water bearing zone and the water inflow ahead of the working face accurately by using the transient electromagnetic technology and induced polarization technology. Furthermore, an optimized drainage formula based on the drainage cost is proposed, and the classification of the pumping stations and the selection of the pump power are optimized. Meanwhile, the water inflow is monitored dynamically, the drainage facilities are arranged based on the monitoring data, and the technology of the enhancement of pumping station is proposed. The technology has been applied in the construction of Liupanshan tunnel on Dong-Mao highway in Ningxia autonomous region and satisfactory effect has been achieved.

Keywords:highway tunnel; Liupanshan tunnel; reverse slope drainage; water inflow prediction; dynamic monitoring; cost minimization

中圖分類號：U 459.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號：1672-741X(2015)12-1321-10

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.014

作者簡介：李方東(1974—)，男，山東東平人，2007年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)，工程管理專業(yè)，本科，高級工程師，主要從事鐵路、公路工程施工組織和技術(shù)管理方面的研究工作。

收稿日期：2015-05-20; 修回日期: 2015-07-26