南平隧道斜井反坡排水設計與施工

霍永強

摘要： 本文針對南平隧道這一長大單線隧道及其附屬的大坡度富水斜井反坡排水過程中遇到的出水量大、高差大的實際困難，提出了相應的反坡排水施工方案，并在現(xiàn)場實際應用中通過排水設備、管線選型，水溝及截水溝的施做、水倉及臨時集水坑的設置，成功減少了隧道出水量大對正洞施工的影響，有效的保證了工期，同時提高了經(jīng)濟效益。

Abstract： Aimed at the practical difficulties of the big large water yield and large elevation difference in the reverse slope drainage of Nanping tunnel and the affiliated inclined shaft with high gradient， this paper puts forward the corresponding construction plan of reverse slope drainage. The practical application of drainage equipment， pipeline selection， the construction of gutterway and intercepting， the set of water storage and temporary sump in the site successfully reduce the influence of tunnel water yield large on the hole construction， effectively guarantee the time limit for project and improve the economic benefit.

關鍵詞： 長大隧道；大坡度斜井；反坡排水；設備選型

Key words： long tunnel；inclined shaft with high gradient；reverse slope drainage；equipment selection

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）06-0094-03

0 引言

三南鐵路南平隧道屬于鐵路單線長大隧道，且隧區(qū)巖溶發(fā)育強烈，隨機形成規(guī)模龐大的溶洞群，地下水系十分發(fā)育且連通，突泥、突水風險極高。隧道采用斜井施工，坡度大，斜井長。建設伊始采用在掌子面設置水泵的抽水方法效果不佳，嚴重影響施工進度，造成工期壓力，并時常發(fā)生突水現(xiàn)象，情況難以控制。項目部學習國內先進隧道施工經(jīng)驗，根據(jù)當?shù)厮€(wěn)地質條件，使用多級固定泵站接力結合臨時移動泵站，形成多層次，階段性抽水，大幅提高了隧道抽水能力，有效減少抽水成本。為今后類似工程的施工提供有效參考。

1 工程概況

1.1 地理位置

南平隧道位于重慶市南川區(qū)南坪鎮(zhèn)，進口里程DK42+260，出口里程為DK52+125，中心里程為DK47+192.5，全長9865m，最大埋深290m。兩側隧道進出口地段為飛仙關組及嘉陵江組石灰?guī)r形成的巖溶槽谷，隧道進口西側的孝子河對地形切割強烈，形成峽谷，谷坡多為陡崖，出口地段東側地形以20～30°斜坡為主，局部分布有陡崖。隧址區(qū)內最高海拔標高910m，最低海拔472m，相對高差427m。自進口至出口分別為10m的1‰的上坡、2150m的6‰的上坡、3485m的4‰的上坡、1810m的5‰的上坡、2410m的7.2‰的下坡。

南平隧道設計有三座斜井，1#、2#斜井在線路右側，3#斜井在線路左側。南平隧道1#斜井長780m，與主洞交叉樁號為DK44+300，坡度為-10.8%，2#斜井長1502m，與主洞交叉樁號為DK47+000，坡度為-11.9%，3#斜井長1346m，與主洞交叉樁號為DK49+700，坡度為-10.8%。

1.2 地下水情況

根據(jù)地質勘查資料，南平隧道整體整體埋深較淺，隧道進出口穿越標高為巖溶水垂直循環(huán)帶，區(qū)內含水層，含水性不均，無統(tǒng)一的地下水位，而洞身穿越侏羅系珍“紅層”和須家河組砂巖地層，地下水位隨地形變化大。

2 排水施工方案

2.1 排水方案設計原則

①排水能力。為保證隧道安全、快速施工，排水系統(tǒng)必須設置工作水泵和備用水泵，工作水泵的能力要滿足20h排出24h的正常涌水；工作水泵和備用水泵同時開機不但要20h排出24h的最大涌水量，同時要滿足1h排出2h最大涌水（快速施工）。

②綜合考慮泵站的數(shù)量和水泵的選型，泵站的數(shù)量盡可能少設置，以節(jié)約用電并減少故障率；集水泵選用干式液下渣漿泵低揚程大流量水泵；泵站水泵應選用臥式離心泵。

③排水管道要布設多排，連接墊片使用金屬墊。

④泵站水倉要高于水泵進水口，底部要設置排泄口以方便清理沉淀物。

⑤電力配置要預留相應富余量，主電源及備用電源合理考慮高壓進洞。

2.2 總體排水方案

反坡排水，需采用機械排水，設置多級泵站接力排水，工作面積水采用移動式潛水泵抽至就近泵站或移動水箱內，其余已施工地段隧道滲（涌）水經(jīng)隧道內側溝自然匯集到臨時集水坑內或泵站水池內，由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，如此由固定式排水泵站接力將洞內積水抽排至洞外，經(jīng)污水處理池處理后排放，固定式排水泵站水倉容量按5min涌水量設計，并考慮施工和清淤方便綜合確定；臨時集水坑根據(jù)匯水段匯水量大小確定。工作水泵按使用1臺，備用1臺配備，針對隧道涌水量大時要適當增加工作水泵；同時為防止突水，設置利用高壓風管作為1套應急排水系統(tǒng)，使用中的風管經(jīng)過泵站時預留接頭，方便臨時接入。每個斜井備用抽水管150m。

對坡度較大隧道施工對排水電機揚程要求相對較高，所以采用集水坑反坡道排水方式，在隧道施工過程中分段開挖反坡排水溝，在每一段的終點開挖集水坑，設抽水機一臺，把積水抽至最后一段反坡，最后一個抽水機將積水排除洞外，采用接力的方式將水抽至洞外的污水沉淀處理池。如圖1。

施工掌子面積水采用移動式泥漿泵抽至就近泵站或臨時集水坑內，其余已施工地段出水經(jīng)臨時集水坑自然匯集到泵站水池內，由工作泵將水經(jīng)管路抽排至前一段泵站內，如此接力抽排出洞外。泵站水倉容量按設計用水量，并考慮施工和清淤方便綜合確定，臨時集水坑按照匯水段水量大小定。泵站水泵采用相應大小的落地支架安置，支架使用I14工字鋼及支撐鋼筋現(xiàn)場進行加工；臨時集水坑用小型泥漿泵采用吊掛的方式安置，方便隨時移動。此外，每臺水泵電機外側需要用密網(wǎng)網(wǎng)片防護，防止碎石等雜物掉入，燒壞電機。密網(wǎng)采用5mm*5mm細金屬絲網(wǎng)格，這種網(wǎng)格比較柔軟，方便安裝。

斜井排水時，根據(jù)每段出水量不同，在底板上設置橫向聯(lián)系水溝，將路面及未設置泵站側的水引流入設置泵站的一側。聯(lián)系水溝采用工字鋼及螺紋鋼制作支撐架，方便車輛通行及泥沙清理。

南平隧道排水相應分為進口（主洞DK42+260～DK44+300）、1#斜井（主洞DK44+300～DK46+327）、2號斜井（主洞DK46+327～DK47+947）、3號斜井（主洞DK47+947～DK49+700）、出口（主洞DK49+700～DK52+125）五部分。其中斜井均為反坡排水；2號斜井承擔主洞部分為混合排水。

2.3 工點實施方案

①工點出水量。

1#斜井（主洞DK44+300～DK46+327）

此段反坡掘進僅為斜井本身780m，最大涌水量正洞2000 m3/d、斜井1234.8 m3/d；正常涌水量正洞1345 m3/d、斜井823.2 m3/d。

2#斜井（主洞DK46+327～DK47+947）

此段反坡掘進僅為斜井本身1502m，最大涌水量正洞2000m3/d、斜井1664.175m3/d；正常涌水量正洞1130m3/d、斜井1109.45m3/d。其中正洞反坡排水673m，最大涌水量1167.449 m3/d，正常涌水量776.01 m3/d。

3#斜井（主洞DK47+947～DK49+700）

此段反坡掘進僅為斜井本身1346m，最大涌水量正洞5500 m3/d、斜井2236.68 m3/d；正常涌水量正洞3680 m3/d、斜井1491.12 m3/d。

②排水設置。

綜合考慮涌水量、斜井坡度、水泵揚程和集水難度、排水可靠程度等因素，確定1#斜井設置2個固定泵站，一級泵站設置在斜井與正洞交接處，距離斜井口480m處再設二級泵站。確定2#斜井設置4個固定泵站，一級泵站設置在斜井與正洞交接處，距離交接處312m，712m，1112m設二，三，四級泵站。確定3#斜井設置3個固定泵站，一級泵站設置在斜井與正洞交接處，距離交接處446m，896m設二，三級泵站。見南平隧道主洞及斜井排水示意圖。根據(jù)本地地質條件，排水主要采用渣漿泵及臥式離心泵，各集水點可根據(jù)實際水量大小靈活增減泵的數(shù)量。排水示意圖見圖2。

③管道選用。

在富水斜井抽排水過程中管道的選型也至關重要，正確選擇管道型號將直接影響水在管道內的流速，即水泵的揚程。根據(jù)《煤炭安全規(guī)程》第二百七十八條，水管必須有工作和備用的水管。工作水管的能力應能配合工作水泵在20h內排出礦井24h的正常涌水量。工作和備用水泵的總能力，應能配合工作和備用水泵在20h內排出礦井24h的最大涌水量。為滿足管道抽水設備的使用要求，根據(jù)出水量情況及不同管徑管損情況最終確定。

④應急措施。

在每個泵站處的φ200mm高壓風管上設接頭，發(fā)生突然涌水時，結合備用水泵進行抽水，加快抽水進度。

2.4 泵站設計

由于三號斜井泵站每小時最大排水量為386.834 m3/h，結合現(xiàn)場施工經(jīng)驗，考慮一定的富余時間，每個泵站儲水時間按3 min考慮，計算得每分鐘儲水量為：386.834/60=6.447 m3，則三分鐘儲水量為6.447×3=19.342m3，考慮泵站水泵較多，預留備用水泵安放位置。泵站儲水量按50 m3設計。

斜井泵站水倉為一個沿隧道開挖方向長8m、寬3m、深2m的深坑，儲水量為50m3，考慮到隧道內，特別是2#斜井泥漿較多，為方便清理，水倉不宜過深。在隧道側壁開挖后以挖掘機為主、人工為輔的原則開挖至設計尺寸。開挖后對圍巖進行掛網(wǎng)、噴射混凝土，視圍巖具體情況施作加強支護（格柵或鋼拱架）。

2.5 底板水溝及橫向截水溝的施做

斜井底板的施做時需要施做雙側臨時排水溝，臨時排水溝溝底及內側需要進行砂漿抹面，防止污水侵泡拱腳。

根據(jù)隧道的出水量及出水點位置的分布，每隔一段距離需要在底板上施做橫向聯(lián)系水溝以防止污水漫流，將臨時排水溝中的污水引入泵站或臨時集水坑中排出。橫向聯(lián)系水溝根據(jù)排水需要的不同分為以下兩種情況：

①隧道出水、反流水中含泥沙量較少時，采用風鎬在既有底板需要截水處鑿出寬8cm，深10cm的小水溝，并安排隧道清潔工定時清理，防止水溝堵塞，污水外溢。

②隧道出水中含泥沙量較大時，可在底板施工時預留寬40cm，深16cm的橫向聯(lián)系水溝，并在底板施工完成后根據(jù)預留的水溝尺寸加工過車拱架放入水溝，過車拱架采用兩根I14工字鋼及Φ22鋼筋組成，將工字鋼緊貼于水溝的兩側，并將鋼筋按8cm的間距焊接好。水溝清理時可以采用高壓水管進行沖洗。也可將過車拱架抬起后進行人工清理。

所有的橫向聯(lián)系水溝都帶有一定的自然坡度，有泵站或集水坑的一側低于沒有的一側，同時，在沒有集水坑的一側橫向水溝與縱向水溝交接處進行堵水（堵水可使用混凝土在交接處施做高10cm左右的小擋墻，也可使用小型沙袋等堵水設施），方便污水匯集排處。

2.6 泵站堵水及臨時集水坑的處理

因泵站的長度較長，斜井自然坡度較大，造成泵站結束位置標高遠低于起始位置，實際儲水量減少且易造成污水反流，因此要對泵站結束位置進行堵水處理。處理時可以施做砼擋墻，也可就地取材，使用較為完整的洞渣進行漿砌，具體尺寸根據(jù)現(xiàn)場的實際情況施做。同時要有工人配合及時清理淤泥。

隧道內的臨時集水坑在使用結束后立即進行洞渣回填，回填完成后選用完整的洞渣漿砌縱向排水溝，將集水坑兩側的排水溝連接起來形成完整的排水體系。

3 環(huán)境保護措施

環(huán)境保護是我國的一項基本國策，項目施工應與當?shù)丨h(huán)保部門聯(lián)合協(xié)作，針對當?shù)刈匀画h(huán)境、生態(tài)環(huán)境特點，嚴格控制施工污水污染，切實抓好施工期間的環(huán)境與生態(tài)保護工作。

在各個泵站設置沉淀池1個，將污水沉淀、過濾后在通過泥漿泵逐級抽水至洞外排水系統(tǒng)進行排放。洞口處設三級沉淀池，對洞內抽出的污水進行再次沉淀。

4 結束語

南平隧道采用永臨泵站結合，多層次分段排水工藝后，取得了顯著成效，多次突水、涌水均受到有效控制，及時解決，未出現(xiàn)工作面積水情況，緩解了工程工期壓力。目前斜井施工累計達到4000m，每日單口最大出水量為7800m3，截止目前，排水系統(tǒng)運轉正常。

參考文獻：

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[2]鐵路隧道防排水施工技術指南[S].北京：中國鐵道部出版社，2009.

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