淺談隧洞內(nèi)長距離高揚(yáng)程抽排水方案的制定與實(shí)施

郝 利 軍

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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淺談隧洞內(nèi)長距離高揚(yáng)程抽排水方案的制定與實(shí)施

郝 利 軍

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

介紹了朝陽二標(biāo)5#支洞工作面的排水特點(diǎn)、施工方案的總體思路、抽排水設(shè)備配置情況、計(jì)算及附屬排水設(shè)施配置情況，可供類似工程參考。

朝陽二標(biāo)；隧洞施工；排水方案；制定與實(shí)施

1 工程概述

朝陽二標(biāo)項(xiàng)目位于遼寧省北票市和朝陽市雙塔區(qū)境內(nèi)，主體工程為引水隧洞和地下泵站，包括壓力引水隧洞、地下廠房洞室群及其附屬洞室、交通洞、機(jī)電設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)安裝等工程。

引水隧洞為有壓洞，全長約12 km。開挖斷面為圓拱斜墻，開挖面積約20 m2，屬于小斷面，平均坡度為0.007 6%，成洞直徑3.9 m。另外，分別布置了5#、6#、7#、8#四條施工支洞，長度分別為1 245 m、880 m、1 120 m、1 215 m。支洞斷面為圓拱直墻型，開挖斷面尺寸為5.2 m×5.25 m (寬×高)，均為倒坡，坡度約11%～13.7%。

洞室部位除中生代沉積的復(fù)成分礫巖、礫巖、砂巖、頁巖外，大部分洞室部位的弱風(fēng)化～新鮮狀巖石均為中硬巖～堅(jiān)硬巖。

工程穿越地區(qū)地下水主要為松散類孔隙水、基巖裂隙水，賦水性較差，基巖裂隙水地下水活動(dòng)微弱；穿越斷層破碎帶等構(gòu)造發(fā)育部位為構(gòu)造裂隙水，其賦水性較好，滲透性較強(qiáng)，易產(chǎn)生涌水或突水，影響洞室穩(wěn)定。

2 排水特點(diǎn)

2.1 排水揚(yáng)程大

5#支洞口底板高程為216 m，支洞與主洞交叉口底板高程為72 m，高差為144 m，支洞縱坡坡比為13.7%?？紤]到排水管路的水頭損失，水泵的實(shí)際揚(yáng)程遠(yuǎn)大于地形揚(yáng)程。

2.2 排水距離長

5#支洞長度為1 245 m，采用兩級(jí)排水，兩臺(tái)泵水平距離超過620 m。

2.3 涌水量較大

工程穿越地區(qū)的地下水主要為松散類孔隙水、基巖裂隙水，賦水性較差，基巖裂隙水地下水活動(dòng)微弱；穿越斷層破碎帶等構(gòu)造發(fā)育部位為構(gòu)造裂隙水，其賦水性較好，滲透性較強(qiáng)，易產(chǎn)生涌水或突水，影響洞室穩(wěn)定。各支洞及控制主洞段滲水量見表1 。

表1 各支洞及控制主洞段滲水量計(jì)算表

3 抽排水方案設(shè)計(jì)的總體思路

3.1 抽排水分期

根據(jù)對(duì)支洞與主洞坡度、設(shè)計(jì)出水量、供電線路負(fù)荷及排水費(fèi)用等方面考慮，朝陽二標(biāo)隧洞施工主要分兩個(gè)階段安排：

第一階段，支洞開挖排水期水量較少，可以采用兩級(jí)或三級(jí)排水，采取移動(dòng)泵站與固定泵站結(jié)合的形式進(jìn)行接力排水。

第二階段，主洞開挖排水期水量逐漸增加，采用兩級(jí)排水，在支洞與主洞交叉口附近設(shè)置較大的集水坑，中部設(shè)中轉(zhuǎn)集水坑，采取固定的泵站進(jìn)行接力排水。

鑒于主洞內(nèi)的坡度特別緩，故抽排水方案的整體思路主要考慮支洞部分。5#支洞排水系統(tǒng)縱斷面布置情況見圖5。

圖1 5#支洞排水系統(tǒng)縱斷面布置簡圖

3.2 抽排水方案選擇的難點(diǎn)

(1)在設(shè)計(jì)過程中，每個(gè)隧洞對(duì)應(yīng)的涌水值是一個(gè)估算值，實(shí)際施工時(shí)可能水量較大，若選擇排水能力小則可能導(dǎo)致安全隱患；實(shí)際施工時(shí)，也可能水量較小，若選擇排水能力大則導(dǎo)致施工成本增加。

(2)設(shè)計(jì)圖中僅給出正常水量，而未給出最大涌水量。因此，如何確定水量的基本參數(shù)，只能根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)。

(3) 一次性投入泵站、管路及相關(guān)配件的成本大，因此，必須經(jīng)過反復(fù)比選才能確定比較經(jīng)濟(jì)、合理的方案。

3.3 抽排水方案的比選

根據(jù)隧洞內(nèi)涌水及抽水泵站位置的設(shè)計(jì)，項(xiàng)目部進(jìn)行了方案論證比選，提出了3種不同方案，并對(duì)方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)比選。

方案一：一主一備一管路。該方案是采用一臺(tái)水泵滿足排水量及揚(yáng)程要求；一臺(tái)作為備用，只在更換、維修設(shè)備時(shí)使用；設(shè)一條排水管路。該方案的特點(diǎn)是泵站排水能力大，安裝使用方便，但設(shè)備功率大，啟動(dòng)電壓大，負(fù)荷集中，對(duì)變壓器及供電線路要求高且浪費(fèi)嚴(yán)重。

方案二：兩泵兩管路。該方案是2臺(tái)水泵同時(shí)開啟時(shí)滿足排水量及揚(yáng)程要求，每一個(gè)水泵設(shè)置一條管道。該方案的特點(diǎn)是1臺(tái)水泵不滿足要求、需2臺(tái)水泵同時(shí)開啟，安裝時(shí)間較長，且使用時(shí)需同時(shí)關(guān)注2臺(tái)泵的運(yùn)行工況。在最大排水量時(shí)，如遇設(shè)備故障維修則耽誤現(xiàn)場施工，需配備備用水泵，但該設(shè)備功率較小，啟動(dòng)電壓低，對(duì)變壓器及供電線路要求較低，前期水量較小時(shí)一臺(tái)水泵開啟即可滿足要求，節(jié)約用電量及水泵成本。

方案三：兩泵一管路。該方案是2臺(tái)水泵同時(shí)開啟時(shí)滿足排水量，且單臺(tái)水泵開啟滿足揚(yáng)程要求，2臺(tái)水泵共用一條管道。該方案的特點(diǎn)是1臺(tái)水泵不滿足要求、需2臺(tái)水泵同時(shí)開啟，管道內(nèi)流速較快，對(duì)安裝精度及水管質(zhì)量要求較高，且使用時(shí)需注意開啟的先后時(shí)間；在最大排水量時(shí)，如遇設(shè)備故障維修則要耽誤現(xiàn)場施工，需配備備用水泵，但設(shè)備功率較小，啟動(dòng)電壓低，對(duì)變壓器及供電線路要求較低，前期水量較小時(shí)，一臺(tái)水泵開啟即可滿足要求，節(jié)約用電量及管路成本。

通過對(duì)三種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比選，最終確定采用方案三。根據(jù)方案三的思路選擇管道類型和尺寸、水泵型號(hào)、水泵揚(yáng)程及排水量。

4 排水設(shè)備配置計(jì)算

4.1 抽水能力

抽水設(shè)備的抽水能力計(jì)算按照正常排水量的120%考慮。5#支洞抽水設(shè)備的抽水能力為1.2×132.4=158.8(m3/h)。

4.2 水泵排水能力(流量)

水泵排水能力Q的計(jì)算公式為：

Q=c/m×q

式中c為涌水不均勻系數(shù)，取 值 范 圍 為1.3～

1.5，取1.4；m為水泵時(shí)間利用系數(shù)，取值范圍為0.8～0.85，取0.85；q為涌水量。

Q=1.4/0.85×158.8=262(m3/h)。經(jīng)計(jì)算，泵站總排水量需大于262 m3/h，并有一定富裕量為宜。

4.3 水泵揚(yáng)程

水泵揚(yáng)程H的計(jì)算公式為：

H=(L1+L2)×sina(1+K)

式中L1為排水管長度，采用兩級(jí)排水，取1 245/2=622.5(m)；L2為吸水管長度，取2 m；K為管路阻力換算揚(yáng)程系數(shù)，取0.2；a為排水管路傾角，取6°。

H=(622.5+2)×sina(1+0.2)=78.33(m)，經(jīng)計(jì)算，水泵額定揚(yáng)程需大于79 m，并有一定富裕高程為宜。

4.4 水泵的選擇

通過上述計(jì)算并考慮到洞內(nèi)水泵的運(yùn)行環(huán)境及維修更換方便程度，在支洞與主洞交叉口附近的較大集水坑和中部中轉(zhuǎn)集水坑各配置4臺(tái)55 kW離心泵(揚(yáng)程103 m，流量112 m3/h，效率70%)，其中1臺(tái)備用；2臺(tái)37 kW離心泵(揚(yáng)程87 m，流量60 m3/h，效率70%)，其中1臺(tái)備用。

4.5 排水管的選擇

3臺(tái)55 kW水泵和1臺(tái)37 kW水泵為一組，并聯(lián)一根排水管，水泵效率取值0.7。

排水管D=232 mm，選取φ250排水管。

若出現(xiàn)超出最大涌水量的情況，可以考慮利用供風(fēng)管應(yīng)急排水。抽水設(shè)備隨主洞施工進(jìn)度、涌水量的增加，逐步由小到大配置到位，以滿足施工抽排水的需要。

根據(jù)隧洞寬度及風(fēng)水管布置高度與寬度情況，考慮到在洞內(nèi)施工時(shí)、特別是行車出渣對(duì)管路的影響以及重復(fù)利用率，最終選擇采用螺旋焊接管作為排水管路。

5 附屬排水設(shè)施

5.1 水泵自動(dòng)化裝置

水泵自動(dòng)化裝置主要采用三相微電腦水位控制器控制水泵運(yùn)行，其具有的主要功能與優(yōu)點(diǎn)：

(1)集水坑水深達(dá)到設(shè)定高度水泵自動(dòng)啟動(dòng)，水位下降到一定高度水泵自動(dòng)停止運(yùn)行。

(2)集水坑有兩臺(tái)水泵時(shí)，在設(shè)定第一水位時(shí)，較小功率水泵運(yùn)行，或者兩臺(tái)較大功率水泵自動(dòng)輪換工作。一臺(tái)工作水泵出故障時(shí)自動(dòng)切斷電源，另一臺(tái)水泵自動(dòng)投入工作。當(dāng)水位上升到設(shè)定的第二水位時(shí)，兩臺(tái)水泵自動(dòng)啟動(dòng)，同時(shí)工作。

(3)具有短路、過流、過熱等保護(hù)裝置。

(4)具有各種工作狀態(tài)、水位及各種事故信號(hào)。

(5)自動(dòng)化系統(tǒng)安全可靠，節(jié)省勞動(dòng)力，提高抽水效率。

5.2 集水坑的設(shè)置

(1)支洞與主洞交叉口集水坑的設(shè)置?？紤]到周邊鋼支撐防護(hù)，預(yù)留不少于50 cm的保護(hù)距離，開挖長條形集水坑，深度不小于2 m，儲(chǔ)水容積按照設(shè)計(jì)出水量30 min計(jì)算，132×0.5=66(m3)，設(shè)計(jì)尺寸為8 m×3 m×3 m(長×寬×高)，設(shè)計(jì)容量為72 m3；中轉(zhuǎn)集水坑儲(chǔ)水容積按照設(shè)計(jì)出水量15 min計(jì)算，132×0.25=33(m3)，設(shè)計(jì)尺寸為6 m×3 m×2.5 m(長×寬×高)，設(shè)計(jì)容量為45 m3。

(2)根據(jù)洞內(nèi)寬度及行車要求，集水坑占用了行車寬度。為解決上部通車問題，特別設(shè)計(jì)了集水坑保護(hù)蓋板(型鋼骨架作為支撐，上部鋪設(shè)0.8 cm厚鋼板防護(hù)蓋板，鋼板上部焊接螺紋鋼做防滑處理)，防護(hù)蓋板靠近水泵一側(cè)上部安裝了型鋼及鋼筋篦子，以便于安裝吸水管、水泵自動(dòng)化裝置并觀察集水坑使用狀態(tài)。

(3)集水坑周圍設(shè)置防護(hù)欄桿、安全警示標(biāo)志及警示彩帶。

(4)為便于后期清理、避免淤泥堵塞水泵進(jìn)水口，集水坑按照3級(jí)沉淀池設(shè)計(jì)。

5.3 排水管路的安全保證措施

(1)鋼管連接采用法蘭盤加橡膠密封墊。

(2)排水管每隔300 m設(shè)置閘閥及止回閥并預(yù)留抽排水接口，以備超大涌水時(shí)使用。

(3)洞內(nèi)風(fēng)水管路在集水坑處預(yù)留排水接口，以備應(yīng)急使用。

5.4 供電保證措施

(1)備用一趟鋁芯電纜2×240+120，以備超大涌水時(shí)供電使用。

(2)在支洞與主洞交叉口集水坑前部設(shè)置三相全自動(dòng)補(bǔ)償電力穩(wěn)壓器SBW-500 kVA一臺(tái)，當(dāng)電壓降低至304 V時(shí)仍能維持穩(wěn)定輸出電壓380 V，保證大功率用電器穩(wěn)定電力的供應(yīng)。

(3)在洞口配置備用發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)容量不小于630 kW，與主變壓器設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，緊急停電時(shí)，以方便及時(shí)轉(zhuǎn)換為備用發(fā)電。

(4)所有電源啟動(dòng)均采用相匹配的啟動(dòng)柜和開關(guān)柜，所有水泵采用一泵、一線、一箱、一閘、一漏和三項(xiàng)五線制。

5.5 排水溝

按照設(shè)計(jì)圖紙布置排水溝，尺寸為400 mm×150 mm(寬×深)，排水管路及集水坑布置在排水溝一側(cè)，所有排水溝最終均與集水坑相連。

6 注意事項(xiàng)

(1)排水系統(tǒng)由專人負(fù)責(zé)運(yùn)行、維護(hù)、管理，24 h值班。要求水泵廠家專業(yè)技術(shù)人員做專門培訓(xùn)，合格后方可上崗并定期現(xiàn)場指導(dǎo)服務(wù)。

(2)做好抽排水泵站的設(shè)備保養(yǎng)及集水坑日常清理工作，定期檢查、維修水泵及管路。

(3)對(duì)水泵進(jìn)水口包裹鐵窗紗，距集水坑底板高度不小于50 cm，可以防止污泥及雜物進(jìn)入而發(fā)生堵塞。

(4)定期檢查抽排水供電線路，盡量避免因供電線路問題導(dǎo)致的抽水中斷，抽排水人員隨時(shí)關(guān)注用電安全。

(5)施工時(shí)隨時(shí)存在突發(fā)大涌水的可能，應(yīng)備有足夠的移動(dòng)式潛水泵，隨時(shí)準(zhǔn)備應(yīng)急。

(6)洞外應(yīng)設(shè)置三級(jí)沉淀池，洞內(nèi)抽排出的污水經(jīng)沉淀后排放。

(7)應(yīng)做好突發(fā)涌水的應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行應(yīng)急演練，加強(qiáng)施工人員的安全培訓(xùn)。

7 結(jié) 語

朝陽二標(biāo)項(xiàng)目隧洞施工排水方案采用移動(dòng)泵站與固定泵站相結(jié)合、分期分段多種方式相結(jié)合的抽排方式，對(duì)洞內(nèi)排水系統(tǒng)提前籌劃、為主洞正常施工提供了有利保障，同時(shí)很好地保證了施工安全，滿足了施工進(jìn)度要求。目前朝陽二標(biāo)5#支洞施工已完成，正在施工主洞。支洞出水量約為30 m3/h，小于設(shè)計(jì)給出的50 m3/h滲水量，僅開啟一臺(tái)37 kW水泵即可滿足抽排水要求。目前看：施工排水系統(tǒng)水泵排水能力設(shè)計(jì)富裕量偏大，但抽排水系統(tǒng)發(fā)揮作用明顯。隧洞內(nèi)抽排水方案既需要理論計(jì)算，也要參考類似工程經(jīng)驗(yàn)，排水能力既不能過大，也不能過小，隧洞抽排水必須備用一定量的水泵以備更換維修或突然涌水時(shí)使用。

[1] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術(shù)手冊(cè)[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[2] 鐵路隧道輔助坑道技術(shù)規(guī)范，TB10109-95[S].

[3] 鐵路隧道防排水技術(shù)規(guī)范，TB10119-2000[S].

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2017-04-23

TV554;TV51；TV52

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1001-2184(2017)03-0087-04

郝利軍(1982-),男，山西渾源人，項(xiàng)目總工程師，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.