公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水及其優(yōu)化技術(shù)

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福州350000)

公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水及其優(yōu)化技術(shù)

■董健

(中鐵十七局集團(tuán)第六工程有限公司，福州350000)

本文結(jié)合福建省南平至順昌高速公路項(xiàng)目的大窠山2#隧道工程，試分析當(dāng)前公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水技術(shù)的實(shí)施及優(yōu)化策略，旨在為今后的建設(shè)發(fā)展提供理論支持。

公路隧道工程長(zhǎng)距離反坡排水技術(shù)優(yōu)化

0 前言

在公路隧道的施工過(guò)程中，由于施工建設(shè)的特殊性會(huì)出現(xiàn)很多特殊的具有危險(xiǎn)性的情況，如果不能全面應(yīng)對(duì)這些情況，就會(huì)嚴(yán)重影響到施工建設(shè)的工程質(zhì)量與效率，甚至?xí)＜暗绞┕と藛T的生命安全。為此，要保障公路隧道的質(zhì)量，盡可能地避免災(zāi)情的發(fā)生，就需要大力加強(qiáng)各項(xiàng)技術(shù)工藝的優(yōu)化工作，提高建設(shè)施工技術(shù)的水平將具有十分深遠(yuǎn)的現(xiàn)實(shí)意義。其中，長(zhǎng)距離反坡排水技術(shù)能夠有效地防止公路隧道發(fā)生突涌水災(zāi)害，確保施工的順利與質(zhì)量安全。為探討公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水及其技術(shù)優(yōu)化問(wèn)題，筆者以福建省南平至順昌高速公路項(xiàng)目的大窠山2#隧道為實(shí)例試進(jìn)行分析。

1 工程概況

大窠山2#隧道位于南平市延平區(qū)境內(nèi)，采用雙向四車道分離式雙洞隧道設(shè)計(jì)，隧道建筑限界凈寬10.25m，凈高5.0m。施工起訖樁號(hào)為左洞ZK4+949～ZK7+943，右洞YK4+929～YK7+920，左洞長(zhǎng)2994m，右洞長(zhǎng)2991m，為長(zhǎng)隧道，由A1、A2兩個(gè)合同段雙向掘進(jìn)施工，為南平延順高速控制性工程。其中A1合同段由隧道的小里程向大里程方向施工，左洞的施工里程為ZK4+949～ZK7+ 026，洞長(zhǎng)2077m，縱坡為-1.58%，進(jìn)洞口至合同段終點(diǎn)最大高差為32.82m；右洞的施工里程為YK4+929～YK7+ 000，洞長(zhǎng)2071m，縱坡為-1.57%，進(jìn)洞口至合同段終點(diǎn)最大高差為32.51m。

2 基于涌水量動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)距離反坡排水技術(shù)

相較于其他地處穿越大峽河谷地段以及構(gòu)造帶褶皺的公路隧道而言，大窠山2#隧道總體地表水資源貧乏，但這并不意味著其不需要進(jìn)行長(zhǎng)距離反坡排水施工，盡管沒(méi)有大量的地表水資源，但是其所處址區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏著水量豐富的地下水，且為基巖裂隙水。如果不進(jìn)行良好的排水處理，很可能會(huì)發(fā)生突涌水現(xiàn)象，導(dǎo)致隧道被淹、工期延誤或者累及他人生命財(cái)產(chǎn)安全的情況。為此，必須要將長(zhǎng)距離反坡排水問(wèn)題納入到大窠山2#隧道的修建工程重點(diǎn)中，“建立起基于涌水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)距離反坡排水設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)，并提出‘監(jiān)測(cè)先行、動(dòng)態(tài)調(diào)整、安全高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)?！拈L(zhǎng)距離反坡排水原則?！盵1]

2.1 前期涌水量預(yù)估工作

首先，要提前做好隧洞涌水量的預(yù)估工作。為確保能夠得到精準(zhǔn)、有效的隧洞涌水量預(yù)估值，需要對(duì)隧洞的地質(zhì)情況、水文條件進(jìn)行全面、細(xì)致的考察，得出施工所需的詳細(xì)數(shù)據(jù)信息，并細(xì)心搜集大量關(guān)于區(qū)域水文氣象的資料，以此為主要依據(jù)判斷分析隧道的涌水量數(shù)值。在進(jìn)行涌水量計(jì)算預(yù)估時(shí)，工作人員可以應(yīng)用地下徑流模數(shù)法或降水入滲法，地下徑流模數(shù)法是對(duì)地下徑流模數(shù)的求解，在實(shí)際測(cè)得水面流量后做出的計(jì)算。而降水入滲法主要是利用大氣降水的入滲量來(lái)進(jìn)行預(yù)估，兩種方法都較為簡(jiǎn)便，在預(yù)估時(shí)會(huì)存在一定程度上的偏差。大窠山2#隧道在結(jié)合了施工圖紙計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)對(duì)照后推算出，左洞總計(jì)正常涌水量為7915m3/d，總計(jì)最大涌水量為10949m3/d；右洞總計(jì)正常涌水量為5616.8m3/d，總計(jì)最大涌水量為7040.6m3/d。

2.2 長(zhǎng)距離反坡排水預(yù)行方案制定

為保障反坡排水設(shè)計(jì)的質(zhì)量與安全，須對(duì)隧洞各段落的涌水量進(jìn)行分析預(yù)估，在得到相應(yīng)的較為精準(zhǔn)的預(yù)估值后制定反坡排水方案，方案的制定原則應(yīng)具有針對(duì)性、全面性、合理性、可操作性，方案涉及到的主要內(nèi)容為施工設(shè)備的籌劃與選型、排水系統(tǒng)的要求與布置、以及預(yù)測(cè)各種可能發(fā)生的突涌水風(fēng)險(xiǎn)，并做好相應(yīng)的安全對(duì)策。

2.3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作

反坡排水技術(shù)是一個(gè)長(zhǎng)期的、任重道遠(yuǎn)的工作，在制定了較為合理的預(yù)行方案后，應(yīng)采取地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)大窠山2#隧道進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察與監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)時(shí)主要針對(duì)隧洞的涌水點(diǎn)受地質(zhì)情況或天氣變化影響的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況。并根據(jù)其實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)情況做進(jìn)一步的方案調(diào)整，以期能夠達(dá)到優(yōu)先排水、防治結(jié)合、經(jīng)濟(jì)高效、安全無(wú)患的排水目的。

2.4 長(zhǎng)距離反坡排水實(shí)施

針對(duì)大窠山2#隧道的具體情況，反坡排水方案采用機(jī)械排水，設(shè)置多級(jí)泵站接力排水，固定泵站和移動(dòng)泵站相結(jié)合的方式。首先，在掌子面位置開挖下斷面，與仰拱之間在隧道中線每隔50m設(shè)置1處臨時(shí)匯水坑，先將掌子面滲流水經(jīng)水溝匯集至坑內(nèi)，再就近抽至移動(dòng)泵站或固定泵站，直至將洞內(nèi)積水抽至隧道外污水池并經(jīng)三級(jí)處理后進(jìn)行排放，同時(shí)洞口需設(shè)置截水溝，防止洞外水倒流。大窠山2#隧道設(shè)置移動(dòng)泵站和固定泵站各2處，臨時(shí)泵站集水坑采用鋼板加工水箱，排水機(jī)械為排污泵，固定泵站設(shè)置于緊急停車帶位置，采用混凝土結(jié)構(gòu)，排水機(jī)械為單級(jí)雙吸中開泵。

3 公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水系統(tǒng)的技術(shù)

公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水，可采用長(zhǎng)距離管道配合小型水泵與集水坑接力式反坡排水兩種技術(shù)方法進(jìn)行實(shí)施。

3.1 長(zhǎng)距離管道配合小型水泵

大窠山2#隧道采用的是較長(zhǎng)距離開挖固定式集水坑作為泵站，用小集水泵將開挖面的積水抽到最近的集水坑內(nèi)，再用大功率的泥漿泵通過(guò)排水管道將水排至移動(dòng)泵站、固定泵站后排到洞外。如圖1所示：

圖1 隧洞內(nèi)平面布置示意圖

將積水利用小集水泵抽到集水坑內(nèi)可以有效地減少能源的消耗，提高排水施工的效率，是基于功率最優(yōu)化的長(zhǎng)距離排水設(shè)計(jì)。

3.2 集水坑接力式反坡排水

在進(jìn)行長(zhǎng)距離反坡排水時(shí)，由于距離較長(zhǎng)，所以對(duì)抽水泵有著很高的要求，需要其具有足夠的揚(yáng)程。為此，可以采用增加集水坑、分段抽排水的方式，將積水通過(guò)一級(jí)一級(jí)的水泵最終抽至排水段，再排至隧道洞外的處理池。如圖2所示：

圖2 集水坑接力式反坡排水

以上兩種技術(shù)方法應(yīng)結(jié)合實(shí)地情況建設(shè)排水系統(tǒng)，做到“因地制宜、綜合治理”，不能一味追求經(jīng)濟(jì)成本而忽略了排水系統(tǒng)的質(zhì)量，對(duì)人們生命財(cái)產(chǎn)安全失責(zé)，也不能一味治理排水大患而肆意揮霍成本，最終得不償失。治理要謹(jǐn)遵“防、排、截、堵”的四字原則，通過(guò)對(duì)反坡排水技術(shù)的精心設(shè)計(jì)與優(yōu)化加強(qiáng)，力求做到排水量的大幅增加與經(jīng)濟(jì)成本的有效減少，實(shí)現(xiàn)效益與質(zhì)量的雙贏。

4 常規(guī)長(zhǎng)距離反坡排水積水存在的問(wèn)題

長(zhǎng)距離管道配合小型水泵與集水坑接力式反坡排水兩種技術(shù)方法都是較為常規(guī)的公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水技術(shù)，在設(shè)計(jì)應(yīng)用的過(guò)程中能起到非常良好的排水效果，但是仍存在一些不容忽視的問(wèn)題，亟待解決及優(yōu)化。

4.1 數(shù)據(jù)誤差

“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(cè)是基于設(shè)計(jì)涌水量，采用地質(zhì)分析法，通過(guò)收集分析地質(zhì)資料、地表詳細(xì)調(diào)查等方法，了解隧道所處地段的地質(zhì)條件，運(yùn)用地質(zhì)學(xué)理論，對(duì)比、論證、判斷和預(yù)報(bào)隧道施工前方的工程及水文地質(zhì)情況?！盵2]這也就意味著，涌水量預(yù)估的數(shù)據(jù)值可能與實(shí)際開挖過(guò)程中的涌水量有出入，一旦誤差過(guò)大，就會(huì)出現(xiàn)排水系統(tǒng)能力不足或過(guò)強(qiáng)的情況，如果涌水量比預(yù)估數(shù)據(jù)值大，排水系統(tǒng)能力不足，就會(huì)導(dǎo)致涌水災(zāi)害的發(fā)生，給施工的效率、質(zhì)量，甚至人身安全帶來(lái)嚴(yán)重的影響，如果涌水量比預(yù)估數(shù)據(jù)值小，排水系統(tǒng)能力過(guò)強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致資源配置的極大浪費(fèi)，造成能源、資金成本的大量消耗，不利于工程的經(jīng)濟(jì)效益與國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施。目前，基于涌水量預(yù)估和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的隧道長(zhǎng)距離反坡排水技術(shù)尚處在不完全成熟的階段，有很大的優(yōu)化發(fā)展空間，公路隧道施工應(yīng)進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，為獲取更為精準(zhǔn)的涌水量預(yù)估值發(fā)揮效用。

4.2 設(shè)計(jì)方案不全面

常規(guī)長(zhǎng)距離反坡排水技術(shù)確實(shí)存在許多可取之處，但是在其方案的設(shè)計(jì)中，往往只針對(duì)水泵的工作能力做出要求，來(lái)選擇水泵的分級(jí)以及功率，卻忽略了市場(chǎng)上水泵的單位價(jià)格與實(shí)際工作中水泵功率的能源消耗量，大功率水泵有著良好的抽排水效果，但是在單位價(jià)格與能源消耗上也比較大，小功率水泵的抽排水效果不及大功率水泵，但是其單位價(jià)格與能源消耗上也相對(duì)較小，如果只考慮工作能力，卻不將市場(chǎng)價(jià)格與能源的消耗考慮在內(nèi)的話，就會(huì)造成水泵功率與實(shí)際工程排水及成本控制的不對(duì)應(yīng)，導(dǎo)致水泵排水能力過(guò)剩，以至于浪費(fèi)了大量的能源和資金成本，對(duì)于我國(guó)公路隧道建設(shè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展極其不利。

要想有效解決這些問(wèn)題，就必須加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)距離反坡排水設(shè)計(jì)以及技術(shù)施工的優(yōu)化，切實(shí)將排水問(wèn)題考慮得更加全面、充分、合理，以追求經(jīng)濟(jì)、質(zhì)量、效率的三重達(dá)標(biāo)。

5 長(zhǎng)距離反坡排水設(shè)計(jì)與技術(shù)優(yōu)化

5.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)化

為了隨時(shí)對(duì)隧洞的各段落涌水風(fēng)險(xiǎn)做出較為準(zhǔn)確的評(píng)估，應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)作出優(yōu)化，在進(jìn)行地質(zhì)探測(cè)時(shí)，采用瞬變電磁與激發(fā)極化技術(shù)，瞬變電磁技術(shù)利用的是不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場(chǎng)，并在地下導(dǎo)電巖礦體中產(chǎn)生感應(yīng)電流的原理，具有施工效率高、異常響應(yīng)強(qiáng)、不影響地形情況的優(yōu)勢(shì)，可以較為迅速、精準(zhǔn)地探測(cè)出水文地質(zhì)情況。而激發(fā)極化技術(shù)是尋找金屬和解決水文地質(zhì)、工程地質(zhì)等問(wèn)題最常用的電法勘探方法，利用的是巖石、礦石的激化極化效應(yīng)，具有操作簡(jiǎn)便、效果明顯等優(yōu)勢(shì)。這樣可以有效獲取地下水區(qū)的位置，并根據(jù)地下水區(qū)的大小預(yù)估地下水的含水量。

5.2 超前鉆探技術(shù)

在確定了含水區(qū)位置及大小，預(yù)估了地下水含量后，可以采用超前鉆探技術(shù)來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步的判斷分析，繼而得到更加精準(zhǔn)有效的結(jié)果。

超前鉆探是為了查明隧道開挖前方的地質(zhì)狀況，從開挖面附近朝掘進(jìn)方向鉆水平孔進(jìn)行探察的技術(shù)，這種技術(shù)具有良好的控制性，造成的破壞小，獲得的信息明確，通過(guò)鉆孔，可以根據(jù)鉆探獲得的巖芯、巖粉進(jìn)行觀察，以及鉆孔時(shí)的進(jìn)展方向、地下水壓力的變化等都可以作為獲取數(shù)據(jù)來(lái)源的資料，能夠預(yù)測(cè)地下水情況，以此來(lái)推測(cè)出涌水量的數(shù)據(jù)值。

5.3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)涌水量的抽排水設(shè)置

“在隧道施工過(guò)程中，富水隧道的排水，特別是長(zhǎng)距離反坡排水是必須解決的難題”[3]，只有及時(shí)排出隧道內(nèi)匯集的水源，才能有效避免施工過(guò)程中的突涌水情況帶來(lái)的安全隱患。然而在實(shí)際施工過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)抽排水設(shè)置與涌水情況不相符的問(wèn)題，必須采取有力的設(shè)計(jì)與技術(shù)優(yōu)化來(lái)進(jìn)行改善。為此可以根據(jù)涌水量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)來(lái)設(shè)置安排抽排水設(shè)施的方法，如涌水量不同時(shí)，抽水泵與集水坑的安排設(shè)置也有所不同。具體操作如表1所示：

表1 基于動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的抽排水設(shè)置

5.4 長(zhǎng)隧道反坡風(fēng)壓排水技術(shù)

由于我國(guó)現(xiàn)有反坡長(zhǎng)隧道的排水技術(shù)始終存在著一定程度上的缺陷與問(wèn)題，所以要反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化，不斷做出改良。在目前的改進(jìn)措施中，風(fēng)壓排水技術(shù)能夠更好地利用資源，進(jìn)行整合，提高排水的效果與效率。圖3為風(fēng)壓排水技術(shù)所需的裝置，在進(jìn)行排水施工時(shí)，要確保高壓氣的進(jìn)氣管口與進(jìn)水口安裝準(zhǔn)確，并在各儲(chǔ)氣罐體底部設(shè)置與之對(duì)應(yīng)的排污管口和排水管口，利用隧道中的高壓風(fēng)對(duì)抽入罐中的水進(jìn)行排放，繼而滿足長(zhǎng)隧道反坡排水的需要。

圖3 風(fēng)壓排水裝置

6 結(jié)論

大窠山2#隧道的建設(shè)施工過(guò)程中,在進(jìn)行反坡排水設(shè)計(jì)時(shí)，致力于將“有效的長(zhǎng)距離隧道反坡排水優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)輸和通風(fēng)排水”[4]作為工作重點(diǎn)，以期解決隧道修建區(qū)域內(nèi)存在的地下水發(fā)生突涌現(xiàn)象的問(wèn)題，進(jìn)而保障工程質(zhì)量安全，嚴(yán)格貫徹“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的方針原則，樹立良好的工程企業(yè)形象，為國(guó)家的長(zhǎng)遠(yuǎn)建設(shè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。

[1]李占先.公路隧道長(zhǎng)距離反坡排水及其優(yōu)化技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù), 2015(12):59-63.

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[3]宋煜堃.富水隧道長(zhǎng)距離反坡排水設(shè)施配置[J].城市建設(shè)理論研究, 2012(16).

[4]陳彪.長(zhǎng)大隧道反坡排水優(yōu)化措施[J].中外企業(yè)家,2015(11):259+ 267.