大萬山隧道反坡施工排水方案設計

王小杰

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

靜樂至興縣高速公路位于山西省中西部靜樂、嵐縣、興縣境內(nèi)，路線起點與運營中的太佳高速公路呈T型交叉，終點位于陜西省神木縣馬鎮(zhèn)盤塘村，與神盤公路相接，路線全長93.6 km，設計速度采用80 km/h，路基寬度為25.5 m，按雙向四車道高速公路標準建設。大萬山隧道作為靜興高速公路主要控制工程，位于呂梁市嵐縣與興縣交界的呂梁山脈白龍山，為分離式隧道，洞內(nèi)路線縱坡設計為1.8%的單向坡。隧道建筑限界凈寬10.25 m（0.75 m檢修道＋0.50 m左側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?×3.75 m行車道＋0.75 m右側(cè)側(cè)向?qū)挾龋?.75 m檢修道），凈空限界高度5.0 m。右線起訖樁號為YK35+212—YK45+702，全長10 490 m，最大埋深694 m；左線起訖樁號為ZK35+306—ZK45+685，全長10 379 m，最大埋深697 m。

隧道穿越剝蝕構造變質(zhì)巖中低山區(qū)，由進口向出口方向所穿越區(qū)域，分布的絕大多數(shù)前震旦系之前的老地層，均屬于區(qū)域變質(zhì)巖。隧址區(qū)內(nèi)斷裂構造發(fā)育，大多為壓扭性走滑斷裂構造。隧址區(qū)構造主應力為北北西-南南東向，該構造應力直接造就了白龍山倒轉(zhuǎn)向斜。大萬山主要有F1～F5五條近北西西向-南東東向的右行走滑斷裂束，以及F6、F7兩條北北東-南南西向的右行走滑斷裂束。斷層帶巖體破碎且強度低，隧道通過斷層破碎帶段圍巖自穩(wěn)能力差，易發(fā)生隧道變形及塌方。斷層帶一般為地下水的儲存運移通道，隧道通過斷層破碎帶段落涌水量較大，且易發(fā)生涌突水現(xiàn)象。

根據(jù)通風計算結果，在大萬山隧道設置了兩座通風斜井及一座通風豎井。通風1號斜井位于YK38+370右側(cè)山體一側(cè)，斜井主通道長1 333 m，與隧道軸線的夾角為22°。大萬山隧道2號斜井位于ZK42+526左側(cè)山體一側(cè)，斜井主通道長1 850 m，與隧道軸線的夾角為23°。通風豎井位于YK42+280右側(cè)，豎井主通道深度455 m。

2 隧道涌水量預測

根據(jù)隧址區(qū)小流域枯水期徑流量、泉點調(diào)查及簡易水文試驗等現(xiàn)有資料，認為該隧道水文地質(zhì)條件相對較為簡單，隧道最大涌水量預測使用地下水動力學法（古德曼經(jīng)驗式），隧道穩(wěn)定涌水量（正常涌水量或經(jīng)常性全洞涌水量）預測依照地下徑流模數(shù)法、水平坑道法及裘布依理論公式進行計算預測，基于以上預測方法與計算結果，提出推薦的水文地質(zhì)預測結果。

通過地表徑流模式法和地下水動力法計算，左幅洞體計含水段累計長度10 250 m，正常涌水量建議采用水平坑道與裘布依法均值，即3 195.8 m3/d；古德曼經(jīng)驗公式法最大涌水量為7 360.9 m3/d；中等富水洞身累計長度1 640 m。右幅洞體計含水段累計長度10 275 m，洞體正常涌水量推薦值為3 641.9 m3/d；古德曼經(jīng)驗公式法最大涌水量為8 244.9 m3/d；中等富水洞身累計長度1 555 m。在隧道穿越的F6、F7、F2斷裂帶上盤附近可能發(fā)生突水和突泥。

3 隧道反坡施工分段排水設計

3.1 反坡排水設計原則

隧道防排水遵循“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則進行設計，對地表水、地下水妥善處理，形成一個完善通暢的防排水系統(tǒng)[1]。隧道反坡排水應考慮以下原則。

a）施工的排水主要為裂隙水及施工用水，水中可能含有巖石顆粒、泥漿等雜物，要求反坡排水系統(tǒng)能對雜物進行過濾沉淀，適當降低外部環(huán)境對排水設備的破壞，同時要選擇穩(wěn)定性好、耐久性優(yōu)、耐磨耐腐蝕的水泵[2]。

b）移動泵裝、固定泵站設置應避免占用大量空間，影響正常運輸通道。

c）水泵選型時應考慮一定的安全系數(shù)，其參數(shù)應大于實際所要求的參數(shù)[3]。反坡排水總排量應大于最大預測涌水量。

d）為保證施工進度，建議設置一套備用排水系統(tǒng)，掌子面與隧道洞口的移動泵站使用較輕型的水泵，可通過增減水泵數(shù)量來滿足排水量要求。

3.2 反坡排水方案選取

考慮到大萬山隧道涌水量較大，隧道反坡排水擬采用機械排水方式，即通過設置多級泵站、固定泵站和移動泵站相結合的方式，多個水泵接力排水，將隧道掌子面積水、圍巖裂隙水及隧道施工用水排出洞外。具體流程為：在已完成開挖的隧道段，每隔一定距離設置一處固定泵站，在掌子面附近，按間距50 m設置一處臨時匯水坑；先將掌子面附近水收集在臨時匯水坑中，再由潛水排污泵抽至移動泵站，然后逐級接力排水，直至排至設置在洞外的污水處理池中。

斜、豎井采用兩段接力式排水，設計原則與主洞保持一致。

3.3 抽水設備選型

按照應急排水能力1.5倍最大涌水量設計，兼顧正常涌水量，工作水泵按正常使用1臺，備用1臺配備。移動泵站排水機械采用WQ潛水排污泵，根據(jù)本級泵站應急排水量選擇相應功率排水泵型號，其泵型特點是體積小、噪聲小、易移動使用、采購成本小，使用簡單方便[4]。主洞固定泵站排水機械采用S型單級雙吸中開泵，根據(jù)本級泵站設計排水量及揚程選擇相應功率排水泵型號，其泵型特點是流量大、效率高、穩(wěn)定性好、便于安裝；某級泵站設計排水量應滿足尚未施工段落排水量的要求。斜、豎井固定泵站采用D型單吸多級分段離心泵，以滿足流量大、揚程大的排水特點，泵型選取原則與主洞相同。斜井設計排水量應滿足斜井輔助主洞施工段落排水量的要求。

某級泵站的設計揚程為排水最低點到最高點水頭高差與沿程、局部水頭損失之和，可按公式（1）進行計算。

其中：Hx=l×i，

式中：H、Hx、Hf、Hj分別為設計揚程、水頭高差、沿程水頭損失、局部水頭損失；l為排水管長度；i為路線縱坡坡度；λ為沿程阻力系數(shù)，對于普通鋼管，取值0.024；d為排水管直徑；v為水流速度；g為重力加速度。

以某級固定泵站排水管徑d=150 mm為例，l取值750 m；路線縱坡i取1.8%；λ取值0.024；管內(nèi)流速v取值1.5 m/s；g取值9.8 m2/s。經(jīng)計算，水頭高差Hx=13.5 m；750 m水管的沿程水頭損失Hf=13.8 m；局部水頭損失Hj=0.7 m；泵站設計揚程H=28 m。若此級泵站設計排水量Q=100 m3/h，可選取型號為150S50B的S型單級雙吸中開泵。

3.4 反坡排水系統(tǒng)布置

為確保隧道開挖、襯砌、仰拱等工序正常進行，避免占用大量空間，不影響正常運輸通道，主洞固定泵站包括水箱設置于緊急停車帶位置，間距約為750～1 000 m；抽排水管路亦設在隧道緊急停車帶加寬一側(cè)；移動泵站、固定泵站潛水排污泵匯水坑設置于中心排水溝檢查處；斜、豎井專門設置加寬帶放置固定泵站及水箱。固定泵站水箱采用鋼板加工水箱，水箱容量按5 min的匯水量確定，設計結構為5 m×2 m×2 m。

大萬山隧道反坡排水段落按5.2 km考慮。右線反坡排水段落為YK40+500—YK45+702，左線反坡排水段落為ZK40+500—ZK45+685，共設置固定泵站14處，移動泵站2處，工作最大排水量為174.67 m3/h。斜、豎井采用兩段接力式排水，分別設置固定泵站2處，移動泵站1處。大萬山隧道出口段反坡施工分段排水布置圖見圖1。

圖1 大萬山隧道出口段反坡施工分段排水布置圖

3.5 洞外排水

大萬山隧道出口為上坡，洞口應設置地表水截流措施，匯集至洞口水箱，經(jīng)潛污泵排入污水池處理后進行排放，防止地表水回灌入隧道。洞口邊仰坡5 m外設置截水溝，將地表水引至對隧道無影響的安全地段排出。

4 結語

根據(jù)大萬山特長隧道隧址區(qū)水文地質(zhì)條件，依照地下徑流模數(shù)法及地下水動力學法對隧道洞身內(nèi)涌水量進行了準確預測；設計了多級泵站接力、固定泵站與移動泵站相互結合的長距離反坡機械排水方案；同時，對隧道反坡排水的原則、方案選型、設備選型、系統(tǒng)布置、洞外排水等關鍵原則技術進行了研究討論，可為類似工程建設提供參考經(jīng)驗。