高海拔富水隧道斜井輔助正洞施工抽排水技術(shù)研究
——以西藏林拉公路米拉山特長(zhǎng)隧道為例

楊 洋， 唐 柯， 龔 彬， 嚴(yán) 健， 汪 波

(1. 中鐵二局第五工程有限公司， 四川 成都 610091;2. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610031)

0 引言

在山嶺公路隧道中防止出現(xiàn)涌突水一直是施工過(guò)程中要解決的難題之一。西格二線關(guān)角隧道[1]、花石峽至久治公路段的雪山1號(hào)隧道[2]、共和至玉樹(shù)(結(jié)古)公路B5合同段雁口山隧道工程[3]，西藏林拉公路米拉山特長(zhǎng)公路隧道等高海拔富水隧道工程實(shí)踐表明，隧道建設(shè)過(guò)程中滲漏水危害、防排水技術(shù)等問(wèn)題嚴(yán)峻，施工面臨巨大的挑戰(zhàn)。受區(qū)域氣候條件、水文條件、工程地質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造影響，治“水”是隧道施工的關(guān)鍵。

目前，在特長(zhǎng)山嶺隧道設(shè)計(jì)中，斜井、平行導(dǎo)坑等常作為服務(wù)通道、運(yùn)營(yíng)通風(fēng)或輔助施工通道。針對(duì)富水斜井施工，李建軍[4]以雅瀘高速公路大相嶺隧道為依托，詳細(xì)介紹了陡坡富水斜井抽排水施工技術(shù)；馮興龍[5]針對(duì)中條山隧道 3 號(hào)斜井正洞涌水量較大的施工現(xiàn)狀，提出了相應(yīng)的反坡排水方案及工藝流程；鄭劍鋒[6]研究了公路隧道陡坡長(zhǎng)距離通風(fēng)斜井抽排水技術(shù)。奚成[7]、李鴻杰[8]、左玉杰[9]、谷崇建[10]等分別以青云山隧道1號(hào)斜井、麻崖子隧道等為依托，進(jìn)行了反坡排水優(yōu)化施工等技術(shù)研究。

上述研究主要集中于斜井本身的抽排水，較少考慮到高海拔對(duì)抽水設(shè)備的降效影響，而如何利用斜井輔助施工、特別是輔助主洞施工抽排水方面的報(bào)道較少。新建世界海拔最高的西藏林拉公路米拉山特長(zhǎng)隧道涌水量巨大、工期要求緊迫，為解決高海拔環(huán)境下富水隧道抽排水降效問(wèn)題、保證正洞排水效果和施工進(jìn)度、降低施工成本，利用先期已施工完成的斜井輔助正洞進(jìn)行抽排水,有效解決了高海拔環(huán)境下富水隧道抽排水問(wèn)題，保證了施工安全和進(jìn)度。

1 工程概況

西藏林拉公路米拉山隧道是國(guó)道318線林芝至拉薩高等級(jí)公路的控制工程，是國(guó)家高速公路網(wǎng)展望線G4218的重要組成路段，是西藏“四縱、三橫”骨架公路網(wǎng)的重要組成部分，是連接藏中藏東經(jīng)濟(jì)帶、對(duì)接長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶的重要通道[11]。米拉山隧道(見(jiàn)圖1)進(jìn)口位于工布江達(dá)縣境內(nèi)，隧道南北向橫穿米拉山。設(shè)計(jì)為分離式隧道，隧道左、右洞全長(zhǎng)分別為5 727、5 720 m，進(jìn)口、出口海拔分別為4 752、4 774 m，斜井井口海拔4 889.6 m，是目前已建成的世界海拔最高的特長(zhǎng)公路隧道。

(a) 隧道位置

(b) 現(xiàn)場(chǎng)照片

米拉山隧道分為2個(gè)合同段，由中鐵二局五公司施工米拉山隧道進(jìn)口段，斜井及出口段由中鐵十二局施工。工程于2015年1月進(jìn)場(chǎng)，施工穿越富水?dāng)鄬印＝Y(jié)合地質(zhì)背景調(diào)查資料，上述區(qū)段富水條件受米拉山口一夏瑪日次級(jí)斷裂(F3)影響明顯，該斷層走向近北 60°東、傾南東、傾角 70°，屬逆斷層，上下盤巖性為下第三系—上白堊系林子宗(K2-E)L3)凝灰?guī)r，巖石較破碎、糜棱巖化、富水性強(qiáng)，分布于洞身 ZK4478-780～ZK4479+200 段，斷層及其影響帶寬度約 300 m，斷層致地表形成寬緩的凹地，涌突水段均位于斷層破碎帶附近，施工中最高持續(xù)涌水量達(dá)38 590 m3/d，即1 607. 92 m3/h，涌水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、水量分布不均。掌子面涌水塌方現(xiàn)場(chǎng)照片如圖2所示。

圖2 米拉山隧道掌子面涌水塌方現(xiàn)場(chǎng)照片

采用水平廊道法和達(dá)西定律對(duì)隧道進(jìn)出口施工期間地下涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 米拉山隧道進(jìn)出口施工期隧道涌水量預(yù)測(cè)

由表1可見(jiàn)，在整個(gè)5 520 m預(yù)測(cè)范圍內(nèi)，采用水平巷道法和達(dá)西定律法預(yù)測(cè)的涌水總量數(shù)值較為一致。但在ZK4478+666～ZK4479+210、ZK4478+070～+370以及ZK4479+595～ZK4480+155共1 197 m范圍內(nèi)，由于2種預(yù)測(cè)方法對(duì)隧道涌水的影響半徑、滲透系數(shù)、不同水文地質(zhì)條件等因素的考量不同，使結(jié)果存在一定的差異；但上述3段范圍內(nèi)的水量均較大，其中以突水段富水性為最強(qiáng)，施工中應(yīng)引起高度重視。

工程實(shí)施中統(tǒng)計(jì)顯示，2017 年 6—8月，因米拉山隧道涌水造成工程工期延誤3個(gè)月。經(jīng)初步測(cè)算，涌水及引起的塌方導(dǎo)致直接經(jīng)濟(jì)損失及產(chǎn)生附加的工程費(fèi)用達(dá)1 200萬(wàn)元，導(dǎo)致間接經(jīng)濟(jì)損失及費(fèi)用增加多達(dá)3 500萬(wàn)元。

2 高海拔環(huán)境下的抽排水機(jī)械設(shè)備功率降效及設(shè)備配置

在富水隧道中，通常采用抽水機(jī)械設(shè)備及時(shí)排除隧道內(nèi)余水。抽排水系統(tǒng)一般由集水井、抽水機(jī)械設(shè)備、管道系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。

2.1 高海拔環(huán)境影響及環(huán)境參數(shù)測(cè)試

高海拔環(huán)境下空氣密度和濕度相應(yīng)減少，進(jìn)而使氣壓也發(fā)生變化。參考典型工程不同海拔的大氣壓、空氣密度和濕度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 不同海拔的大氣壓、空氣密度和濕度

結(jié)合米拉山實(shí)際情況，由表2可見(jiàn)，氣壓隨海拔升高而降低，在4 500 m處大氣壓僅為海平面大氣壓的62.2%，空氣密度僅為66.8%；隨海拔增加氣溫相應(yīng)下降，進(jìn)而造成空氣中水蒸氣含量相應(yīng)降低，空氣濕度變小，海拔4 500 m處濕度僅為25.9%。

此外，空氣壓力降低，氧氣壓力也隨之降低。據(jù)測(cè)算，在海拔4 200 m處氧氣壓力只有海平面的58%。隨著海拔的增加，太陽(yáng)光透過(guò)度愈大，到達(dá)地面的輻射強(qiáng)度較強(qiáng)；由于夏季和冬季氣溫相差較大，夏季6—8月太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度值最大。

上述氣候環(huán)境條件對(duì)米拉山隧道施工機(jī)具設(shè)備產(chǎn)生了不良影響，包括： 功率下降、故障增多、有害氣體排放增加、啟動(dòng)困難等；鉛蓄電池的容量及啟動(dòng)放電性能也隨溫度的降低而降低。由于隧道涌水量巨大，高海拔隧道配備柴油發(fā)電機(jī)作為主要或備用電源，其高海拔環(huán)境下的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性都發(fā)生了較大變化。因此，需要對(duì)隧道排水設(shè)備和發(fā)生機(jī)組功效進(jìn)行測(cè)試分析，進(jìn)而開(kāi)展配套選型。

2.2 基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的抽排水機(jī)械設(shè)備功率降效特性分析

現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)對(duì)米拉山隧道進(jìn)口端洞內(nèi)HDL354D-14 柴油發(fā)電機(jī)組(標(biāo)定功率為450 kW)功率、油耗及水泵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，進(jìn)而確定抽排水機(jī)械設(shè)備降效特性。在ZK4478+070和ZK4478+950 2處對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組功率、油耗及水泵參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，其中，針對(duì)PL100-45電動(dòng)單級(jí)離心清水泵的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)容包括流量、揚(yáng)程、功率、轉(zhuǎn)速、效率等。

采用電參數(shù)測(cè)量?jī)x測(cè)試電壓、電流、功率因數(shù)、頻率，獲取電機(jī)的輸入功率，流量測(cè)量采用電磁流量計(jì)，采用精密壓力表測(cè)量揚(yáng)程；根據(jù)測(cè)得的流量、揚(yáng)程再計(jì)算出泵的輸出功率，并根據(jù)泵的輸出功率和輸入功率來(lái)計(jì)算泵的效率。

流量的計(jì)算公式：

Q=v·A·t。

(1)

式中：Q為液體的流量,m3；v為通流截面上的平均流速,m3/h；A為通流管道的截面積,m2；t為計(jì)算時(shí)間，h。

揚(yáng)程的計(jì)算公式：

H=(p2-p1)×ρg+(v22-v12)/2g+Z2-Z1。

(2)

式中：H為揚(yáng)程，m;p2和p1分別為水泵出口和進(jìn)口處的水壓力，Pa；v2和v1分別為水泵出口和進(jìn)口處的流速，m/s；Z2和Z1分別為水泵出口和進(jìn)口處的高度，m；ρ為水的密度，kg/m3；g為重力加速度,取9.8 m/s2。

泵的效率

η=Pu/Pi。

(3)

Pu=Q·H·ρ·g×10-3。

(4)

式(3)—(4)中：Pu為水泵輸出功率，kW；pi為水泵輸入功率;Q為液體的流量，m3。

測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 米拉山隧道水泵參數(shù)測(cè)試

由以上測(cè)試結(jié)果可知：

1)根據(jù)對(duì)米拉山隧道額定功率450 kW發(fā)電機(jī)組最高輸出功率現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可見(jiàn)，該發(fā)電機(jī)組自吸氣柴油機(jī)的功率修正系數(shù)約為0.52，自吸氣式柴油機(jī)的功率僅為額定功率的一半。

2)根據(jù)對(duì)柴油發(fā)電機(jī)燃油消耗的計(jì)算，隧道內(nèi)使用的柴油抽水機(jī)組平均燃油消耗是其在平原地區(qū)的1.43倍，因此，內(nèi)燃機(jī)械在高海拔環(huán)境下會(huì)出現(xiàn)功率下降、燃油消耗增加等問(wèn)題。

3)經(jīng)測(cè)算，水泵功率、流量等所有參數(shù)均明顯下降。其中，抽水機(jī)流量、揚(yáng)程最大降幅分別為11%和8%，而流量受影響最大。為有效排水、縮短工期和節(jié)約施工成本，應(yīng)對(duì)抽水機(jī)和泵站的配套進(jìn)行優(yōu)化，并采用大功率、大流量機(jī)型。

2.3 富水隧道抽排水機(jī)具選型及配套原則

1)泵站宜設(shè)置在施工干擾小的地方，泵站水泵宜按“大流量、低揚(yáng)程”原則進(jìn)行選擇，“一用一備”，水泵的選型要根據(jù)工作環(huán)境、條件，泵正常運(yùn)行必需的性能參數(shù)，以及被輸送介質(zhì)的物理、化學(xué)性能，全面考慮泵裝置系統(tǒng)中技術(shù)性能指標(biāo)、材質(zhì)選用、電動(dòng)機(jī)匹配、密封可靠性及節(jié)能、使用維護(hù)等綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的要求，在定型的泵產(chǎn)品中選擇出最合適的類型與型號(hào)規(guī)格，并采用三通將主水泵、備用水泵同時(shí)與主排水管路連接。

2) 富水隧道中的排水管路要與水泵相匹配，能滿足正常排水需要并考慮突水因素，各級(jí)泵站排水管路均需設(shè)置雙進(jìn)水口分別與主、備設(shè)備連接，排水管路設(shè)置逆止閥，與移動(dòng)水箱連接的排水管宜采用可防鋼性損傷的鋼絲軟管。

3)隧道內(nèi)設(shè)置集水井、水艙或水箱，起到截水、匯水的作用，必要時(shí)可增設(shè)移動(dòng)泵站，同時(shí)，在掌子面、集水井及泵站附近安排抽排水作業(yè)班組，做好抽排水管理，合理控制抽排水時(shí)間。

4)電力配置必須與“一用一備”相協(xié)調(diào)，設(shè)置柴油發(fā)電機(jī)或配足備用電源；其中，柴油機(jī)發(fā)電機(jī)修正功率計(jì)算公式[12]為

Pt=ac·Py。

(5)

式中：Pt為修正后的實(shí)際功率；ac為修正系數(shù);Py為柴油機(jī)的標(biāo)定功率。

5)在隧道及地下工程機(jī)械化和智能化趨勢(shì)下，宜選擇具有延時(shí)開(kāi)關(guān)的集水井自動(dòng)抽排水裝置系統(tǒng)，通過(guò)延時(shí)開(kāi)關(guān)控制抽水泵開(kāi)啟的觸發(fā)裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抽水泵的自動(dòng)啟停。

6)高原缺氧環(huán)境中，工人不適合進(jìn)行劇烈的體力勞動(dòng)，而抽水機(jī)作業(yè)采用人工移動(dòng)的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度高，安全隱患大。為此，排水機(jī)械配套主要考慮泵站建設(shè)、水泵選型配置、水管選型和水泵電動(dòng)力選擇，從而減少掌子面抽水作業(yè)人工人數(shù)、提高工效、降低成本,達(dá)到富水隧道抽排水要求。

3 米拉山隧道斜井輔助正洞施工抽排水設(shè)計(jì)

3.1 米拉山富水隧道合同工期及抽水方案

高海拔隧道機(jī)械配套系統(tǒng)受隧道工期、掘進(jìn)長(zhǎng)度、海拔、圍巖情況、隧道涌水量、隧道坡度、施工方法等各種因素的共同影響，解決好抽排水問(wèn)題必須處理好水泵選型、泵站建設(shè)、抽排水管道選型和供電方案的選擇等多個(gè)方面的問(wèn)題[4]。根據(jù)高海拔富水隧道涌水量預(yù)測(cè)和特點(diǎn)分析，以及抽排水機(jī)械設(shè)備功率降效及配置原則，根據(jù)施工組織整體施工計(jì)劃，斜井工區(qū)采用隧道出口左洞及斜井輔助正洞施工抽排水的方案。

米拉山隧道進(jìn)口施工左洞任務(wù)段落為ZK4475+960～ZK4477+720，利用斜井施工左洞工區(qū)段為ZK4477+720～ZK4478+780，施工天數(shù)801 d。米拉山隧道進(jìn)口施工右洞任務(wù)段為YK4475+980～YK4477+718，利用斜井施工右洞工區(qū)段為YK4477+718～YK4478+760，施工天數(shù)795 d。綜合考慮米拉山隧道主洞涌水量、施工工期及抽排水可行性，確定斜井輔助主洞施工段內(nèi)共設(shè)置Ⅲ級(jí)固定泵站。其中隧道主洞內(nèi)為Ⅰ級(jí)泵站并配移動(dòng)泵站，斜井內(nèi)設(shè)置Ⅱ級(jí)泵站，泵站分布如圖3所示。

圖3 米拉山隧道斜井輔助正洞施工泵站分布圖

3.2 米拉山富水隧道泵站水泵配置計(jì)算

米拉山隧道Ⅲ級(jí)泵站的總揚(yáng)程需要同時(shí)考慮泵站間的相對(duì)高差和管道摩擦損失值。通過(guò)計(jì)算選配相應(yīng)功率的水泵，因第Ⅲ級(jí)泵站最大抽水距離達(dá)到915 m，在泵站水泵及管道型號(hào)一致的情況下，以Ⅲ級(jí)泵站進(jìn)行計(jì)算分析，米拉山隧道斜井輔助正洞施工各級(jí)泵站水泵配套數(shù)見(jiàn)表 4。

表4 米拉山隧道斜井輔助正洞施工各級(jí)泵站水泵配套數(shù)

根據(jù)相關(guān)規(guī)定要求，配備正常工作水泵、備用水泵和檢修水泵。工作水泵抽排水能力按工作 20 h內(nèi)排出24 h隧道正常涌水量計(jì)算，則Ⅲ級(jí)泵站每h排水流量為：Qh=(30 492 m3/d)/(20 h/d)=1 524.6 m3/h。

考慮高海拔降效情況，斜井輔助正洞施工中Ⅲ級(jí)泵站按利用系數(shù)0.7計(jì)算，則每h排水量為：

12×750×0.66×0.7=4 158 m3/h。

由4 158 m3/h>1 607.92 m3/h，通過(guò)計(jì)算并對(duì)照所選水泵的型號(hào)，泵站所配置的水泵可以滿足使用要求。備用水泵抽排水能力按≥70%工作水泵配備，檢修水泵的抽排水能力按≥25%工作水泵配備。工作和備用水泵的總能力應(yīng)按 20 h 內(nèi)排出隧道內(nèi) 24 h 的最大涌水量計(jì)算。對(duì)高海拔富水隧道，要考慮高海拔降效影響，因此現(xiàn)場(chǎng)還增配4 kW的增壓泵，以更好地增強(qiáng)抽排水效果。

3.3 米拉山富水隧道泵站水管選型

根據(jù)富水隧道抽排水機(jī)械選型及配套原則，按照富水隧道中水泵在 20 h排出隧道內(nèi) 24 h正常涌水量和最大涌水量需求，對(duì)工作水管和備用水管進(jìn)行計(jì)算選型。

最大涌水量時(shí)，Ⅲ級(jí)泵站每h排水流量為1 524.6 m3/h=423.84 L/s，根據(jù)《直管摩擦損失簡(jiǎn)表》中最大直徑管道最大流量限制表，管道直徑φ=250 mm，數(shù)量增加為3路。

根據(jù)式(1)反算得出水管截面上的平均流速v=2.68 m/s<2.72 m/s，管道流量符合要求。

3.4 米拉山富水隧道泵站水泵揚(yáng)程核算

米拉山進(jìn)口端左洞斜井輔助抽排水過(guò)程中揚(yáng)程可按式(6)計(jì)算：

HB=HSY/ηg。

(6)

式中：HB為水泵所需揚(yáng)程，m；HSY為集水井最低水位至排水管出口間的高度差；ηg為管路效率。

參考文獻(xiàn)[13]，式(6)中HSY一般可取+4 m；當(dāng)管路在豎井中鋪設(shè)時(shí)，ηg=0.89～0.9；當(dāng)管路在斜井中鋪設(shè)且傾角α>30°時(shí)，ηg=0.8～0.83； 20°<α<30°時(shí)，ηg=0.77～0.8；α<20°時(shí)，ηg=0.74～0.77。

1)Ⅰ級(jí)移動(dòng)泵站相對(duì)高差

h=284×sinα=284×0.174=49.41 m,

需要最大揚(yáng)程為(49.41+ 4)/0.75=71.22 m<100 m，滿足抽排水揚(yáng)程需求。

2)Ⅱ級(jí)移動(dòng)泵站泵相對(duì)高差

h=145×sinα=145×0.174=25.23 m,

需要最大揚(yáng)程為(25.23+4)/0.75=38.97 m<100 m，滿足抽排水揚(yáng)程需求。

3)Ⅲ級(jí)泵站相對(duì)高差

h=915×sinα=159 m。

2種流量下水泵的管路損失值為：

250 kW抽水機(jī)Qh=750 m3/h，φ250 直管每 100 m 的損失為15 m，則 915/100×15=137 m；

37 kW抽水機(jī)Qh=220 m3/h，φ250 直管每 100 m 的損失為9.5 m，則 915/100×9.5=86.925 m；

彎頭和閥門損失按 3 m 計(jì)算，則Ⅲ級(jí)泵站所配置的2種水泵總揚(yáng)程分別為：

137+159+3=299 m<125×13/3=541 m；

86.925+159+3=248 m<100×12/3=400 m。

經(jīng)計(jì)算， Ⅰ—Ⅲ級(jí)泵站配置的水泵均滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 米拉山富水隧道水泵電動(dòng)力選擇

在米拉山隧道中架設(shè)供電專線，當(dāng)隧道掘進(jìn)到450 m時(shí)，采用高壓進(jìn)洞技術(shù)，確保洞內(nèi)抽水用電，陡坡斜井輔助主洞解決抽水問(wèn)題。根據(jù)表 4，泵站抽排水用電負(fù)荷總有效功率為2 721.6 kW，因此選擇變壓器容量(S)為3 505 kW，隧道施工電壓(U)等級(jí)為10 kV，則最大工作電流

根據(jù)GB 50217—2018《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]可選用 YJV 3×70+2×35電纜(額定電流200 A/225 A)。

4 結(jié)論與討論

1)米拉山隧道穿越富水?dāng)鄬樱克款A(yù)測(cè)結(jié)果顯示全隧1 197 m涌水量均異常巨大，施工中最高持續(xù)涌水量達(dá)1 607.92 m3/h，涌水持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、水量分布不均。

2)米拉山隧址區(qū)處于高海拔氧含量偏低的惡劣環(huán)境中，隧道進(jìn)口端洞外各月平均氧分壓、柴油發(fā)電機(jī)組油耗測(cè)試顯示自吸氣柴油機(jī)功率修正系數(shù)約為0.52，發(fā)電機(jī)組最高輸出功率僅為發(fā)電機(jī)組額定功率450 kW的66.2%；抽水機(jī)流量、揚(yáng)程最大降幅分別為11%和8%；為有效排水、縮短工期節(jié)約施工成本，應(yīng)采用大功率、大流量水泵。

3)綜合考慮主洞涌水量、工期、水泵效率等因素，確定斜井輔助主洞施工段內(nèi)設(shè)置Ⅲ級(jí)固定泵站，其中隧道主洞內(nèi)為Ⅰ級(jí)泵站并配移動(dòng)泵站，斜井內(nèi)設(shè)置 2個(gè)泵站。

4)水泵選型配套應(yīng)考慮高海拔降效影響，增配4 kW增壓泵能，以更好地增強(qiáng)抽排水效果。斜井輔助正洞施工抽排水中水管選型、水泵揚(yáng)程均滿足要求，其成果可應(yīng)用于川藏鐵路、川藏公路等高海拔富水隧道工程。