特長隧道大縱坡反坡排水施工技術(shù)研究

李 欣

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361104）

0 引言

都香高速翠屏隧道地處騾馬口地震斷裂帶，隧道整體穿越向斜構(gòu)造，水文地質(zhì)復(fù)雜，洞身穿越多處富水斷層帶，下穿兩處大型暗河，且翠屏隧道進出口高差為199.04m，1#斜井洞口與主洞高差為137.63m，使其在進行反坡排水時具有明顯的難度。本文通過翠屏隧道施工實例，詳細闡述特長隧道大縱坡反坡排水施工技術(shù)，建立特長隧道反坡排水成套工裝，為翠屏隧道順利施工奠定了基礎(chǔ)。

1 特長隧道反坡排水施工的重要性分析

（1）高速公路特長隧道施工中存在裂隙水發(fā)育、富水溶腔發(fā)育以及穿越地下暗河的風險，增加施工難度，惡化施工作業(yè)人員的施工環(huán)境。

（2）洞內(nèi)積水未及時抽排而導(dǎo)致洞內(nèi)積水過多，侵蝕浸泡隧道圍巖，降低圍巖的強度與剛度，破壞隧道應(yīng)力拱效應(yīng)，為隧道施工帶來質(zhì)量及安全隱患。

（3）特長隧道穿越富水溶腔、暗河等特殊地質(zhì)段落，極易發(fā)生涌水情況，如果長大隧道反坡應(yīng)急排水設(shè)施不完善，會存在較大安全隱患[1]。

2 工程概況

翠屏隧道全長10.1km，縱斷面采用-1.98%的單向縱坡，分別設(shè)置2座通風斜井助主洞施工，地勘資料計算翠屏隧道雙洞正常涌水量49566m3/d，單洞正常涌水量24783m3/d。豐水期單洞涌水量（按平水期3倍）=24783m3/d×3=74349m3/d，主洞施工過程中均需要反坡排水。

3 特長隧道反坡排水系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 特長隧道反坡排水的設(shè)計思路

通過隧道設(shè)計涌水量和實際水文情況計算，確定隧道反坡排水能力和應(yīng)急排水能力，根據(jù)排水能力需求計算水泵設(shè)置和電力設(shè)置，隧道進洞前規(guī)劃反坡排水裝置和抽水總體布置，結(jié)合隧道施工情況逐步將臨時排水裝置轉(zhuǎn)換成固定排水裝置，確保隧道施工各個環(huán)節(jié)排水通暢，保證施工作業(yè)人員安全[2]。

3.2 反坡排水系統(tǒng)布置

翠屏隧道斜井反坡排水系統(tǒng)分為兩個階段實施，第一階段為斜井（平均縱坡9%）開挖時臨時反坡排水設(shè)施，第二階段為斜井轉(zhuǎn)入主動施工永久反坡排水設(shè)施。

3.2.1 斜井段施工反坡排水布置

距離斜井洞口500m處，設(shè)置一處泵站，即三級集水箱。三級集水箱內(nèi)配備2臺18.5kW的污水泵，二級水箱內(nèi)配備2臺18.5kW的污水泵，一級集水箱配備1臺75kW離心泵，通過三級集水箱接力將污水抽排至洞口，再經(jīng)過洞外污水池處理后排放，其中二三級水箱負責接力盤運污水，一級水箱負責將污水排放至洞外[3]。

距離斜井洞口1000m處，設(shè)置第二級泵站，即三級集水箱。三級集水箱內(nèi)配備3臺18.5kW的污水泵，二級集水箱內(nèi)配備3臺18.5kW的污水泵，一級集水箱配備1臺75kW離心泵，通過三級集水箱接力將污水抽排至洞口，再經(jīng)過洞外污水池處理后排放，其中，二三級集水箱負責接力盤運污水，一級水箱負責將污水排放至洞外。

3.2.2 斜井轉(zhuǎn)主洞段施工反坡排水布置

斜井朝正洞小里程方向為順坡排水，斜井朝大里程方向為反坡排水施工。斜井轉(zhuǎn)入主洞施工后，在交叉口ZK47+540位置布置一處大型永久泵站，配備3臺185kW增壓泵，左洞小里程掌子面積水沿兩側(cè)邊溝排放至加寬帶位置集水井，右洞小里程掌子面積水沿邊溝穿過4號車行橫洞排放至加寬帶位置集水井，然后集水井中統(tǒng)一配備4臺22kW污水泵引排至永久泵站，通過泵站將污水抽排至洞口，再經(jīng)過洞外污水池處理后排放[4]。

在左洞大里程ZK48+650位置布置一處大型永久泵站，配備3臺185kW增壓泵，左洞大里程掌子面積水通過掌子面臨時集水坑采用7.5kW污水泵引排至加寬帶位置集水井，右洞大里程掌子面積水通過掌子面臨時集水坑采用7.5kW污水泵引排至加寬帶位置集水井，然后集水井中統(tǒng)一配備22kW污水泵引排至永久泵站，通過泵站將污水抽排至洞口，再經(jīng)過洞外污水池處理后排放[5]。

3.3 反坡排水設(shè)備選型

3.3.1 第一階段水泵選型及管路布置

（1）流量。翠屏隧道1#斜井涌水量為5378m3/d，豐水期單洞涌水量（按平水期1.5倍）即5378×1.5=8067m3/d，每天有效的排水時間為20h，經(jīng)計算，集水井每小時最大的排水量設(shè)計值Qhmax＝403.35m3/h。

（2）管徑。計劃采用鋼管進行排水，對于鋼管，其流 速 為2.0～3.0m/s，取2.5m/s，管 道 總 斷 面 積 應(yīng) 有403.35/2.5/3600s=0.045m2。排水鋼管直徑d的選取應(yīng)考慮一定的安全系數(shù)，同時應(yīng)結(jié)合技術(shù)安全和技術(shù)經(jīng)濟兩個方面，通過下式進行選擇。

式中：Qhmax——管道每小時最大的排水量，m3/h;

VP——管道流速，取2.5m/s。

采用公式（1）計算結(jié)果如表1所示。

表1 第一階段的管徑經(jīng)濟性比選表

從技術(shù)安全和經(jīng)濟兩個方面考慮，斜井開挖階段各采用2排Ф200mm的相同管徑無縫鋼管并聯(lián)使用，管道總斷面面積為0.0628m2，0.0628m2＞0.045m2，滿足排水需求。

（3）揚程。斜井開挖期間，分別在距離斜井洞口500m和距離交叉口位置500m處設(shè)置泵站，本次計算參考在交叉口500m處設(shè)置泵站，按照水泵揚程公式進行計算：

式中：Z——揚水高度，即入口處水面到出口處水面的高程差；

hw——局部水頭損失，一般來說，hw發(fā)生在入口、彎折、閥門、出口等地方，這里不作考慮[6]。

?f——沿程水頭損失，計算用達西公式或謝才公式；λ為沿程摩阻系數(shù)（一般由試驗室確定），V是管中的流速。

（4）水泵選型。根據(jù)計算結(jié)果并綜合考慮，每個集水箱泵站配備兩臺22kW污水泵進行過程中的污水盤運，并配備2臺75kW污水泵可滿足流量及揚程需求。水泵的選型參數(shù)見表2所示。

表2 斜井段施工集水井水泵選型參數(shù)

通過計算，水泵總的抽水量為：

Qh=350×2=700＞403.35×1.5=605.025m3/h

3.3.2 第二階段水泵選型及管路布置

（1）流量。翠屏隧道主洞涌水量為24783m3/d，豐水期單洞涌水量（按平水期1.5倍）即24783×1.5=37174.5m3/d，每天有效的排水時間為24h，經(jīng)計算，集水井每小時最大的排水量設(shè)計值Qhmax＝1548.9m3/h。

（2）管徑。計劃采用鋼管進行排水，對于鋼管，其流 速 為2.0～3.0m/s，取2.5m/s，管 道 總 斷 面 積 應(yīng) 有1548.9/2.5/3600s=0.172m2。排水鋼管直徑d的選取應(yīng)滿足一定的富裕系數(shù)，同時應(yīng)結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟，同樣應(yīng)根據(jù)公式（1）進行計算，計算結(jié)果如表3所示。

表3 第二階段管徑經(jīng)濟性比選表

從技術(shù)和經(jīng)濟兩個方面考慮，斜井施工階段各采用6排Ф200mm的相同管徑鋼管搭配使用，管道總斷面面積為0.1884m2，0.1884m2＞0.172m2，滿足排水需求。

（3）揚程。在交叉口ZK47+540位置布置一處大型永久泵站，配備3臺185kW增壓泵，在左洞大里程ZK48+650位置布置一處大型永久泵站，配備3臺185kW增壓泵，同樣按照前述的水泵揚程公式（2）進行計算。

（4）水泵選型。根據(jù)計算結(jié)果綜合考慮，每個集水井泵站配備4臺22kW污水泵進行過程中污水盤運，并配備6臺185kW污水泵可滿足流量及揚程需求。通過計算，水泵總的抽水量為：Qh=300×6=1800＞1548.9m3/h

4 結(jié)束語

根據(jù)翠屏隧道1號斜井長期的反坡排水實踐證明，本文介紹的整套排水系統(tǒng)滿足隧道反坡排水施工要求。針對反坡出水隧道施工，根據(jù)現(xiàn)場實際出水量來確定泵站的布置、水泵的選型及管道的管徑等參數(shù)，由于山體涌水的不確定性，洞內(nèi)施工環(huán)境的復(fù)雜性等因素制約，必須配備一定數(shù)量的備用水泵及管道，這樣才能在突發(fā)涌水時，能夠有積極的應(yīng)變能力及解決突發(fā)事件的措施。