長大富水隧道反坡排水施工技術(shù)研究

張棟 ZHANG Dong

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著我國高速公路的建設(shè)和發(fā)展，涉及隧道施工的頻率越來越高，并且長大隧道常常作為控制性工程進行實施，尤其是水量充沛地區(qū)，因此，隧道反坡段高效有序的抽排水系統(tǒng)則尤為重要。順坡段排水，只需按設(shè)計施做好排水溝，隧道涌水就可以靠自流排至洞外，但反坡段則需要設(shè)置良好的抽排水系統(tǒng)，借助泵站、水泵、管路的合理組合才能有效的解決長大隧道涌水問題。

隨著近年來長大富水隧道的工程案例增加，國內(nèi)外的學(xué)者對其施工技術(shù)的研究也有所突破。周國龍以玉蒙鐵路秀山隧道為依托，探索出了一套適合特長隧道快速施工的反坡排水設(shè)備配備，用以指導(dǎo)長大隧道反坡排水合理有效的施工；潘龍以蘭新客專祁連山隧道為依托工程，通過施工經(jīng)驗總結(jié)出一套簡便的排水設(shè)計方法，便于普通管理及技術(shù)人員獨立完成排水設(shè)計；張兆杰等依托巴中至萬源高速公路糖坊梁隧道工程，基于對排水設(shè)備相關(guān)參數(shù)計算，采用移動泵站與固定泵站相結(jié)合的排水方案解決特長隧道反坡排水問題；左玉杰以宜萬鐵路齊岳山隧道為依托，研究快速有效的反坡排水系統(tǒng)對富水巖溶反坡隧道施工的重大意義；高文濤等以渝湘隧道鷹嘴巖隧道為依托，提出采取適當(dāng)封堵、利用其靜水壓力反坡排水處理巖溶涌水的新技術(shù)。

通過調(diào)研歸納目前研究現(xiàn)狀可知，目前針對長大富水隧道反坡段涌水處治主要還是以引排為主，基于上述背景，本文以廣東省的大豐華高速公路鴻圖隧道為依托，對長大富水隧道的反坡排水施工技術(shù)進行研究，旨在為該類工程提出一種切實可行的設(shè)備參數(shù)優(yōu)化研究方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鴻圖特長隧道位于廣東省梅州市豐順縣與五華縣交界地段，是一座雙洞單線公路隧道，設(shè)計車速100km/h，左線隧道全長6336m，我標(biāo)段承擔(dān)出口左線ZK95+716～ZK92+469段（3247m），設(shè)計ZK95+716～ZK94+350（1366m）坡度為-0.4%，ZK94+350～ZK92+469（1881m）坡度為2%，設(shè)計高程最高點位于ZK94+480，反坡施工排水里程段為ZK94+480～ZK92+469（2011m）。鴻圖特長右線隧道全長6337m，我標(biāo)段承擔(dān)出口右線K95+742～K92+460段（3282m），設(shè)計K95+742～K94+320（1422m）坡度為-0.4%，K95+320～K92+460（1860m）坡度為2%，設(shè)計高程最高點位于K94+480，反坡施工排水里程段為K94+480～K92+460（2020m）。

1.2 水文地質(zhì)條件

鴻圖特長隧道路線范圍內(nèi)地表水系發(fā)育，分布眾多溪流及兩座水庫。隧址區(qū)地標(biāo)水體為位于狹窄溝谷內(nèi)的溪流，多屬季節(jié)性溪流。隧址區(qū)水系發(fā)育，隧道五華端出口左側(cè)約30m處沿山谷發(fā)育一條溪流，流量約1037～1296m/d；洞身位置約K94+500～K91+750洞身地表為山谷溪流，水量較大，勘探期間流量達(dá)1728m/d。

2 反坡排水參數(shù)確定

2.1 排水管管徑計算

工作水泵的能力，應(yīng)能在20h內(nèi)排出洞內(nèi)24h的正常涌水量，根據(jù)涌水量取值25000m/d，每個泵站每小時排水流量為：

Qh=25000/20=1250m/h

抽水管半徑暫定：r=0.15m

時間：T=3600s

流速估算；V=3m/s

管路過流面積：A=πr2=3.14×0.152=0.0707m

每小時流量：Q=A×V×T=763.56m/h

考慮一定富裕系數(shù)，固定積水站間選擇管道直徑為?=300mm，布置兩道管路可滿足排水需求?？紤]移動水泵重量及操作難易程度，掌子面到臨時集水井之間選擇多道?=200mm管徑軟管，臨時集水井到固定泵站之間布置多道?=200mm管徑鋼管進行抽排水。同時預(yù)置一條備用應(yīng)急檢修管路，保證后期因機械設(shè)備、掌子面出水繼續(xù)增大時能正常抽排水。洞內(nèi)出水量如大于抽能力的70%時，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況計算增加排水設(shè)施。

2.2 揚程計算

固定積水站間排水管均采用?300鋼管進行安裝。積水站設(shè)置線路外側(cè)內(nèi)，間距按500m計算，反坡坡度為2%。

根據(jù)公式：

式中，H—揚程，m；

λ—為水管摩阻系數(shù)，采用的水管為普通鋼管，取值0.024；

L—水管長度（m）；

d—水管內(nèi)徑（m）；

Z—管道進出口高程，m；

V—管內(nèi)流速，取3.0m/s；

g—重力加速度，9.8 m/s；

計算得揚程H=46.7m

2.3 水泵選型

在水泵電機的選型，應(yīng)綜合考慮能量利用、電機功效、電機安全系數(shù)及揚程等，按以下經(jīng)驗公式配備電機功率：

電機功率=流量（m/h）×揚程（m）×9.8÷（3600×功效）

電機功效一般取0.5～0.75，水泵越大，功效越高。

電機功率=625×46.7×9.8÷（3600×0.75）=105.9kW

結(jié)合市場現(xiàn)有水泵型號及對應(yīng)的揚程、口徑、流量等參數(shù)，選取110kW污水泵。

掌子面附近采用7.5kW、15kW低揚程大流量的水泵。

3 總體排水方案

反坡排水，設(shè)置多級泵站接力排水，掌子面積水采用移動式大流量低揚程潛水泵抽排至就近泵站或臨時集水井內(nèi)，臨時集水井根據(jù)掌子面出水及現(xiàn)場情況，以滿足掌子面無積水為要求設(shè)置，臨時集水井內(nèi)的水通過水泵抽排至上一級固定泵站。其余已施工地段隧道滲（涌）水經(jīng)隧道內(nèi)側(cè)溝自然匯集到臨時集水井或固定泵站內(nèi)，由固定積水泵站將積水經(jīng)排水管路抽排至上一級固定積水泵站內(nèi)，如此由固定積水泵站接力將洞內(nèi)積水抽排至變坡點外，經(jīng)沉淀處理后排放。工作抽水系統(tǒng)按使用3套，應(yīng)急儲備檢修1套配備，針對隧道涌水量再次增大時要適當(dāng)增加工作水泵。

應(yīng)急抽水時：啟動備用抽水泵組，水泵直接布置在出水點，將高壓風(fēng)管改裝成排水管路。

4 排水系統(tǒng)布置

4.1 積水站位置的選擇與施做

根據(jù)水泵揚程及實際涌水量情況，在正常施工時，根據(jù)設(shè)計圖紙，相鄰緊急停車帶之間距離為670～830m，考慮排水管壓力，盡量減小揚程，增大管路排水能力，兩級固定積水站間距按500～600m考慮，固定積水站設(shè)置隧道外側(cè)橫坡終點，便于兩側(cè)涌水集中到積水站內(nèi)，通過水泵、水管將水逐級抽排至上一級泵站，最終接力抽排到洞外污水池沉底過濾后排放。整平層至掌子面臨時集水井之間，利用隧道正坡排水溝將掌子面附近積水自然引排至臨時集水坑，臨時集水坑和固定積水站之間通過水泵、抽水軟管、鋼質(zhì)水管抽排積水。豎井內(nèi)的水通過豎井與主洞聯(lián)絡(luò)通道流入鴻圖特長隧道右線，匯集至最近的積水站內(nèi)，通過積水站抽排至上一級固定積水站。（圖1、圖2）

圖1 隧道接力式反坡排水示意圖

圖2 積水站布置斷面圖、平面圖

4.2 抽水管線布置

根據(jù)計算，固定積水站之間采用?300mm的水管作為抽水主管路，每兩級泵站之間布置3條，其中1條作為檢修備用水管。臨時集水井與泵站之間采用便于移動的?200mm鋼絲軟管抽排水，掌子面到臨時集水井之間則采用便攜式消防軟管作為抽水管道，直接將掌子面積水通過軟管匯集與臨時集水井，以便逐級抽排至洞外。

4.3 電力配置

鴻圖特長隧道電力系統(tǒng)采用高壓進洞方式輸送電力，洞內(nèi)采用箱式變壓器，每個箱變的視在功率為630KVA，便于及時調(diào)整變壓器與用電設(shè)備之間的距離，一般距離掌子面不超過400m，避免距離過遠(yuǎn)、電壓降較大引起的設(shè)備電壓不足，影響設(shè)備正常使用，且變配一體，安全便捷，同時考慮后期巷道式通風(fēng)問題，合理配置積水站和風(fēng)機用電設(shè)備，具體布置情況如下。

4.3.1 高壓線路布置

左洞洞口處有10kV雙投雙出控制柜1面，進線側(cè)一路自外電源電纜引入，電纜型號：YJLV22—3*185，工作電流257A，另一路自（1～7臺）發(fā)電機經(jīng)2500KVA升壓變引入（停電時使用）；二路饋出電纜線路則左、右兩洞各1路，右洞電纜型號：YJLV22—3*120，工作電流191A。左洞電纜型號：YJLV22—3*70，工作電流135A。

4.3.2 洞內(nèi)箱變布置

①于右洞內(nèi)加寬帶（K94＋960處）新建10/0.4kV箱式配變電臺區(qū)1座（630KVA），為壓風(fēng)設(shè)備（132*4=528kW）提供電源并加帶前后1km范圍內(nèi)的射流風(fēng)機；

②分別于左右洞K94＋170、K93＋600、K93＋040、處新建10/0.4KV500KVA箱式配變電臺區(qū)1座（共6座），為前3級集水泵站及附近射流風(fēng)機供電；

③分別于左右洞K92＋650處新建10/0.4KV630KVA輪式配變電臺區(qū)各1座（共2座）為第4級集水泵站、濕噴機、砼泵提供電源。

4.3.3 低壓線路布置

經(jīng)計算洞內(nèi)低壓線路主線相線采用BLV-1*240，工作零線采用BLV-1*120，保護零線采用BLV-1*95。低壓分線線路的抽水線路與其他線路獨立，單獨掛表計量。

4.3.4 臨時集水井及掌子面水泵用電

臨時集水井及掌子面水泵用電從距掌子面最近的變壓器上單獨引出一路主線路，接至已施做調(diào)平層端頭附近，主線路末端接一總配電箱，主配電箱分接控制各水泵。變壓器至主配電箱之間采用鋁電纜，主配電箱到水泵之間采用銅芯電纜，相同負(fù)荷下銅芯線柔韌性較好，便于水泵移動。

反坡排水設(shè)備統(tǒng)計表見表1，高壓傳輸電力配置表件表2，低壓主線路配置見表3。

表1 大豐華鴻圖特長隧道發(fā)、配變設(shè)備統(tǒng)計表

表2 高壓傳輸電力配置表

表3 低壓線路主線（變壓器到配電柜）

4.3.5 停電保護機制

為避免因停電造成隧道無法抽水，則在洞口布置7臺500kWh的發(fā)電機，通過反高壓技術(shù)，將發(fā)電機發(fā)出的電力通過技術(shù)反送至洞內(nèi)高壓上，從而保證隧道反坡排水電力供應(yīng)。

5 結(jié)論與建議

①為解決鴻圖隧道反坡段涌水排水問題，提出固定泵站與移動泵站相結(jié)合反坡排水方法，并根據(jù)水文地質(zhì)情況、超前地質(zhì)預(yù)報及現(xiàn)場實際施工情況進行動態(tài)調(diào)整反坡排水設(shè)備參數(shù)，做到及時有效的抽排隧道內(nèi)涌水，高效的解決了長大富水隧道反坡排水問題。②掌子面反坡排水段因施工作業(yè)空間有限，建議靈活選用水泵，以低揚程、大流量水泵為主，抽水管選用便于布置的消防水管，可以盡最大可能的節(jié)約掌子面排水時間，減少工序銜接時間，提高施工效率。③通過對反坡排水工藝及設(shè)備的研究，提高了隧道施工的效率，對類似長大富水反坡隧道施工有一定的指導(dǎo)作用。