深埋高渗压反坡大涌水隧洞长距离排水技术

2014-02-02孙振

铁道建筑 2014年2期

关键词：水仓支洞储水

孙振

(中铁十三局集团有限公司，天津 300308)

深埋高渗压反坡大涌水隧洞长距离排水技术

孙振

(中铁十三局集团有限公司，天津 300308)

以长距离隧洞反坡施工为工程背景，结合锦屏隧洞实际情况，运用理论分析、最优化方法和现场试验等手段，提出了设置一、二级储水仓，且分别布置在隧洞斜坡段前进方向右侧落平段拐弯处的总体排水系统方案，进而确定了储水仓、排水沟、沉淀池以及储水仓水泵、布设位置，同时还设置了竖井辅助排水系统。实践表明，该锦屏大涌水强力排水系统完全可以满足锦屏工程实际需要，可以迅速排出隧洞大量涌水，能够保证长距离隧洞反坡施工的安全和进度。

隧洞工程排水长距离反坡大涌水高渗压

锦屏二级水电站引水隧洞工程区内碳酸盐类地层分布广泛(约占70% ～80%)，在引水隧洞高程附近发育溶蚀裂隙、溶洞，岩溶裂隙水丰富且水压力很大。在5 km长探洞施工过程中已发生多次大的涌水，涌水点水头高且流量大，期间辅3#支洞等工程穿越中部第五出水带，曾因大量涌水无法处理而停工半年。根据锦屏二级水电站AB辅助洞实际涌水情况，以最为复杂的辅引3#支洞为例，预计单点涌水量可能达300～500 L/s，汇总水量在施工支洞开挖期间为1 m3/s。辅引3#支洞在原支洞桩号0+022—0+042洞段开挖时揭露最大流量达1.5 m3/s的多股股状涌水。辅引3#支洞施工穿越超高压力、超大流量涌水地层时，溶蚀空洞对隧洞施工稳定性的影响及超高压力、超大流量的溶蚀、裂隙涌水对施工影响非常大。另外，按实际需要，隧洞必须反坡掘进，其坡度局部区段高达15%，辅引3#支洞全长1 155.516 m，其中纵坡坡度为－13%的长度近800 m，给施工排水和运输带来了巨大的困难和严峻考验。

基于此，必须针对锦屏隧洞特点并充分结合锦屏二级水电站工程背景，在西南、西北地区隧洞岩溶溶蚀灾害调查基础上，深入、系统研究岩溶溶蚀对隧洞地下工程的影响，提出锦屏二级水电站隧洞工程中的富水区大埋深、高渗压条件下切实可行的高强排水方案及技术方法，以确保工程施工不受涌水危害，从而为工程安全顺利竣工提供有力保障。

1 排水系统设置总体方案

以较为复杂且受地下涌水影响严重的辅引3#支洞为研究对象。辅引3#支洞位于富水区，立面为缓坡布置，最大反坡坡度为－13%，进口底板高程由1 618.00 m降至1 564.70 m，与上游调压室相接。辅引3#支洞上覆岩体一般埋深1 500～2 000 m，具有埋深大、高渗压、涌水强、反坡独头掘进等特点，在施工过程中隧洞涌水经常突出，成为隧洞安全施工和控制进度的关键性难题。根据“防排堵结合”综合治理要求，辅引3#支洞施工过程中的排水显得极为重要。

运用隧洞工程技术［1-2］，结合辅引3#支洞实际情况，排水系统设置总体方案确定如下：

设置一、二级储水仓，均为单水仓。一级储水仓共设3个，各储水仓间高差约20 m，布置在辅引3#支洞斜坡段前进方向右侧;二级储水仓布置在辅引3#支洞落平段拐弯处，长约200 m。排水系统布置如图1。

2 排水系统布置

结合地下工程施工技术［3-7］，布置排水系统。

2.1 储水仓布置

结合隧洞反坡掘进实际情况，辅引3#支洞的一级3个储水仓分别布置在辅引3#支洞支(3)0+212.979，支(3)0+394.797和支(3)0+612.616处，储水仓起点底板高程分别为1 656.125，1 636.125和1 616.125 m，水泵安装平台底板高程分别为1 646.098，1 628.425和1 606.098 m。一级储水仓长约100 m，断面(宽×高)为6.0 m×2.4 m，水仓容量1 440 m3，三心拱形锚喷支护。二级储水仓起点在支(3)0+802.975 m处，洞口底板高程1 596.722 m，储水仓底板高程1 591.592 m，水泵安装平台底板高程1 588.592 m，水仓总长度约200 m，断面(宽×高)为13.0 m×3.5 m，水仓容量9 100 m3，三心拱形锚喷支护。

图1 辅引3#施工支洞排水系统布置纵剖面

一级储水仓选用3台450SLDB2000/40-355型单级双吸双蜗壳潜水电泵，二级储水仓选用3台700SLDB4000/100-1800型单级双吸双蜗壳潜水电泵，均为排正常涌水时1用2备，排最大涌水时2用1备。

储水仓容积按下式计算

式中：Q正为矿井正常涌水量，据现场提供的资料，一级储水仓正常涌水量0.3 m3/s，最大涌水量0.5 m3/s;二级储水仓正常涌水量1.0 m3/s，最大涌水量1.5 m3/s;t为正常涌水量的时间，h。

按上式计算，一级储水仓(临时水仓，汇水面积小，取1 h正常涌水量)容积为V1=0.3×3 600×1=1 080 m3;二级储水仓(临时水仓，汇水面积较小，取2 h正常涌水量)容积V2=1.0×3 600×2=7 200 m3。

考虑储水仓装满系数为0.8，一级储水仓容积取1 440 m3;二级储水仓容积取9 100 m3。

2.2 辅引3#支洞排水沟布置

辅引3#支洞水沟为矩形断面，水沟宽2.0 m、深2.0 m，坡度与支洞相同，布置在支洞前进方向的右侧，均为单水沟布置。为解决施工中的涌水，即掘进工作面的涌水，在辅引3#支洞的一侧设置一个用于排施工中涌水的水沟。掘进工作面在作业时，掘进工作面及其附近段巷道的涌水不断通过缝隙汇集至水沟内，通过水沟内设置的排水设备将水排出;当掘进工作面放炮后，由于放炮后的30 min内人员不能进入，此时掘进工作面的涌水通过缝隙汇集至水沟内，经水沟内设置的排水设备将水排出。

水沟随着掘进工作面的推进而不断推进。但水沟端头(靠近掘进工作面)距掘进工作面不少于3 m，以防放炮时水沟上方管路设备损坏。

施工中靠近掘进工作面作业处的一段水沟上部采用钢板盖住，盖板与水沟之间留有水通过的缝隙，巷道内的涌水通过缝隙汇集到水沟。施工中若遇单点涌水量较大时，可用管道将涌水引入储水仓或排出支洞外，减小水沟流量。

2.3 沉淀池布置

平洞段水沟内设沉淀池，隧洞涌水进入储水仓前先经过水沟沉淀池沉淀。沉淀池比水沟深0.5 m，长×宽×深=4.0 m×2.0 m×2.5 m，沉淀池视淤积情况随时清理。

2.4 储水仓水泵布置

为了能快速安装，排水设备能尽快投入使用，且排水设备在水淹的情况下能继续排水，在一、二级储水仓内设置符合要求的潜水泵。一、二级储水仓的底部设置水泵安装平台，潜水泵固定放置于安装平台上。水泵安装平台比储水仓底高0.3 m，以便于水仓内的泥沙淤积和减少水泵吸入泥沙而影响排水。

排水设备布置主要考虑到施工快速、安装快捷、检修维护方便等因素。设计均选用潜水电泵方案，其布置具有以下特点：安装快捷，检修维护占地小，土建工程量小，不需辅助吸水设施等特点。

潜水泵安装于水面以下，不需设置独立泵房，不需要设置吸水井及配水设施。只需在水仓内设一个潜水泵布置平台，平台上设置3条安装轨道，安装轨道沿设置的斜坡延伸至上部水仓洞口以外，当水泵需要检修维护时，通过提升设备将水泵沿轨道拉至上部水仓洞口以外的场地检修。

水泵吸水口设置吸水过滤装置，以避免将颗粒较大的沙粒及碎石吸入泵内，从而影响潜水泵内的电动机壳及水泵叶轮等，以延长水泵使用寿命和提高排水效率。

水泵设置自动液位控制装置，以避免水面过低而吸入空气产生气蚀现象，液位自动控制装置设置有水位传感器。二级水仓的排水最低水位为3.0 m(由水仓底部算起)，当水位低于3.0 m时水泵自动跳闸停止排水，当涌水量达到最高水位4.5 m(由水仓底部算起)时水泵自动开启排水。一级水仓排水最低水位为2.7 m，当水位低于2.7 m时水泵自动跳闸停止排水，当涌水量达到最高水位4.5 m时水泵自动开启排水。

由于装载水泵的车架位于水面以下，固定水泵车架的转动部位需涂抹润滑脂，以防锈蚀。

2.5 管路布置

排水管路布置主要考虑到隧洞断面大小、车辆运行方便、安装快捷、检修维护方便等因素。由于管路直径较大，管路采用并排垂直排列，以将隧洞空间最大化，减小对机车运输等的影响，详见图2和图3。

图2 排水管路布置方案(单位：cm)

图3 排水管路现场布置

排水管路均选用螺旋焊接钢管，二级排水系统管路规格为φ920×10，一级排水系统3#水仓排水管路规格为φ720×10，一级排水系统2#水仓排水管路规格为φ630 ×10。

管路连接采用快速接头进行连接，管路采用钢架支座支撑。管路设置电动闸阀，采用电力驱动，控制方便。管路设置止回阀，以便水流倒流毁坏水泵。管路沿隧洞一侧敷设，通过钢架固定于水沟上方。

3 竖井辅助排水

随着辅引3#支洞独头反坡施工里程增加，排水系统负荷将会逐渐加大。为此，除了一级2#，3#水仓和二级水仓，还必须设置竖井辅助排水。一级2#和3#水仓排水竖井平洞投影与提前施工完成的交通A辅助洞垂直，二级水仓排水竖井上升到A辅助洞地板标高后采用平洞与A辅助洞相连，再由A洞排到排水洞。二级水仓排水竖井最高，达到75 m，能够满足水泵抽水扬程要求。

实践表明，强力排水系统的成功应用，可以迅速排出大量涌水，使得辅引3#支洞等反坡工程能够安全而高效施工，比预计工期提前20 d完成，获得了较大的直接经济效益，同时获得了显著的社会效益。