浅谈隧洞内长距离高扬程抽排水方案的制定与实施

郝 利 军

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)



浅谈隧洞内长距离高扬程抽排水方案的制定与实施

郝 利 军

(中国水利水电第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

介绍了朝阳二标5#支洞工作面的排水特点、施工方案的总体思路、抽排水设备配置情况、计算及附属排水设施配置情况，可供类似工程参考。

朝阳二标；隧洞施工；排水方案；制定与实施

1 工程概述

朝阳二标项目位于辽宁省北票市和朝阳市双塔区境内，主体工程为引水隧洞和地下泵站，包括压力引水隧洞、地下厂房洞室群及其附属洞室、交通洞、机电设备和金属结构安装等工程。

引水隧洞为有压洞，全长约12 km。开挖断面为圆拱斜墙，开挖面积约20 m2，属于小断面，平均坡度为0.007 6%，成洞直径3.9 m。另外，分别布置了5#、6#、7#、8#四条施工支洞，长度分别为1 245 m、880 m、1 120 m、1 215 m。支洞断面为圆拱直墙型，开挖断面尺寸为5.2 m×5.25 m (宽×高)，均为倒坡，坡度约11%～13.7%。

洞室部位除中生代沉积的复成分砾岩、砾岩、砂岩、页岩外，大部分洞室部位的弱风化～新鲜状岩石均为中硬岩～坚硬岩。

工程穿越地区地下水主要为松散类孔隙水、基岩裂隙水，赋水性较差，基岩裂隙水地下水活动微弱；穿越断层破碎带等构造发育部位为构造裂隙水，其赋水性较好，渗透性较强，易产生涌水或突水，影响洞室稳定。

2 排水特点

2.1 排水扬程大

5#支洞口底板高程为216 m，支洞与主洞交叉口底板高程为72 m，高差为144 m，支洞纵坡坡比为13.7%。考虑到排水管路的水头损失，水泵的实际扬程远大于地形扬程。

2.2 排水距离长

5#支洞长度为1 245 m，采用两级排水，两台泵水平距离超过620 m。

2.3 涌水量较大

工程穿越地区的地下水主要为松散类孔隙水、基岩裂隙水，赋水性较差，基岩裂隙水地下水活动微弱；穿越断层破碎带等构造发育部位为构造裂隙水，其赋水性较好，渗透性较强，易产生涌水或突水，影响洞室稳定。各支洞及控制主洞段渗水量见表1 。

表1 各支洞及控制主洞段渗水量计算表

3 抽排水方案设计的总体思路

3.1 抽排水分期

根据对支洞与主洞坡度、设计出水量、供电线路负荷及排水费用等方面考虑，朝阳二标隧洞施工主要分两个阶段安排：

第一阶段，支洞开挖排水期水量较少，可以采用两级或三级排水，采取移动泵站与固定泵站结合的形式进行接力排水。

第二阶段，主洞开挖排水期水量逐渐增加，采用两级排水，在支洞与主洞交叉口附近设置较大的集水坑，中部设中转集水坑，采取固定的泵站进行接力排水。

鉴于主洞内的坡度特别缓，故抽排水方案的整体思路主要考虑支洞部分。5#支洞排水系统纵断面布置情况见图5。

图1 5#支洞排水系统纵断面布置简图

3.2 抽排水方案选择的难点

(1)在设计过程中，每个隧洞对应的涌水值是一个估算值，实际施工时可能水量较大，若选择排水能力小则可能导致安全隐患；实际施工时，也可能水量较小，若选择排水能力大则导致施工成本增加。

(2)设计图中仅给出正常水量，而未给出最大涌水量。因此，如何确定水量的基本参数，只能根据相关工程经验。

(3) 一次性投入泵站、管路及相关配件的成本大，因此，必须经过反复比选才能确定比较经济、合理的方案。

3.3 抽排水方案的比选

根据隧洞内涌水及抽水泵站位置的设计，项目部进行了方案论证比选，提出了3种不同方案，并对方案进行了经济比选。

方案一：一主一备一管路。该方案是采用一台水泵满足排水量及扬程要求；一台作为备用，只在更换、维修设备时使用；设一条排水管路。该方案的特点是泵站排水能力大，安装使用方便，但设备功率大，启动电压大，负荷集中，对变压器及供电线路要求高且浪费严重。

方案二：两泵两管路。该方案是2台水泵同时开启时满足排水量及扬程要求，每一个水泵设置一条管道。该方案的特点是1台水泵不满足要求、需2台水泵同时开启，安装时间较长，且使用时需同时关注2台泵的运行工况。在最大排水量时，如遇设备故障维修则耽误现场施工，需配备备用水泵，但该设备功率较小，启动电压低，对变压器及供电线路要求较低，前期水量较小时一台水泵开启即可满足要求，节约用电量及水泵成本。

方案三：两泵一管路。该方案是2台水泵同时开启时满足排水量，且单台水泵开启满足扬程要求，2台水泵共用一条管道。该方案的特点是1台水泵不满足要求、需2台水泵同时开启，管道内流速较快，对安装精度及水管质量要求较高，且使用时需注意开启的先后时间；在最大排水量时，如遇设备故障维修则要耽误现场施工，需配备备用水泵，但设备功率较小，启动电压低，对变压器及供电线路要求较低，前期水量较小时，一台水泵开启即可满足要求，节约用电量及管路成本。

通过对三种方案进行经济比选，最终确定采用方案三。根据方案三的思路选择管道类型和尺寸、水泵型号、水泵扬程及排水量。

4 排水设备配置计算

4.1 抽水能力

抽水设备的抽水能力计算按照正常排水量的120%考虑。5#支洞抽水设备的抽水能力为1.2×132.4=158.8(m3/h)。

4.2 水泵排水能力(流量)

水泵排水能力Q的计算公式为：

Q=c/m×q

式中c为涌水不均匀系数，取 值 范 围 为1.3～

1.5，取1.4；m为水泵时间利用系数，取值范围为0.8～0.85，取0.85；q为涌水量。

Q=1.4/0.85×158.8=262(m3/h)。经计算，泵站总排水量需大于262 m3/h，并有一定富裕量为宜。

4.3 水泵扬程

水泵扬程H的计算公式为：

H=(L1+L2)×sina(1+K)

式中L1为排水管长度，采用两级排水，取1 245/2=622.5(m)；L2为吸水管长度，取2 m；K为管路阻力换算扬程系数，取0.2；a为排水管路倾角，取6°。

H=(622.5+2)×sina(1+0.2)=78.33(m)，经计算，水泵额定扬程需大于79 m，并有一定富裕高程为宜。

4.4 水泵的选择

通过上述计算并考虑到洞内水泵的运行环境及维修更换方便程度，在支洞与主洞交叉口附近的较大集水坑和中部中转集水坑各配置4台55 kW离心泵(扬程103 m，流量112 m3/h，效率70%)，其中1台备用；2台37 kW离心泵(扬程87 m，流量60 m3/h，效率70%)，其中1台备用。

4.5 排水管的选择

3台55 kW水泵和1台37 kW水泵为一组，并联一根排水管，水泵效率取值0.7。

排水管D=232 mm，选取φ250排水管。

若出现超出最大涌水量的情况，可以考虑利用供风管应急排水。抽水设备随主洞施工进度、涌水量的增加，逐步由小到大配置到位，以满足施工抽排水的需要。

根据隧洞宽度及风水管布置高度与宽度情况，考虑到在洞内施工时、特别是行车出渣对管路的影响以及重复利用率，最终选择采用螺旋焊接管作为排水管路。

5 附属排水设施

5.1 水泵自动化装置

水泵自动化装置主要采用三相微电脑水位控制器控制水泵运行，其具有的主要功能与优点：

(1)集水坑水深达到设定高度水泵自动启动，水位下降到一定高度水泵自动停止运行。

(2)集水坑有两台水泵时，在设定第一水位时，较小功率水泵运行，或者两台较大功率水泵自动轮换工作。一台工作水泵出故障时自动切断电源，另一台水泵自动投入工作。当水位上升到设定的第二水位时，两台水泵自动启动，同时工作。

(3)具有短路、过流、过热等保护装置。

(4)具有各种工作状态、水位及各种事故信号。

(5)自动化系统安全可靠，节省劳动力，提高抽水效率。

5.2 集水坑的设置

(1)支洞与主洞交叉口集水坑的设置。考虑到周边钢支撑防护，预留不少于50 cm的保护距离，开挖长条形集水坑，深度不小于2 m，储水容积按照设计出水量30 min计算，132×0.5=66(m3)，设计尺寸为8 m×3 m×3 m(长×宽×高)，设计容量为72 m3；中转集水坑储水容积按照设计出水量15 min计算，132×0.25=33(m3)，设计尺寸为6 m×3 m×2.5 m(长×宽×高)，设计容量为45 m3。

(2)根据洞内宽度及行车要求，集水坑占用了行车宽度。为解决上部通车问题，特别设计了集水坑保护盖板(型钢骨架作为支撑，上部铺设0.8 cm厚钢板防护盖板，钢板上部焊接螺纹钢做防滑处理)，防护盖板靠近水泵一侧上部安装了型钢及钢筋篦子，以便于安装吸水管、水泵自动化装置并观察集水坑使用状态。

(3)集水坑周围设置防护栏杆、安全警示标志及警示彩带。

(4)为便于后期清理、避免淤泥堵塞水泵进水口，集水坑按照3级沉淀池设计。

5.3 排水管路的安全保证措施

(1)钢管连接采用法兰盘加橡胶密封垫。

(2)排水管每隔300 m设置闸阀及止回阀并预留抽排水接口，以备超大涌水时使用。

(3)洞内风水管路在集水坑处预留排水接口，以备应急使用。

5.4 供电保证措施

(1)备用一趟铝芯电缆2×240+120，以备超大涌水时供电使用。

(2)在支洞与主洞交叉口集水坑前部设置三相全自动补偿电力稳压器SBW-500 kVA一台，当电压降低至304 V时仍能维持稳定输出电压380 V，保证大功率用电器稳定电力的供应。

(3)在洞口配置备用发电机组，发电机容量不小于630 kW，与主变压器设置自动转换开关，紧急停电时，以方便及时转换为备用发电。

(4)所有电源启动均采用相匹配的启动柜和开关柜，所有水泵采用一泵、一线、一箱、一闸、一漏和三项五线制。

5.5 排水沟

按照设计图纸布置排水沟，尺寸为400 mm×150 mm(宽×深)，排水管路及集水坑布置在排水沟一侧，所有排水沟最终均与集水坑相连。

6 注意事项

(1)排水系统由专人负责运行、维护、管理，24 h值班。要求水泵厂家专业技术人员做专门培训，合格后方可上岗并定期现场指导服务。

(2)做好抽排水泵站的设备保养及集水坑日常清理工作，定期检查、维修水泵及管路。

(3)对水泵进水口包裹铁窗纱，距集水坑底板高度不小于50 cm，可以防止污泥及杂物进入而发生堵塞。

(4)定期检查抽排水供电线路，尽量避免因供电线路问题导致的抽水中断，抽排水人员随时关注用电安全。

(5)施工时随时存在突发大涌水的可能，应备有足够的移动式潜水泵，随时准备应急。

(6)洞外应设置三级沉淀池，洞内抽排出的污水经沉淀后排放。

(7)应做好突发涌水的应急预案并进行应急演练，加强施工人员的安全培训。

7 结 语

朝阳二标项目隧洞施工排水方案采用移动泵站与固定泵站相结合、分期分段多种方式相结合的抽排方式，对洞内排水系统提前筹划、为主洞正常施工提供了有利保障，同时很好地保证了施工安全，满足了施工进度要求。目前朝阳二标5#支洞施工已完成，正在施工主洞。支洞出水量约为30 m3/h，小于设计给出的50 m3/h渗水量，仅开启一台37 kW水泵即可满足抽排水要求。目前看：施工排水系统水泵排水能力设计富裕量偏大，但抽排水系统发挥作用明显。隧洞内抽排水方案既需要理论计算，也要参考类似工程经验，排水能力既不能过大，也不能过小，隧洞抽排水必须备用一定量的水泵以备更换维修或突然涌水时使用。

[1] 铁道部第二工程局.铁路工程施工技术手册[M].北京：中国铁道出版社，1995.

[2] 铁路隧道辅助坑道技术规范，TB10109-95[S].

[3] 铁路隧道防排水技术规范，TB10119-2000[S].

(责任编辑：李燕辉)

2017-04-23

TV554;TV51；TV52

B

1001-2184(2017)03-0087-04

郝利军(1982-),男，山西浑源人，项目总工程师，工程师，学士，从事水利水电工程施工技术与管理工作.