负压排水技术在长大隧道反坡排水施工中的应用

张 品

（中铁十二局集团第一工程有限公司 陕西西安 710038）

1 引言

随着隧道修筑长度增加，我国交通工程中出现的长大隧道越来越多，受线路走向、进出口高程和水文地质等条件的影响，在施工中往往出现很长的反坡排水段，为防止排水不畅、涌水灾害堵井，因此，在反坡排水地段施工，采取有效的反坡排水技术至关重要。近年来在工程界，隧道施工人员进行了很多研究和实践［1］。

但是现有排水技术需跟随掌子面频繁移动，或将排水设备吸水口直接置入水中，无法将吸水口延长；排水设备前移过程中，容易造成水泵铸铁件损坏、电缆受伤、管道连接漏水等不利因素，修复过程缓慢，容易引起积水过大淹没工作面，影响施工进度。反坡排水技术结合高海拔长大隧道——米拉山隧道施工中所遇到的排水难点进行了深入研究［2］。

2 工程概况

米拉山隧道是国道318线林芝至拉萨公路改造工程的控制性和重难点工程，隧址位于拉萨市墨竹工卡县日多乡念村，线路长5 727 m，米拉山海拔高度约4 680～5 350 m，相对高差达670 m以上。米拉山隧道进口海拔4 752 m、出口海拔4 774 m、斜井口海拔4 890 m，采用分离式双洞布置，斜井长度1 045 m，纵坡坡度为-10%反坡，设计了5级反坡排水方案。隧道正洞设计涌水量为8 647.44～12 139.2 m3／d，在斜井及正洞施工中出现极大涌水（见图1），最大水量达 38 600 m3／d，涌水的抽排组织严重影响隧道正常的施工进度。

在隧道施工过程中，由于地质结构的不确定性，经常性出现涌水或透水，严重影响施工进度。采用水泵抽水可以减少工作面积水，但是当开始新的工作面时，面临来回挪动水泵、管道、电缆等繁琐工序，在挪动过程中有可能将电缆、管道、水泵等造成二次伤害，影响施工进度。因此，在调查总结现有反坡排水技术的基础上，研发了负压排水装置和负压排水施工工艺，解决了在掌子面抽水时，开辟新的工作面时，无须挪动电缆、水泵，只需挪动取水管道即可［3-5］。

图1 米拉山隧道内涌水

3 负压排水技术的工艺原理措施

负压发生器将压力容器内的空气压力逐渐由正压变为负压时，连接压力容器的取水管道内气体开始压缩并填充压力容器容积，当气体通过负压发生器排出压力容器外时，压力容器内形成负压环境，取水管道中的液体水开始逐步进入取水管道并依次流入压力容器内，当液体水充满压力容器，负压度达到一定饱和度。开启潜水泵，液体在潜水泵离心力作用下经排水管道排出［6］，设计见图2和图3。

图2 负压排水装置设计图

具体工作过程如下：压力容器上安装有负压发生装置，当开始取水时，关闭排水阀，依次打开取水阀、负压阀，负压装置开始工作；当自动控制系统检测到容器内负压到达一定阀值时，开启排水设备，打开排水阀，系统处于正常排水状态。当自动控制系统检测到负压阀值处于稳定状态时，负压发生装置停止工作，系统维持自平衡状态；当容器内的液位达到设定阀值时，负压发生器自动根据设定流程运行［7］。

图3 负压排水装置实物

4 负压排水技术的工艺流程及操作要点

4.1 施工工艺流程（见图4）

图4 施工工艺流程

4.2 操作要点

4.2.1 施工准备

（1）材料、设备准备

按排水设备与负压发生器功率选择合适的电缆，并从配电箱引至设备安装地点，压力容器、底座及电气、附件运至安装地点。

（2）人员准备

施工前项目部管理人员和工人要全部到位；电工、焊工人员要到位并持证上岗。

4.2.2 安装压力容器

（1）基础安装

压力容器底座由钢筋混凝土浇筑而成，浇筑前需定好设备基础位置、几何尺寸、标高及地脚螺栓位置等，安装精度不大于5 mm，地脚螺栓安装位置应正确，埋设牢固，垫铁调整符合要求，与设备密贴。

（2）安装压力容器

底座安装好混凝土达到强度后，使用装载机或挖掘机等隧道内常用设备吊装压力容器，吊装时使用2根钢丝绳两端扣紧压力容器的4吊点，以保持压力容器平衡。

起吊之后调整压力容器空中位置，再下放吊臂，将压力容器的底座螺栓孔固定在地脚螺栓上，再拧紧地脚螺栓，灌注细石混凝土（或水泥砂浆）［8-9］。

（1）进水管道安装

进水管道分两截安装，靠近掌子面端采用大口径夹布吸排胶管，夹布吸排胶管具有比较强的抗负压力强度，同时可弯曲，具有一定韧性，可抵抗掌子面爆破飞石的冲击，另一端采用钢管与压力容器相连接，夹布吸排胶管与钢管采用法兰连接，法兰间安装密封胶圈，防止漏气。大口径夹布吸排胶管没入掌子面前挖的集水坑中，随着掌子面向前推进，钢管不断延长，夹布吸排胶管始终置于掌子面附近。

（2）出水管道安装

①支架安装

出水管道的支架采用角钢焊接而成，支架焊接于隧道边墙上，间距为10～15 m一组，支架需安装牢固，位置准确，排列整齐美观，以保证出水钢管平直。

②管道安装

出水总管道安装在支架上，采用法兰连接接长，出水管道的闸阀、安全阀等附件设备安装应方便操作和维修，出水总管道与压力容器相连，并穿过压力容器壁延伸到容器内与排水设备连接，管道与压力容器需双面满焊，防止漏气，保证负压［10］。

4.2.4 排水设备安装

体育老师在实际的动作示范教学中，可根据具体情况选择示范器械，不要一味地拘泥于教材的要求，而应采取灵活的教学手段，尽可能地降低动作演示的难度，保证演示动作的精准性和连贯性，让学生在老师一气呵成的演示中感受体育的魅力。

整套设备安装有水位测控装置与自动控制装置，排水设备为低扬程大流量潜水泵，型号可按保证掌子面最大涌水量选择，排水设备安装在压力容器内，在压力容器底部焊接一个支架，排水设备即固定在支架上，排水设备出口与出水管道连接。

4.2.5 附件及电气设备安装

（1）附件安装

本套设备的附件包括前级过滤阀、止回阀、负压装置、负压传感器、水位测控装置，前级过滤阀与止回阀安装于进水管道管末端，以过滤被负压吸入的水流带动的石渣颗粒，止回阀安装于过滤阀后端，在压力容器中负压突然消失时防止管内水流回掌子面，负压装置安装并固定于压力容器上部，负压发生器为多级抽气泵，通过排气管道与压力容器内部连接，工作时抽出压力容器内空气，使压力容器呈负压状态。负压传感器安装在压力容器上部，水位测控器安装于压力容器内部。

（2）电气控制系统

电气控制系统包括控制面板、电力线与数据线等，负压传感器、水位测控器中的数据通过数据线上传到控制面板内，控制面板发出指令操作水泵、负压发生器，以实现自动化控制［11］。

4.2.6 压力容器密封

排水设备、各种附件安装好之后需将压力容器密封，密封时，依次对管道与压容器的焊接接缝进行检查，最后用密封门密封住设备安装工作门，密封门需从压力容器外部安装，安装密封门前，安装工作门四周的油污要清理干净，密封门的密封条与安装工作门要密贴严实，再拧紧密封门螺栓，压力容器安装完成后由当地检验检测部门进行压力测试，并发放检验报告。

4.2.7 排水

所有设备安装完成之后需进行调试，启动设备，正常排水，再将进水管末端抬高露出水面，此时容器内进空气，压力容器内负压瞬间消失，设备自动停机。

启动设备进行正常的隧道抽水。现场配备专业维护人员2人，24 h两班倒值班，进行检修、维护。

5 施工注意事项

（1）现场配备操作人员，掌子面排水结束后重新排水需重启设备，保证掌子面不积水。

（2）混凝土基座要牢固，在设备高频振动下不开裂。

（3）压力容器必须有制造许可证，其密封性，压力的稳定性，容器材料可靠性符合《承压设备无损检测》（JB／T 4730-2005）。

（4）钢管、压力容器各焊接点焊缝饱满，保证焊接质量。

（5）加强隧道抽排水及临时用电管理，加强电线、配电线、用电器的巡视工作，安装漏电保护装置，杜绝不安全用电行为。

6 结束语

负压排水技术可延长抽水设备的有效吸程，不需要频繁移动水泵、管道、电缆等附属设备，极大优化现场施工过程，减低工人劳动强度，有效解决了由于隧道掌子面施工场地太小、水深度等不能满足排水设备正常工作的要求；反坡排水技术极大地提高了施工效率，与其他传统排水设备相比，传统排水设备需要将排水设备吸水口直接置入水中，无法将吸水口延长，本装置经实际试验以及测试，有效延长吸程70 m，极大解决了掌子面施工过程中需要频繁移动水泵、管道、电缆等附属设备，抽排水设备故障率几乎为零，极大优化现场施工过程，减低工人劳动强度［12］。本技术已经申请实用新型专利且得到专利授权，获评山西省省级工法，在实际使用中有很好的效果，其较高的施工速度得到了林拉公路米拉山隧道建设指挥部、监理的一致好评，为企业在施工能力及信誉方面取得了很好的社会效益！