富水超长超深隧道斜井反坡排水施工技术

廖 郁

(四川路桥盛通建筑工程有限公司, 四川成都 610000)

隧道施工过程中经常出现隧道涌水的现象，尤其是超长超深的隧道排水更是工程上较为棘手的问题，为了解决这一施工难题，反坡排水施工技术得到了广泛的应用。刘金山[1]通过锦屏山隧道工程，介绍了反坡斜井突涌水条件下的施工技术；吴建斌[2]于古田隧道工程，对反坡排水方案进行了研究；刘艳霞[3]以西秦岭特长隧道店子坪一号斜井为例，介绍了多级泵站接力排水的施工技术。

1 工程概况与水文地质条件分析

1.1 工程简介

拟建金口河隧道斜井位于四川省西南部乐山市峨边彝族自治县杨村乡土地堂。拟建斜井左线全长1 700.541 m，桩号范围：ZXK0+010.459～ ZXK1+711；右线全长1 630.312 m，桩号范围：XK0+015.688～XK1+646。斜井进口附近有乡村道路通过，交通方便。隧道左线长8 107 m，右线长8 130 m，采用双斜井二区段分段纵向式通风，右洞送排风斜井长1 630.312 m，左洞送排风斜井长 1 700.541 m。

1.2 水文地质特点

拟建隧道穿越的山体属马鞍山北麓，根据调查，斜井区地表水系主要为官料河支流太阳沟，支沟内均具右常年流水，流量不一。此外，斜井区地表溪沟内较多井泉。工程区内沿官料河两岸发育有多条溪(冲)沟，多呈羽状或树枝状分布，具山间溪流河道特点，即岸坡陡、沟(河)床窄、峡谷多、比降大，下切作用明显，区内各条支沟为地表水、地下水的主要汇集、排泄通道，亦为区内地表水最低侵蚀基准面和地下水最低排泄基准面。

2 涌突水分析与斜井布置

2.1 斜井涌突水分析评价

勘察阶段分析计算所推荐的涌水量：正常涌水量Q≈4500m3/d，最大涌水量Q≈9000m3/d。

根据勘察阶段涌突水分析评价结果：斜井未穿越可溶岩区，发生斜井涌(突)水可能性较小，但时因为隧道穿越断层，断层影响带内岩体较破碎，透水性较强，是隧道突水、涌水、突泥的一个重要来源，所以在施工过程中加强超前预报，用地质雷达预探+隧道超前钻探等方法解决问题。

2.2 斜井井位布置

综合考虑隧道通风、地质条件、路线布置、斜井施工等多方面的因素，确定斜井的布置。

3 反坡排水施工方案

3.1 总体方案

反坡排水一般条件下设置多级泵站接力排水，采用移动式潜水泵将工作面积水抽至就近泵站或者临时集水坑内，其余已施工地段隧道渗(涌)水通过隧道内侧沟汇集到临时集水坑或泵站水池内，通过固定排水泵站将积水经排水管路抽排至上一级排水泵站内，如此由固定式排水泵站接力的方式将洞内积水抽排至洞外，经污水处理池处理后排放，针对隧道涌水量大时要适当增加工作水泵；同时为防止突水，设置利用高压风管作为应急排水系统。

根据预测涌水量以及超前地质预报掌子面前方地下水情况，进行抽排水专项设计，根据施工进度采用多级排水，设置泵站，采用相应扬程的水泵，泵站设置应满足以下要求：

(1)如果地下水质杂质含量较多，则考虑选用高效耐磨排水泵，斜井反坡施工时，各排水泵站的水泵应尽量选用同一种型号，方便调配更换。

(2)工作泵和排水管能力应满足20 h内排出24 h斜井设计涌水量。

(3)配备备用的水泵和排水管，并保证备用设备达到斜井的设计涌水量。

(4)备用水泵的配备能力不应小于工作水泵的总能力。

(5)排水管沿斜井铺设，当压力大于 1 MPa 时，不应采用铸铁管。

(6)除了设置日常排水泵及日常备用水泵外，还应备用应对突发性涌突水的水泵。保证一旦发生涌突水，能够及时将水排出井外。

本标隧道反坡排水段落情况详见表1和表2。

表1 隧道工程反坡排水情况统计

表2 隧道反坡涌水量情况统计

3.2 抽排水系统布置及方案设计

(1)隧道斜井高差计算。隧道右洞斜井全长1 630 m，综合坡度10.9 %，高差173 m；隧道左洞斜井全长1 700 m，综合坡度10.6 %，高差178 m。

(2)泵站位置确定。根据反坡排水总体方案，确定各泵站设置位置。

(3)水力计算及设备选型。因为隧道反坡施工较长、隧道坡度平均达10.9 %、水泵扬程较短，所以采用长距离管道配合小集水泵收集反坡排水。

以金口河隧道右洞设备选型为例：

(1)第一阶段临时移动泵站选型。

前期最大涌水量可按照4 500 m3/d，确定计算斜井临时移动泵站的抽水设备，同时考虑抽水设备进入正洞后能重复使用。

①移动水泵的排水能力Q(m3/h)(按最大涌水量，取4 500 m3/d)。

Q=4 500m3/d，按照矿井排水规范，必须在20 h内排出斜井工区24 h涌水量，总的最大小时流量Q=4500÷20=225m3/h。

②移动水泵扬程计算。

斜井长1 630 m，综合坡度为10.9 %，计算工区垂直高差净扬程为173 m；目前施工未开始，要满足斜井前期开挖时的抽排水要求，设置抽水设备排水能力应大于225 m3/h，按照间隔150 m设置临时小型集水坑泵站要求，排水扬程设计为为35 m，排水管道为DN150，初步选用150WQ150-35-30潜污泵，流量150 m3/h，扬程35 m，数量9台，2用1备原则，可根据现场情况增减设备。

(2)第二阶段井身固定泵站水泵选型。

开挖至550 m位置时，拟设置固定式排水泵站1座，随施工进度设置1、2、3号固定泵站，采用卧式离心泵，功率110 kW。同时取消前500 m处移动排水泵站(设备下移)。

①水泵的排水能力Q(m3/h)(按最大涌水量，取9 000 m3/d)。

Q=9000m3/d，按照矿井排水规范，必须在20 h内排出斜井工区24 h涌水量，总的最大小时流量Q=9000÷20=450m3/h。

②水泵扬程计算。

斜井长1 630 m，综合坡度为10.9 %，计算工区垂直高差净扬程为173 m；每间隔550，即为60 m净扬程，设备沿途损失计算如下：

HB=Hsy/ηg=(60+2)/0.77=80.5m

式中：HB为水泵所需扬程(m)；Hsy为侧地高度，即吸水井最低水位至排水管出口间的高度差，一般可取Hsy=井底与地面标高差+2(水仓井底与吸水井最低水位距离)；ηg为管路效率。当管路在立井中铺设时，ηg=0.9～0.89；当管路在斜井中铺设，且倾角>30°时，ηg=0.83～0.8；α=30°～20°时，ηg=0.77～0.8；α<20°时，ηg=0.74～0.77。

由此计算，要满足斜井井身施工开挖时梯级的抽排水要求，设置抽水设备排水能力应大于450 m3/h，扬程大于80 m。初步选用DFSS200-7/2A 卧式离心泵，单泵流量280 m3/h，扬程87 m，功率110 kW，每个泵站配置3台，使用2台，备用1台。

3.3 泵站洞室水仓布置

TB 10109-95《隧道辅助坑道技术规范》已规定：斜井水仓容积宜按泵站5～10 min排水能力设计。

(1)集水坑沉淀池设计。

按斜井涌水量225 m3/h测算，临时水仓应不小于20 m3，临时水仓开挖断面设计为3 m×2 m×4 m(宽×深×长)。

(2)井底水仓及对应沉淀池设计。

斜井辅助正洞进口反坡施工段排水，正洞大小里程设计涌水量合计为450 m3/h，考虑随时突发涌水预留富余量，则井底泵站容积应不小于75 m3。沉淀池水仓设计为4 m×3.5 m×6 m(宽×深×长)。

(3)水仓二级沉淀池设计。

通过在井底泵站洞口方向设置沉淀池来减少水中杂物对抽水机、排水管路的影响。即施工涌水进入沉淀池后，自然溢流至水仓，沉淀池与水仓采用50 cm厚混凝土隔墙。在沉淀池进水口处加装过滤网，有效拦截施工过程中大量涌水中含有的岩石、喷射泥浆、石屑，水仓底部建议15 d清理一次淤泥砂石。

在水仓上部安装工字钢及木板铺设，设备和管路、控制系统安装在水池上方，泵站需预留1～2台增补机组安装位置，避免出现大涌水时，可随时有效的增补排水泵。

3.4 抽排水管路系统、电力配备设计

3.4.1 排水管路设计

根据《给水排水工程快速设计手册》2.3管径计算d2=4Q/π/V，最高和最低允许流速：

(1)为防止发生水锤现象，最大流速不超过2.5～3.0 m/s。

(2)当输送浑水时，为避免管内淤积，最小流速应大于0.6 m/s。

各抽水机排水管径选择要求及出水口管径大小。根据斜 井最大涌水为450m3/h，查阅管道压力损失表，单根DN200管道每小时输送水450m3/h，流速为3.7m/s，设计选择DN200管道，铺设1趟，那么最大流量计算则为：

Q=πR2×3.7×3600×24

计算得出DN200管道Q=10035m3/d，DN200管道输水能力基本满足最大涌水量9 000 m3/d，如果后续水量增大，需再增加一趟DN200管路。

3.4.2 排水电力设计

所有水泵控制柜的用电业主来将配电引致水泵控制柜不超过30 m的范围内(变压器配电至水泵控制柜之间的线缆及变压器由业主提供)。清单中的变压器为单独供水泵组使用时的容量，如需要与其他用电单元共同用电，则需业主根据实际情况把变压器容量进行放大。

4 结束语

本文依据金口河隧道工程，介绍了斜井反坡排水的施工技术，并对实际工程中一些特殊工况的反坡排水方案进行了研究。反坡排水通过多级泵站接力排水的方式将掌子面的积水排至洞外。若遇到隧道涌水量大时，要适当增加工作水泵，同时为防止突水，设置利用高压风管作为应急排水系统。当地下水杂质成分过多时，采用高效耐磨泵排水。