基于限量排放的大坡度富水隧道反坡排水技术

赵宇，全斐，沈家君，赵春杰，高明成

（中铁十局集团有限公司 大临铁路项目经理部，云南 临沧675800）

0 引言

随着我国交通基础建设迅速发展，长大、深埋隧道工程数量急剧增加，斜井作为最主要的辅助坑道形式之一，对加快长大隧道施工进度起到至关重要的作用，但深长斜井反坡排水给施工安全带来极大挑战。刘海荣［1］介绍关角隧道长大斜井反坡抽排水水泵配置、双联拱式固定泵站、供电线路并网等技术措施；李方东［2］介绍基于涌水量预估和动态监测的公路隧道长距离反坡排水施工技术，采用瞬变电磁、激发极化超前探测技术，对掌子面前方含水区位置及水量进行较准确的定位和预估；提出成本最小化排水优化公式，优化泵站分级设计及水泵功率选择；同时，动态监测涌水量进行排水设置，提出了增级截流集水坑技术。陈光吉等［3］介绍基于涌水仿真模拟的公路隧道反坡排水系统，通过涌水仿真模拟，计算隧道底板压力、近掌子面处底板局部压力以及各标段涌水量情况，设计了公路隧道反坡排水系统，采用分时抽水方案。李占先［4］介绍公路隧道长距离反坡排水及其优化技术，提出“监测先行、动态调整、安全高效、经济环保”的长距离反坡排水原则，建立基于涌水量动态监测的长距离反坡排水设计与优化技术。张品［5］介绍负压排水技术在长大隧道反坡排水施工中的应用。

总体而言，目前反坡排水仍沿用常规技术，很难应对突发大规模涌水造成的淹井灾害。结合红豆山隧道2号斜井反坡排水特点，提出基于水量监测和限量排放的大坡度长距离隧道分阶段反坡排水技术，通过地震波反射法（TSP）、瞬变电磁判断隧道前方及周边富水区域的位置和规模，以长距离探测孔提前泄水，动态监测并控制单孔涌水量保证排水系统安全的反坡排水思路；结合实际监测涌水量，提出可能造成的淹井长度计算方法和针对不同涌水量限量排放标准，建立基于涌水量监测和限量排放的排水系统安全运行体系，避免因突发涌水造成排水系统失效引发的淹井灾害，顺利通过大规模涌水段，为反坡排水隧道施工安全提供技术保障。

1 工程概况

大临铁路红豆山隧道位于澜沧江以南、临沧市凤庆县及云县境内，隧道起讫里程DK114+497—DK125+113，全长10 616 m，最大埋深1 020 m。隧道地处印度板块与欧亚板块碰撞缝合带，主要穿越地层为印支期黑云花岗岩，区内发育龚家断层、星源断层、关口平移断层、冬瓜村断层、学房断层、老茶房断层、小温崩断层等7个断层，地质条件极其复杂。全隧共设2座斜井+2座洞身平导，1号斜井平长1 799 m，斜井纵坡10%；2号斜井平长1 657 m，斜井纵坡10.3%；设计预测正洞最大涌水量42 994 m3/d，1号斜井最大涌水量Qmax=7 234 m3/d，2号斜井最大涌水量Qmax=7 216 m3/d。

2 涌水概况

红豆山隧道2号斜井施工期间，先后发生5次大规模涌水，2018年8月17日，平导施工至PDK121+661突发大规模涌水，瞬时最大涌水量达3 500 m3/h，造成淹井，至8月20日16时，水位上升至斜井X2DK0+470，已经开挖的平导、正洞全部被淹没，抽排水时间长达1个月。自2018年8月17日至今，平导长期处于大规模强涌水段落施工，累计涌水量达到2 000万m3。

2018年3月14日，2号斜井涌水量超过设计值，调整为14 000 m3/d。2018年8月17日，2号斜井平导突发涌水后，对剩余工程涌水量重新预测，将红豆山隧道最大涌水量调整为59 860 m3/d。

3 分阶段排水系统

3.1 涌水前排水系统设计

3.1.1 排水阶段划分

红豆山隧道2号斜井全长1 657 m，洞口至井底高差150 m，承担2 210 m反坡平导、2 594 m反坡正洞和706 m顺坡正洞施工任务。2号斜井反坡排水采用多级泵站接力方式，排水线路为正洞（平导）→斜井→洞外沉淀池→既有河沟（见图1）。

图1 反坡排水线路图

根据施工任务，将2号斜井排水系统设计和投入划分为斜井施工和平导、正洞施工2个阶段：

第1阶段为斜井施工。本阶段根据斜井设计最大涌水量的1.2倍数值设计反坡排水设备、管路及电力供应系统；为减少资金占用，在设备投入时，只投入斜井最大涌水量所需要的排水设备、管路及电力系统，预留第2阶段排水设备和管路的空间位置。

第2阶段为平导、正洞施工。本阶段根据斜井实际揭示的涌水量和正洞预测涌水量，按需求投入斜井和正洞需补充的排水设备、管路及供电系统。因平导与正洞中线水平距离30 m，距离较近，设计涌水量只考虑正洞涌水量。

3.1.2 排水系统分阶段布置

2号斜井工区施工段落设计最大涌水量之和为26 431 m3/d，其中斜井最大涌水量为7 234 m3/d，正洞及平导最大涌水量19 197 m3/d。按照工区最大涌水量的1.2倍数值进行排水系统设计。采用分级接力排水系统：

一级固定泵站：设置在斜井距离隧道洞口1 km处，距离洞口高差103 m，安装256 kW水泵5台，排水能力为1 750 m3/h，扬程为120 m，5套φ200 mm排水管路，在一级泵站对面安装1 000 kW+800 kW变压器为泵站供电。第1阶段斜井施工期间配备2套256 kW水泵和1套65 kW水泵、3套管路；剩余水泵及管路在进入正洞前配置到位。

二级固定泵站：设置在斜井底，与一级泵站高差50 m。斜井施工至二级泵站处时，斜井的稳定涌水量为4 000 m3/d；根据实际涌水量，将2号斜井工区最大涌水量调整为23 197 m3/d，并对排水系统进行优化，安装132 kW水泵4台，扬程为60 m，排水能力为1 620 m3/h，配备φ200 mm排水管道4套。在二级泵站对面安装1 000 kW变压器，为二级泵站和正洞、平导临时泵站供电。在对二级固定泵站排水能力进行调整后，同时对一级泵站排水能力进行相应调整，排水管路由5根优化为4根，优化后一级泵站总排水能力为1 152 m3/h。

在平导每间隔1 000 m左右设置临时泵站，根据前方1 000 m需要承担的设计最大涌水量和已开挖揭示段落实际稳定涌水量之和确定排水设备和管路。正洞涌水采用小型水泵通过横通道抽排至平导后排出。

3.2 涌水后排水系统调整

2号斜井平导突发大规模涌水后，为加快涌水抽排，对排水系统调整。

调整后的排水系统见图2，一级泵站增加2台256 kW水泵、1台220 kW水泵、1台64 kW水泵，增设5根φ200 mm排水管（其中1根备用），一级泵站增加排水能力1 026 m3/h，总排水能力为2 220 m3/h，增加1台800 kW变压器。二级泵站在2号泵站对面增加2-1号 泵站，增设3台160 kW水 泵、3根φ200 mm排水管，增加排水能力972 m3/h，总排水能力为2 073 m3/h，增加800 kW变压器。考虑隧道工程地下水出水点不确定性，平导内小型泵站设置间距由1 000 m调整为500 m。总体排水能力涌水后较涌水前提高了1.76倍。

图2 红豆山隧道2号斜井排水系统示意图

3.3 水泵选型

红豆山隧道2号斜井水泵参数见表1。固定泵站水泵在满足流量、扬程的条件下，选择小功率水泵；临时泵站选择型号统一的小功率、小扬程、大流量水泵。同一级泵站水泵的配置尽量统一，便于管理和维修。

3.4 供电系统

抽排水供电系统作为供电系统的重要组成部分，需24 h不间断供电，2号斜井仅排水设备用电量达4 568 kW，采用传统的发电机组在停电时很难在短时间内同时启动，且隧道作业环境对发电机组的损害和运行效率影响较大。为保证抽排水的连续性，2号斜井配备了云县、凤庆2路10 kV电源，各泵站附近按需要配备变压器，保证1路电源停电时可在短时间内切换供电系统。

表1 红豆山隧道2号斜井水泵参数

4 涌水量监测

4.1 富水区域探测

采用TSP、瞬变电磁等物探手段探测富水区可能存在的空间位置和展布规律，利用超前钻孔对物探结果进行验证［6-7］。

（1）TSP：利用人工激发的地震波在不均匀地质体中所产生的反射波特性来预报隧道开挖工作面前方100～150 m的地质情况。重点通过波速、泊松比、密度、静态杨氏模量的变化和反射截面的分布情况，判断围岩强度、完整性、裂隙发育程度和富水段落区间长度。

（2）瞬变电磁法：利用瞬变电磁法对低阻体反应敏感的特点，探测隧道前方及周边100 m范围内含水地质和不规则水体［8-10］。

2号平导迂回绕行导坑YPDK0+031—131段（100 m）与掌子面水平夹角0°视电阻率剖面见图3，从图中分析，YPDK0+070—110段为相对低阻异常带，推断水量较大。因瞬变电磁预报精度受周边环境影响较大，从2号斜井瞬变电磁预报结果与开挖揭示的情况分析，瞬变电磁对前方及周边第1个低阻体的预报结果准确性较高，穿过第1个低阻体后的预报结果存在一定偏差，因此瞬变电磁的预报长度应根据现场情况灵活调整。

图3 掌子面水平夹角0°视电阻率剖面图

（3）超前钻探：超前钻探的数量、长度、角度应根据物探分析结果针对性布置，一般孔深30～60 m，重点是对物探结果的验证。钻孔过程中，安排专人全程跟踪记录钻进速度、出水点位置、水量变化点及变化量，是否有卡钻、顶钻等异常情况，为风险评估和施工方案确定提供依据。

4.2 涌水量监测

4.2.1 泄水孔涌水量监测

通过测量泄水孔深度、高度、水平喷射距离等参数，推算涌水速度和单孔涌水量，配备相应的抽排水设备，并用抽排水设备的抽排能力验证计算结果的准确性。

根据现场动态监测的涌水量，评估现有抽排水能力下是否存在淹井的可能，并按几何关系推测掌子面积水深度及可能淹没的作业面长度与时间关系。

（1）当掌子面积水深度小于隧道高度时，近似认为积水体纵断面上为三角形，掌子面淹没前积水纵断面见图4。

图4 掌子面淹没前积水纵断面

积水体积：

式中：h为掌子面积水深度，m；l为淹没隧道水平长度，m；b为隧道宽度，m；Q涌为实测涌水量，m3/h；Q排为排水系统抽排水能力，m3/h；t为涌水时间，h。

根据图4的三角函数关系：

式中：i为隧道纵坡，%。

由式（1）和式（2）可得到：

由式（3）和式（4）可得淹没隧道的长度L：

（2）掌子面淹没后积水纵断面图见图5。

当掌子面积水深度超过隧道高度时，积水体积：

式中：V1为积水深度超过隧道高度段体积，m3；V2为积水深度未超过隧道高度段体积，m3；Q涌为实测涌水量，m3/h；Q排为排水系统抽排水能力，m3/h；t为涌水时间，h。

图5 掌子面淹没后积水纵断面

其中：

式中：S为隧道断面面积，m2；L为淹没隧道长度，m；L1为积水深度超过隧道高度段淹没长度，m；L2为积水深度未超过隧道高度段淹没长度，m；H为隧道高度，m；i为隧道纵坡，%；b为隧道宽度，m。

淹没隧道的长度L=L1+L2，其中：

得到：

红豆山隧道2号平导断面面积为42 m2，隧道高度为6.2 m、宽度为7.0 m、线路纵坡为2%。红豆山隧道2号平导实际涌水量2 500 m3/h时，计算得到的24 h淹没隧道的长度见表2，从计算结果分析，16 h积水即可淹没掌子面，24 h淹没隧道长度达到394 m。

实际涌水量超过排水能力时，增加排水系统往往无法在短时间内完成，因此预防淹井灾害必须从控制实际涌水量着手。

4.2.2 整体涌水量监测

在排水管路上安装流量计，并在洞口设置简易导流槽，对整体涌水量进行动态监测。

2018年6月—2019年6月红豆山隧道2号斜井涌水量监测结果见图6，累计涌水量随时间变化呈现出线形增长趋势，单月涌水量在2018年8月出现最高值，9月、10月呈现逐渐降低趋势，2018年10月—2019年2月水量无明显变化，2019年3—5月明显降低且保持稳定，2019年6月水量呈现增高趋势。从涌水量总体变化趋势看，除2018年8月突发涌水外，其余时间涌水量变化与当地气候变化规律基本吻合，呈现雨季涌水量增大、旱季涌水量减少的规律。

表2 红豆山隧道2号平导24 h淹没长度计算

5 限量排放标准

限量排放是在对富水区域探测和涌水量实时监测的基础上，实施超前钻孔泄水，通过控制泄水孔的数量和单孔流量，保证总体涌水量低于现场实际抽排水能力的方法。可防止因突发性涌水量过大造成排水系统瘫痪而引发淹井灾害。红豆山隧道2号斜井针对不同涌水量的限量排放标准见表3。

表3 红豆山隧道2号斜井不同涌水量的限量排放标准

6 基于水量监测和限量排放的反坡排水系统设计及安全运行体系

基于水量监测和限量排放的反坡排水系统设计及安全运行体系见图7，分为排水系统设计、排水系统安装运行、涌水量监测与限量排放3个模块。

6.1 排水系统设计

（1）根据隧道勘察设计资料，结合区域水文地质条件，计算隧道分段涌水量。

（2）反坡排水系统设计包括泵站分级设计、水泵选择、排水管路布置、供电系统设计。

6.2 排水系统安装运行

（1）按照反坡排水系统设计方案，结合施工进度安排，分阶段安装排水系统，并根据实际涌水量分阶段对排水系统进行优化设计。

（2）建立排水系统安全运行体系。成立排水系统专业班组，按泵站设置配备专业抽排水人员，每个泵站配备2人/班，每班工作8 h；配备专职清淤和管道维修人员，对泵站及排水管路进行日常清理、保养；建立排水系统专项检查和供电系统专业检查制度，每周检查排水方案的落实情况和排水设备、供电系统的运转状态，及时排除隐患，保证排水系统和供电系统24 h正常运转。

6.3 涌水量监测与限量排放

（1）建立隧道超前地质预报管理制度，落实TSP、瞬变电磁等物探手段和超前钻孔卸压排水措施，探测富水区域空间位置和分布规律。

（2）成立涌水量监测领导小组，安排专人每天对泄水孔及各排水管道出水量进行监测，形成涌水量变化曲线图；专人对超前卸压排水孔施工全过程盯控，对出水点、涌水量大小及变化点、水质变化、钻速、突进及卡钻等进行记录，分析涌水量变化，指导施工。

（3）建立隧道安全风险预警机制，根据实际涌水量大小和水质变化分Ⅰ级红色、Ⅱ级橙色、Ⅲ级黄色3级预警，由项目部、工区、架子队分别按照不同预警级别，依据限量排放标准采取对应的技术和管理措施。

7 实践效果

红豆山隧道2号斜井自2018年8月17日发生大规模涌水淹井灾害后，长期处于大规模涌水段施工，截至2020年4月，累计抽排水量达到2 000万m3。采用基于水量监测和限量排放的反坡排水技术后未发生因涌水量超过排水能力造成的淹井灾害，降低反坡排水隧道因突发涌水造成淹井的风险，保证隧道顺利、快速施工。

8 结论

红豆山隧道2号斜井采用基于水量监测和限量排放的大坡度长距离隧道分阶段反坡排水技术，有效遏制了反坡排水隧道因突发涌水造成排水系统失效引发的淹井灾害，通过1年多的现场实践，取得了显著效果。

（1）采用物探+超前钻孔泄水的探测方式，动态监测涌水量变化，计算分析可能造成的淹井长度与时间关系，判定淹井风险程度，并根据不同涌水量，采用限量排放措施，可有效避免淹井灾害发生。

（2）红豆山隧道2号斜井施工期间，仅按斜井本身涌水量投入排水设备，转入平导和正洞施工后，根据斜井实际揭示涌水量调整和优化排水系统的方法可行，可节约施工成本，减少资金占用。

（3）排水设备的选择综合考虑扬程、流量、功率等参数，选用统一型号，方便维修和管理。排水设备的供电系统采用2路电源，既能实现在1路电源停电时迅速切换，又能解决传统备用电机组管理、维修难度大的问题。

（4）建立反坡排水安全运行管理体系，是保证各项技术措施落实的关键。

（5）突发涌水引起的排水系统调整，造成斜井净宽减小给隧道交通组织带来极大困难，勘察设计阶段隧道最大涌水量的探测精度需进一步提高，同时斜井断面设计时，应考虑排水系统布设预留富余量。

（6）长期抽排水可能改变地下水径流关系，破坏地下水平衡，在富水隧道施工时，应考虑采用注浆堵水等措施，减少地下水抽排对环境的影响。