引汉济渭工程秦岭输水隧洞越岭段岭北工区抽排水方案研究与设计

刘 旭

（西安市水环境监测中心，陕西 西安710100）

1 工程概况

陕西省引汉济渭工程是陕西省省内跨流域调水工程，整个调水工程由三个部分组成，包括秦岭输水隧洞（黄三段和越岭段）、三河口水利枢纽和黄金峡水利枢纽［1］。

1.1 工程范围

岭北工程包含5、6、7号主洞及支洞，隧洞施工过程中涌水及生产废水经5、6、7支洞排出，出口段及出口延伸段自流至出口洞外排出，此处暂不考虑其抽排水设计。

1）隧洞相邻关系平面布置图

秦岭隧洞岭北段工程主要包括：正洞以及辅助支洞5号和6号、7号勘探试验洞，项目主要工程见图1。

图1 隧洞相邻关系平面示意图

2）6号勘探试验洞及主洞试验段

6号勘探试验洞包括勘探试验洞土建工程和有关的勘探试验。勘探试验洞平距2470 m，洞口底板高程721.93 m，洞底高程516.57 m。洞身段为圆拱直墙型断面，斜长2479 m，断面净尺寸7.7 m×6.75 m（衬砌后），综合纵坡8.32%；6号勘探试验洞主洞试验段工程担负下游2 km、上游2.261 km的钻爆法施工任务。其中，6号勘探试验洞与主洞试验段交点的正洞桩号为K65+163.517，主洞试验段交叉点底板高程为516.57 m。洞身段为圆拱曲墙马蹄型断面，断面净尺寸6.76 m×6.76 m（衬砌后）、正洞坡降为1/2530。

3）5号支洞及TBM施工段

5号支洞长4595 m（平距），斜长4620 m，洞身断面净尺寸5.2 m×6.0 m（衬砌后），为圆拱直墙型断面，综合纵坡9.94%。采用无轨运输方式，主要解决TBM长段施工中通风、出渣、检修等问题［2］。

秦岭隧洞TBM施工段由TBM后配套安装洞（160 m）、TBM主机安装洞（50 m）、TBM步进洞（410 m）、TBM始发洞（25 m）、TBM检修洞（560 m）、TBM拆卸洞（50 m）和TBM掘进施工段（7175.517＋8310 m）组成［3］。其中TBM后配套安装洞、TBM主机安装洞、TBM步进洞、TBM始发洞、TBM检修洞、TBM拆卸洞采用钻爆法施工，现浇混凝土衬砌。

岭北TBM施工段采用一台Φ8.02 m敞开式硬岩掘进机施工，支洞采用固定皮带机配合主洞连续皮带机出渣，模筑衬砌段采用全圆穿行式模板台车TBM同步衬砌技术。TBM通过6号支洞运至组装洞室，在洞内组装并完成调试后向进口方向掘进［4］。

4）7号勘探试验洞

7号勘探试验洞工程建设内容包括施工临建工程、7号勘探试验洞土建工程、黑河中桥、王家河中桥以及弃碴道路等。勘探试验洞平距1877 m，洞口底板高程623.27 m，洞底高程514.37 m。洞身段为圆拱直墙型断面，斜长1880 m，断面净尺寸7.0 m×6.0 m（衬砌后），综合纵坡5.8%。

2 地质勘探概况

2.1 秦岭隧洞区地下水类型

以秦岭山脊为界，地势北高南低，高程多在1000 m～2500 m之间，相对高差1500 m，隧洞最大埋深约2000 m，地貌上分为秦岭岭南中低山区、秦岭岭脊高中山区及秦岭岭北中低山区三个主要地貌单元。根据秦岭隧洞在区内出露地层岩性和地质结构特征，将含水介质与地下水结合，分为第四个孔隙水、碳酸盐岩岩溶水及基岩裂隙水三大类。

2.2 区域地下水补、径、排特征

秦岭隧洞通过区地下水根据其断裂构造和地形地貌条件分为岭南、岭北两大水流系统及若干子水流系统，主要以潜水为主，局部表现出弱承压性。因此，地下水补给、径流、排泄主要受地层、岩性、地质构造的控制［5］。

区域地下水以近南北向径流排泄，各子水流系统（即支流水系）地下水径流方向与区域径流方向有所不同。基岩山区的大气降水及冰雪消融水通常以风化裂隙、构造裂隙作为主要通道，补给沟谷地下水。地下水的排泄方式，除以河流、沟谷作线状排泄外，还以泉点作点状排泄［6］。

3 各施工段地下水涌水量情况

3.1 5号勘探试验洞

5号支洞工区辅助正洞施工，不施工正洞。正常涌水量5076 m3/d，最大涌水量10150 m3/d。5号支洞与主洞相交里程为k55+280。

3.2 6号勘探试验洞

6号支洞承担主洞施工工区为k46+360～k67+163.517，长度20803.517 m。正常涌水量14919 m3/d，最大涌水量29838 m3/d；支洞水平长度2470 m，正常涌水量1101 m3/d，最大涌水量2202 m3/d。6号支洞与主洞相交里程为k65+164。

6号支洞承担的排水总量为：正常涌水量16020 m3/d，最大涌水量32040 m3/d。

3.3 7号勘探试验洞

7号支洞承担主洞施工工区为k67+163.517～k75+286，长度8122.483 m。正常涌水量5800 m3/d，最大涌水量11600 m3/d；支洞水平长度1877 m，正常涌水量2065 m3/d，最大涌水量4130 m3/d。7号支洞与主洞相交里程为k70+723。

7号支洞承担的排水总量为：正常涌水量7865 m3/d，最大涌水量15730 m3/d。

4 总体排水方案

4.1 5号支洞排水方案

4.1.1 5号支洞施工排水方案（与正洞贯通前）

根据设计5号支洞正常涌水量5076 m3/d，最大涌水量为10152 m3/d，采取DN300单管道排水。根据施工进度情况，在洞壁一侧修建四级泵站排水。

4.1.2 5号支洞施工排水方案（与正洞贯通后）

5号支洞与正洞贯通后，排水通过引水沟流入主隧洞，通过主隧洞排除洞外。即5号支洞的水直接排入正洞由6号水泵站排出。

4.2 6号支洞排水方案

4.2.1 6号与5号支洞之间正洞贯通前排水方案

6号支洞正洞与5号支洞正洞贯通前，正洞内的6号水泵站承担着6号支洞及正洞地下水排出任务。6号支洞工区正常涌水量16020 m3/d，最大涌水量32040 m3/d，采取DN400双管道排水。因6号支洞已完工，考虑泵站维护运营成本，采取一级排水。

4.2.2 6号与5号支洞之间正洞贯通后排水方案

6号支洞与5号支洞之间正洞贯通后，6号支洞同时承担5号支洞主洞上游排水任务，5号泵站承担自身斜井的排水。

4.2.3 6号与7号支洞之间正洞贯通后排水方案6号支洞与7号支洞之间正洞贯通后，6号支洞和7号支洞仍各自承担本工区段的施工排水任务。

4.3 7号勘探试验洞排水方案

根据设计7号支洞正常涌水量为2065 m3/d，最大涌水量为4130 m3/d；采取DN300单管道排水。7号支洞贯通前，根据施工进度情况，在洞壁一侧修建二级泵站排水。

7号泵站贯通后，还承担本支洞工区的排水任务，设计正洞工区正常涌水量为5800 m3/d，最大涌水量为11600 m3/d；增加一路DN300排水管道，采取双管道排水。同时，在7号斜井施工过程中，水泵选型上必须兼顾7号支洞贯通后的排水量。

5 排水方案计算

5.1 5号支洞排水方案计算

1）水量计算

5号支洞正常涌水量QZ=5076m3/d，最大涌水量Qmax=10152 m3/d；钻爆施工用水量Q2=120 m3/d。

隧洞正常总排水量：

Q=QZ+Q2=5076+120=5196 m3/d÷20 h=259.8 m3/h

隧洞最大排水量：

QZmax=Qmax+Q2=10152+120=10272 m3/d÷20 h=513.6 m3/h

2）管径选择

选用DN325钢管2根，一根正常，一根备用。

3）扬程计算

5号斜井最低点高程为520.554 m，最高点高程978.018 m

地形高差：H1=978.018-520.554=457.464 m

扬水管道长度：斜井长度L=4620 m

扬水管道沿程损失为：DN325钢管v=0.87 m/s，1000i=3.66，H2=4620×3.66/1000=16.91 m

考虑到管道连接及弯头等对水头的损失，管道总的水头损失按照沿程损失的2.5倍考虑。

水泵所需总扬程H=H1+2.5H2=457.464+2.5×16.91=499.739 m

4）水泵选型

按四级潜水泵考虑，水泵选型为：矿用隔爆型潜水排沙电泵320-30×5-260，Q=320 m3/h，H=150 m，N=260 kW；工作1台，备用1台，检修1台。共设泵12台。

5.2 6号洞排水方案计算

5.2.1 主洞TBM施工前

1）水量计算

6号支洞正常涌水量Q1=1101 m3/d，最大涌水量Q1max=2202 m3/d；

正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d，最大涌水量Q2max=29838 m3/d；钻爆施工用水量Q3=120 m3/d。

隧洞正常总排水量：

QZ=Q1+Q2+2×Q3=1101+14919+2×120=16260 m3/d÷20 h=813 m3/h

隧洞最大排水量：

QZmax=Q1max+Q2max+2×Q3=2202+29838+2×120=32280 m3/d÷20 h=1614 m3/h

2）管径选择

选用DN400 mm钢管2根，一根正常，一根备用。

3）扬程计算

6号斜井最低点高程为516.57 m，最高点高程721.93 m

地形高差：H1=721.93-516.57=205.36 m

扬水管道长度：斜井长度L=2479 m

扬水管道沿程损失为：DN400钢管v=1.80 m/s，1000i=11.4，H2=2479×11.4/1000=28.3 m

考虑到管道连接及弯头等对水头的损失，管道总的水头损失按照沿程损失的2.5倍考虑。

水泵所需总扬程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×28.3=276.11 m

4）水泵选型

鉴于6号斜井已施工完成，考虑减少维护成本，采取井底一级潜污泵排水：

水泵选型为：矿用隔爆型潜水排沙电泵400-50×6-630，

Q=400 m3/h，H=300 m，N=630 kW；

工作2台、备用2台、检修1台，共设潜污泵5台。

5.2.2 TBM第一阶段施工

1）水量计算

6号支洞正常涌水量Q1=1101 m3/d，最大涌水量Q1max=2202 m3/d；

正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d，最大涌水量Q2max=29838 m3/d；TBM施工排水量Q3=1100 m3/d。

隧洞正常总排水量：

QZ=Q1+Q2+Q3=1101+14919+1100=17120 m3/d÷20 h=856 m3/h

隧洞最大排水量：

QZmax=Q1max+Q2max+Q3=2202+29838+1100=33140 m3/d÷20 h=1657 m3/h

2）管径选择

选用DN400 mm钢管2根，一根正常，一根备用。

3）扬程计算

6号斜井最低点高程为516.57 m，最高点高程721.93 m

地形高差：H1=721.93-516.57=205.36 m

扬水管道长度：斜井长度L=2479 m

扬水管道沿程损失为：DN400 mm钢管v=1.89 m/s，1000i=12.58，H2=2479×12.58/1000=31.19 m

考虑到管道连接及弯头等对水头的损失，管道总的水头损失按照沿程损失的2.5倍考虑。

水泵所需总扬程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×31.19=283.335 m

4）水泵选型

鉴于6号斜井已施工完成，考虑减少维护成本，采取井底一级潜污泵排水。

水泵选型为：矿用隔爆型潜水排沙电泵500-55×5-720，Q=500 m3/h，H=275 m，N=720 kW；工作2台、备用2台、检修1台。共设潜污泵5台。

5.2.3 TBM第二阶段施工

1）水量计算

6号支洞正常涌水量Q1=11 0 1 m3/d，最大涌水量Q1max=2202 m3/d；

正洞段正常涌水量Q2=14919 m3/d，最大涌水量Q2max=29838 m3/d；TBM施工排水泵流量Q4=1100 m3/d。

5号支洞正常涌水量Q3=5076 m3/d，最大涌水量Q3max=10152 m3/d；

隧洞正常总排水量

QZ=Q1+Q2+Q3+Q4=1101+14919+5076+1100=22196 m3/d÷20 h=1109.8 m3/h

隧洞最大排水量

QZmax=Q1max+Q2max+Q3max+Q4=2202+29838+10152+1100=43292 m3/d÷20 h=2164.6 m3/h

2）管径选择

选用DN450 mm钢管2根，一根正常，一根备用。

3）扬程计算

6号斜井最低点高程为516.57 m，最高点高程721.93 m

地形高差：H1=721.93-516.57=205.36 m

扬水管道长度：斜井长度L=2479 m

扬水管道沿程损失为：

DN450钢管v=1.94 m/s，1000i=11.37，H2=2479×11.37/1000=28.19 m

考虑到管道连接及弯头等对水头的损失，管道总的水头损失按照沿程损失的2.5倍考虑。

水泵所需总扬程H=H1+2.5H2=205.36+2.5×28.19=275.835 m

4）水泵选型

6号斜井已施工完成，考虑减少维护成本，采取井底一级潜污泵排水：

水泵选型为：矿用隔爆型潜水排沙电泵600-50×6-1000，Q=600 m3/h，H=300 m，N=1000 kW；工作2台、备用2台、检修1台。共设潜污泵5台。

5.3 7号支洞排水方案计算

1）水量计算

7号支洞正常涌水量Q1=2065 m3/d，最大涌水量Q1max=4130 m3/d；掌子面施工用水量Q3=120 m3/d。

正洞段正常涌水量Q2=5800 m3/d，最大涌水量Q2max=11600 m3/d；每个掌子面施工用水量Q3=120 m3/d。

隧洞正常总排水量QZ=Q1+Q2+Q3=2065+5800+120×2=8105 m3/d÷20 h=405.25 m3/h

隧洞最大排水量

QZmax=Q1max+Q2max+2×Q3=4130+11600+120×2=15970 m3/d÷20 h=798.5 m3/h

2）管径选择

选用DN300 mm钢管2根，一根正常，一根备用。

3）扬程计算

7号斜井最低点高程为514.37 m，最高点高程623.27 m

地形高差：H1=623.27-514.37=108.9 m

扬水管道长度：斜井长度L=1880 m

扬水管道沿程损失为：DN300 mm钢管v=1.59 m/s，1000i=12.6，H2=1880×12.6/1000=23.69 m

考虑到管道连接及弯头等对水头的损失，管道总的水头损失按照沿程损失的2.5倍考虑。

水泵所需总扬程H=H1+2.5H2=108.9+2.5×23.69=168.125 m

4）水泵选型

按二级潜污泵考虑水泵选型为：矿用隔爆型潜水排沙电泵400-50×2-220，Q=400 m3/h，H=100 m，N=220 kW；工作1台、备用1台、检修1台。共设潜污泵3台。

6 结语

隧洞内抽排水方案的确定既需要结合工程所在的地质情况，也需要理论的计算作为支撑，需要结合工程的实际情况做研究做设计，排水能力不宜过大也不宜过小，。

施工过程中国按照此方案进行了排水布置，排水效果良好，既保证了施工安全，也满足了工程进度要求，可为后续隧洞工程提积累经验、供提借鉴。