高海拔富水隧道斜井辅助正洞施工抽排水技术研究——以西藏林拉公路米拉山特长隧道为例

杨 洋， 唐 柯， 龚 彬， 严 健， 汪 波

(1. 中铁二局第五工程有限公司， 四川 成都 610091;2. 西南交通大学 交通隧道工程教育部重点实验室， 四川 成都 610031)

0 引言

在山岭公路隧道中防止出现涌突水一直是施工过程中要解决的难题之一。西格二线关角隧道[1]、花石峡至久治公路段的雪山1号隧道[2]、共和至玉树(结古)公路B5合同段雁口山隧道工程[3]，西藏林拉公路米拉山特长公路隧道等高海拔富水隧道工程实践表明，隧道建设过程中渗漏水危害、防排水技术等问题严峻，施工面临巨大的挑战。受区域气候条件、水文条件、工程地质和地质构造影响，治“水”是隧道施工的关键。

目前，在特长山岭隧道设计中，斜井、平行导坑等常作为服务通道、运营通风或辅助施工通道。针对富水斜井施工，李建军[4]以雅泸高速公路大相岭隧道为依托，详细介绍了陡坡富水斜井抽排水施工技术；冯兴龙[5]针对中条山隧道 3 号斜井正洞涌水量较大的施工现状，提出了相应的反坡排水方案及工艺流程；郑剑锋[6]研究了公路隧道陡坡长距离通风斜井抽排水技术。奚成[7]、李鸿杰[8]、左玉杰[9]、谷崇建[10]等分别以青云山隧道1号斜井、麻崖子隧道等为依托，进行了反坡排水优化施工等技术研究。

上述研究主要集中于斜井本身的抽排水，较少考虑到高海拔对抽水设备的降效影响，而如何利用斜井辅助施工、特别是辅助主洞施工抽排水方面的报道较少。新建世界海拔最高的西藏林拉公路米拉山特长隧道涌水量巨大、工期要求紧迫，为解决高海拔环境下富水隧道抽排水降效问题、保证正洞排水效果和施工进度、降低施工成本，利用先期已施工完成的斜井辅助正洞进行抽排水,有效解决了高海拔环境下富水隧道抽排水问题，保证了施工安全和进度。

1 工程概况

西藏林拉公路米拉山隧道是国道318线林芝至拉萨高等级公路的控制工程，是国家高速公路网展望线G4218的重要组成路段，是西藏“四纵、三横”骨架公路网的重要组成部分，是连接藏中藏东经济带、对接长江经济带的重要通道[11]。米拉山隧道(见图1)进口位于工布江达县境内，隧道南北向横穿米拉山。设计为分离式隧道，隧道左、右洞全长分别为5 727、5 720 m，进口、出口海拔分别为4 752、4 774 m，斜井井口海拔4 889.6 m，是目前已建成的世界海拔最高的特长公路隧道。

(a) 隧道位置

(b) 现场照片

米拉山隧道分为2个合同段，由中铁二局五公司施工米拉山隧道进口段，斜井及出口段由中铁十二局施工。工程于2015年1月进场，施工穿越富水断层。结合地质背景调查资料，上述区段富水条件受米拉山口一夏玛日次级断裂(F3)影响明显，该断层走向近北 60°东、倾南东、倾角 70°，属逆断层，上下盘岩性为下第三系—上白垩系林子宗(K2-E)L3)凝灰岩，岩石较破碎、糜棱岩化、富水性强，分布于洞身 ZK4478-780～ZK4479+200 段，断层及其影响带宽度约 300 m，断层致地表形成宽缓的凹地，涌突水段均位于断层破碎带附近，施工中最高持续涌水量达38 590 m3/d，即1 607. 92 m3/h，涌水持续时间长、水量分布不均。掌子面涌水塌方现场照片如图2所示。

图2 米拉山隧道掌子面涌水塌方现场照片

采用水平廊道法和达西定律对隧道进出口施工期间地下涌水量进行预测，预测结果如表1所示。

表1 米拉山隧道进出口施工期隧道涌水量预测

由表1可见，在整个5 520 m预测范围内，采用水平巷道法和达西定律法预测的涌水总量数值较为一致。但在ZK4478+666～ZK4479+210、ZK4478+070～+370以及ZK4479+595～ZK4480+155共1 197 m范围内，由于2种预测方法对隧道涌水的影响半径、渗透系数、不同水文地质条件等因素的考量不同，使结果存在一定的差异；但上述3段范围内的水量均较大，其中以突水段富水性为最强，施工中应引起高度重视。

工程实施中统计显示，2017 年 6—8月，因米拉山隧道涌水造成工程工期延误3个月。经初步测算，涌水及引起的塌方导致直接经济损失及产生附加的工程费用达1 200万元，导致间接经济损失及费用增加多达3 500万元。

2 高海拔环境下的抽排水机械设备功率降效及设备配置

在富水隧道中，通常采用抽水机械设备及时排除隧道内余水。抽排水系统一般由集水井、抽水机械设备、管道系统、电力系统、控制系统等组成。

2.1 高海拔环境影响及环境参数测试

高海拔环境下空气密度和湿度相应减少，进而使气压也发生变化。参考典型工程不同海拔的大气压、空气密度和湿度测试结果如表2所示。

表2 不同海拔的大气压、空气密度和湿度

结合米拉山实际情况，由表2可见，气压随海拔升高而降低，在4 500 m处大气压仅为海平面大气压的62.2%，空气密度仅为66.8%；随海拔增加气温相应下降，进而造成空气中水蒸气含量相应降低，空气湿度变小，海拔4 500 m处湿度仅为25.9%。

此外，空气压力降低，氧气压力也随之降低。据测算，在海拔4 200 m处氧气压力只有海平面的58%。随着海拔的增加，太阳光透过度愈大，到达地面的辐射强度较强；由于夏季和冬季气温相差较大，夏季6—8月太阳直接辐射强度值最大。

上述气候环境条件对米拉山隧道施工机具设备产生了不良影响，包括： 功率下降、故障增多、有害气体排放增加、启动困难等；铅蓄电池的容量及启动放电性能也随温度的降低而降低。由于隧道涌水量巨大，高海拔隧道配备柴油发电机作为主要或备用电源，其高海拔环境下的动力性、经济性和可靠性都发生了较大变化。因此，需要对隧道排水设备和发生机组功效进行测试分析，进而开展配套选型。

2.2 基于现场测试的抽排水机械设备功率降效特性分析

现场通过对米拉山隧道进口端洞内HDL354D-14 柴油发电机组(标定功率为450 kW)功率、油耗及水泵参数进行测试，进而确定抽排水机械设备降效特性。在ZK4478+070和ZK4478+950 2处对柴油发电机组功率、油耗及水泵参数进行测试，其中，针对PL100-45电动单级离心清水泵的现场测试内容包括流量、扬程、功率、转速、效率等。

采用电参数测量仪测试电压、电流、功率因数、频率，获取电机的输入功率，流量测量采用电磁流量计，采用精密压力表测量扬程；根据测得的流量、扬程再计算出泵的输出功率，并根据泵的输出功率和输入功率来计算泵的效率。

流量的计算公式：

Q=v·A·t。

(1)

式中：Q为液体的流量,m3；v为通流截面上的平均流速,m3/h；A为通流管道的截面积,m2；t为计算时间，h。

扬程的计算公式：

H=(p2-p1)×ρg+(v22-v12)/2g+Z2-Z1。

(2)

式中：H为扬程，m;p2和p1分别为水泵出口和进口处的水压力，Pa；v2和v1分别为水泵出口和进口处的流速，m/s；Z2和Z1分别为水泵出口和进口处的高度，m；ρ为水的密度，kg/m3；g为重力加速度,取9.8 m/s2。

泵的效率

η=Pu/Pi。

(3)

Pu=Q·H·ρ·g×10-3。

(4)

式(3)—(4)中：Pu为水泵输出功率，kW；pi为水泵输入功率;Q为液体的流量，m3。

测得结果见表3。

表3 米拉山隧道水泵参数测试

由以上测试结果可知：

1)根据对米拉山隧道额定功率450 kW发电机组最高输出功率现场测试可见，该发电机组自吸气柴油机的功率修正系数约为0.52，自吸气式柴油机的功率仅为额定功率的一半。

2)根据对柴油发电机燃油消耗的计算，隧道内使用的柴油抽水机组平均燃油消耗是其在平原地区的1.43倍，因此，内燃机械在高海拔环境下会出现功率下降、燃油消耗增加等问题。

3)经测算，水泵功率、流量等所有参数均明显下降。其中，抽水机流量、扬程最大降幅分别为11%和8%，而流量受影响最大。为有效排水、缩短工期和节约施工成本，应对抽水机和泵站的配套进行优化，并采用大功率、大流量机型。

2.3 富水隧道抽排水机具选型及配套原则

1)泵站宜设置在施工干扰小的地方，泵站水泵宜按“大流量、低扬程”原则进行选择，“一用一备”，水泵的选型要根据工作环境、条件，泵正常运行必需的性能参数，以及被输送介质的物理、化学性能，全面考虑泵装置系统中技术性能指标、材质选用、电动机匹配、密封可靠性及节能、使用维护等综合经济指标的要求，在定型的泵产品中选择出最合适的类型与型号规格，并采用三通将主水泵、备用水泵同时与主排水管路连接。

2) 富水隧道中的排水管路要与水泵相匹配，能满足正常排水需要并考虑突水因素，各级泵站排水管路均需设置双进水口分别与主、备设备连接，排水管路设置逆止阀，与移动水箱连接的排水管宜采用可防钢性损伤的钢丝软管。

3)隧道内设置集水井、水舱或水箱，起到截水、汇水的作用，必要时可增设移动泵站，同时，在掌子面、集水井及泵站附近安排抽排水作业班组，做好抽排水管理，合理控制抽排水时间。

4)电力配置必须与“一用一备”相协调，设置柴油发电机或配足备用电源；其中，柴油机发电机修正功率计算公式[12]为

Pt=ac·Py。

(5)

式中：Pt为修正后的实际功率；ac为修正系数;Py为柴油机的标定功率。

5)在隧道及地下工程机械化和智能化趋势下，宜选择具有延时开关的集水井自动抽排水装置系统，通过延时开关控制抽水泵开启的触发装置，进而实现抽水泵的自动启停。

6)高原缺氧环境中，工人不适合进行剧烈的体力劳动，而抽水机作业采用人工移动的方式，劳动强度高，安全隐患大。为此，排水机械配套主要考虑泵站建设、水泵选型配置、水管选型和水泵电动力选择，从而减少掌子面抽水作业人工人数、提高工效、降低成本,达到富水隧道抽排水要求。

3 米拉山隧道斜井辅助正洞施工抽排水设计

3.1 米拉山富水隧道合同工期及抽水方案

高海拔隧道机械配套系统受隧道工期、掘进长度、海拔、围岩情况、隧道涌水量、隧道坡度、施工方法等各种因素的共同影响，解决好抽排水问题必须处理好水泵选型、泵站建设、抽排水管道选型和供电方案的选择等多个方面的问题[4]。根据高海拔富水隧道涌水量预测和特点分析，以及抽排水机械设备功率降效及配置原则，根据施工组织整体施工计划，斜井工区采用隧道出口左洞及斜井辅助正洞施工抽排水的方案。

米拉山隧道进口施工左洞任务段落为ZK4475+960～ZK4477+720，利用斜井施工左洞工区段为ZK4477+720～ZK4478+780，施工天数801 d。米拉山隧道进口施工右洞任务段为YK4475+980～YK4477+718，利用斜井施工右洞工区段为YK4477+718～YK4478+760，施工天数795 d。综合考虑米拉山隧道主洞涌水量、施工工期及抽排水可行性，确定斜井辅助主洞施工段内共设置Ⅲ级固定泵站。其中隧道主洞内为Ⅰ级泵站并配移动泵站，斜井内设置Ⅱ级泵站，泵站分布如图3所示。

图3 米拉山隧道斜井辅助正洞施工泵站分布图

3.2 米拉山富水隧道泵站水泵配置计算

米拉山隧道Ⅲ级泵站的总扬程需要同时考虑泵站间的相对高差和管道摩擦损失值。通过计算选配相应功率的水泵，因第Ⅲ级泵站最大抽水距离达到915 m，在泵站水泵及管道型号一致的情况下，以Ⅲ级泵站进行计算分析，米拉山隧道斜井辅助正洞施工各级泵站水泵配套数见表 4。

表4 米拉山隧道斜井辅助正洞施工各级泵站水泵配套数

根据相关规定要求，配备正常工作水泵、备用水泵和检修水泵。工作水泵抽排水能力按工作 20 h内排出24 h隧道正常涌水量计算，则Ⅲ级泵站每h排水流量为：Qh=(30 492 m3/d)/(20 h/d)=1 524.6 m3/h。

考虑高海拔降效情况，斜井辅助正洞施工中Ⅲ级泵站按利用系数0.7计算，则每h排水量为：

12×750×0.66×0.7=4 158 m3/h。

由4 158 m3/h>1 607.92 m3/h，通过计算并对照所选水泵的型号，泵站所配置的水泵可以满足使用要求。备用水泵抽排水能力按≥70%工作水泵配备，检修水泵的抽排水能力按≥25%工作水泵配备。工作和备用水泵的总能力应按 20 h 内排出隧道内 24 h 的最大涌水量计算。对高海拔富水隧道，要考虑高海拔降效影响，因此现场还增配4 kW的增压泵，以更好地增强抽排水效果。

3.3 米拉山富水隧道泵站水管选型

根据富水隧道抽排水机械选型及配套原则，按照富水隧道中水泵在 20 h排出隧道内 24 h正常涌水量和最大涌水量需求，对工作水管和备用水管进行计算选型。

最大涌水量时，Ⅲ级泵站每h排水流量为1 524.6 m3/h=423.84 L/s，根据《直管摩擦损失简表》中最大直径管道最大流量限制表，管道直径φ=250 mm，数量增加为3路。

根据式(1)反算得出水管截面上的平均流速v=2.68 m/s<2.72 m/s，管道流量符合要求。

3.4 米拉山富水隧道泵站水泵扬程核算

米拉山进口端左洞斜井辅助抽排水过程中扬程可按式(6)计算：

HB=HSY/ηg。

(6)

式中：HB为水泵所需扬程，m；HSY为集水井最低水位至排水管出口间的高度差；ηg为管路效率。

参考文献[13]，式(6)中HSY一般可取+4 m；当管路在竖井中铺设时，ηg=0.89～0.9；当管路在斜井中铺设且倾角α>30°时，ηg=0.8～0.83； 20°<α<30°时，ηg=0.77～0.8；α<20°时，ηg=0.74～0.77。

1)Ⅰ级移动泵站相对高差

h=284×sinα=284×0.174=49.41 m,

需要最大扬程为(49.41+ 4)/0.75=71.22 m<100 m，满足抽排水扬程需求。

2)Ⅱ级移动泵站泵相对高差

h=145×sinα=145×0.174=25.23 m,

需要最大扬程为(25.23+4)/0.75=38.97 m<100 m，满足抽排水扬程需求。

3)Ⅲ级泵站相对高差

h=915×sinα=159 m。

2种流量下水泵的管路损失值为：

250 kW抽水机Qh=750 m3/h，φ250 直管每 100 m 的损失为15 m，则 915/100×15=137 m；

37 kW抽水机Qh=220 m3/h，φ250 直管每 100 m 的损失为9.5 m，则 915/100×9.5=86.925 m；

弯头和阀门损失按 3 m 计算，则Ⅲ级泵站所配置的2种水泵总扬程分别为：

137+159+3=299 m<125×13/3=541 m；

86.925+159+3=248 m<100×12/3=400 m。

经计算， Ⅰ—Ⅲ级泵站配置的水泵均满足设计要求。

3.5 米拉山富水隧道水泵电动力选择

在米拉山隧道中架设供电专线，当隧道掘进到450 m时，采用高压进洞技术，确保洞内抽水用电，陡坡斜井辅助主洞解决抽水问题。根据表 4，泵站抽排水用电负荷总有效功率为2 721.6 kW，因此选择变压器容量(S)为3 505 kW，隧道施工电压(U)等级为10 kV，则最大工作电流

根据GB 50217—2018《电力工程电缆设计规范》[14]可选用 YJV 3×70+2×35电缆(额定电流200 A/225 A)。

4 结论与讨论

1)米拉山隧道穿越富水断层，涌水量预测结果显示全隧1 197 m涌水量均异常巨大，施工中最高持续涌水量达1 607.92 m3/h，涌水持续时间长、水量分布不均。

2)米拉山隧址区处于高海拔氧含量偏低的恶劣环境中，隧道进口端洞外各月平均氧分压、柴油发电机组油耗测试显示自吸气柴油机功率修正系数约为0.52，发电机组最高输出功率仅为发电机组额定功率450 kW的66.2%；抽水机流量、扬程最大降幅分别为11%和8%；为有效排水、缩短工期节约施工成本，应采用大功率、大流量水泵。

3)综合考虑主洞涌水量、工期、水泵效率等因素，确定斜井辅助主洞施工段内设置Ⅲ级固定泵站，其中隧道主洞内为Ⅰ级泵站并配移动泵站，斜井内设置 2个泵站。

4)水泵选型配套应考虑高海拔降效影响，增配4 kW增压泵能，以更好地增强抽排水效果。斜井辅助正洞施工抽排水中水管选型、水泵扬程均满足要求，其成果可应用于川藏铁路、川藏公路等高海拔富水隧道工程。