长大富水隧道反坡排水施工技术研究

张栋 ZHANG Dong

（中铁十二局集团第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

随着我国高速公路的建设和发展，涉及隧道施工的频率越来越高，并且长大隧道常常作为控制性工程进行实施，尤其是水量充沛地区，因此，隧道反坡段高效有序的抽排水系统则尤为重要。顺坡段排水，只需按设计施做好排水沟，隧道涌水就可以靠自流排至洞外，但反坡段则需要设置良好的抽排水系统，借助泵站、水泵、管路的合理组合才能有效的解决长大隧道涌水问题。

随着近年来长大富水隧道的工程案例增加，国内外的学者对其施工技术的研究也有所突破。周国龙以玉蒙铁路秀山隧道为依托，探索出了一套适合特长隧道快速施工的反坡排水设备配备，用以指导长大隧道反坡排水合理有效的施工；潘龙以兰新客专祁连山隧道为依托工程，通过施工经验总结出一套简便的排水设计方法，便于普通管理及技术人员独立完成排水设计；张兆杰等依托巴中至万源高速公路糖坊梁隧道工程，基于对排水设备相关参数计算，采用移动泵站与固定泵站相结合的排水方案解决特长隧道反坡排水问题；左玉杰以宜万铁路齐岳山隧道为依托，研究快速有效的反坡排水系统对富水岩溶反坡隧道施工的重大意义；高文涛等以渝湘隧道鹰嘴岩隧道为依托，提出采取适当封堵、利用其静水压力反坡排水处理岩溶涌水的新技术。

通过调研归纳目前研究现状可知，目前针对长大富水隧道反坡段涌水处治主要还是以引排为主，基于上述背景，本文以广东省的大丰华高速公路鸿图隧道为依托，对长大富水隧道的反坡排水施工技术进行研究，旨在为该类工程提出一种切实可行的设备参数优化研究方案。

1 工程概况

1.1 工程简介

鸿图特长隧道位于广东省梅州市丰顺县与五华县交界地段，是一座双洞单线公路隧道，设计车速100km/h，左线隧道全长6336m，我标段承担出口左线ZK95+716～ZK92+469段（3247m），设计ZK95+716～ZK94+350（1366m）坡度为-0.4%，ZK94+350～ZK92+469（1881m）坡度为2%，设计高程最高点位于ZK94+480，反坡施工排水里程段为ZK94+480～ZK92+469（2011m）。鸿图特长右线隧道全长6337m，我标段承担出口右线K95+742～K92+460段（3282m），设计K95+742～K94+320（1422m）坡度为-0.4%，K95+320～K92+460（1860m）坡度为2%，设计高程最高点位于K94+480，反坡施工排水里程段为K94+480～K92+460（2020m）。

1.2 水文地质条件

鸿图特长隧道路线范围内地表水系发育，分布众多溪流及两座水库。隧址区地标水体为位于狭窄沟谷内的溪流，多属季节性溪流。隧址区水系发育，隧道五华端出口左侧约30m处沿山谷发育一条溪流，流量约1037～1296m/d；洞身位置约K94+500～K91+750洞身地表为山谷溪流，水量较大，勘探期间流量达1728m/d。

2 反坡排水参数确定

2.1 排水管管径计算

工作水泵的能力，应能在20h内排出洞内24h的正常涌水量，根据涌水量取值25000m/d，每个泵站每小时排水流量为：

Qh=25000/20=1250m/h

抽水管半径暂定：r=0.15m

时间：T=3600s

流速估算；V=3m/s

管路过流面积：A=πr2=3.14×0.152=0.0707m

每小时流量：Q=A×V×T=763.56m/h

考虑一定富裕系数，固定积水站间选择管道直径为ϕ=300mm，布置两道管路可满足排水需求。考虑移动水泵重量及操作难易程度，掌子面到临时集水井之间选择多道ϕ=200mm管径软管，临时集水井到固定泵站之间布置多道ϕ=200mm管径钢管进行抽排水。同时预置一条备用应急检修管路，保证后期因机械设备、掌子面出水继续增大时能正常抽排水。洞内出水量如大于抽能力的70%时，应根据现场情况计算增加排水设施。

2.2 扬程计算

固定积水站间排水管均采用ϕ300钢管进行安装。积水站设置线路外侧内，间距按500m计算，反坡坡度为2%。

根据公式：

式中，H—扬程，m；

λ—为水管摩阻系数，采用的水管为普通钢管，取值0.024；

L—水管长度（m）；

d—水管内径（m）；

Z—管道进出口高程，m；

V—管内流速，取3.0m/s；

g—重力加速度，9.8 m/s；

计算得扬程H=46.7m

2.3 水泵选型

在水泵电机的选型，应综合考虑能量利用、电机功效、电机安全系数及扬程等，按以下经验公式配备电机功率：

电机功率=流量（m/h）×扬程（m）×9.8÷（3600×功效）

电机功效一般取0.5～0.75，水泵越大，功效越高。

电机功率=625×46.7×9.8÷（3600×0.75）=105.9kW

结合市场现有水泵型号及对应的扬程、口径、流量等参数，选取110kW污水泵。

掌子面附近采用7.5kW、15kW低扬程大流量的水泵。

3 总体排水方案

反坡排水，设置多级泵站接力排水，掌子面积水采用移动式大流量低扬程潜水泵抽排至就近泵站或临时集水井内，临时集水井根据掌子面出水及现场情况，以满足掌子面无积水为要求设置，临时集水井内的水通过水泵抽排至上一级固定泵站。其余已施工地段隧道渗（涌）水经隧道内侧沟自然汇集到临时集水井或固定泵站内，由固定积水泵站将积水经排水管路抽排至上一级固定积水泵站内，如此由固定积水泵站接力将洞内积水抽排至变坡点外，经沉淀处理后排放。工作抽水系统按使用3套，应急储备检修1套配备，针对隧道涌水量再次增大时要适当增加工作水泵。

应急抽水时：启动备用抽水泵组，水泵直接布置在出水点，将高压风管改装成排水管路。

4 排水系统布置

4.1 积水站位置的选择与施做

根据水泵扬程及实际涌水量情况，在正常施工时，根据设计图纸，相邻紧急停车带之间距离为670～830m，考虑排水管压力，尽量减小扬程，增大管路排水能力，两级固定积水站间距按500～600m考虑，固定积水站设置隧道外侧横坡终点，便于两侧涌水集中到积水站内，通过水泵、水管将水逐级抽排至上一级泵站，最终接力抽排到洞外污水池沉底过滤后排放。整平层至掌子面临时集水井之间，利用隧道正坡排水沟将掌子面附近积水自然引排至临时集水坑，临时集水坑和固定积水站之间通过水泵、抽水软管、钢质水管抽排积水。竖井内的水通过竖井与主洞联络通道流入鸿图特长隧道右线，汇集至最近的积水站内，通过积水站抽排至上一级固定积水站。（图1、图2）

图1 隧道接力式反坡排水示意图

图2 积水站布置断面图、平面图

4.2 抽水管线布置

根据计算，固定积水站之间采用ϕ300mm的水管作为抽水主管路，每两级泵站之间布置3条，其中1条作为检修备用水管。临时集水井与泵站之间采用便于移动的ϕ200mm钢丝软管抽排水，掌子面到临时集水井之间则采用便携式消防软管作为抽水管道，直接将掌子面积水通过软管汇集与临时集水井，以便逐级抽排至洞外。

4.3 电力配置

鸿图特长隧道电力系统采用高压进洞方式输送电力，洞内采用箱式变压器，每个箱变的视在功率为630KVA，便于及时调整变压器与用电设备之间的距离，一般距离掌子面不超过400m，避免距离过远、电压降较大引起的设备电压不足，影响设备正常使用，且变配一体，安全便捷，同时考虑后期巷道式通风问题，合理配置积水站和风机用电设备，具体布置情况如下。

4.3.1 高压线路布置

左洞洞口处有10kV双投双出控制柜1面，进线侧一路自外电源电缆引入，电缆型号：YJLV22—3*185，工作电流257A，另一路自（1～7台）发电机经2500KVA升压变引入（停电时使用）；二路馈出电缆线路则左、右两洞各1路，右洞电缆型号：YJLV22—3*120，工作电流191A。左洞电缆型号：YJLV22—3*70，工作电流135A。

4.3.2 洞内箱变布置

①于右洞内加宽带（K94＋960处）新建10/0.4kV箱式配变电台区1座（630KVA），为压风设备（132*4=528kW）提供电源并加带前后1km范围内的射流风机；

②分别于左右洞K94＋170、K93＋600、K93＋040、处新建10/0.4KV500KVA箱式配变电台区1座（共6座），为前3级集水泵站及附近射流风机供电；

③分别于左右洞K92＋650处新建10/0.4KV630KVA轮式配变电台区各1座（共2座）为第4级集水泵站、湿喷机、砼泵提供电源。

4.3.3 低压线路布置

经计算洞内低压线路主线相线采用BLV-1*240，工作零线采用BLV-1*120，保护零线采用BLV-1*95。低压分线线路的抽水线路与其他线路独立，单独挂表计量。

4.3.4 临时集水井及掌子面水泵用电

临时集水井及掌子面水泵用电从距掌子面最近的变压器上单独引出一路主线路，接至已施做调平层端头附近，主线路末端接一总配电箱，主配电箱分接控制各水泵。变压器至主配电箱之间采用铝电缆，主配电箱到水泵之间采用铜芯电缆，相同负荷下铜芯线柔韧性较好，便于水泵移动。

反坡排水设备统计表见表1，高压传输电力配置表件表2，低压主线路配置见表3。

表1 大丰华鸿图特长隧道发、配变设备统计表

表2 高压传输电力配置表

表3 低压线路主线（变压器到配电柜）

4.3.5 停电保护机制

为避免因停电造成隧道无法抽水，则在洞口布置7台500kWh的发电机，通过反高压技术，将发电机发出的电力通过技术反送至洞内高压上，从而保证隧道反坡排水电力供应。

5 结论与建议

①为解决鸿图隧道反坡段涌水排水问题，提出固定泵站与移动泵站相结合反坡排水方法，并根据水文地质情况、超前地质预报及现场实际施工情况进行动态调整反坡排水设备参数，做到及时有效的抽排隧道内涌水，高效的解决了长大富水隧道反坡排水问题。②掌子面反坡排水段因施工作业空间有限，建议灵活选用水泵，以低扬程、大流量水泵为主，抽水管选用便于布置的消防水管，可以尽最大可能的节约掌子面排水时间，减少工序衔接时间，提高施工效率。③通过对反坡排水工艺及设备的研究，提高了隧道施工的效率，对类似长大富水反坡隧道施工有一定的指导作用。