高铁隧道进口斜井反坡排水施工方案与管控

马时坤

摘  要：为有效消除水害对隧道施工的安全威胁，必须采取合理有效的施工技术。该文以某高铁富水隧道为例，结合其水文地质条件复杂、涌水量大等情况，制定相应的斜井反坡排水施工方案，根据总体方案确定科学合理的设备选型和排水系统构建，并提出相应的排水管理和方案实施管控措施，确保隧道施工安全。该文旨在为类似隧道施工提供参考。

关键词：富水隧道；斜井；反坡排水；施工技术；排水系统

中图分类号：U455.4      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）10-0161-04

Abstract： In order to effectively eliminate the safety threat of water damage to tunnel construction， reasonable and effective construction technology must be adopted. Taking a high-speed railway water-rich tunnel as an example， according to its complex hydrogeological conditions and large water inflow， the corresponding inclined shaft reverse slope drainage construction scheme is formulated. According to the overall scheme， the scientific and reasonable equipment selection and drainage system construction are determined， and the corresponding drainage management and scheme implementation control measures are put forward， to ensure the safety of tunnel construction. The purpose of this paper is to provide reference for similar tunnel construction.

Keywords： water-rich tunnel; inclined shaft; reverse slope drainage; construction technology; drainage system

高铁特长隧道施工区域存在构造裂隙水、地表水发育等含水条件，会导致隧道围岩发生浸泡、降低围岩应力强度，破坏隧道应力拱效应，并且增加施工难度，提升隧道施工安全风险，在隧道施工穿越该水文地质条件区域时，受到施工干扰极易发生透水事故，对安全生产造成极大威胁，为此隧道采用反坡排水施工极为重要[1-3]。由于反坡隧道，各种作业之间相互干扰大，这不仅对运输和通风提出新的要求，而且在富水区排水的难度也将加大，如何处理这些问题，保证施工安全和进度，是隧道反坡段施工的重点和难点[3]。

1  工程概况

某高铁隧道全长4 373 m，设置1平导+1斜井的辅助坑道方案，按进口斜井、出口平导2个工区2个工作面组织平行施工。隧道穿越地层为粉砂质页岩、凝灰质砂岩、炭质页岩等。地质构造复杂，不良地质为重力不良地质（危岩落石、岩堆、滑坡、岩爆和边坡顺层），且为低微瓦斯隧道，安全风险高、施工难度大，是本标段的重难点工程。本隧道进口斜井需反坡施工抽水将正洞內水接力排至洞外。

考虑隧道洞身地下水以垂直向补给为主。用地下径流模数法、大气降水渗入法、地下水动力学法3种算法计算城口隧道涌水量数值，根据区域水文地质及气候条件等实际情况结合隧址区地形地质条件、底层岩性、构造间相互关系及植被发育情况，并从安全角度考虑，隧道斜井工区正洞反坡施工段最大涌水量为8 330 m3/d，施工过程中应加强抽排水和生产管理，应用备用抽水设备及2个独立的供电系统、及时将水抽出。抽排水设备及管路要求能力应不小于预测最大涌水量的1.2倍，并应根据施工实测水量进行调整，集水坑、水仓的设置可根据实际涌水量。抽水设备的扬程进行合理调整。

2  施工方案设计

2.1  反坡排水

反坡排水施工方案的设计应当以符合实际的图纸及相关设计为依据，充分结合现场施工的实际情况，进行超前规划和全局考虑，并提出有针对性的合理施工方案规划，而在实际施工过程中，必须根据现场施工情况对方案进行及时优化调整。施工从斜井进入主洞后，对涌水量进行定期实测和分析，根据涌水量观测结果实施方案的动态调整和施工现场的动态管理，以及在隧道的施工中总结的经验，综合考虑施工环境及施工条件的影响，制定如下方案，以保证安全生产。

反坡排水，需要采用多级泵站进行接续排水，为了满足排水要求，根据涌水量预测结果选择合理的排水机械，为了有效保证在有限空间内掌子面积水的外排，水泵的选择应当满足移动式、大流量、低扬程等特点，通过水泵将掌子面积水抽排至设计的临近中转集水井或泵站，为此，中转集水井或泵站必须满足掌子面一定时间内的积水外排要求，而中转集水井或泵站再通过水泵将水向上一级集水井或泵站进行抽排，接力进行。除掌子面外的隧道涌水从已设置的排水沟外排至临近的集水井或固定泵站，接力外排。而水外排至变坡点后，对水进行沉淀处理后集中外排。为了满足涌水外排要求，施工现场按照5用1备抽水系统进行准备，并根据涌水量实测结果及时增补工作水泵，以满足排水需求。

在隧道施工过程中，根据已有图纸设计和涌水量对排水管的压力、扬程等進行综合考虑，设计增大管路排水能力，固定给水站的间距按照500 m 4个、618 m 1个进行考虑设计，用于对涌水进行外排至变坡点水沟内，最终接力抽排到洞外污水池沉底后排放。而仰拱至掌子面区间设计的相邻集水井，利用隧道坡度挖掘排水沟将积水引流至集水井，而集水井和固定水泵站之间通过水泵、抽水钢丝软管、钢质水管抽排积水。反坡排水及积水站布置平面图，如图1所示。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。

2.2  排水供电布置

为确保洞内排水正常进行，不因电路问题导致抽排工作的间断，设置2条供电系统，一路运行，一路备用。交叉口处均设置1台500 kVA升压器供抽排水使用。当停电后，应急电源的能力应能够满足排水、洞内照明需要。根据以上计算，结合洞内施工需要，设置双回路电源，每个抽水点各备用1台500 kW的发电机作为应急电源。

图1  反坡排水及积水站布置平面图

3  设备选型及排水系统构建

3.1  设备选型

3.1.1  排水管管径计算

工作水泵的能力，应能在20 h内排出洞内24 h的正常涌水量，根据涌水量取值14 071 m3/d计算：流速估算V=2.5 m/s；单位时间流量Q=A×V×T=10 821.6 m3/d，管径计算r=■=0.15 m，管径取值为Φ=300 mm。而综合考虑涌水量的变化幅度，排水管管径要保证有至少20%的富裕量，固定积水站间选择管道直径为Φ=300 mm，布置2条管路。

为了满足排水要求，要根据掌子面积水区域变化及时移动水泵，但考虑到水泵自身重量及工作具体的难易程度，隧道施工最前端水泵至设置的临时集水坑区间考虑连接多道软管，便于进行管路调节，而集水坑与固定设置的泵站区间布置多道钢管进行抽排水，除此之外，综合考虑管路堵塞、水泵维修等排水系统故障，以及掌子面涌水量突变等情况，需要预留一条独立的应急备用排水系统，以便在发生突发情况时进行应急反应。而出现涌水量变大且超过排水系统排水能力的70%，应当根据施工实际情况以及涌水量观测结果适当调整排水系统或增加排水设施设备。

3.1.2  扬程计算

水泵扬程应当综合考虑排水管路排水能力和管路材质等要求，以及现场集水坑、水泵间距和排水路线坡度等，通过计算，得出扬程H=39.5 m，具体公式为

式中：？姿-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2.5 m/s；g-重力加速度，取10 m/s2。

3.1.3  水泵型号选择

水泵型号选择主要是水泵电机设备的选型，要结合排水设计、排水量大小、电机的功效、隧道施工对电机安全系数的要求以及水泵扬程等进行综合考虑。

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（m3/h）×扬程（m）×10÷（3 600×功效）电机功效取值为0.5～0.75，水泵越大，功效越高。电机功率=14 071/20×39.5×10÷（3 600×0.6）=128.6 kW。综合考虑，最终选择污水泵的型号为132 kW。临时集水井内采用35、20 kW水泵，掌子面附近采用7.5、15 kW低扬程大流量的水泵。

3.2  排水系统构建

3.2.1管路

根据洞内最大水量情况，结合选配的抽水设备，管路均为钢管，管路尾端布设至反坡排水最高点后再向大里程延长20 m，即将掌子面的积水抽至DK94+340处边水沟内，水通过顺坡流出洞外。突发较大涌水时采用备用管路和高压风管作为应急排水管路。

3.2.2  临时集水井及掌子面集水井

洞内临时集水坑设置在仰拱与掌子面之间。为保证正常出渣作业，结合汇水段汇水量大小确定，临时积水坑尺寸：8 m（长）×2 m（宽）×1.5 m（深），容量24 m3。利用7.5、15 kW水泵将掌子面附近积水抽至临时集水坑，再抽至固定积水站。随着整平层向前施工，临时集水坑也向前移动。掌子面排水采用移动式水泵，管路为消防软管，抽排至临时集水坑内，再用潜水泵和管路为Φ200钢管，抽排至固定积水站。

3.2.3  固定积水站

固定积水站设置在隧道高压电缆一侧，利用电缆室余腔作为积水站，尺寸为5 m×3 m×2 m，以余长电缆腔硐室为主，容量30 m3。第一个固定积水站设置在距离反坡排水最高点425 m左右，在施工至第一个固定积水站前先采用临时集水坑加排水管道抽排水方案，掌子面与临时集水坑之间采用污水泵加消防软管抽水，污水泵随着掌子面向前推移，临时集水坑在不影响后面整平层施工的情况下定期向前推移，确保掌子面基本无积水。1号固定积水站施工完成投入使用后排水布置：排水管尾端至1号积水站之间布设Φ300水管，通过该站内的水泵将积水抽排出，该站与掌子面之间通过临时集水坑、污水泵连接，不断将掌子面积水抽排至该站内。污水泵、临时集水坑随掌子面向前推移。

3.2.4  水泵配置及相关损耗

水泵使用过程中需根据掌子面工序变动而进行移动，因此会导致水泵损耗较严重，而位于固定积水站中的水泵则相对损耗较少，具体损耗以实际为准。水泵配置见表1，水泵管道及主要配件见表2。

4  排水管理和实施

在排水施工上不仅需要完善、合理的排水系统，还需在管理上予以加强，才能达到预期的效果。

4.1  人员配置

为做好隧道抽排水工作，必须进行科学合理的人员配置。

4.2  机械配置

因水泵质量较重，施工现场活动空间较小，人工无法实现水泵等设备的移动，水泵移动过程中需要机械设备作为辅助，因此，为满足施工需要，需配置装载机1台用于水泵移动；同时，掌子面附近的临时集水站因出渣等工序，容易淤积碎石等，需要随时进行清理，需配备挖掘机1台配合清理临时集水井。

4.3  运行和检修

确保电路安装的正确，检查转向是否正确；为了消除电泵因长时间高功率运转高温损害，采用下级泵站抽水对水泵进行冷却处理；为了避免所抽排混水损害设备、沉淀造成管路拥堵等情况，在水泵与管路的接口处安设Φ20 mm出水口，利用抽水的高压水对进水口处进行高压冲搅，同时采用高壓风对进水口进行不间断冲吹，除此之外，施工人员定期对集水井、泵站集水坑等进行沉淀物清理；在水泵进水口处裹铁窗纱，同时把水泵（工作面移动式）或进水口放置在竹筐内，可以防止污泥及杂物进入水泵而发生堵塞；当水位下降超过水泵底座，水泵间歇出水时，应立即停机进行检查；运行一定时间后，须进行维护保养。定期保养和维修是确保设备正常运转的必要措施；每日对设备进行检修，同时做好检修记录，对现场故障及问题水泵与附属配套设备及时更换修理。

5  结论

1）富水隧道斜井反坡排水施工的重点在于反坡排水方案的合理制定，以及根据排水方案选择满足排水要求的排水设备和排水系统。不仅可以将富水进行有效外排，消除安全隐患，还可以提高隧道施工效率，保证施工安全。

2）除此之外，为保证可能在隧道施工过程中发生突泥涌水事故，必须制定有效的技术保证措施和安全保证措施，以及应对突发事故的应急救援预案。

参考文献：

[1] 李欣.特长隧道大纵坡反坡排水施工技术研究[J].四川水泥，2022（9）：214-216.

[2] 郜现磊.营盘山隧道斜井工区涌水处置方案研究[J].工程技术与应用，2022，7（9）：46-48.

[3] 解攀.富水隧道大坡度斜井反坡排水施工技术研究——以黎霍高速太岳山隧道富水大坡度斜井施工项目为例[J].工程技术研究，2022，7（18）：65-67.