摘要：笔者结合自身经历，以F工程隧道为例，分别简述了排水设备选取，以及涌水量动态实时监测的长距离反坡排水技术，以供参考。
关键词：特长隧道涌水；综合反坡；排水施工技术；方案
一、工程简述
1.工程简介
F工程隧道建设为双向四车道，左线4730m，右线4747m，最大高差约470.9m，位于广东省河源市连平县境内。本隧道设置辅助坑道三处。其中，一处斜井入口多为灌木，与正线相交里程为ZK78+865～ZK83+595段与线路大里程方向平面交角为58°54＇30"，K78+880～K83+627段与线路大里程方向平面交角为22°25＇44"，斜井综合坡度为2.66%，斜井斜长1065.35m，为反坡开挖和排水。斜井区域在ZK79+490～ZK79+540段设计资料为节理密集带，岩体破碎，预测最大涌水量为3563.76m 3/d，为强富水区。进入正洞后向进口方向将分别穿越K79+580~K79+6300、ZK80+070～ZK82+130、K82+040～K82+100为P 2 l粉砂岩、砂岩与γ25花岗岩岩性接触带。二者呈侵入接触关系，接触带岩体破碎。地下水主要为基岩裂隙水，较发育，预测最大涌水量分别为：3558.21m 3/d、1387.96m 3/d，1228.68m 3/d，为强富水区。
2.涌水及水量监测情况
斜井工区承担斜井、正洞K79+580~K79+6300段施工任务。斜井工区自2011年2月17日开始反坡排水，2018年1月14日斜井与出口贯通（此时，斜井往进口方向施工至K83+670.95）后实现顺排，反坡排水结束。反坡排水区段为斜井及正洞ZK80+070～ZK82+130。隧道施工过程地下水发育，多次发生涌水等异常情况，斜井加正洞地段最大总涌水量约37000m 3/d，大于原设计预测涌水量，需设置抽水设施加强排水以满足正常施工要求。2011年2月17日，本隧道坪头斜井K84+400掌子面发生涌水，涌水量约400m 3/h，涌水，涌水量约150m 3/h；2017年1月13日，正洞K82+040掌子面发生涌水，涌水量约180m 3/h，水压0.38MPa。
二、排水设备选取
1.排水管的设计
根据2 # 斜井的涌水状况和出现隧道突发涌水的情况，最大应急排水能力应达1666m 3 /h。采用钢管作为所有泵站的排水管，斜井高差为182.75m，配备水泵则需考虑抽水高差和水头损失，按照如下公式计算水头损失。
式中：λ——水管摩阻系数（普通钢管为0.024）；
L——水管长度；
d j——水管内径；
v——管内流速，取1.5m/s；
g——重力加速度，取9.81。
采用上述公式计算，当直径为200mm时，水管的水头损失是100m为1.38m，除此之外，还需考虑局部水头损失，通过计算得出排水理论所需扬程为244m，再乘以1.1以上的扬程保证系数，则配备水泵需保证268m以上的扬程。
过对隧道涌水情况的分析，需保证紧急排数能力在1666m 3/h以上，因此，在斜井内以布设大管道为主。对于钢管，其流速为2.0~3.0m/s，应急抽排水时，流速为2.5m/s，管道总断面积应有0.186m 2；正常排水时，需保证排水能力为744m 3/h，取流速为1.5 m/s，管道面积至少应为0.14m 2。
抽水钢管直径d的选取应满足考虑一定的富裕系数的隧道昼夜涌水量，同时结合技术和经济2方面。
式中：Q——管流量，m 3/s；
V P——管道允许流速，m/s，一般钢管流速为2.0~3.0m/s。
采用上述公式，其计算结果如表2-1所示。
表2-1 管道直径选取计算表
在确保抽水设备及管道有一定的富裕系数的同时，也需考虑利用率。在斜井内采用1排⌀300mm、4排⌀200mm、3排⌀150mm的不同管径钢管搭配使用，突发涌水时，将高压供水管和高压供风管也作为排水管使用。在正洞左右线的正常排水管采用1排⌀150mm和2排⌀200mm的钢管，同时为了减少管道重复布置和对左线施工的影响，利用距掌子面最近的横通道将左线进口的涌水全部抽排至右线进口方向集水井，这样可以保证左线先于右线贯通的要求。
2.泵站级数计算
泵站级数采用如下计算公式
m=∑（L i×Z i）/（H×r）
式中：m—泵站级数；
L i—各段反坡抽水长度；
Z i—各段排水坡度；
H—水泵扬程，取水泵扬程为30m。
r—压力折减系数，取0．5。
经计算得m=2．1，即施工中需设3级泵站。
三、涌水量动态实时监测的长距离反坡排水技术
1.排水方案
（1）恢复施工阶段的排水方案
掌子面的积水退去后，采用两级排水方案，恢复施工。具体方案为：在上台阶一侧距离掌子面约 30 m 处开挖集水坑，用于汇集上台阶的积水。对反坡开挖造成掌子面附近的少量积水，可以用小功率的污水泵抽到集水坑中。集水坑长 4 m、宽 2 m、深 1 m，里面安放一台流量为 50 m 3 /h 的潜水泵。集水坑应分段开挖，当集水坑与掌子面距离超过 30 m 时，应向前重新设置。同时，在下台阶二次衬砌已施作的地段，安装一个容量为45 m 3 的储水箱，里面用钢板分隔成两个仓位，并在第二个仓位内安放一台抽水流量为 85 m 3 /h 的 D 型多级离心泵。集水坑内的水先由潜水泵抽排到第一个仓位，沉淀后溢入第二个仓位，再由离心泵抽出，通过洞内原有的进水管排出洞外。
由于进水管被改成排水，因此必须在洞内解决施工用水问题，办法是对储水箱内的水沉淀后再利用。需要用水时，将离心泵的排水管接至掌子面。这样由离心泵提拱动力，既可以向洞外排水，也可以向掌子面提拱施工用水。离心泵设计扬程 135 m，产生的压力可达 1． 3 MPa，完全满足施工用水压力不小于 0． 2 MPa的要求。
（2）优化后的综合方案
方案中，洞内施工用水必须利用储水箱内的积水，但积水虽经沉淀后仍有少量泥砂，导致钻机间堵塞，影响施工进度，必须进一步优化。此时，优化改造的条件成熟，对左右洞的排水、供水制定如下综合方案。提前施工涌水地段附近的 6 号人行横洞，打通左右洞之间的联接。以左洞的进水管为主供应管，在人行横洞口加装三通阀门，分别向左洞和右洞提供施工用水。左洞和右洞上台阶集水坑内的汇水，以及下台阶开挖面的积水，通过污水泵都抽排到右洞水箱内，再通过离心泵经右洞进水管直接排出洞外。
（3）穿过渗水段后的施工方案
随着洞内施工的不断推进，结合设计图纸资料，可以判定此时已穿过富水的微风化浅变质灰岩地段，围岩变回无水的薄层状碳质片岩。然而，此时渗水段的出水量仍有 20 m 3 /h 左右，并且通过初支和二衬之间环向铺设的半圆管引入边墙两侧的双壁打孔波纹管，然后通过横向排水管流入仰拱中心的排水沟。由于隧道是下坡方向施工，汇水将继续流到下台阶的掌子面上，而Ⅳ级围岩有岩体较为破碎、单轴抗压强度低和遇水迅速软化的特点。为避免围岩被积水长时间浸泡后力学性能降低，排除隐患，采取如下施工方案。
2.应急排水系统
（1）每个泵站的设备宜按照“一使用一备用一维修”的原则配备，以有效应对隧道涌突水。
（2）高压供水管和高压风管经过泵站时均应设置阀门和接口，以作为涌突水时的应急管路。即高压供水管和高压风管在每个泵站处设置阀门和接口，与安装在泵站处的水泵接通，正常情况下打开进水阀并关闭排水阀。涌突水时则把进水闸阀关闭，截断高压供水，再打开排水阀进行应急抽排。
参考文献：
[1]奚成.青云山隧道一号斜井反坡排水优化施工方案研究[J].铁道建筑技术，2015（12）
[2]张义春.特长隧道涌水反坡排水施工技术[J].山西建筑，201（18）
[3]张海陆.特长隧道涌水综合反坡排水施工技术[J].建筑工程技术与设计，2017（9）
论文作者:叶炜
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/17
标签：斜井论文; 隧道论文; 水量论文; 泵站论文; 扬程论文; 流速论文; 积水论文; 《基层建设》2019年第12期论文;