Abstract: With the rapid development of China's national economy, long and deep tunnel has become an important part of social infrastructure construction. Due to the influence of geological conditions and burial depth, water inrush frequently occurs in the actual construction process, which brings great difficulties and safety risks to the tunnel construction. How to effectively pump and drain the water in the tunnel has become a major problem in the construction of the long tunnel in the high-pressure water-rich area.based on the project of Lingnan TBM section of the Hanjiang to Weihe River Project , combined with site construction, this paper makes a thorough discussion on the anti-slope drainage technology in the tunnel, and introduces in detail the design, construction, equipment selection, management and practical effect of the anti-slope drainage drainage system, so as to provide experience for the construction of similar projects in the future.
Key words: specialty deepburial; TBM; the anti-slopedrainage
0 引言
随着国民经济的飞速发展以及工程技术水平的不断提高，长距离、大埋深隧洞已成为基础设施建设的重要组成部分。TBM（全断面隧道掘进机）以其安全、高效和环保等优点，在隧洞开挖特别是硬岩开挖工程中得到了广泛应用。但在硬岩掘进过程中，常常会遇到突涌水现象，这就给现场施工带来了巨大的困难和安全隐患，如何合理配置排水设施，抽排洞内积水就成了在高压富水区修建深埋特长隧洞的一大难题。在制定反坡排水系统方案时，对最大涌水量的预估、泵站位置、水泵选型、抽排能力及扬程的选择都需要在设计及施工过程中不断调整，以兼顾施工现场需要和工程经济效益。因此，结合深埋特长隧洞TBM施工工程实际情况，设置完善合理的反坡排水系统是确保隧洞建设顺利进行的重要保障。
我国学者和工程技术人员经过长期的施工探索，积累了丰富的反坡排水技术经验。粟光前[1]结合长梁山隧道，创造性地提出了“隔站送水增效法”、“长大隧道反坡多级排水法”等反坡排水方案；周国龙[2]以玉蒙铁路秀山隧道为例，提出了一套反坡排水系统，并证明其适合特长隧道的快速施工；冯艺[3]以锦屏二级水电站3#施工支洞为例，着重介绍了大型抽排水系统的设计，并针对现场进行优化；高文涛[4]以鹰嘴岩隧道为例，采用净水压力的反坡排水新技术，有效地解决了涌水对隧道施工的影响；毋海军[5]以兰武铁路乌鞘岭隧道为例，提出了一套合理的设备选型配备；张胜[6]以乌鞘岭6#斜井为例，介绍了反坡排水的设计、设备选型、排水管理、实施效果评价以及洞外排水等等[7][8]。然而上述研究由于缺乏考虑长距离、大埋深隧洞的施工现场条件复杂导致排水难度增加以及TBM施工隧洞的作业空间受到TBM机械限制的问题，其提出的反坡排水系统方案难以满足深埋长大隧洞TBM施工的工程需求。
因此，本文依托引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM段工程，对深埋长大隧洞洞内反坡排水技术进行深入探讨，详细介绍深埋长大隧洞TBM工程反坡排水系统的设计、施工、设备选型、管理及实践效果，为日后类似工程的施工排水提供有效的借鉴。
1 工程概况
引汉济渭工程是由汉江向渭河关中地区调水的省内南水北调骨干工程，是缓解关中渭河沿线城市和工业缺水问题的根本性措施。工程主要由黄金峡水库枢纽、黄金峡水源泵站、黄金峡至三河口输水工程、三河口水库和秦岭隧洞等五部分组成。秦岭隧洞越岭段全长81.779km，设计流量70m³/s，多年平均输水量15.0亿m³，采用钻爆法+2台TBM施工。
秦岭隧洞沿线上覆岩体高程1050～2420m，最大埋深约为2000m。标段地表水及地下水发育。TBM施工段岭南工程主洞起讫桩号为K28+085～K46+360，全长18275m，隧洞平均坡降1/2500，标段起始点底板高程531.536m,结束点高程524.148m，TBM自始发后反坡施工。在桩号K38+400处设置4号支洞，以解决岭南TBM第二掘进段施工期间的通风、出渣及材料运输等问题。工程平面布置见图1。
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图1 引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程布置图
隧洞地表水较发育，主要为萝卜峪沟、木河、东木河，为常年流水沟，水量较大，受大气降水补给；地下水分布主要受构造、节理、裂隙的发育和分布情况控制，表现为基岩裂隙水及构造裂隙水，水量较丰富，隧洞洞身段均位于地下水位以下，岭南TBM施工段设计涌水量见图2。
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图2 岭南TBM施工段隧洞涌水量平面示意图
2 隧洞涌水机理及风险分析
2.1 突涌水机理研究
通过现场地质调查，综合分析岩层、水文等地质条件和现场施工情况，并对隧洞出水部位进行以物探为主的地质勘察，认为产生突涌水的主要原因为：由于大量的地下水赋存在掌子面前方的构造带中，具有较大水压，又由于岩层蓄水构造形成的时间长，在施工的过程中破坏了隔水层的完整性，当构造带中的水压大于隔水层的阻挡力时，形成较大的水压力差进而引起原有的平衡被破坏，导致大量的地下水在水压力差的作用下大量涌出或溢出形成灾害。通过对隧洞突涌水点的分析，突涌水机理主要类型有直涌型、冲溃型和劈裂型。
直涌型：岩体中本身存在连通性好的、穿过掌子面前方岩体的岩溶管道或者较宽的岩溶裂隙，随着隧道掘进，一旦揭露随即发生涌水，水沿基本无充填的溶隙、溶孔、小型岩溶管道涌出。通常初期沿多个面出水，揭露溶蚀裂隙或管道后，涌水相对集中，出水量短时间内可有所增大。涌水点相对分散，通常呈带状出现，单点涌水量相对较小，长期出水量相对稳定，如下图3所示。一般这种涌水点的出水在时间上没有滞后性、水量不太大、压力衰减快，且水质清澈，可以提前通过超前探水知道并做好预防措施。所以这种涌水的可控性高，对施工机械和施工人员可能造成的威胁较小。
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图3 直涌型涌水流量曲线
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图4 冲溃型涌水流量曲线
冲溃型：隧道掌子面前方岩体中存在溶隙或岩溶管道，且管道或裂隙中有充填物，但充填物充填堵塞段有弱胶结或者尚未胶结但比较密实。隧洞挖掘形成临空面，在隧道掘进到达此处时在后缘高水头压力下，充填物与溶隙洞壁之间的摩擦力被克服而产生冲溃；或者隧道开挖安全通过后，后方临空面初期涌水量很小，水流从充填物边界流出，充填物渗流使得水流浑浊且逐渐加大直至充填段失稳破坏被冲溃，形成突涌水。这种涌水在时间上往往具有滞后效应，即在掌子面通过后，发生突然性的涌水，具有突发性、瞬间水量大、泥沙碎石含量高、危害性大的特点，事发之前没有明显的预兆，对施工机械和施工人员的安全造成很大的隐患。如引汉济渭岭南TBM隧洞2·28涌水，典型的流量曲线如下图4所示。
劈裂型：引汉济渭秦岭隧洞岭南工程具有隧洞埋深大、水头高的特点，外加隧洞开挖形成的临空面及地应力共同作用下，形成劈裂型突涌水：指岩体内已有微细裂隙，此裂缝在天然状态下张开度很小，没有水流通过。但隧洞开挖以后，造成应力场的重分布，临空面的微裂缝在高水头地下水压力下胀开、劈裂，进而形成突涌水。这种水流水质清澈，携带物较少，压力相当大，流速很急，破坏性较高，对施工机械和施工人员的安全威胁很大。
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图5 劈裂型涌水流量曲线
引汉济渭秦岭隧洞受地质构造影响，局部节理、裂隙发育。在穿越区域性断层、次级断层、节理密集带及长大裂隙发育地段时，常常出现突涌水现象，主要表现为：隧洞左右侧边墙及拱腰位置出露高压股状水并伴有大范围散水，拱顶出露小股状水、线状水、大范围散水。在标段已掘进的3000m范围内，共出现26段共345m长的大面积出水段落，主洞最大涌水量（设计）约为46000m3/d。
2.2 风险分析
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图6 隧洞突涌水
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图7 引汉济渭2.28突涌水主电机、设备平台被淹
根据引汉济渭秦岭隧洞地质条件，TBM通过富水洞段时，隧洞渗涌水造成TBM底部水位上涨，影响隧洞下部仰拱施工、清渣、材料吊装及有轨运输作业，同时增加了TBM反坡排水难度，淋水、潮湿环境（见图6）增加了TBM机械、电器设备的防护难度，也造成了TBM故障率升高。在极端地质条件下由于水压作用，可能造成工作面垮塌，掩埋刀盘及机体，会增大刀盘的扭矩，甚至出现洞壁发生坍塌，撑靴无支点，TBM不能推进的情况。而对于引汉济渭岭南TBM标段而言，最大的风险是在长距离反坡、大落差条件下，一旦发生远超设计最大涌水量的突涌水情况，隧洞现有抽排水设施在未考虑充足的富余能力时，由于突涌水很难在第一时间实现快速封堵，TBM设备被淹风险极大，而这些不利因素的存在将会对TBM正常掘进带来极大影响，加大安全及进度风险。
3 总体设计思路
3.1排水系统、环境、工况特点分析
由于本工程主洞独头施工距离长且为反坡TBM掘进施工，支洞坡度大（3号支洞高差达317米，4号支洞高差达到624米），洞内涌水频繁且单点出水量大，掘进、支护、运输等作业之间相互干扰较大，对于TBM项目来说，隧洞内机械设备及连续皮带机占用了大量空间，对排水系统的布置也形成了一定的制约，增加了反坡排水的难度。此外，由于引汉济渭岭南TBM标段属于硬岩掘进，由于围岩强度高，掘进过程中岩体被磨成碎片状与粉状，在与水的混合下，需要抽排的水就非常浑浊，对抽排水设备提出了更高的要求。
3.2 设计理念
（1）隧洞排水遵循“截、排、探结合，因地制宜，综合治理”的原则；
（2）以防水可靠、排水畅通、经济合理、对生态无影响为目的；
（3）泵站与集水坑间距、容积应按实际排水量，结合对TBM施工的影响程度综合确定，其设置的位置不得影响洞内运输和安全；
（4）施工工作面排水设临时集水坑，接力抽排至洞外，已施工地段经仰拱跳段并安装轨排，待TBM掘进过后用轨道加高的方式形成泵站。
（5）针对本项目洞内距离长、坡度大、水量高的特点，特在3#支洞主支洞交叉处设置6m高拦水坝，在上游延伸段形成大型水仓，从而增大洞内中转水仓的储水能力，在支洞排水设施出现故障时有较大的缓冲功能。
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图8 洞内中转大水仓示意图
3.3总体方案
结合工程设计地质情况及施工过程中揭示的隧洞渗涌水情况，合理进行隧洞可能出现的最大涌水量评估，预测可能出现的最大涌水量，明确排水设施的排水能力，然后根据实际情况分析，合理布置排水泵站与集水坑（间距与容量），计算排水管路的组合配置方式，最后再针对性开展水泵选型及其他配套设施的完善。
4 排水设计
4.1 最大涌水量预估及排水能力确定
施工前，详细收集与分析设计地勘资料，结合相邻标段施工情况与本标段水文地质条件，从宏观上分析推断标段可能出现的最大涌水量；施工中，充分利用红外探水、激发极化、超前钻孔探测等方式，及时预测掌子面前方的涌水情况，及时完善排水系统；排水系统排水能力的配置依据是设计最大涌水量，但对于深埋长大隧道来讲，设计所给出的最大涌水量很难做到准确，因此需要在施工前，参建各方共同商定一个配置标准，并形成书面资料，作为排水系统的配置依据。
排水能力配置应按照宁强毋弱的原则进行配置，排水设施应在能抽排出最大涌水量的情况下预留一定安全富余能力，同时，反坡施工条件下应设置备用电源，确保停电情况下的正常抽排水，主要泵站的排水设施应考虑备用。引汉济渭岭南TBM标段在2.28突涌水情况下隧洞涌水量达到46000 m3/d，后又多次继续出水，全隧洞最大涌水量一度达到85000 m3/d，后经过注浆封堵，隧洞涌水量为14800 m3/d。在此情况下，按照上述涌水量预测原则，预测本标段主洞最大涌水量约41212m3/d（已掘进段封堵后14800m3/d+主洞未开挖洞段可能发生的最大涌水量约26412m3/d）。岭南TBM标段主洞最大排水能力配置应在41212m3/d的基础上并适当考虑一定的富余能力。
4.2 泵站容量及间距设置
主洞泵站应设置为五级永久泵站+TBM随机泵站，每级永久泵站的间距约2000m，分别为1#泵站（步进洞泵站，K28+490）、2#泵站（K30+490）、3#泵站（K32+490）、4#泵站（K34+490）、5#泵站（K36+490）、TBM泵站（随着TBM掘进向前移动），掌子面涌水由各级泵站逐级抽排至3#支洞上游水仓，再由2#、3#支洞抽排至洞外，即TBM泵站→……1#泵站水仓→3#支洞上游水仓。
1#泵站水仓由步进洞纵断面V形底板形成，容量约400m3，2#～5#泵站水仓采用在涌水量较大处，设置仰拱块跳段并架设钢轨排、TBM设备通过后抬高轨道并设置小型拦水坝形成。2#、3#、4#、5#泵站水仓容量为400 m3、350 m3、300 m3、300 m3。
在泵站与泵站之间根据实际TBM掘进出水情况动态设置临时截水坑，放置隧洞出水反流至掌子面增加施工难度与抽排水压力。
4.3 排水管路选定
TBM掘进施工期间，排水管路宜按照大管配小管、永临结合、方便现场施工的原则进行设置，小管道可作为日常排水使用，大管道作为在隧洞出现较大突涌水情况下应急排水启用。抽排水经济流速按照1.7～2.5m/s考虑，各种材质、管径水管在经济流速范围内的流量见表1。
表1 各种材质、管径水管在经济流速范围内的流量表
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4.4 水泵选定
由于隧洞水量逐段递增，因此在各级泵站的水泵选型上，应按排水能力递增的原则自下而上递增选配；且TBM施工时水质中含有岩石石粉、喷射混凝土的回弹掺杂物及油污等，泥浆泵及潜水泵在运行中受水中介质的影响较大，因此水泵主要采用单级双吸式离心泵。
水泵扬程依据表2中各项参数进行计算。
表2 水泵扬程计算参数表
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水泵所需扬程主要由以下三部分组成：
（1）排水净高度H，一般取H=1m。
（2）管路沿程阻力损失h1：
h1=λ×（L/D）×（V2/2g）（1）
式中，V为流速，一般取V=4QZ max/（3600×πD2），m/s；λ为常数，一般取0.03；L为单趟管路长度，m；D为管径，m；QZ max为排水流量，m3/s；g为重力加速度，m/s2。
（3）局部阻力损失
h2=Ζ×ξ×（V2/2g）（2）
式中，Ζ为局部管件个数；ξ为阻力系数。
所选水泵的扬程应大于以上三部分之和，即≥H+h1+h2
通过计算可知，针对不同管径的水管，在经济流速内对应的水泵扬程见表3。
表3 水泵扬程计算表
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4.5 各级泵站水管及水泵配置研究
根据前文“水管配置原则”、“水泵扬程计算”并结合厂家水泵选型手册，各级泵站水管及水泵配置如下：
1#泵站（步进洞泵站，K28+490）：1趟200mm钢管配置1台KQSN150-N7/305单级双吸中开泵+2趟250mmPE管配置2台KQSN250-M6/410单级双吸中开泵+1趟300mm钢管配置1台KQSN300-N6/445单级双吸中开泵+1趟400mmPE管配置1台KQSN400-N9/446单级双吸中开泵→3#支洞上游水仓；
2#泵站（K30+490）：4趟200mm钢管配置4台单级双吸中开泵+1趟250mmPE管配置1台KQSN250-M6/410单级双吸中开泵+1趟400mmPE管配置1台KQSN400-N9/446单级双吸中开泵→1#泵站水仓；
3#泵站（K32+490）：2趟200mm钢管配置2台KQSN150-N7/305单级双吸中开泵+1趟250mmPE管配置1台KQSN250-M6/410单级双吸中开泵+1趟400mmPE管配置1台KQSN400-N9/446单级双吸中开泵→2#泵站水仓；
4#泵站（K34+490）：2趟200mm钢管配置2台KQSN150-N7/305单级双吸中开泵+1趟400mmPE管配置1台KQSN400-N9/446单级双吸中开泵→3#泵站水仓；
5#泵站（K36+490）：2趟200mm钢管配置2台KQSN150-N7/305单级双吸中开泵+1趟400mmPE管配置1台KQSN400-N9/446单级双吸中开泵→4#泵站水仓；
TBM泵站：2趟200mm钢管配置2台KQSN150-N7/305单级双吸中开泵→上一级泵站水仓；
掌子面抽排水由两部分组成，一部分为掌子面抽排至TBM泵站水仓布设1趟200mm钢管配置1台QW400-30-55潜水泵+1趟150mm橡胶管配置1台WQ200-16-18.5潜水泵；另一部分为掌子面直接抽排至上一级泵站水仓，TBM设备部分为300mm钢管，出TBM后配套至上一级泵站为400mmPE管，300mm钢管与400mmPE管采用伸缩装置连接，配置1台FIGHT QW1170-30水泵。
配置水泵型号及相应的参数见表4。
表4 主洞水泵参数表
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4.6 主洞各级泵站抽排水能力研究
根据各级泵站水管及水泵配置，分析计算TBM掘进施工期间主洞各级泵站的抽排水能力见表5。
表5 TBM第一掘进段施工期间主洞各级泵站抽排水能力表
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说明：总排水能力按照每台水泵每天工作20h计算。
4.7 供电配置
TBM施工条件下，为降低安全风险，应考虑充足的备用电源，防止突发停电情况下隧洞抽排水设施停运。根据现场设备配置情况，采用需要系数法进行负荷计算。
有功计算负荷（Pjs）和无功计算负荷（Qjs）计算公式为
Pjs＝Kc*Pe （3）
Qjs＝ tanφ*Pjs（4）
式中， Pe表示设备额定容量，Kc表示需要系数，tanφ表示用电设备组平均功率因数的正切值。
视在功率（S）和电流（Ijs）计算公式为
S＝ S*Pjs/cosφ（5）
Ijs＝ S/(.png)
·Vi)（6）
式中，cosφ表示用电设备组的平均功率因数，Vi表示为电压。
根据上述公式分别计算各级泵站设备总负荷和总电流，得出各级泵站供电配置如下：
第一级、第二级泵站分别配置一台1500kvA,20/0.4kV变压器，第三级泵站可配置一台1000kvA, 20/0.4kV变压器，第四级、第五级泵站分别配置一台800kvA, 20/0.4kV变压器，均从洞壁敷设的20kV，YJV22-3*120mm2高压电缆T接降压后供排水设备使用。
TBM排水设备可使用TBM配置的2500kvA, 20/0.4kV变压器,降压后直接供排水设备使用。
4.8 排水系统的管理与实施
在隧洞反坡排水系统实际运行过程中，不仅需要一套完善的设计与施工方案，还需要在管理上有所加强，才能达到预期的效果。为此专门成立了抽水班组，并制定了相应的管理措施。
（1）管理班组构成
水泵负责人1人，共设3个班组轮流值班，每班设抽水班班长1人，组员7人。目前洞内只建成2个永久泵站，随着隧洞继续掘进，待后续泵站架设完毕之后，还需视情况增加各班组成员人数。
（2）运行与维保
①对现场施工人员进行技术和操作培训，对于一些技术难点和操作要领作重点讲解并进行现场示范；
②确保电路安装正确，设置接地装置及标志；
③尽量控制水泵的流量和扬程在标牌注明的范围之内，以保证水泵的高效运转；
④水泵在运行过程中，轴承温度不能超过环境温度35℃，最高温度不得超过80℃；
⑤定期检查轴套的磨损情况，若检测出磨损较大，应及时更换；
⑥若水泵长期停用，需将水泵全部拆开，擦干水分，将转动部位及结合处涂以油脂装好，妥善保存；
⑦安排人员定期对泵站水仓底部淤泥进行清理，以防淤泥过多而导致堵泵现象；
⑧当水位下降超过底座并间歇性出水时，应立即停机进行检查；泵站运行一定时间后，须进行维修保养。
（3）三个班组倒班工作，水泵负责人每日值班指导现场工作遇到的技术问题。同时，制定抽排水记录表，每日记录水泵抽排水情况，发现问题及时处理，并进行总结分析。
5 结语
深埋特长TBM施工隧洞反坡排水设计目前仍处于探索阶段，设计时应以安全、高效与经济作为前提条件。
（1）尽可能利用先进的超前探测手段，预测全隧洞可能出现的最大涌水量，由于TBM反坡施工设备风险较大，因此应考虑充足的排水富余能力。
（2）TBM工况下，受各项设施影响，一般不具备在掘进断面钻爆开挖水仓与泵站的条件，可利用已掘进成型断面来设置泵站与水仓，泵站间距结合纵断面设置情况，以能保证及时抽排与方便施工的原则确定，每个工程均需要详细分析论证，TBM后配套应自带随机泵站且尽量加大水箱容量。
（3）由于深埋隧洞涌水量具有一定的不可预见性，因此排水管路的布设宜按照大管配小管、永临结合、方便现场施工的原则进行设置，直径较大的管路可选择类似PE管等轻质材料管道方便拆装。
（4）水泵采用耐磨且便于检修的水泵，临时集水坑可采用潜污泵，如主洞坡度小，可选择低扬程大流量潜污泵或者单级双吸泵，支洞坡度较大时应采用多级耐磨泵，高差较大时，可采用高压电机水泵，减少中途泵站数量，便于管理。此外，对于硬岩TBM掘进由于石粉含量高，水泵尽可能选择潜污泵或者泥浆泵，有利于降低设备故障率，对于多级泵，需要采用正压进水来保护设备。
（5）关于用电问题，也应进行风险分析，一般建议各级泵站变压器应预留富余容量，同时考虑到TBM施工突发停电下的安全风险，最好配备排水双电源或者备用电源。
引汉济渭岭南TBM标段自反坡排水方案实施以来，隧洞涌水得到了第一时间抽排，同时排水设施配置合理，也具备较大的应急能力，较大程度的降低了对施工生产的制约，降低了TBM设备安全风险，也对生态环境的可持续发展起到了积极作用，为今后类似工程排水工作的顺利进行提供了宝贵的实践经验。
但关于长大深埋隧洞最大涌水量的确定问题，由于现有技术水平的制约，还不能完全准确进行预测，需要继续先进预测手段的创新研发，结合有效的水文地质勘测，方可进一步降低对最大涌水量的预测误差，这也是下步需要努力的方向。
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论文作者:WangQi 1
论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期
论文发表时间:2020/4/14
标签：泵站论文; 隧洞论文; 水量论文; 水泵论文; 隧道论文; 标段论文; 秦岭论文; 《基层建设》2019年第32期论文;