中铁隧道集团二处有限公司蒙华铁路3标项目部二工区 山西运城 044000
摘要：通过中条山隧道2号、3号斜井反坡排水的施工,2号、3号斜井掌子面为反坡开挖,掌子面局部涌水量大,在放炮、出渣过程中掌子面会出现大量囤积水。进入正洞施工设计水量2号斜井5400m³/d，3号斜井62000m³/d。涌水量大，需及时排出洞外，保证正常施工，防止淹井。反坡排水需采用施工机械排水,设置多级泵站接力排水,介绍了反坡排水在施工过程中的应用，为类似工程提供一定的参考经验。
关键词：长大斜井；反坡排水；设计；施工
1 工程概况
新建蒙西至华中地区铁路煤运通道重点控制工程MHSS-3标段位于山西省运城市，起讫里程为：DK614+862.04～DK633+608，全长18.746km。中条山隧道线路穿越中条山山脉，隧道进口端位于运城市盐湖区境内，出口端位于运城市平陆县常乐镇刘卫庄村。全线设计进出口和1至6#斜井、平导等八个施工面，我工区主要承担的任务如下：2#、3#斜井，正线长5715m，起讫里程DK623+255～DK628+970，其中正洞段以5.1‰的坡度上坡；2#斜井长2429m，综合坡度11.24%，与右线成40°夹角交于DK624+400，完成左右线各2400m；3#斜井长度2045m，综合坡度11.34%，与右线成104°夹角交于DK627+600，完成左右线各3315m。
施工难点
施工时由于斜井自身坡度、长度影响和洞内涌水影响，反坡排水的难点在于排水方量大、高差大、管路距离长。
2 总体方案
2.1 总体思路
排水方案总体思路为：两阶段设计排水、两级排水、以排为主、多种类型泵站相共存互补方式：分斜井施工期间和正洞施工期间阶段排水，考虑到两斜井长，垂直高差大，均采用两级排水，目的是减小设备费用的投入，降低由于扬程过高，造成管路、密封垫子、管道法兰及焊接等耐压等级，提高机械效率等因素考虑。为保证施工和后期运营安全，斜井及正洞施工时，排水方案均以抽排为主，疏引结合，不主张堵水。固定泵站、移动泵站加临时移动水箱结合，逐级汇流多级排水的方法，在铺地面预留临时截水沟，在开挖底设置集水坑，两侧沟集中引流，增加自流水管和小型污水泵抽水相结合的办法，原则就是，哪里出现了股状水，立即截断抽走，决不能任其下流到掌子面。斜井施工期间采用一级固定泵站抽排水方式，为钢板焊接集水箱泵站；进入正洞后采用二级泵站抽排水，斜井中部位置为二级泵站、斜井主副联处集水坑为一级泵站。斜井及正洞掌子面均设置临时集水坑及移动水箱。
斜井施工期间掌子面为施工铺底段每隔20m设置一个临时集水坑，尺寸（长×宽×深）1.2m×1.2m×60cm，对掌子面出水进行截流引排。
铺底已经施工铺底段每隔20m在左侧边墙设置一个集水坑，尺寸（长×宽×深）1.2m×1.2m×60cm。对铺底面出水进行截流引排。
铺底设置双侧排水沟，左侧水沟尺寸（宽×深）35cm×20cm，右侧水沟尺寸（宽×深）15cm×15cm。对以支护段拱部及边墙出水进行引排。
2.2 排水方案
1、第一阶段排水方案（斜井施工期间）
在斜井中部设固定集水箱，采用10mm厚的钢板焊接而成，尺寸为高×宽×长(2.2m×3m×20m)，容积132m³，水箱内设7.5cm角钢对撑加固；移动水箱尺寸为1.5m×1.5m×6m，容积为13.5m³，采用5mm厚钢板焊接加工而成，移动水箱随掌子面开挖进度移动。在斜井底部固定泵站未建成之前，掌子面污水利用水泵抽入移动水箱内，斜井掌子面和斜井中部固定泵站间随距离增加两级临时泵站（两级临时泵站均为1.5m×1.5m×6m移动水箱），污水再通过固定泵站水泵抽入洞外三级沉淀池内。
2、第二阶段排水方案（正洞施工期间）
在斜井中部设置固定集水箱，在斜井底岔口（2号斜井主联处，3号斜井副联处）设置集水坑，两级提升到斜井外。集水坑尺寸为2m×3m×20m，容积为120m³。集水坑设置于仰拱填充内，位于道路正中间，集水坑四周采用30cm厚C30模筑混凝土一次性浇筑成型，上铺钢板，架设钢管护栏。
3 排污管径、水泵扬程计算
1、排污管径确定
根据隧道昼夜涌水量并考虑一定的富裕系数，在排水设备能力满足要求的条件下，根据技术和经济两方面选取排水钢管的直径d。
式中：Q —管道流量，m3/s
Vp—管道允许流速，m/s，参考一般给水管道取值2～3.0m/s[1]。
2、水泵扬程确定
单位管长水头损失i计算：
钢管、铸铁管的单位管长水头损失，可按下式计算：
当v＜1.2m/s时i =0.000912v2（1+0.867/v）0.3/d1.3
当v≥1.2m/s时i=0.00107v2/d1.3；
式中v——管内流速，m/s；d——管道内径，m[2]。
垂直高差和管道沿程水头损失之和就是水泵的扬程H。
式中M——里程长度，m；r——隧道坡度；i——单位管长水头损失，m。
4 设备选型
4.1隧道抽水机选型
抽水机选型需综合排水量、水泵扬程、使用寿命、经济性、维保费用等多方面考虑。
1、固定泵站抽水机选型
首选施工隧道专用耐磨合金泵，但2号、3号斜井内Ⅰ级、Ⅱ级泵站高差均超过135米，工隧道专用耐磨合金泵受到极限扬程的限制，不管电机功率多大，最高扬程只有132米，这还是理论高度。所有只有考虑多级泵，一般多级泵对污水含泥沙重的水质不适合，容易导致泵体和过流面的部件提早磨损，降低排水效率，甚至扬程不够。通过综合考虑，提出了斜井排水专用多级泵要求：首先是多级泵，高扬程（考虑到外界因素影响，效率在70%--80%,扬程应在200米以上）；在单电机功率300KW以内，流量要尽量大；必须耐磨性好，由于施工原因造成渗水二次搅拌，含泥沙量大，造成磨损加剧；对一般小杂物通过性好，基本无堵塞；水泵运行稳定，机械效率高；易损配件数量少，容易更换，且配件价格低，维修成本低；厂家技术支持到位，供货及时，售后服务质量好。综合以上需求，通过多方考察论证，最终选择MD280-45×5-250KW耐磨多级泵，该系列泵为卧式单吸多级分段式离心泵，具有效率高、运行安全平稳、噪音低、寿命长、安装维修方面等优点。其扬程为225米，流量280m³/小时，功率250KW，能够满足现场抽水。
2、临时移动泵站抽水机选型
隧道内施工复杂，涌水量大，临时移动泵站每次移动偶尔会造成掌子面积水，造成施工困难；且每次移动，需要考虑抽水电路及管路，人力物力投入较大。若备用临时移动泵站，则抽水机、抽水管路、抽水电路投入较多，成本较高。综合考虑，临时移动泵站需尽量减少移动次数，扬程要高，成本要低，在保证经济的情况下选用流量相符、高扬程、耐磨性好的抽水机。综合以上需求，最终确定选用同Ⅰ级、Ⅱ级泵站一样类型的抽水机，型号MD85-45×5-90KW耐磨多级泵。其扬程为225米，流量85m³/小时，功率90KW，能够满足现场抽水。
3、掌子面抽水机选型
掌子面抽水机随施工进度不断向前移动，采用潜水排污泵，用胶管连接，将污水排至临时移动泵站水箱内。由于掌子面施工，出渣大车、混凝土罐车、湿喷机械手等行走车辆多，且施工人员聚集，交通堵塞。加之施工小型设备、施工工具较多。且为了移动方面，掌子面需选用与与掌子面涌水量相仿的抽水机，保证一台便可满足掌子面抽水，减小空间，节约移动时间，保证高效施工。故抽水机流量是选型第一因素。其次，掌子面开挖时有细渣、喷浆时有回弹，污水内含沙石量较高，故所选抽水机必须耐磨。综上选用WQ系列泥沙污水泵。
掌子面涌水量计算：
用镀锌钢管一头固定在掌子面出水口，另一头连接压力表。即可测得涌水压力。而后根据水压计算涌水量。
式中K为为常数，取0.6--0.8；P为压强；
为水的密度，可取1；A为钢管横截面积[3]。
目前我工区采用的WQ系列泥沙污水泵如下：
WQ15-30-2.2KW 流量：15m³/h, 扬程：30m， 功率：2.2kw；
WQ30-30-5.5KW 流量：30m³/h, 扬程：30m， 功率：5.5kw；
WQ200-50-7.5KW 流量：200m³/h, 扬程：10m， 功率：7.5kw；
WQ30-50-9.2KW 流量：30m³/h, 扬程：50m， 功率：9.2kw；
WQ150-20-11KW 流量：150m³/h, 扬程：20m， 功率：11kw；
WQ70-40-15KW 流量：70m³/h, 扬程：40m， 功率：15kw；
WQ200-40-37KW 流量：200m³/h, 扬程：40m， 功率：37kw。
4.2 抽水机启动设备选型
抽水机三种启动方式：软启动控制器启停、变频控制器启停、自耦降压启动。其各自特点如下：
软启动控制器：成本相对较低，保护齐全，安全可靠，效率高，对电网冲击小，允许频繁启动次数较高。
变频控制器：成本高，保护齐全，安全可靠，效率最高，具有无功补偿功能，对电网冲击最小，允许频繁启动次数无限制。
自耦降压启动：成本略高于软启动，保护单一，启动功耗大，维修简便，对电网冲击大，大功率电机允许启动次数很有限。
综合考虑，Ⅰ、Ⅱ泵站采用软启动控制为主，变频控制为辅，自耦降压启动控制备用的三种控制模式，有效提高用电安全，保证设备顺利平稳启停，节约用电，集约用电。
5 现场实施
自开工至今，我工区处于斜井施工阶段，现将斜井施工排水现状介绍如下。
5.1 现场抽水
1、排水工艺流程
斜井施工排水总体工艺流程见下图：
斜井施工排水总体工艺流程图
2、排水施工方法
斜井施工抽排水遵循“分段截流、多级提升”的原则实施，保证斜井已施工段渗涌水不流向掌子面，最大限度减少开挖掌子面抽排水压力，具体方法如下：
(1)、开挖过程中，掌子面边墙设临时集水坑，根据现场实际情况配备无堵塞污水潜水泵，保证开挖打钻过程中掌子面无积水（一级提升）。
(2)、在已施工完铺底面设置临时泵站，将铺底面侧沟及集水坑内的积水抽排至临时泵站内（二级提升）。
3)、在斜井中部设置132m³固定泵站，将临时泵站内积水抽排至固定泵站内（三级提升）。
（4）、在斜井洞口设三级沉淀池，污水管将固定泵站积水抽排至沉淀池内，经过三级沉淀排放。
5.2 现场抽水电力线路
1、10KV主供电源
1）、洞口设置多路组合开关
主供电路通过洞口高压多路组开关分四趟高压进洞，两趟专供抽水，一趟动力专线，一趟备用。分路供电，减轻负荷，做到互不影响，便于检修。
2）、高压开关柜
斜井中部采用高压开关柜，方便洞内延长铺设电缆时可以临时操作通断，不影响开关柜前端其它供电；高压线路过长时，增加中间保护；在斜井中部变电洞室内，可以为另一回路在出现供电故障后，作为临时备用T接点。
洞口设置多路组合开关 高压开关柜
2、400V低压供电
1）、预装箱式变电站
斜井施工进度快，临时泵站、集水坑和掌子面抽水不断向前移动，箱式变电站安装方便，移动快速。
2）、双路供电（双变压器）
洞内抽排水用电地点多，负荷分散，不能间断供电，斜井施工进度快，经常需要移动和延伸高低压电缆，为此采用双回路供电，“步进式”交替前行。
3、集中供电、集约用电
在固定泵站采用预装箱式变电站-软启动控制一体柜，集中供电。固定泵站及临时泵站抽水机启动设备，采用软启动控制为主，变频控制为辅，自耦降压启动控制备用的三种控制模式，有效提高用电安全，保证设备顺利平稳启停，节约用电，集约用电。
预装箱式变电站-软启动控制一体柜 自耦减压启动控制柜 变频控制柜
6 结语
我工区在施工过程中，根据洞内的实际出水情况，及时微调和修正该方案，做到方案与现场实时结合，成功解决了因为水大对斜井施工造成的难度，在保证安全的前提下，保证施工进度，目前施工斜井施工阶段已完成，两斜井抽排水整体运行正常，排水效果明显，经济效益显著。
参考文献：
[1]GB 50015-2003 建筑给水排水设计规范 (2009年版)
[2]程文义 建筑给排水工程[M] 中国电力出版社 2009（6）
[3]刘文镔 给水排水工程快速设计手册[M] 中国建筑工业出版社 1998（6）
论文作者:闫有春
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/4
标签：斜井论文; 泵站论文; 扬程论文; 抽水机论文; 铺底论文; 集水论文; 隧道论文; 《基层建设》2018年第10期论文;