長大富水隧道反坡排水施工技術研究

張棟 ZHANG Dong

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，太原 030024）

0 引言

隨著我國高速公路的建設和發展，涉及隧道施工的頻率越來越高，并且長大隧道常常作為控制性工程進行實施，尤其是水量充沛地區，因此，隧道反坡段高效有序的抽排水系統則尤為重要。順坡段排水，只需按設計施做好排水溝，隧道涌水就可以靠自流排至洞外，但反坡段則需要設置良好的抽排水系統，借助泵站、水泵、管路的合理組合才能有效的解決長大隧道涌水問題。

隨著近年來長大富水隧道的工程案例增加，國內外的學者對其施工技術的研究也有所突破。周國龍以玉蒙鐵路秀山隧道為依托，探索出了一套適合特長隧道快速施工的反坡排水設備配備，用以指導長大隧道反坡排水合理有效的施工；潘龍以蘭新客專祁連山隧道為依托工程，通過施工經驗總結出一套簡便的排水設計方法，便于普通管理及技術人員獨立完成排水設計；張兆杰等依托巴中至萬源高速公路糖坊梁隧道工程，基于對排水設備相關參數計算，采用移動泵站與固定泵站相結合的排水方案解決特長隧道反坡排水問題；左玉杰以宜萬鐵路齊岳山隧道為依托，研究快速有效的反坡排水系統對富水巖溶反坡隧道施工的重大意義；高文濤等以渝湘隧道鷹嘴巖隧道為依托，提出采取適當封堵、利用其靜水壓力反坡排水處理巖溶涌水的新技術。

通過調研歸納目前研究現狀可知，目前針對長大富水隧道反坡段涌水處治主要還是以引排為主，基于上述背景，本文以廣東省的大豐華高速公路鴻圖隧道為依托，對長大富水隧道的反坡排水施工技術進行研究，旨在為該類工程提出一種切實可行的設備參數優化研究方案。

1 工程概況

1.1 工程簡介

鴻圖特長隧道位于廣東省梅州市豐順縣與五華縣交界地段，是一座雙洞單線公路隧道，設計車速100km/h，左線隧道全長6336m，我標段承擔出口左線ZK95+716～ZK92+469段（3247m），設計ZK95+716～ZK94+350（1366m）坡度為-0.4%，ZK94+350～ZK92+469（1881m）坡度為2%，設計高程最高點位于ZK94+480，反坡施工排水里程段為ZK94+480～ZK92+469（2011m）。鴻圖特長右線隧道全長6337m，我標段承擔出口右線K95+742～K92+460段（3282m），設計K95+742～K94+320（1422m）坡度為-0.4%，K95+320～K92+460（1860m）坡度為2%，設計高程最高點位于K94+480，反坡施工排水里程段為K94+480～K92+460（2020m）。

1.2 水文地質條件

鴻圖特長隧道路線范圍內地表水系發育，分布眾多溪流及兩座水庫。隧址區地標水體為位于狹窄溝谷內的溪流，多屬季節性溪流。隧址區水系發育，隧道五華端出口左側約30m處沿山谷發育一條溪流，流量約1037～1296m/d；洞身位置約K94+500～K91+750洞身地表為山谷溪流，水量較大，勘探期間流量達1728m/d。

2 反坡排水參數確定

2.1 排水管管徑計算

工作水泵的能力，應能在20h內排出洞內24h的正常涌水量，根據涌水量取值25000m/d，每個泵站每小時排水流量為：

Qh=25000/20=1250m/h

抽水管半徑暫定：r=0.15m

時間：T=3600s

流速估算；V=3m/s

管路過流面積：A=πr2=3.14×0.152=0.0707m

每小時流量：Q=A×V×T=763.56m/h

考慮一定富裕系數，固定積水站間選擇管道直徑為?=300mm，布置兩道管路可滿足排水需求?？紤]移動水泵重量及操作難易程度，掌子面到臨時集水井之間選擇多道?=200mm管徑軟管，臨時集水井到固定泵站之間布置多道?=200mm管徑鋼管進行抽排水。同時預置一條備用應急檢修管路，保證后期因機械設備、掌子面出水繼續增大時能正常抽排水。洞內出水量如大于抽能力的70%時，應根據現場情況計算增加排水設施。

2.2 揚程計算

固定積水站間排水管均采用?300鋼管進行安裝。積水站設置線路外側內，間距按500m計算，反坡坡度為2%。

根據公式：

式中，H—揚程，m；

λ—為水管摩阻系數，采用的水管為普通鋼管，取值0.024；

L—水管長度（m）；

d—水管內徑（m）；

Z—管道進出口高程，m；

V—管內流速，取3.0m/s；

g—重力加速度，9.8 m/s；

計算得揚程H=46.7m

2.3 水泵選型

在水泵電機的選型，應綜合考慮能量利用、電機功效、電機安全系數及揚程等，按以下經驗公式配備電機功率：

電機功率=流量（m/h）×揚程（m）×9.8÷（3600×功效）

電機功效一般取0.5～0.75，水泵越大，功效越高。

電機功率=625×46.7×9.8÷（3600×0.75）=105.9kW

結合市場現有水泵型號及對應的揚程、口徑、流量等參數，選取110kW污水泵。

掌子面附近采用7.5kW、15kW低揚程大流量的水泵。

3 總體排水方案

反坡排水，設置多級泵站接力排水，掌子面積水采用移動式大流量低揚程潛水泵抽排至就近泵站或臨時集水井內，臨時集水井根據掌子面出水及現場情況，以滿足掌子面無積水為要求設置，臨時集水井內的水通過水泵抽排至上一級固定泵站。其余已施工地段隧道滲（涌）水經隧道內側溝自然匯集到臨時集水井或固定泵站內，由固定積水泵站將積水經排水管路抽排至上一級固定積水泵站內，如此由固定積水泵站接力將洞內積水抽排至變坡點外，經沉淀處理后排放。工作抽水系統按使用3套，應急儲備檢修1套配備，針對隧道涌水量再次增大時要適當增加工作水泵。

應急抽水時：啟動備用抽水泵組，水泵直接布置在出水點，將高壓風管改裝成排水管路。

4 排水系統布置

4.1 積水站位置的選擇與施做

根據水泵揚程及實際涌水量情況，在正常施工時，根據設計圖紙，相鄰緊急停車帶之間距離為670～830m，考慮排水管壓力，盡量減小揚程，增大管路排水能力，兩級固定積水站間距按500～600m考慮，固定積水站設置隧道外側橫坡終點，便于兩側涌水集中到積水站內，通過水泵、水管將水逐級抽排至上一級泵站，最終接力抽排到洞外污水池沉底過濾后排放。整平層至掌子面臨時集水井之間，利用隧道正坡排水溝將掌子面附近積水自然引排至臨時集水坑，臨時集水坑和固定積水站之間通過水泵、抽水軟管、鋼質水管抽排積水。豎井內的水通過豎井與主洞聯絡通道流入鴻圖特長隧道右線，匯集至最近的積水站內，通過積水站抽排至上一級固定積水站。（圖1、圖2）

圖1 隧道接力式反坡排水示意圖

圖2 積水站布置斷面圖、平面圖

4.2 抽水管線布置

根據計算，固定積水站之間采用?300mm的水管作為抽水主管路，每兩級泵站之間布置3條，其中1條作為檢修備用水管。臨時集水井與泵站之間采用便于移動的?200mm鋼絲軟管抽排水，掌子面到臨時集水井之間則采用便攜式消防軟管作為抽水管道，直接將掌子面積水通過軟管匯集與臨時集水井，以便逐級抽排至洞外。

4.3 電力配置

鴻圖特長隧道電力系統采用高壓進洞方式輸送電力，洞內采用箱式變壓器，每個箱變的視在功率為630KVA，便于及時調整變壓器與用電設備之間的距離，一般距離掌子面不超過400m，避免距離過遠、電壓降較大引起的設備電壓不足，影響設備正常使用，且變配一體，安全便捷，同時考慮后期巷道式通風問題，合理配置積水站和風機用電設備，具體布置情況如下。

4.3.1 高壓線路布置

左洞洞口處有10kV雙投雙出控制柜1面，進線側一路自外電源電纜引入，電纜型號：YJLV22—3*185，工作電流257A，另一路自（1～7臺）發電機經2500KVA升壓變引入（停電時使用）；二路饋出電纜線路則左、右兩洞各1路，右洞電纜型號：YJLV22—3*120，工作電流191A。左洞電纜型號：YJLV22—3*70，工作電流135A。

4.3.2 洞內箱變布置

①于右洞內加寬帶（K94＋960處）新建10/0.4kV箱式配變電臺區1座（630KVA），為壓風設備（132*4=528kW）提供電源并加帶前后1km范圍內的射流風機；

②分別于左右洞K94＋170、K93＋600、K93＋040、處新建10/0.4KV500KVA箱式配變電臺區1座（共6座），為前3級集水泵站及附近射流風機供電；

③分別于左右洞K92＋650處新建10/0.4KV630KVA輪式配變電臺區各1座（共2座）為第4級集水泵站、濕噴機、砼泵提供電源。

4.3.3 低壓線路布置

經計算洞內低壓線路主線相線采用BLV-1*240，工作零線采用BLV-1*120，保護零線采用BLV-1*95。低壓分線線路的抽水線路與其他線路獨立，單獨掛表計量。

4.3.4 臨時集水井及掌子面水泵用電

臨時集水井及掌子面水泵用電從距掌子面最近的變壓器上單獨引出一路主線路，接至已施做調平層端頭附近，主線路末端接一總配電箱，主配電箱分接控制各水泵。變壓器至主配電箱之間采用鋁電纜，主配電箱到水泵之間采用銅芯電纜，相同負荷下銅芯線柔韌性較好，便于水泵移動。

反坡排水設備統計表見表1，高壓傳輸電力配置表件表2，低壓主線路配置見表3。

表1 大豐華鴻圖特長隧道發、配變設備統計表

表2 高壓傳輸電力配置表

表3 低壓線路主線（變壓器到配電柜）

4.3.5 停電保護機制

為避免因停電造成隧道無法抽水，則在洞口布置7臺500kWh的發電機，通過反高壓技術，將發電機發出的電力通過技術反送至洞內高壓上，從而保證隧道反坡排水電力供應。

5 結論與建議

①為解決鴻圖隧道反坡段涌水排水問題，提出固定泵站與移動泵站相結合反坡排水方法，并根據水文地質情況、超前地質預報及現場實際施工情況進行動態調整反坡排水設備參數，做到及時有效的抽排隧道內涌水，高效的解決了長大富水隧道反坡排水問題。②掌子面反坡排水段因施工作業空間有限，建議靈活選用水泵，以低揚程、大流量水泵為主，抽水管選用便于布置的消防水管，可以盡最大可能的節約掌子面排水時間，減少工序銜接時間，提高施工效率。③通過對反坡排水工藝及設備的研究，提高了隧道施工的效率，對類似長大富水反坡隧道施工有一定的指導作用。