长隧道涌水综合反坡排水设计及优化技术浅析_张鹏涛.pdf

20231中铁二院工程集团有限责任公司协办97隧道是道路交通施工的重要组成部分，在实际的施工中极易发生涌水问题，一定程度上影响了工程的进度，甚至诱发严重安全隐患。本文以云南文新省普洱市镇沅县勐大镇1号隧道工程为背景，从排水管规格、积水站水泵选取、集水坑布置等方面，对隧道排水方案和优化技术进行研究，并通过对排水技术的分析，以期为其他类似项目提供借鉴和参考。1.工程概况云南省普洱市镇沅县勐大镇文新1号隧道右幅里程K151+100K153+955，长2855m；左幅里程ZK151+100 ZK154+016，长2916m；隧道围岩类型以级和级围岩为主。文新2号隧道右幅里程K154+200K154+490，长290m；左幅里程ZK154+180K154+485，长305m；隧道围岩级别为级。隧道建筑限界：净宽0.75+0.5+23.75+0.75+0.75=10.25m；净高5m。隧道属于特长、小净距隧道。最大埋深约为748m，曲线半径为R=1100m，纵坡分别为1.15%、2.75%、-2.8%。2.重难点工程文新1号隧道具有安全风险高、施工场地狭窄、环水保要求高、弃渣条件困难等特点，是全线控制工期的关键。文新1号隧道出口段为反坡排水，最大涌水量Q=7414.2m3/d，如何有效排出涌水是隧道安全及质量控制的关键。文新1号隧道出口端开挖后半年时间内，发现地下存在大量涌水的问题，局部呈现出股状、涌流状，直到打通隧道以后，左右线一共发生了12次涌水问题，最大涌水压力值为3Mpa，单日最大涌水量达到了40000m3/d，平均每天的涌水量为20000m3/d。3.隧道反坡排水的特点及系统设计反坡施工的特征为洞内的积水主要聚集在工作面，为了更好地为隧道施工创造较好的施工条件，在施工过程中需要注重抽排水方案，防止出现掌子面积水过多导致围岩不稳定的问题1。由于隧道项目工程规模大，运用机械排水施工工艺，同时配置多级泵站作为辅助排水，在移动水泵的作用力下，使得工作面的积水可以往固定泵站方向流动，在施工区域的积水流向泵站内，再通过抽排的方式运输到上一级泵站，通过此方式向外排水，最后流向污水处理池。洞内反坡排水的施工，通过管路、排水泵站的布设，充分考虑坡度、实际的积水量和所使用的设施设备性能，在条件允许的情况下，进行一次性连贯排水，或者通过分段式接水的形式进行排水。按照此隧道施工的特征，运用了泵站接力式的排水方法。通过此装置可以排出掌子面周围的积水，再通过污水池进行净化处理。4.基于特长隧道的反坡排水优化技术4.1 总体方案反坡排水需要符合质量安全要求，在此过程中需要对隧洞不同阶段的涌水量进行计算，并以此制定反坡排水的方案，并按照现场对施工突涌水事故的监督和预测，制定与此相对应的应急方案2。此项目工程运用机械排水的方法进行反坡排水施工，内部设置多个泵站，彼此配套进行使用。修筑水沟：将掌子面的积水排向坑内，再通过水泵抽排到周围的泵站中，对项目施工中所产生的积水进行有效抽排，并排放到相应的污水池中，实现了对其三级优化处理。同时，为了防止洞外水发生倒流的情况，在洞口设置截水装置。反坡排水沟：施工中采取分段进行开挖的方法，在各阶段的终点位置设置集水坑并配置抽水机，将此位置的积水在水泵机器的作用下运输到另外反坡，借助于此位置的抽水机将残留的积水运输到洞外。在潜水泵的作用下，使得掌子面位置的积水分别进入到集水坑中。采取循序渐进的方式：将积水排出到洞外，按照实际状况，明确泵站水仓的大小和清理淤泥的方式，确保相关反坡排水设备可以协调进行运转。4.2 排水管道规格计算按照项目施工的实际情况，运用地下径流模数法对隧道用水量多少进行检测，最终得出此值为2062.8m3/d 4426.4m3/d。对最大涌水量状态下排水要求进行考虑，最长隧道涌水综合反坡排水设计及优化技术浅析 中铁十八局集团第五工程有限公司 张鹏涛 20231专题研究98终以480m3/h作为建设标准，配置斜井排水管理系统。对于排水管的直径计算方式为：D=4Q/(3.14v)（1）式（1）中：Q为管道流量（m3/s）；v为管道流速（m/s），此处取2.0m/s。通过最终的计算结果，将管道的直径确定为0.282m。为全面提高排水效率，考虑到相应的备用要求，一共搭配了2台300mm管路，通过运用无缝钢管进行拼接，其中1套作为日常运用，剩下的1套则作为备用设备使用。对于工作面存在的大量积水，主要通过使用过80mm消防软管进行外排。4.3 积水站水泵选择水泵设计过程中的扬程计算公式为：H=h+0.018 Iv2/(2Dg)（2）式（2）中：h是水泵出口和排水管道两者之间的垂直高程落差（m）；I为管道沿程长度（m）；v是管道内水流速度；D为管道直径（m）；g为重力加速度。其中，h=60m，I=550m，g=9.8m/s2，计算结果：H=63.08m。在充分考虑设备供应和排水情况的要求下，积水站水泵的设备配置情况如表1所示。4.4 电力设备配置积水泵站配置有相应的电机装置，每台额定功率值为440kW，按照项目施工现场的实际情况，每台搭设了1台 500kVA变压器。当所属区域的电网发生停电时，为保证排水系统的正常运转，需要启动相应的备用电源，可选择1台500kW的柴油发电机作为电力设备。4.5 集水坑及泵站布置4.5.1 集水坑集水坑的位置选择在隧道的左侧位置，按照每相隔150m的位置进行设计，在施工中根据出水量的多少对布置方案进行调整。对于容量多少的确定，对施工过程中5min内产生的汇水量以及用水量进行计算，以两者的总和作为集水坑的控制标准，按照单个工作面选择20m3/d为标准。4.5.2 固定泵站泵站水仓接力排水的实现需要得到固定泵站的充分支持，对于水仓容量的确定和集水坑保持一致，以长3m、宽2m以及深1m作为标准，容量设计为8m3，按照项目施工实际情况进行相应的调整。4.6 应急阶段的排水方案此前洞内施工围岩的位置干燥，在排水过程中只需要考虑到位于掌子面位置的积水，施工中没有布设专用排水装置，在日常施工中主要运用2.5kW水泵进行抽排。对于隧道内部出现涌水的问题，按照应急处置方案，启动两台抽水机进行抽排，将洞口内进水管的积水进行排出。抽水机选择型号为WQS型污水潜水泵，抽水的流量为50m3/h，扬程为35m。开始时，将潜水泵放置于较深的位置，在抽排过程中再根据水位的变化进行动态化调整，直到掌子面的积水全部褪去。4.7 恢复施工阶段的排水方案掌子面的积水退去以后，运用两级排水的方式进行施工的恢复。采用的方式为：在上台阶一侧距离掌子面大概30m的位置进行集水坑的开挖，作为上台阶积水的汇集，对于反坡位置存在的积水，通过小功率的污水泵进行抽排。集水坑的长度、宽度和深度分别为4m、2m、1m，在施工过程中按照分段开挖的方式进行开挖，确保抽排水的顺利进行。由于进水管被更换为排水管道，需要在洞内处理好施工的涌水问题，主要方法是对储水箱水进行沉淀再次利用，在使用排水时，将离心泵的排水管与掌子面进行连接，这样既能为离心泵提供动力，也能为掌子面提供施工的涌水，符合项目施工要求。4.8 应急措施在每个泵站通过高压进风的方式增加1台应急设备，并和泵站位置的水泵进行相互连接，在遇到突水、涌水问题时，需要将进风闸门关闭，并且做好抽排的相关准备工作。表1 积水站水泵配置积水站水泵名称型号流量（m3/h）扬程/m功率/kW数量1#污水泵Y132S1-276.57.55.521#污水泵Y160M2-22007.51521#增压泵100SG75-781004522120231中铁二院工程集团有限责任公司协办995.反坡隧道排水技术要点排水沟的位置安排在隧道的一侧，根据实际情况可以按照两侧进行布置，充分考虑施工过程中隧道坡度和实际的涌水量要求，以此作为标准对排水沟的大小和尺寸进行设计，按照隧道涌水量的要求，对排水设施进行管理3。考虑隧道坡度和高程落差，以此作为基准对水泵的扬程进行确定，确保扬程具有富余。因为排水施工管理的复杂性，在施工过程中需要注意以下几点要求：一是在项目施工前，需要对现场施工条件进行勘察并查阅与之相关的资料，对涌水量和地下水的分布情况进行测定，制定排水方案。通过对隧道排水工艺的测试，需要根据出水的位置、出水总量、施工现场的排水距离等方面，不断优化反坡排水施工工艺。二是实际施工中，根据隧道的实际状况，考虑管道水流、排水距离等因素，配置数量合理的抽水机。三是开挖期间，针对施工现场存在的渗漏问题，需要借助钻孔引流的方式，强化对施工现场的管理。针对存在的大面积漏水问题，需要借助于引水的方式将积水引流到排水沟的位置。四是考虑到易溶性岩层地下水非常丰富，为提高施工效率，需要在开挖面进行钻孔，按照项目施工实际情况制定与之相对应的防涌水措施。五是因地下水是隧道涌水的主要补充方式，需要提前确定水源的方向以及提前的开挖泄水洞，实现截流排水的目标。地质松软的土地涌水发生概率大，可以采取降低水压的方式进行控制。六是排水作为一项复杂的工程，在将隧道内部涌水进行外排放的过程中还需要增强环境保护意识，对水质情况进行勘察，借助于污水处理装置对污水进行净化处理，污水水质检测合格后才可排放。在施工过程中，要建立排水监督小组，对污水排放进行全程监督和管理。6.结语本文以云南文新1号隧道工程为背景，从排水管规格、积水站水泵选取、集水坑布置等方面，对其隧道排水方案和优化技术进行了研究。该隧道在开挖施工过程中遭遇到了隧道涌水的问题，且涌水量非常大。为解决隧道涌水排水问题，提高施工效率，加快项目推进，在长距离反坡排水系统中运用了机械排水的方式，总结出一套特长隧道的反坡排水施工方法，提升了反坡排水的效果。实践证明，在施工现场较少受到涌水问题的干扰，表明反坡排水方案具有较高的可行性。参考文献1于复杰.浅析涌水隧道反坡排水施工技术J.工程建设与设计,2017(17):149-151.2潘龙.一套长大隧道反坡排水设计方法J.铁道建筑技术,2016(05):68-70+81.3贾锋.山岭 特长隧 道斜井反坡排水施 工技术J.公路,2018,63(07):347-351.