深埋高滲壓反坡大涌水隧洞長距離排水技術

孫 振

(中鐵十三局集團有限公司，天津 300308)

深埋高滲壓反坡大涌水隧洞長距離排水技術

孫 振

(中鐵十三局集團有限公司，天津 300308)

以長距離隧洞反坡施工為工程背景，結合錦屏隧洞實際情況，運用理論分析、最優化方法和現場試驗等手段，提出了設置一、二級儲水倉，且分別布置在隧洞斜坡段前進方向右側落平段拐彎處的總體排水系統方案，進而確定了儲水倉、排水溝、沉淀池以及儲水倉水泵、布設位置，同時還設置了豎井輔助排水系統。實踐表明，該錦屏大涌水強力排水系統完全可以滿足錦屏工程實際需要，可以迅速排出隧洞大量涌水，能夠保證長距離隧洞反坡施工的安全和進度。

隧洞工程 排水 長距離 反坡 大涌水 高滲壓

錦屏二級水電站引水隧洞工程區內碳酸鹽類地層分布廣泛(約占70% ～80%)，在引水隧洞高程附近發育溶蝕裂隙、溶洞，巖溶裂隙水豐富且水壓力很大。在5 km長探洞施工過程中已發生多次大的涌水，涌水點水頭高且流量大，期間輔3#支洞等工程穿越中部第五出水帶，曾因大量涌水無法處理而停工半年。根據錦屏二級水電站AB輔助洞實際涌水情況，以最為復雜的輔引3#支洞為例，預計單點涌水量可能達300～500 L/s，匯總水量在施工支洞開挖期間為1 m3/s。輔引3#支洞在原支洞樁號0+022—0+042洞段開挖時揭露最大流量達1.5 m3/s的多股股狀涌水。輔引3#支洞施工穿越超高壓力、超大流量涌水地層時，溶蝕空洞對隧洞施工穩定性的影響及超高壓力、超大流量的溶蝕、裂隙涌水對施工影響非常大。另外，按實際需要，隧洞必須反坡掘進，其坡度局部區段高達15%，輔引3#支洞全長1 155.516 m，其中縱坡坡度為 －13%的長度近800 m，給施工排水和運輸帶來了巨大的困難和嚴峻考驗。

基于此，必須針對錦屏隧洞特點并充分結合錦屏二級水電站工程背景，在西南、西北地區隧洞巖溶溶蝕災害調查基礎上，深入、系統研究巖溶溶蝕對隧洞地下工程的影響，提出錦屏二級水電站隧洞工程中的富水區大埋深、高滲壓條件下切實可行的高強排水方案及技術方法，以確保工程施工不受涌水危害，從而為工程安全順利竣工提供有力保障。

1 排水系統設置總體方案

以較為復雜且受地下涌水影響嚴重的輔引3#支洞為研究對象。輔引3#支洞位于富水區，立面為緩坡布置，最大反坡坡度為 －13%，進口底板高程由1 618.00 m降至1 564.70 m，與上游調壓室相接。輔引3#支洞上覆巖體一般埋深1 500～2 000 m，具有埋深大、高滲壓、涌水強、反坡獨頭掘進等特點，在施工過程中隧洞涌水經常突出，成為隧洞安全施工和控制進度的關鍵性難題。根據“防排堵結合”綜合治理要求，輔引3#支洞施工過程中的排水顯得極為重要。

運用隧洞工程技術［1-2］，結合輔引3#支洞實際情況，排水系統設置總體方案確定如下：

設置一、二級儲水倉，均為單水倉。一級儲水倉共設3個，各儲水倉間高差約20 m，布置在輔引3#支洞斜坡段前進方向右側;二級儲水倉布置在輔引3#支洞落平段拐彎處，長約200 m。排水系統布置如圖1。

2 排水系統布置

結合地下工程施工技術［3-7］，布置排水系統。

2.1 儲水倉布置

結合隧洞反坡掘進實際情況，輔引3#支洞的一級3個儲水倉分別布置在輔引3#支洞支(3)0+212.979，支(3)0+394.797和支(3)0+612.616處，儲水倉起點底板高程分別為1 656.125，1 636.125和1 616.125 m，水泵安裝平臺底板高程分別為1 646.098，1 628.425和1 606.098 m。一級儲水倉長約100 m，斷面(寬×高)為6.0 m×2.4 m，水倉容量1 440 m3，三心拱形錨噴支護。二級儲水倉起點在支(3)0+802.975 m處，洞口底板高程1 596.722 m，儲水倉底板高程1 591.592 m，水泵安裝平臺底板高程1 588.592 m，水倉總長度約200 m，斷面(寬×高)為13.0 m×3.5 m，水倉容量9 100 m3，三心拱形錨噴支護。

圖1 輔引3#施工支洞排水系統布置縱剖面

一級儲水倉選用3臺450SLDB2000/40-355型單級雙吸雙蝸殼潛水電泵，二級儲水倉選用3臺700SLDB4000/100-1800型單級雙吸雙蝸殼潛水電泵，均為排正常涌水時1用2備，排最大涌水時2用1備。

儲水倉容積按下式計算

式中：Q正為礦井正常涌水量，據現場提供的資料，一級儲水倉正常涌水量0.3 m3/s，最大涌水量0.5 m3/s;二級儲水倉正常涌水量1.0 m3/s，最大涌水量1.5 m3/s;t為正常涌水量的時間，h。

按上式計算，一級儲水倉(臨時水倉，匯水面積小，取1 h正常涌水量)容積為V1=0.3×3 600×1=1 080 m3;二級儲水倉(臨時水倉，匯水面積較小，取2 h正常涌水量)容積V2=1.0×3 600×2=7 200 m3。

考慮儲水倉裝滿系數為0.8，一級儲水倉容積取1 440 m3;二級儲水倉容積取9 100 m3。

2.2 輔引3#支洞排水溝布置

輔引3#支洞水溝為矩形斷面，水溝寬2.0 m、深2.0 m，坡度與支洞相同，布置在支洞前進方向的右側，均為單水溝布置。為解決施工中的涌水，即掘進工作面的涌水，在輔引3#支洞的一側設置一個用于排施工中涌水的水溝。掘進工作面在作業時，掘進工作面及其附近段巷道的涌水不斷通過縫隙匯集至水溝內，通過水溝內設置的排水設備將水排出;當掘進工作面放炮后，由于放炮后的30 min內人員不能進入，此時掘進工作面的涌水通過縫隙匯集至水溝內，經水溝內設置的排水設備將水排出。

水溝隨著掘進工作面的推進而不斷推進。但水溝端頭(靠近掘進工作面)距掘進工作面不少于3 m，以防放炮時水溝上方管路設備損壞。

施工中靠近掘進工作面作業處的一段水溝上部采用鋼板蓋住，蓋板與水溝之間留有水通過的縫隙，巷道內的涌水通過縫隙匯集到水溝。施工中若遇單點涌水量較大時，可用管道將涌水引入儲水倉或排出支洞外，減小水溝流量。

2.3 沉淀池布置

平洞段水溝內設沉淀池，隧洞涌水進入儲水倉前先經過水溝沉淀池沉淀。沉淀池比水溝深0.5 m，長×寬×深=4.0 m×2.0 m×2.5 m，沉淀池視淤積情況隨時清理。

2.4 儲水倉水泵布置

為了能快速安裝，排水設備能盡快投入使用，且排水設備在水淹的情況下能繼續排水，在一、二級儲水倉內設置符合要求的潛水泵。一、二級儲水倉的底部設置水泵安裝平臺，潛水泵固定放置于安裝平臺上。水泵安裝平臺比儲水倉底高0.3 m，以便于水倉內的泥沙淤積和減少水泵吸入泥沙而影響排水。

排水設備布置主要考慮到施工快速、安裝快捷、檢修維護方便等因素。設計均選用潛水電泵方案，其布置具有以下特點：安裝快捷，檢修維護占地小，土建工程量小，不需輔助吸水設施等特點。

潛水泵安裝于水面以下，不需設置獨立泵房，不需要設置吸水井及配水設施。只需在水倉內設一個潛水泵布置平臺，平臺上設置3條安裝軌道，安裝軌道沿設置的斜坡延伸至上部水倉洞口以外，當水泵需要檢修維護時，通過提升設備將水泵沿軌道拉至上部水倉洞口以外的場地檢修。

水泵吸水口設置吸水過濾裝置，以避免將顆粒較大的沙粒及碎石吸入泵內，從而影響潛水泵內的電動機殼及水泵葉輪等，以延長水泵使用壽命和提高排水效率。

水泵設置自動液位控制裝置，以避免水面過低而吸入空氣產生氣蝕現象，液位自動控制裝置設置有水位傳感器。二級水倉的排水最低水位為3.0 m(由水倉底部算起)，當水位低于3.0 m時水泵自動跳閘停止排水，當涌水量達到最高水位4.5 m(由水倉底部算起)時水泵自動開啟排水。一級水倉排水最低水位為2.7 m，當水位低于2.7 m時水泵自動跳閘停止排水，當涌水量達到最高水位4.5 m時水泵自動開啟排水。

由于裝載水泵的車架位于水面以下，固定水泵車架的轉動部位需涂抹潤滑脂，以防銹蝕。

2.5 管路布置

排水管路布置主要考慮到隧洞斷面大小、車輛運行方便、安裝快捷、檢修維護方便等因素。由于管路直徑較大，管路采用并排垂直排列，以將隧洞空間最大化，減小對機車運輸等的影響，詳見圖2和圖3。

圖2 排水管路布置方案(單位：cm)

圖3 排水管路現場布置

排水管路均選用螺旋焊接鋼管，二級排水系統管路規格為φ920×10，一級排水系統3#水倉排水管路規格為φ720×10，一級排水系統2#水倉排水管路規格為φ630 ×10。

管路連接采用快速接頭進行連接，管路采用鋼架支座支撐。管路設置電動閘閥，采用電力驅動，控制方便。管路設置止回閥，以便水流倒流毀壞水泵。管路沿隧洞一側敷設，通過鋼架固定于水溝上方。

3 豎井輔助排水

隨著輔引3#支洞獨頭反坡施工里程增加，排水系統負荷將會逐漸加大。為此，除了一級2#，3#水倉和二級水倉，還必須設置豎井輔助排水。一級2#和3#水倉排水豎井平洞投影與提前施工完成的交通A輔助洞垂直，二級水倉排水豎井上升到A輔助洞地板標高后采用平洞與A輔助洞相連，再由A洞排到排水洞。二級水倉排水豎井最高，達到75 m，能夠滿足水泵抽水揚程要求。

實踐表明，強力排水系統的成功應用，可以迅速排出大量涌水，使得輔引3#支洞等反坡工程能夠安全而高效施工，比預計工期提前20 d完成，獲得了較大的直接經濟效益，同時獲得了顯著的社會效益。

4 結論

1)高滲壓涌水是輔引3#支洞等大量反坡工程的突出問題，排水系統關系到整個工程的施工與進度，排水是該隧洞施工過程中最為關鍵的施工控制環節，必須嚴密關注。

2)結合大埋深、高富水、高滲壓、大涌水等實際情況，提出的錦屏大涌水強力排水系統，完全可以滿足錦屏工程實際需要，很好地保證了長距離隧洞反坡施工安全和進度。

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U453．6+1

A

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1003-1995(2014)02-0053-03

2013-07-22;

2013-10-11

孫振(1974— )，男，黑龍江密山人，工程師。

(責任審編 趙其文)