超長距離大埋深反坡排水施工技術

李海周 LI Hai-zhou

（中鐵十一局集團第五工程有限公司，重慶 040003）

0 引言

TBM 施工超長距離大埋深隧洞排水已經成為施工中的重點和難點，施工中要用水，但是施工的隧道巖層又怕含水，往往一個項目的成功與否就是看前期對隧洞供排水的籌劃和布局是否能滿足項目施工過程中用水和排水的需求，現根據新疆TBM 施工隧洞反坡排水關鍵技術及項目整體籌劃布局進行研究分析，首先根據項目地勘資料確定巖層含水量，隧洞屬于長距離、大埋深，應采用分段排水，并根據分段巖層含水量的不同配置相應的排水設備，考慮到埋深大，在配置排水管路和配置上考慮一次成型，以免后續因為排水量滿足不了施工需要進行增加配置，增加工作量。

1 工程概況

該項目隧洞全長19.87km，上游采用鉆爆法施工，下游采用1 臺TBM 施工。①上游鉆爆法開挖段：上坡掘進，總長度2.2km。②下游TBM 掘進洞段：掘進段為主洞總長度17.67km，下坡掘進，掘進坡度1/2583m，開挖洞徑7.0m。③支洞為物料進出洞段：位于隧洞KS137+000m 樁號處，進口布置在隧洞左側，與主隧洞夾角87°49′7″，長度3952m，綜合縱坡11.71%，支洞與主洞交叉布置30m 長縱坡為零的洞段。（圖1）

圖1 喀雙VI 標平面布置圖

2 地質條件

項目位于新疆阿勒泰富蘊縣境內，屬于阿勒泰山南坡剝蝕丘陵區，地勢總體北高南低，海拔高程1050～1090，地形起伏較小，山頂多呈渾圓狀，山體坡度較緩，一般高差10～20m，基巖大多裸露，主要為荒漠地貌。

3 排水方案

根據地質資料及現階段施工涌水情況，本標段需達到一般排水規模為350m3/h，本標段需達到備用排水規模為455m3/h，為將污水、廢水排放到場地外污水蒸發池，考慮整個施工環節，需要在隧洞內布設一套排污系統。

①TBM 主洞施工排水。TBM 主洞洞內排污系統配置為四級排水，TBM 段施工排水為從步進洞段三級沉淀池處開始，通過每4500m 一個固定污水池分級排水將污水排至步進洞段三級沉淀池，三級沉淀池處設置三套排污系統，直接采用一站式排水將水通過支洞排至洞外。主洞段污水池處每個污水池設置三臺75kW、揚程90m、排量為155m3/h 的水泵。

②主洞鉆爆洞段施工排水。在主洞鉆爆洞段隧洞開挖時，在開挖面附近左側設臨時排水溝，水溝斷面為20×20cm，隧道滲水及臺車施工用水可順流至交叉洞段污水坑，根據施工現場情況，在局部積水處設置5.5kW 臨時抽水泵進行排水。

③T2+支洞排水。交叉洞段集水坑設置在交叉洞段，在交叉洞段樁號136+980m 位置隧洞右側擴挖一個長10m、寬3m、深3m 的分二級沉淀的集水坑，該集水坑蓄水量可達90 立方。臨時抽排至步進洞三級沉淀池，統一抽排。

④步進洞段污水泵泵站排水。在主洞步進始發洞段設110m×8m×1m 的三級沉淀池，該沉淀池最大方量可達700m3。主洞抽排污水經一級沉淀池流至三級沉淀池。三級沉淀池處設置三套排污系統，常用配置兩臺污水泵型號為MDP85-67*9，排量85m3/h 水泵和兩臺污水泵型號為MD155-67*9，排量155m3/h 水泵，并備用一套污水泵型號為MDP450-60*10，450m3/h 應急污水泵，直接采用一站式排水排至洞外。

根據地質資料及T2+支洞現階段施工涌水情況，主洞TBM 段排水規模為300m3/h，為將污水、廢水排放到場地外，考慮整個施工環節，主洞布設兩趟排污管路，每趟排污能力為155m3/h，正常情況下只啟用一套排污系統，當主洞排水量較大時兩套排污系統同時使用，排水規模能達到310m3/h。

3.1 初選管徑

①單臺水泵排污能力為155m3/h 時排水管徑的確定。

通常用試取管內流速的方法來求得。其計算公式為：

dp—排水管徑，m；Q—通過管子的流量，m3/h；vp—排水管的流速，通常取vp=1.5~2.2m/s，在這個速度范圍內工作較為經濟，稱經濟流速。排水管的直徑取200mm。

②管道過流面積。

水泵允許排渣，當排水含沙時，

管截面過流面積為S=0.2×0.2×3.1416÷4=0.0314m2。

③管道流速。

管道流速V=155÷3600÷0.0314=1.37m/s。

3.2 水泵選擇

①根據《村鎮供水工程設計規范》（SL687-201）7.2.7計算。

流速為1.37m/s 時，排水4000m 時的水力均勻流沿程能量損失為：hl=iL

式中：hl—沿程水頭損失，m；L—計算管道的長度，m；i—單位管長水頭損失，m/m；C—海增威廉系數，取值范圍為120~130，取C=125；Q—管道流量，m3/s；d—管道內徑，m。

根據以上公式，

②根據水力計算法計算。

流速為1.37m/s 時，排水4000m 時的水力均勻流沿程能量損失為：H管路損失=V2L/（C2R）

式中：C—舍齊系數，舍齊系數按曼寧公式：C=R1/6/n求得；

R—水力半徑，R=d/4；

L—管路長度；

n—管道糙率，取0.012；

計算得到C=50.58

H管路損失=V2L/（C2R）=1.372×4000×4/（50.582×0.2）=58.73m

根據兩種計算方法，考慮到現場實際情況，選排水4000m 時的管路損失取兩種計算結果的最大值58.73m。

若考慮每4000m 處設置一臺水泵，排水管出口抬高3m，隧洞高差按2m 計算。

則所需水泵揚程為2+3+58.73=63.73m

③水泵選擇。

揚程富裕系數取1.1，選配水泵揚程=63.73×1.1=70m

水泵功率最小需求計算：

DN200 鋼管

N=H×Q×A×g/（η×3600×1000）

=70×155×1332×9.8/（0.745×3600×1000）

=52.8kW

式中：H—揚程，m；Q—流量，m3；A—渣漿密度，kg/m3；η—效率（74.5%）。

根據以上數據，1 臺75kW、揚程90m、排量為155m3/h的水泵可滿足掘進4000m 的排污能力。

④管道壁厚計算。

根據《煤礦井下排水泵站及排水管路設計規范》（GB50451-2008），排水管路的管壁厚度計算和選擇按下列公式計算：

式中：

c—計入制造負偏差和腐蝕的附加厚度，取0.20cm；p—計算管段的最大工作壓力（MPa），取0.9MPa；Dw—管子外徑（cm）；φ—管子焊縫系數，直縫焊接鋼管取0.7；[σ]—管材許應力，選擇直縫鋼管，[σ]=79MPa。

TBM 施工段排水管路選擇φ219×4.0mm 的普通鋼管。

小結：根據最終結算結果，主洞布設兩趟排污管路，每趟排污能力為155m3/h，正常情況下只啟用一套排污系統，當主洞排水量較大時兩套排污系統同時使用，排水規模能達到310m3/h。

排水水管采用兩趟直徑219mm，壁厚4mm 的普通鋼管，水泵平臺處布設3 臺75kW、揚程90m、排量為155m3/h的水泵（水泵采取兩用一備的原則）。

3.3 水泵及管路布置

主洞段污水池處每個污水池設置三臺75kW、揚程90m、排量為155m3/h 的水泵，水泵采用兩用一備的原則進行配置。正常排水用電功率75kW，在每個排水點布設一臺250kVA（10kV/400V）的變壓器，為主洞排水、照明及臨時施工供電。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。排水管路均選用選擇布設兩趟4.0mm 厚φ219×4.0mm 的普通鋼管。管路連接采用法蘭盤接頭進行連接，沿隧洞右側敷設，管路采用鋼架支座支撐，固定于側墻上方。管路設置止回閥，避免水流倒流毀壞水泵。

3.4 排水流程

TBM 排水采用TBM 污水箱+固定污水箱排水逐級排水。即TBM 內配置有水泵，將污水抽至TBM 后配套污水箱，再由污水箱經水泵排至2000m 一處的污水箱，通過分級排水將污水排至交叉段集水坑。（表1）

表1 不同施工階段排水流程表

綜上所述，TBM 主洞洞內排污系統配置為四級排水，TBM 段施工排水每4500m 設污水池（視實際滲漏水情況增減污水池距離），分多級強排至步進洞段三級沉淀池，后經步進洞段三級沉淀池直接經過T2+支洞排污管路一站式排水排至洞外污水處理系統。主洞布設兩趟排污管路，每趟排污能力為155m3/h，正常情況下只啟用一套排污系統，當主洞排水量較大時兩套排污系統同時使用，排水規模能達到310m3/h。排水水管采用兩趟直徑219mm，壁厚4mm 的普通鋼管，水泵平臺處布設3 臺75kW、揚程90m、排量為155m3/h 的水泵（水泵采取兩用一備的原則）。

4 集水倉布置

TBM 主洞洞內排污系統配置為四級排水，TBM 段施工排水為從步進洞段三級沉淀池處開始，每4500m 設一個污水池（視實際滲漏水情況增減污水池距離）。該污水池采取在隧洞底部做擋墻，設置深度為1m 集水池，中間設立50cm 的混凝土擋墻分兩級對洞內污水進行沉淀，儲廢水容量可達160m3。通過每4500m 一個固定污水池分級排水將污水排至步進洞段三級沉淀池，三級沉淀池處設置三套排污系統，直接采用一站式排水將水通過支洞排至洞外。每個污水集中處設置三臺75kW、揚程90m、排量為155m3/h 的水泵，水泵采用兩用一備的原則進行配置。

5 管路布置

5.1 步進洞段排水水管

步進洞段85m3/h、155m3/h 和450m3/h 污水泵排水水管選擇φ219×8.0mm 的無縫鋼管。管路連接采用法蘭盤接頭進行連接，沿隧洞左側敷設，管路固定于支洞皮帶機支架下方。管路每隔1km 設置一個閘閥和一個止回閥，避免水流倒流毀壞水泵。為了防止因冬季氣溫過低，管路凍結導致排水不暢，T2+支洞從洞口至洞內的400m 進水、排水管路和洞外的所有管路均纏裹電熱絲然后包裹保溫棉做好管路的防凍措施。洞外廢水沉淀池泵站搭建保溫棚，內部設置取暖裝置，確保冬季施工排水。

5.2 主洞段兩路排水管路

主洞段兩路155m3/h 排水管路均選用兩趟直徑219mm，壁厚4mm 的普通鋼管。管路連接采用法蘭盤接頭進行連接，沿隧洞右側敷設，管路采用鋼架支座支撐，固定于側墻上方。管路設置止回閥，避免水流倒流毀壞水泵。

6 排水保證措施

①成立排水小組，專人專職負責排水，對施工用水管路進行拉網式排查，嚴防因管道破損造成漏水，增加排水難度，定期檢查維修抽水設備及清理池底淤泥，以保證抽水設備及管道暢通。②排水設備配備足夠的潛水泵和管道等，以備出現問題及時更換。③設置雙回路供電方式保證排水機械、設備能正常運行。④可能出現突涌水地段，加強超前地質預報工作，盡最大努力在突涌水未揭露前進行處理。⑤主洞集水池及支洞集水坑設置防護措施，并有醒目的安全警示片，防止人員等誤入。⑥洞內排出來的水經過多級過濾沉淀后再進入污水系統，保證污水安全排放，達到環保標準。⑦排水泵站位置24 小時專人值班，監控水泵工作情況，如有異常立即檢查維修，并將備用水泵放置在洞內，準備隨時更換的可能。⑧洞內設應急照明及應急排水電路，并指派專職電工值班，保證隧洞施工用電。⑨洞內排水泵站位置設置通訊設備，便于及時應對涌水或排水不暢等突發事件。⑩針對較小涌水和滲漏水，采用表面封堵、設排水孔、注漿等措施處理。

7 結論

根據隧洞TBM 施工隧洞反坡排水關鍵技術及項目整體籌劃布局進行研究分析，首先根據項目地勘資料確定巖層含水量，隧洞屬于長距離、大埋深，應采用分段排水，并根據分段巖層含水量的不同配置相應的排水設備，考慮到埋深大，在配置排水管路和配置上考慮一次成型，以免后續因為排水量滿足不了施工需要進行增加配置，相應工作量。根據隧洞巖層含水情況進行布置一整套排水和污水處理系統，從管路布置上，水泵配置上，以及水泵供電配置上，進行統一布置，并且在對水泵、管路及供電配置上進行長期的保養修復等，并且在配件儲備上，滿足現場維修養護的需要等。