關角隧道長大斜井反坡抽排水技術

劉海榮

(中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300)

0 引言

在隧道建設中，一旦地下水發育，施工排水的壓力將非常巨大，例如秀寧隧道及中天山隧道等。目前對隧道抽排水的研究有:馮藝［1］將煤礦抽排水水艙設計與施工引入到隧道抽排水系統中;盧申斯［2］論述了某電站建立分段集水井和泵房，設置了發電機及水泵等設備，保障了抽排水施工的需要;李建軍［3］介紹了雅滬公路隧道臥式離心泵、潛水泵組成的泵站，高壓進洞供電設備等方面的抽排水系統，降低了工程投資;秦昊斌［4］結合重慶沿江高速公路抽排水施工，介紹了施工組織、人員及機械配置等施工方案;高志強［5］介紹了云中山特長隧道豎井抽排水設備選型、水艙建設、井底排水等方面的抽排水施工技術，加快了豎井施工進度，降低了投資。以上研究主要針對采取設置獨立的固定泵站，逐級抽排水，最終排放至洞外的方式;臥式離心泵、潛水泵的選型配置，以及獨立的高壓進洞供電系統。但在實際操作過程中，容易出現固定泵站內雜物積累較多，抽水距離增加、投入增加，多條管路疊放的情況，維修的困難較大且電力供應一旦出現問題，不能及時進行抽排［6］。根據以往排水技術的研究，針對泵站容量、形式，水泵的維修與壽命周期對比分析，多條管道綜合設置形式及雙電路并網供電系統等方面研究的較少。

關角隧道具有大水量、長距離、高揚程的排水特點，本文采取雙聯拱式固定泵站、水泵配置選型、多條管路串并聯及供電電源并網等技術措施，及時排除了隧道內積水，有效地解決了突涌水對施工的影響。

1 工程概況

新建關角隧道位于既有鐵路天棚至察汗諾車站之間，全長32.645 km，進口標段由正洞進口及7座輔助斜井(5座斜井在1 000 m以上，最長斜井2 808 m)展開施工，斜井綜合坡度為11.9%，垂直落差均超過100 m(最長為6號斜井，達300 m)。隧道通過22.5 km巖溶富水區域，施工全部處于進口標段，受構造影響局部裂隙、溶隙較發育，為地下水向斜井的排泄提供了較好的通道。通過地表水流量監測、水文地質連通試驗、洞內涌水調查等工作，確定了地表水是隧道內突涌水主要的補給來源。施工過程中最大涌水量為28萬m3/d，正常涌水量為24萬m3/d(曾單個斜井連續4個月涌水量超過13萬m3/d)，單個斜井正常涌水量為3萬～9萬m3/d。如此大的涌水給工程施工帶來了極大的影響，最為突出的問題是隧道內地下水補給及處治問題［7］。

因此，針對關角隧道反坡排水的這些特點，快速有效地排除斜井施工階段和正洞隧道施工階段的積水對隧道的正常施工影響重大。

2 反坡排水系統設計

關角隧道地處高原，斜井長、坡度大、涌水量大，在抽排水系統設計時主要考慮以下因素。

1)水與人員安全、施工進度直接相關，重點考慮方案的安全性和可靠性。

2)需滿足輸運介質特性的要求。斜井中的水主要為裂隙水、巖溶管道水以及施工用水，水中可能混雜砂土、巖石顆粒、泥漿及噴射混凝土的回彈物摻雜物等，要求泵站設置具有沉淀功能，避免雜物對水泵及管道連接件的損壞，同時選擇的水泵要耐磨、耐腐蝕、使用時間長。

3)各級泵站的排水能力要充分，并應具有一定的儲備能力。安裝水泵總排量根據最大涌水量設計，兼顧正常流量。

4)所選水泵的型式和性能需符合裝置流量、揚程、壓力、溫度、汽蝕流量、吸程等工藝參數的要求［8］，同時要考慮水泵的維修周期長，使用壽命長及安裝簡單、便捷、易于維護和更換的要求，避免頻繁維修和更換對正常施工造成不利的影響。

5)排水管道設置應考慮避免對斜井運輸能力造成影響。關角隧道斜井采用單車道及每隔200 m設置20 m錯車道斷面形式，應盡量減少抽排水管道的設置，避免占用大量空間，影響正常運輸通道。

6)供電主電源及備用電源的設置，要考慮供電主電源出現異常情況時，備用電源能夠及時啟動，滿足抽排水設備的需要。同時避免設置多條供電線路，造成供電線路凌亂，維修、更換復雜，安全風險高。

綜合以上反坡抽排水系統的影響因素，在施工過程中不斷地研究、改進，最終確定了雙聯拱式固定泵站，進口水泵為主、國產水泵為輔，2種排水管道串并聯及供電主電源與備用電源并網的長距離反坡抽排水系統。

3 長大斜井排水系統設計

3.1 雙聯拱式固定泵站設計

固定泵站設置以滿足施工階段的正常抽水需要，考慮一定的發生風險后的應急處理能力為原則進行設計［9］。在隧道一側每間隔約300 m設置1座固定泵站，相鄰2個固定泵站垂直落差35 m，每個固定泵站設置2個洞室(M洞，每個洞室尺寸為8 m×8 m，隔墻1 m的拱形洞室)，一個洞室作為沉淀池，另外一個洞室安裝固定水泵。每個泵站的2個洞室底板均低于隧道底板，且沉淀洞室底板低于水泵洞室底板，利于排水過程中水中沉淀物的清理;在兩級固定泵站中間設置截流泵站，截流泵站洞室設置在固定泵所在隧道一側，截流泵站內安裝水泵，將水直接抽至上一級泵站，縮短抽水距離，降低投入(見圖1)。

圖1 雙聯拱式固定泵站排水示意圖Fig.1 Sketch of drainage by double-tunnel pump stations

雙聯拱式固定泵站的設置，起到了沉淀雜物與水泵相互分離的目的，避免了沉淀物清理時對水泵正常運轉的影響，同時增加了突涌水發生異常變化后泵站的儲水量，提供了應急響應時間，降低了淹井風險。另外，截流泵站的設置除起到了截斷兩級泵站間順坡流水、雜物外，還能作為雙聯拱式固定泵站的備用泵站，在排水量出現異常增大的情況下，可以立即啟動，緩解固定泵站的排水壓力。

3.2 泵站配置設計

3.2.1 水泵選型

在高原、高寒、富水條件下，設備性能和效率的發揮受到了很大影響［10］。結合關角隧道的設計抽排水方案，對國產的新津、熊貓、連成、泰豐等國產大功率水泵共236臺進行現場試驗。通過統計分析國產水泵排水量只能達到理論排水量的50%;其次在連續抽排水情況下使用壽命基本在8個月之內，維修、更換水泵洞內作業時間長且勞動強度高。在抽排水方案的不斷改進過程中，采用進口格蘭富水泵進行現場試驗，排水量能夠達到理論排水量的83%，使用壽命長(在關角隧道7年建設時間里未進行更換)，維修頻率低，不易損壞，基本上在6個月到1年進行一次維修(見表1)。因此，在關角隧道長距離反坡抽排水采用了以進口格蘭富為主、國產設備為輔的抽排水方案。

表1 水泵技術參數選型對比表Table 1 Technical parameters of different pumps

3.2.2 泵站抽排水能力配置

施工中應加強超前地質預報的管理，尤其對已經預測的可能集中涌水段進行準確的超前水平鉆探，提前實施堵水措施后，能大大減少施工中的涌水量，但工程中發生風險事故往往不能完全避免，需要有足夠的抽水能力，以盡量減小或縮短風險事件的危害程度和影響時間［11］。關角隧道通過采取超前預測技術、注漿堵水處治技術后，對需要排出的涌水進行了泵站抽排水能力配置。

1)考慮到目前的超前地質預報技術尚達不到將風險完全預報準確的水平，風險事件往往不能避免，因此，主洞施工仍然需要考慮發生一次最大涌水后的抽水能力，排水數量即為Q1(主洞內預測的多個突水段中涌水量最大段落的最大涌水量)。

2)斜井施工中采取帷幕注漿或通過后對一些集中涌水點進行注漿堵水，可以大大減少涌水量。根據各斜井注漿的效果(集中涌水堵水效果可達70%)，斜井堵水效果按70%考慮，排水數量即為Q2(預測的斜井的穩定涌水量)×0.3。

3)對各斜井預測的主洞的集中出水段(除Q2段)，也可以實施注漿堵水，主洞中主要的任務是掘進，堵水效果要求可以適當放低，因此，主洞堵水效果按60%考慮，排水數量即為Q3(主洞中預測的多個突水段中除涌水量最大的段落(Q2段)外的穩定涌水量之和)×0.4。

4)其余段落的涌水量預測值，即Q4。

泵站抽水能力按照以上4項涌水量之和進行配置，即:Q=Q1+Q2×0.3+Q3×0.4+Q4。

通過對各斜井施工區域內巖溶裂隙水發育情況、涌水處治情況進行分析計算，確定了3#斜井按照5.5萬 m3/d、4#斜井按照 9.5 萬 m3/d、5#斜井按照 5 萬m3/d、6#斜井按照3萬m3/d對泵站抽排水系統進行抽排水能力配置(見表2)。以4#斜井為例，各級泵站抽排水能力配置見表3。

表2 各斜井泵站配置表Table 2 Pumps allocated for different inclined shafts

表3 4號斜井各級泵站水泵配置表Table 3 Pumps allocated for different pump stations of No.4 inclined shaft

3.3 排水管路設置

根據關角隧道各斜井洞內涌水量，結合選用的抽水設備，將排水管路由原方案全部采用DN200無縫鋼管優化為采用DN400，DN200無縫鋼管串并聯排水管路的方案，即將DN400無縫鋼管作為主管路，DN200鋼管作為輔助管路(見圖2)。泵站內每2臺水泵對應一條DN400主管路將水抽排至上一級泵站;泵站內每1臺水泵對應一條DN200管路將水抽排至上一級泵站。

圖2 管路設置Fig.2 Pipe lines

同時為避免管路對接部位不牢，密封效果不佳，出現頻繁維修、更換連接件，管路變形損壞等問題，管路接頭除了采用常規的連接方式外，采用鋼板自制加工了鋼圈和橡膠墊圈進行密封加固的措施［12］(見圖3)。

圖3 加固鋼圈及橡膠墊圈Fig.3 Steel ring and rubber ring

3.4 泵站供電系統

關角隧道主電源供電采用雙系統，由天棚110/35 kV臨時變電所向隧道進口及1#—5#斜井供電，察漢諾110/35 kV臨時變電所經出口標段向6#斜井供電。當任一變電所檢修或電源故障時，合上35 kV施工電源線路6#斜井處分段開關，由另一變電所向所有斜井及進口的重要電力設備供電。

各斜井抽排水電力設備作為關角隧道主要電力設備的組成部分，需每天24 h持續運轉。與正常隧道施工工序中用電設備共用一套供電系統時，易出現電壓不穩，造成供電線路損壞，淹井事故風險較高，因此泵站電力設備需配置獨立的供電系統。同時關角隧道洞外供電線路較長，難免會出現線路故障，搶修期間同樣會出現淹井事故，因此還需配置備用電源。

經過調查研究，最終確定了備用電源與供電電源并網、高壓進洞的抽排水泵站供電系統(見圖4)。

圖4 泵站供電系統Fig.4 Power supply system

1)正常情況下，泵站供電系統以35 kV主電源經洞外箱式變電站降壓至10 kV，利用高壓電纜輸送至洞內各泵站對應的變電站，經變電站降壓至0.38 kV后為泵站電力設備供電。

2)主電源線路出現故障時，啟動箱式柴油發電機組備用電源、經0.38/10 kV升壓變壓器升壓后通過高壓電纜輸送至洞內各級泵站對應的變電站，再經變電站降壓至0.38 kV后為泵站電力設備供電。

4 效果分析

關角隧道在前期施工中發生過8次淹井事故，在改進抽排水系統后未發生淹井事故，同時在施工期間滿足了每日最大抽排水量28萬m3/d(曾單個斜井連續4個月抽排水量為13萬m3/d)的抽排水要求，降低了隧道施工風險，保證了隧道順利、快速施工。

5 結論與建議

通過對關角隧道長距離反坡抽排水系統進行研究，主要采取了雙聯拱式固定泵站、進口水泵與國產水泵結合使用(進口水泵為主、國產水泵為輔)、抽排水管路串并聯、雙系統供電及配置備用電源的綜合排水方案，有效地消除了隧道突涌水對施工的影響。同時針對今后富水隧道抽排水施工，雙聯拱式固定泵站的設置可根據隧道斷面形式進行調整，以滿足抽排水容量要求為原則。水泵的配置選型一般以隧道反坡坡度確定的揚程、供電系統的容量及抽排水量來確定。供電系統的選擇要與工程施工供電系統分開設置，避免相互干擾，造成供電系統出現故障影響施工。在今后長距離反坡抽排水施工中，可針對泵站自動開啟、關閉裝置進一步研究，以解決抽排水成本過高的問題。

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