青云山特長(zhǎng)隧道涌水段反坡排水技術(shù)

王俊和

（中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038）

青云山特長(zhǎng)隧道涌水段反坡排水技術(shù)

王俊和*

（中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司，北京100038）

基于江西向塘至福建莆田鐵路隧道工程施工中的反坡排水問(wèn)題，根據(jù)隧道的線型、地質(zhì)和涌水量情況，提出了一套完整的適用于隧道施工反坡排水的處理方案，并對(duì)排水設(shè)備相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，可為建設(shè)環(huán)境類似的工程提供借鑒。

特長(zhǎng)隧道；斜井；涌水；反坡排水

1　概述

長(zhǎng)大隧道由于地質(zhì)、水文條件復(fù)雜的特點(diǎn)，大多穿越富水?dāng)鄬訋В矣捎谑艿竭M(jìn)出口地表高程或者線路縱坡等其他因素的限制，正洞或輔助坑道常采用反坡排水［1-3］。秦猛［4］就反坡排水施工組織及管理做出了詳細(xì)的論述。劉艷霞［5］以實(shí)際工程為例，采用多級(jí)泵站接力技術(shù)成功地解決了高反坡、長(zhǎng)距離排水。吳建斌［6］基于古田隧道的反坡排水，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算分析，對(duì)防排水方案進(jìn)行了研究。

2　工程概況

2.1工程情況

青云山隧道為新建鐵路江西向塘至福建莆田段最長(zhǎng)的隧道，分為左線和右線2座單線隧道，其中隧道左線全長(zhǎng)22.175km，隧道右線全長(zhǎng)21.837km，為特長(zhǎng)鐵路隧道，隧道縱斷面線形詳見(jiàn)表1。

表1　青云山隧道縱斷面線形

全隧設(shè)置4座斜井和1座通風(fēng)豎井，其中2#斜井全長(zhǎng)2608.71m，斜井內(nèi)綜合坡度7.005%，整座斜井的高差有182.75m，采用的是反坡開(kāi)挖和排水。

2.2涌水情況

2#斜井進(jìn)入正洞后向進(jìn)口方向?qū)⒎謩e穿越F7、F8、F9三個(gè)斷層，其中首先穿越F9斷層破碎帶，該斷層屬壓扭性斷層，內(nèi)部為碳酸鹽化蝕變及石英巖脈填充，隧道通過(guò)含水體的長(zhǎng)度為55m，滲透系數(shù)為1.1m/d，設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)涌水量為12196m3/d，最大單位涌水量為221.75m3/d·m，該斷層在地貌上形成了深切的沖溝，地表匯水面積大，沖溝上下游數(shù)量變化較大，導(dǎo)水性極好，屬?gòu)?qiáng)富水段。

隧道左線進(jìn)口因突發(fā)特大涌水淹沒(méi)斜井交叉口以后，根據(jù)水位標(biāo)高計(jì)算隧道內(nèi)的淹沒(méi)面積，計(jì)算隧道內(nèi)所有水庫(kù)容量，確定實(shí)時(shí)涌水量。經(jīng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，隧道出現(xiàn)涌水量峰值達(dá)到2300m3/h，之后涌水量出現(xiàn)回落，水量基本保持在850～1000m3/h之間。

3　排水設(shè)備選取

3.1排水管的設(shè)計(jì)

根據(jù)2#斜井的涌水狀況和出現(xiàn)隧道突發(fā)涌水的情況，最大應(yīng)急排水能力應(yīng)達(dá)1666m3/h。采用鋼管作為所有泵站的排水管，斜井高差為182.75m，配備水泵則需考慮抽水高差和水頭損失，按照如下公式計(jì)算水頭損失［7］：

式中：λ——水管摩阻系數(shù)（普通鋼管為0.024）；

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L——水管長(zhǎng)度；

dj——水管內(nèi)徑；

v——管內(nèi)流速，取1.5m/s；

g——重力加速度，取9.81。

采用上述公式計(jì)算，當(dāng)直徑為200mm時(shí)，水管的水頭損失是100m為1.38m，除此之外，還需考慮局部水頭損失，通過(guò)計(jì)算得出排水理論所需揚(yáng)程為244m，再乘以1.1以上的揚(yáng)程保證系數(shù)，則配備水泵需保證268m以上的揚(yáng)程。

通過(guò)對(duì)隧道涌水情況的分析，需保證緊急排數(shù)能力在1666m3/h以上，因此，在斜井內(nèi)以布設(shè)大管道為主。對(duì)于鋼管，其流速為2.0～3.0m/s，應(yīng)急抽排水時(shí)，流速為2.5m/s，管道總斷面積應(yīng)有0.186m2；正常排水時(shí)，需保證排水能力為744m3/h，取流速為1.5 m/s，管道面積至少應(yīng)為0.14m2。

抽水鋼管直徑d的選取應(yīng)滿足考慮一定的富裕系數(shù)的隧道晝夜涌水量，同時(shí)結(jié)合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)2方面。

VP——管道允許流速，m/s，一般鋼管流速為2.0～3.0m/s。

采用上述公式，其計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2　管道直徑選取計(jì)算表

在確保抽水設(shè)備及管道有一定的富裕系數(shù)的同時(shí)，也需考慮利用率。在斜井內(nèi)采用1排?300mm、4 排?200mm、3排?150mm的不同管徑鋼管搭配使用，突發(fā)涌水時(shí)，將高壓供水管和高壓供風(fēng)管也作為排水管使用。在正洞左右線的正常排水管采用1排?150mm 和2排?200mm的鋼管，同時(shí)為了減少管道重復(fù)布置和對(duì)左線施工的影響，利用距掌子面最近的橫通道將左線進(jìn)口的涌水全部抽排至右線進(jìn)口方向集水井，這樣可以保證左線先于右線貫通的要求。

3.2泵站的設(shè)計(jì)

在水泵電機(jī)的選型，應(yīng)綜合考慮能量利用、電機(jī)功效、電機(jī)安全系數(shù)及揚(yáng)程等，按以下經(jīng)驗(yàn)公式配備電機(jī)功率：

電機(jī)功率=流量（m3/h）×揚(yáng)程（m）×9.81/（3600×功效）

式中，功效為0.5～0.75，水泵功率越大，功效取值越大。

為了保證較短的作業(yè)循環(huán)時(shí)間，采取將主泵站隨著水位下降而移動(dòng)的措施，直到水位降至安全水位。3組輪胎行走式移動(dòng)泵站平臺(tái)的移動(dòng)泵站的建立是由同類型水泵配置情況來(lái)考慮建立的，而且除此之外，在每個(gè)作業(yè)面還有5.5kW的水泵2～4臺(tái)，主要是用以配合主泵站和抽排一些小坑洼處的積水。表3是主泵站具體配置。

表3　泵站設(shè)備配置表

4　總體排水方案

4.1抽水方案

排水方案的制定是在充分利用既有的水泵和管路設(shè)備的同時(shí)，再考慮涌水情況和斜井段深積水的特性，總體分為2個(gè)抽水階段。在斜井段的涌水，分級(jí)抽排至洞外；正洞的涌水，直接抽排出洞外。

第一階段：抽排交叉口地面以上積水，水泵及管路布置如圖1所示。在這個(gè)階段，主要是隨著水位變化移動(dòng)抽水泵站。先恢復(fù)既有設(shè)備的部分抽水能力，加強(qiáng)涌水量的監(jiān)測(cè)，通過(guò)檢測(cè)獲得的涌水量的變化規(guī)律來(lái)確定抽排水設(shè)備配備及布置方案。首先恢復(fù)斜井內(nèi)既有梯級(jí)泵站的抽水工作，設(shè)置2處一級(jí)泵站，初步水泵配置：1臺(tái)188m3/h，揚(yáng)程150m。然后逐步加大設(shè)備投入，直至達(dá)到抽排能力1800m3/h，具體水泵配置為：2臺(tái)110kW、150m3/h，為分級(jí)固定泵站；4臺(tái)220kW、188m3/h，3臺(tái)360kW、288m3/h，采用移動(dòng)泵站的方式，隨時(shí)根據(jù)水位變化情況調(diào)整移動(dòng)泵站安裝里程。4臺(tái)220kW、188m3/h備用，抽排能力為7500m3/h。

第二階段：抽排正洞進(jìn)口方向積水及涌水，水泵及管路布置如圖2所示。洞內(nèi)穩(wěn)定涌水量為650m3/h，再考慮不小于1.2倍的富裕系數(shù)，在斜井底的抽水泵配置為：5臺(tái)220kW、188m3/h。左線進(jìn)口方向抽水泵配置為：4臺(tái)180m3/h，這樣可以將涌水抽排至斜井交叉口處的主泵站再排出洞外。由于左右線未連通，右線進(jìn)口方向又沒(méi)有涌水，所以只需將洞內(nèi)積水抽排，抽水泵配置為：2臺(tái)55kW、180m3/h。設(shè)置臨時(shí)集水坑在距離掌子面100m左右處，然后集中抽至斜井交叉口處再排出。

圖1　抽排水第一階段泵站布置示意圖

圖2　抽排水第二階段泵站布置示意圖

4.2排水系統(tǒng)

（1）管路。根據(jù)洞內(nèi)最大水量情況，除按表2和表3內(nèi)容要求進(jìn)行布置外，還需其他的應(yīng)急排水管，可由1 排?150mm的高壓供風(fēng)管和2排?200mm的高壓供水管組成。為了防止遭遇特大涌水或管路出現(xiàn)故障，在永久集水坑處，供風(fēng)水管路需要設(shè)置閘閥及接頭，可以作為應(yīng)急處理。

（2）臨時(shí)集水坑。斜井內(nèi)臨時(shí)集水坑的設(shè)置是：間隔100m或集中涌水段，位于洞內(nèi)右側(cè)，容量的確定應(yīng)考慮施工涌水量和該段15min的匯水量，通常的集水坑容量設(shè)置為15m3，具體尺寸為：4m（長(zhǎng)）×2.5m（寬）× 1.5m（深）。

5　結(jié)語(yǔ)

基于江西向塘至福建莆田鐵路的隧道工程，提出了隧道施工中的反坡排水技術(shù)。首先采用既有設(shè)備恢復(fù)抽水能力，同時(shí)加強(qiáng)涌水量監(jiān)測(cè)，通過(guò)涌水量變化規(guī)律確定抽排水方案，其中抽水泵站以隨水位變化移動(dòng)為主。

青云山隧道2號(hào)斜井成功的反坡排水的排水方案，利用短短的一個(gè)月時(shí)間，安全地控制住了洞內(nèi)水位，為后期帷幕注漿工作的及時(shí)開(kāi)展搶得了時(shí)間。同時(shí)確保了青云山隧道通過(guò)富水?dāng)鄬蛹坝克畷r(shí)的施工安全，加快了施工進(jìn)度，確保了青云山隧道的順利貫通。

［1］奚成.青云山隧道一號(hào)斜井反坡排水優(yōu)化施工方案研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2015（12）：83-85.

［2］解師尚，梁世俊.康家樓隧道1號(hào)斜井反坡排水施工技術(shù)［J］.公路，2014（5）：161-163.

［3］張兆杰，郭鵬，林國(guó)進(jìn)，田志宇.長(zhǎng)大隧道反坡施工排水技術(shù)研究［J］.北方交通，2015（7）：111-113.

［4］秦猛.反坡排水在地下水豐富的下坡隧道中的應(yīng)用［J］.西部交通科技，2010（6）：109-112.

［5］劉艷霞.山嶺特長(zhǎng)隧道斜井高反坡長(zhǎng)距離排水施工技術(shù)［J］.國(guó)防交通工程與技術(shù)，2013（1）：47-49.

［6］吳建斌.古田隧道斜井反坡施工技術(shù)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012（增刊）：365-369.

［7］黃東.高寒地區(qū)隧道富水段反坡排水施工技術(shù)［J］.鐵道建筑技術(shù)，2011（12）：48-50.

Reverse Slope Drainage Technology in Water Inflowing Section of Qingyunshan Extra Long Tunnel

WANG Jun-he
（ChinaCivilEngineeringConstructionCorporation，Beijing 100038，China）

Based on the reverse slope drainage problem in construction of railway tunnel engineering from Xiangtang，Jiangxi to Putian，F(xiàn)ujian，a complete set of treatment scheme for reverse slope drainage in the tunnel construction is proposed according to linear type，geology and water inflow condition of the tunnel，related parameters of drainage facilities are calculated.It can be as reference for projects with similar construction environment.

extra long tunnel；inclined shaft；water Inflow；reverse slope drainage

U455

B

1004-5716（2016）08-0206-03

2016-04-13

2016-04-19

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51178399，51478392）。

王俊和（1976-），男（漢族），山西壽陽(yáng)人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事交通土建工程技術(shù)（隧道與地下工程）工作。