大萬山隧道反坡施工排水方案設計

王小杰

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

靜樂至興縣高速公路位于山西省中西部靜樂、嵐縣、興縣境內，路線起點與運營中的太佳高速公路呈T型交叉，終點位于陜西省神木縣馬鎮盤塘村，與神盤公路相接，路線全長93.6 km，設計速度采用80 km/h，路基寬度為25.5 m，按雙向四車道高速公路標準建設。大萬山隧道作為靜興高速公路主要控制工程，位于呂梁市嵐縣與興縣交界的呂梁山脈白龍山，為分離式隧道，洞內路線縱坡設計為1.8%的單向坡。隧道建筑限界凈寬10.25 m（0.75 m檢修道＋0.50 m左側側向寬度＋2×3.75 m行車道＋0.75 m右側側向寬度＋0.75 m檢修道），凈空限界高度5.0 m。右線起訖樁號為YK35+212—YK45+702，全長10 490 m，最大埋深694 m；左線起訖樁號為ZK35+306—ZK45+685，全長10 379 m，最大埋深697 m。

隧道穿越剝蝕構造變質巖中低山區，由進口向出口方向所穿越區域，分布的絕大多數前震旦系之前的老地層，均屬于區域變質巖。隧址區內斷裂構造發育，大多為壓扭性走滑斷裂構造。隧址區構造主應力為北北西-南南東向，該構造應力直接造就了白龍山倒轉向斜。大萬山主要有F1～F5五條近北西西向-南東東向的右行走滑斷裂束，以及F6、F7兩條北北東-南南西向的右行走滑斷裂束。斷層帶巖體破碎且強度低，隧道通過斷層破碎帶段圍巖自穩能力差，易發生隧道變形及塌方。斷層帶一般為地下水的儲存運移通道，隧道通過斷層破碎帶段落涌水量較大，且易發生涌突水現象。

根據通風計算結果，在大萬山隧道設置了兩座通風斜井及一座通風豎井。通風1號斜井位于YK38+370右側山體一側，斜井主通道長1 333 m，與隧道軸線的夾角為22°。大萬山隧道2號斜井位于ZK42+526左側山體一側，斜井主通道長1 850 m，與隧道軸線的夾角為23°。通風豎井位于YK42+280右側，豎井主通道深度455 m。

2 隧道涌水量預測

根據隧址區小流域枯水期徑流量、泉點調查及簡易水文試驗等現有資料，認為該隧道水文地質條件相對較為簡單，隧道最大涌水量預測使用地下水動力學法（古德曼經驗式），隧道穩定涌水量（正常涌水量或經常性全洞涌水量）預測依照地下徑流模數法、水平坑道法及裘布依理論公式進行計算預測，基于以上預測方法與計算結果，提出推薦的水文地質預測結果。

通過地表徑流模式法和地下水動力法計算，左幅洞體計含水段累計長度10 250 m，正常涌水量建議采用水平坑道與裘布依法均值，即3 195.8 m3/d；古德曼經驗公式法最大涌水量為7 360.9 m3/d；中等富水洞身累計長度1 640 m。右幅洞體計含水段累計長度10 275 m，洞體正常涌水量推薦值為3 641.9 m3/d；古德曼經驗公式法最大涌水量為8 244.9 m3/d；中等富水洞身累計長度1 555 m。在隧道穿越的F6、F7、F2斷裂帶上盤附近可能發生突水和突泥。

3 隧道反坡施工分段排水設計

3.1 反坡排水設計原則

隧道防排水遵循“防、排、截、堵結合，因地制宜，綜合治理”的原則進行設計，對地表水、地下水妥善處理，形成一個完善通暢的防排水系統[1]。隧道反坡排水應考慮以下原則。

a）施工的排水主要為裂隙水及施工用水，水中可能含有巖石顆粒、泥漿等雜物，要求反坡排水系統能對雜物進行過濾沉淀，適當降低外部環境對排水設備的破壞，同時要選擇穩定性好、耐久性優、耐磨耐腐蝕的水泵[2]。

b）移動泵裝、固定泵站設置應避免占用大量空間，影響正常運輸通道。

c）水泵選型時應考慮一定的安全系數，其參數應大于實際所要求的參數[3]。反坡排水總排量應大于最大預測涌水量。

d）為保證施工進度，建議設置一套備用排水系統，掌子面與隧道洞口的移動泵站使用較輕型的水泵，可通過增減水泵數量來滿足排水量要求。

3.2 反坡排水方案選取

考慮到大萬山隧道涌水量較大，隧道反坡排水擬采用機械排水方式，即通過設置多級泵站、固定泵站和移動泵站相結合的方式，多個水泵接力排水，將隧道掌子面積水、圍巖裂隙水及隧道施工用水排出洞外。具體流程為：在已完成開挖的隧道段，每隔一定距離設置一處固定泵站，在掌子面附近，按間距50 m設置一處臨時匯水坑；先將掌子面附近水收集在臨時匯水坑中，再由潛水排污泵抽至移動泵站，然后逐級接力排水，直至排至設置在洞外的污水處理池中。

斜、豎井采用兩段接力式排水，設計原則與主洞保持一致。

3.3 抽水設備選型

按照應急排水能力1.5倍最大涌水量設計，兼顧正常涌水量，工作水泵按正常使用1臺，備用1臺配備。移動泵站排水機械采用WQ潛水排污泵，根據本級泵站應急排水量選擇相應功率排水泵型號，其泵型特點是體積小、噪聲小、易移動使用、采購成本小，使用簡單方便[4]。主洞固定泵站排水機械采用S型單級雙吸中開泵，根據本級泵站設計排水量及揚程選擇相應功率排水泵型號，其泵型特點是流量大、效率高、穩定性好、便于安裝；某級泵站設計排水量應滿足尚未施工段落排水量的要求。斜、豎井固定泵站采用D型單吸多級分段離心泵，以滿足流量大、揚程大的排水特點，泵型選取原則與主洞相同。斜井設計排水量應滿足斜井輔助主洞施工段落排水量的要求。

某級泵站的設計揚程為排水最低點到最高點水頭高差與沿程、局部水頭損失之和，可按公式（1）進行計算。

其中：Hx=l×i，

式中：H、Hx、Hf、Hj分別為設計揚程、水頭高差、沿程水頭損失、局部水頭損失；l為排水管長度；i為路線縱坡坡度；λ為沿程阻力系數，對于普通鋼管，取值0.024；d為排水管直徑；v為水流速度；g為重力加速度。

以某級固定泵站排水管徑d=150 mm為例，l取值750 m；路線縱坡i取1.8%；λ取值0.024；管內流速v取值1.5 m/s；g取值9.8 m2/s。經計算，水頭高差Hx=13.5 m；750 m水管的沿程水頭損失Hf=13.8 m；局部水頭損失Hj=0.7 m；泵站設計揚程H=28 m。若此級泵站設計排水量Q=100 m3/h，可選取型號為150S50B的S型單級雙吸中開泵。

3.4 反坡排水系統布置

為確保隧道開挖、襯砌、仰拱等工序正常進行，避免占用大量空間，不影響正常運輸通道，主洞固定泵站包括水箱設置于緊急停車帶位置，間距約為750～1 000 m；抽排水管路亦設在隧道緊急停車帶加寬一側；移動泵站、固定泵站潛水排污泵匯水坑設置于中心排水溝檢查處；斜、豎井專門設置加寬帶放置固定泵站及水箱。固定泵站水箱采用鋼板加工水箱，水箱容量按5 min的匯水量確定，設計結構為5 m×2 m×2 m。

大萬山隧道反坡排水段落按5.2 km考慮。右線反坡排水段落為YK40+500—YK45+702，左線反坡排水段落為ZK40+500—ZK45+685，共設置固定泵站14處，移動泵站2處，工作最大排水量為174.67 m3/h。斜、豎井采用兩段接力式排水，分別設置固定泵站2處，移動泵站1處。大萬山隧道出口段反坡施工分段排水布置圖見圖1。

圖1 大萬山隧道出口段反坡施工分段排水布置圖

3.5 洞外排水

大萬山隧道出口為上坡，洞口應設置地表水截流措施，匯集至洞口水箱，經潛污泵排入污水池處理后進行排放，防止地表水回灌入隧道。洞口邊仰坡5 m外設置截水溝，將地表水引至對隧道無影響的安全地段排出。

4 結語

根據大萬山特長隧道隧址區水文地質條件，依照地下徑流模數法及地下水動力學法對隧道洞身內涌水量進行了準確預測；設計了多級泵站接力、固定泵站與移動泵站相互結合的長距離反坡機械排水方案；同時，對隧道反坡排水的原則、方案選型、設備選型、系統布置、洞外排水等關鍵原則技術進行了研究討論，可為類似工程建設提供參考經驗。