負壓排水技術在長大隧道反坡排水施工中的應用

張 品

（中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038）

1 引言

隨著隧道修筑長度增加，我國交通工程中出現的長大隧道越來越多，受線路走向、進出口高程和水文地質等條件的影響，在施工中往往出現很長的反坡排水段，為防止排水不暢、涌水災害堵井，因此，在反坡排水地段施工，采取有效的反坡排水技術至關重要。近年來在工程界，隧道施工人員進行了很多研究和實踐［1］。

但是現有排水技術需跟隨掌子面頻繁移動，或將排水設備吸水口直接置入水中，無法將吸水口延長；排水設備前移過程中，容易造成水泵鑄鐵件損壞、電纜受傷、管道連接漏水等不利因素，修復過程緩慢，容易引起積水過大淹沒工作面，影響施工進度。反坡排水技術結合高海拔長大隧道——米拉山隧道施工中所遇到的排水難點進行了深入研究［2］。

2 工程概況

米拉山隧道是國道318線林芝至拉薩公路改造工程的控制性和重難點工程，隧址位于拉薩市墨竹工卡縣日多鄉念村，線路長5 727 m，米拉山海拔高度約4 680～5 350 m，相對高差達670 m以上。米拉山隧道進口海拔4 752 m、出口海拔4 774 m、斜井口海拔4 890 m，采用分離式雙洞布置，斜井長度1 045 m，縱坡坡度為-10%反坡，設計了5級反坡排水方案。隧道正洞設計涌水量為8 647.44～12 139.2 m3／d，在斜井及正洞施工中出現極大涌水（見圖1），最大水量達 38 600 m3／d，涌水的抽排組織嚴重影響隧道正常的施工進度。

在隧道施工過程中，由于地質結構的不確定性，經常性出現涌水或透水，嚴重影響施工進度。采用水泵抽水可以減少工作面積水，但是當開始新的工作面時，面臨來回挪動水泵、管道、電纜等繁瑣工序，在挪動過程中有可能將電纜、管道、水泵等造成二次傷害，影響施工進度。因此，在調查總結現有反坡排水技術的基礎上，研發了負壓排水裝置和負壓排水施工工藝，解決了在掌子面抽水時，開辟新的工作面時，無須挪動電纜、水泵，只需挪動取水管道即可［3-5］。

圖1 米拉山隧道內涌水

3 負壓排水技術的工藝原理措施

負壓發生器將壓力容器內的空氣壓力逐漸由正壓變為負壓時，連接壓力容器的取水管道內氣體開始壓縮并填充壓力容器容積，當氣體通過負壓發生器排出壓力容器外時，壓力容器內形成負壓環境，取水管道中的液體水開始逐步進入取水管道并依次流入壓力容器內，當液體水充滿壓力容器，負壓度達到一定飽和度。開啟潛水泵，液體在潛水泵離心力作用下經排水管道排出［6］，設計見圖2和圖3。

圖2 負壓排水裝置設計圖

具體工作過程如下：壓力容器上安裝有負壓發生裝置，當開始取水時，關閉排水閥，依次打開取水閥、負壓閥，負壓裝置開始工作；當自動控制系統檢測到容器內負壓到達一定閥值時，開啟排水設備，打開排水閥，系統處于正常排水狀態。當自動控制系統檢測到負壓閥值處于穩定狀態時，負壓發生裝置停止工作，系統維持自平衡狀態；當容器內的液位達到設定閥值時，負壓發生器自動根據設定流程運行［7］。

圖3 負壓排水裝置實物

4 負壓排水技術的工藝流程及操作要點

4.1 施工工藝流程（見圖4）

圖4 施工工藝流程

4.2 操作要點

4.2.1 施工準備

（1）材料、設備準備

按排水設備與負壓發生器功率選擇合適的電纜，并從配電箱引至設備安裝地點，壓力容器、底座及電氣、附件運至安裝地點。

（2）人員準備

施工前項目部管理人員和工人要全部到位；電工、焊工人員要到位并持證上崗。

4.2.2 安裝壓力容器

（1）基礎安裝

壓力容器底座由鋼筋混凝土澆筑而成，澆筑前需定好設備基礎位置、幾何尺寸、標高及地腳螺栓位置等，安裝精度不大于5 mm，地腳螺栓安裝位置應正確，埋設牢固，墊鐵調整符合要求，與設備密貼。

（2）安裝壓力容器

底座安裝好混凝土達到強度后，使用裝載機或挖掘機等隧道內常用設備吊裝壓力容器，吊裝時使用2根鋼絲繩兩端扣緊壓力容器的4吊點，以保持壓力容器平衡。

起吊之后調整壓力容器空中位置，再下放吊臂，將壓力容器的底座螺栓孔固定在地腳螺栓上，再擰緊地腳螺栓，灌注細石混凝土（或水泥砂漿）［8-9］。

（1）進水管道安裝

進水管道分兩截安裝，靠近掌子面端采用大口徑夾布吸排膠管，夾布吸排膠管具有比較強的抗負壓力強度，同時可彎曲，具有一定韌性，可抵抗掌子面爆破飛石的沖擊，另一端采用鋼管與壓力容器相連接，夾布吸排膠管與鋼管采用法蘭連接，法蘭間安裝密封膠圈，防止漏氣。大口徑夾布吸排膠管沒入掌子面前挖的集水坑中，隨著掌子面向前推進，鋼管不斷延長，夾布吸排膠管始終置于掌子面附近。

（2）出水管道安裝

①支架安裝

出水管道的支架采用角鋼焊接而成，支架焊接于隧道邊墻上，間距為10～15 m一組，支架需安裝牢固，位置準確，排列整齊美觀，以保證出水鋼管平直。

②管道安裝

出水總管道安裝在支架上，采用法蘭連接接長，出水管道的閘閥、安全閥等附件設備安裝應方便操作和維修，出水總管道與壓力容器相連，并穿過壓力容器壁延伸到容器內與排水設備連接，管道與壓力容器需雙面滿焊，防止漏氣，保證負壓［10］。

4.2.4 排水設備安裝

體育老師在實際的動作示范教學中，可根據具體情況選擇示范器械，不要一味地拘泥于教材的要求，而應采取靈活的教學手段，盡可能地降低動作演示的難度，保證演示動作的精準性和連貫性，讓學生在老師一氣呵成的演示中感受體育的魅力。

整套設備安裝有水位測控裝置與自動控制裝置，排水設備為低揚程大流量潛水泵，型號可按保證掌子面最大涌水量選擇，排水設備安裝在壓力容器內，在壓力容器底部焊接一個支架，排水設備即固定在支架上，排水設備出口與出水管道連接。

4.2.5 附件及電氣設備安裝

（1）附件安裝

本套設備的附件包括前級過濾閥、止回閥、負壓裝置、負壓傳感器、水位測控裝置，前級過濾閥與止回閥安裝于進水管道管末端，以過濾被負壓吸入的水流帶動的石渣顆粒，止回閥安裝于過濾閥后端，在壓力容器中負壓突然消失時防止管內水流回掌子面，負壓裝置安裝并固定于壓力容器上部，負壓發生器為多級抽氣泵，通過排氣管道與壓力容器內部連接，工作時抽出壓力容器內空氣，使壓力容器呈負壓狀態。負壓傳感器安裝在壓力容器上部，水位測控器安裝于壓力容器內部。

（2）電氣控制系統

電氣控制系統包括控制面板、電力線與數據線等，負壓傳感器、水位測控器中的數據通過數據線上傳到控制面板內，控制面板發出指令操作水泵、負壓發生器，以實現自動化控制［11］。

4.2.6 壓力容器密封

排水設備、各種附件安裝好之后需將壓力容器密封，密封時，依次對管道與壓容器的焊接接縫進行檢查，最后用密封門密封住設備安裝工作門，密封門需從壓力容器外部安裝，安裝密封門前，安裝工作門四周的油污要清理干凈，密封門的密封條與安裝工作門要密貼嚴實，再擰緊密封門螺栓，壓力容器安裝完成后由當地檢驗檢測部門進行壓力測試，并發放檢驗報告。

4.2.7 排水

所有設備安裝完成之后需進行調試，啟動設備，正常排水，再將進水管末端抬高露出水面，此時容器內進空氣，壓力容器內負壓瞬間消失，設備自動停機。

啟動設備進行正常的隧道抽水。現場配備專業維護人員2人，24 h兩班倒值班，進行檢修、維護。

5 施工注意事項

（1）現場配備操作人員，掌子面排水結束后重新排水需重啟設備，保證掌子面不積水。

（2）混凝土基座要牢固，在設備高頻振動下不開裂。

（3）壓力容器必須有制造許可證，其密封性，壓力的穩定性，容器材料可靠性符合《承壓設備無損檢測》（JB／T 4730-2005）。

（4）鋼管、壓力容器各焊接點焊縫飽滿，保證焊接質量。

（5）加強隧道抽排水及臨時用電管理，加強電線、配電線、用電器的巡視工作，安裝漏電保護裝置，杜絕不安全用電行為。

6 結束語

負壓排水技術可延長抽水設備的有效吸程，不需要頻繁移動水泵、管道、電纜等附屬設備，極大優化現場施工過程，減低工人勞動強度，有效解決了由于隧道掌子面施工場地太小、水深度等不能滿足排水設備正常工作的要求；反坡排水技術極大地提高了施工效率，與其他傳統排水設備相比，傳統排水設備需要將排水設備吸水口直接置入水中，無法將吸水口延長，本裝置經實際試驗以及測試，有效延長吸程70 m，極大解決了掌子面施工過程中需要頻繁移動水泵、管道、電纜等附屬設備，抽排水設備故障率幾乎為零，極大優化現場施工過程，減低工人勞動強度［12］。本技術已經申請實用新型專利且得到專利授權，獲評山西省省級工法，在實際使用中有很好的效果，其較高的施工速度得到了林拉公路米拉山隧道建設指揮部、監理的一致好評，為企業在施工能力及信譽方面取得了很好的社會效益！