多工作面并行隧道排水技術及其優化

秦幸運 冀新宇 高程梁 王海亮 呂方平

(1.青島第一市政工程有限公司,山東 青島 266000；2.山東科技大學礦山災害預防控制省部共建國家重點實驗室培育基地,山東 青島 266590)

0 引言

排水是隧道施工中十分重要的一環，針對隧道排水技術前人進行了較多研究。肖建軍[1]從設計和施工的角度論述了隧道防水設施和排水系統的設置,指出隧道防排水施工是保證隧道施工質量的重要環節。左玉杰[2]指出，在富水巖溶反坡隧道施工中，高效的排水系統和良好的排水管理可以提供相對安全的施工環境。張兆杰、田志宇等[3]總結出一套適用于隧道施工反坡排水的處理方案，并計算了排水設備相關參數。在實際施工過程中，排水技術需要與具體的工程背景結合，青島地鐵8號線工程觀科區間施工過程中為保證工期，提高施工速度。在區間設置永久、臨時橫通道共10個，橫通道的設置在提升施工效率的同時也造成了橫通道墊土處積水、工作面處排水裝置易失效等問題。結合前人研究成果，針對設置橫通道帶來的問題進行討論并提出優化方案。

1 工程概況

青島地鐵8號線工程觀濤站—科技館站區間線路出觀濤站，經觀濤社區，下穿耕海路，經溝角社區西北側向東敷設，后至岙東南路，沿岙東南路南行至科技館站。區間設置永久橫通道6個，臨時橫通道4個。其中4號永久橫通道與區間泵房合建，區間于右DK33+812.852設置渡線明挖斜井，右DK35+055.813設置區間風井，右DK35+948.369設置1號斜井，DK34+580位置新增斜井一座，均采用礦山法施工。

2 施工排水方案

順坡施工時，沿順坡自然排水，在開挖面與仰拱之間設置高壓潛水泵。施工污水通過高壓潛水泵抽至水溝內，而后流入洞口處的污水處理池中。反坡施工時，主要采用多級泵站接力排水(如圖1所示)的排水方式，利用移動式潛水泵將工作面積水抽至就近泵站或臨時積水坑內，其余已施工完成地段，隧道滲水經隧道內匯水溝自然匯集到臨時積水坑或泵站水池內(見圖2)。臨時積水坑及泵站內積水由固定式排水泵站接力抽排至洞外污水處理池，處理達標后再排放。

固定式排水泵站水倉容量按正常圍巖滲水、施工廢水及設計最大涌水量設計。為方便施工及清淤，不同地段的臨時集水坑大小應根據其滲水情況進行確定。

為避免長時間空轉以及人為誤操作導致的水泵損壞，在設置排水泵站時采用電極式液位控制開關控制水泵啟停。電極式液位控制開關的設置實現了潛水泵無人看守自動排水，在保證及時準確排水的同時也減少勞動力的投入。

3 原有方案存在的問題

綜合現場施工經驗，總結出原有方案存在如下問題。

3.1 數據誤差

傳統的涌水量預測技術綜合了地質分析方法、地質數據的收集和分析、詳細地表調查等方法。在隧道施工之前對比，驗證，判斷和預測工程和水文地質條件。這代表估計的涌水量可能與實際的掘進過程涌水量不同，如果誤差太大，排水系統的容量就可能出現不足或太強的情況。如果涌水量大于排水系統容量和則可能導致洪水事故，對施工效率，質量和人身安全產生重大影響。如果涌水量小于估算數據，排水系統太強，則將導致能源和資本成本的巨大浪費，也不利于項目的經濟利益和國家可持續發展戰略的實施。

3.2 橫通道處積水

為保證施工節點的順利完成，根據現場施工進度，在區間正線設6個永久橫通道、4個臨時橫通道，為后續施工提供便利，同時利用橫通道，保證初支的安全高效進行。橫通道處的墊土阻斷了順坡排水的排水通道，使橫通道處常常存在積水(見圖3)。

3.3 工作面處排水裝置易失效

對于工作面處的積水，通常利用移動式潛水泵按照就近原則抽至附近的潛水泵站或臨時積水坑內。因此潛水泵需要隨著工作面向前推進而不斷向前移動。頻繁的移動容易造成排水泵鑄鐵件、電纜的損壞而且水管也容易因為長時間磨損、彎折而發生漏水，設備損壞后修復過程緩慢，這無疑將阻礙施工進度，降低施工效率。

4 排水方案優化

4.1 動態監測涌水量的抽排水設置

在隧道施工時，隧道內匯集的水源必須及時排出，以有效避免積水帶來的安全隱患。然而在進行現場施工時，積水情況與抽排水設置不相符的問題時有發生，因此必須對其進行改善。針對以上問題，我們可以采用基于動態監測的抽排水設置，根據實時動態監測獲得多大涌水量數據來確定設置抽排水設施的方案。具體操作如表1所示。

表1 基于動態監測的抽排水設置

4.2 橫通道墊土處預設縱向排水管

針對此處積水問題，提出設置縱向排水管的解決方案。在墊土中部沿隧道縱向設置φ80鋼管，連通原有順坡排水通道(見圖4)。

4.3 負壓排水技術

4.3.1負壓排水技術原理

壓力容器內氣體通過負壓發生器排出壓力容器外的同時，壓力容器內逐漸形成氣壓值穩定的負壓環境。此時取水管中的污水在大氣壓作用下開始逐步流入壓力容器內。當污水充滿壓力容器，壓力容器內氣壓值也趨近于標準大氣壓。而后打開潛水泵，壓力容器內污水便可在潛水泵作用下排出[4]。設計見圖5。

進行排水作業時操作流程如下：

首先關閉排水閥，而后依次開啟取水閥、負壓閥。此時負壓發生裝置開始運作，自動控制系統通過傳感器時刻監測容器內負壓值。容器內負壓達到一定閥值后，排水設備將自動開啟，開始抽取污水。負壓閥值處于穩定狀態后，負壓發生裝置自動停止運作，系統維持自平衡狀態；容器內的污水水位達到設定值后，開啟排水閥，通過排水管道將污水排出容器。

4.3.2負壓排水技術優點

在處理反坡施工工作面處的積水時，原有方案須將排水泵隨工作面不斷移動，長此以往容易造成排水泵鑄鐵件、電纜的損壞而且水管也容易因為長時間磨損而發生漏水，設備損壞后修復過程緩慢阻礙施工進度。采用負壓排水技術，可以避免這種情況的發生，將設備安裝完畢后不須再移動，可隨工作面的移動增減水管長度，避免因頻繁移動造成的設備損壞。負壓排水技術的應用可以將抽水設備的吸程有效延長，并且水泵、管道、電纜等設備也不再需要頻繁移動。這一技術的使用在極大優化現場施工過程的同時也降低了工人的勞動強度。

5 結語

針對隧道正反坡施工中出現的數據誤差、工作面處排水裝置易失效、橫通道墊土處存在的大量積水等問題，提出了預設縱向排水管、負壓排水技術等解決措施，極大優化現場施工過程、降低工人勞動強度、提高施工效率，為工程按時高質量完成提供了有力保障。