基于限量排放的大坡度富水隧道反坡排水技術

趙宇，全斐，沈家君，趙春杰，高明成

（中鐵十局集團有限公司 大臨鐵路項目經理部，云南 臨滄675800）

0 引言

隨著我國交通基礎建設迅速發展，長大、深埋隧道工程數量急劇增加，斜井作為最主要的輔助坑道形式之一，對加快長大隧道施工進度起到至關重要的作用，但深長斜井反坡排水給施工安全帶來極大挑戰。劉海榮［1］介紹關角隧道長大斜井反坡抽排水水泵配置、雙聯拱式固定泵站、供電線路并網等技術措施；李方東［2］介紹基于涌水量預估和動態監測的公路隧道長距離反坡排水施工技術，采用瞬變電磁、激發極化超前探測技術，對掌子面前方含水區位置及水量進行較準確的定位和預估；提出成本最小化排水優化公式，優化泵站分級設計及水泵功率選擇；同時，動態監測涌水量進行排水設置，提出了增級截流集水坑技術。陳光吉等［3］介紹基于涌水仿真模擬的公路隧道反坡排水系統，通過涌水仿真模擬，計算隧道底板壓力、近掌子面處底板局部壓力以及各標段涌水量情況，設計了公路隧道反坡排水系統，采用分時抽水方案。李占先［4］介紹公路隧道長距離反坡排水及其優化技術，提出“監測先行、動態調整、安全高效、經濟環保”的長距離反坡排水原則，建立基于涌水量動態監測的長距離反坡排水設計與優化技術。張品［5］介紹負壓排水技術在長大隧道反坡排水施工中的應用。

總體而言，目前反坡排水仍沿用常規技術，很難應對突發大規模涌水造成的淹井災害。結合紅豆山隧道2號斜井反坡排水特點，提出基于水量監測和限量排放的大坡度長距離隧道分階段反坡排水技術，通過地震波反射法（TSP）、瞬變電磁判斷隧道前方及周邊富水區域的位置和規模，以長距離探測孔提前泄水，動態監測并控制單孔涌水量保證排水系統安全的反坡排水思路；結合實際監測涌水量，提出可能造成的淹井長度計算方法和針對不同涌水量限量排放標準，建立基于涌水量監測和限量排放的排水系統安全運行體系，避免因突發涌水造成排水系統失效引發的淹井災害，順利通過大規模涌水段，為反坡排水隧道施工安全提供技術保障。

1 工程概況

大臨鐵路紅豆山隧道位于瀾滄江以南、臨滄市鳳慶縣及云縣境內，隧道起訖里程DK114+497—DK125+113，全長10 616 m，最大埋深1 020 m。隧道地處印度板塊與歐亞板塊碰撞縫合帶，主要穿越地層為印支期黑云花崗巖，區內發育龔家斷層、星源斷層、關口平移斷層、冬瓜村斷層、學房斷層、老茶房斷層、小溫崩斷層等7個斷層，地質條件極其復雜。全隧共設2座斜井+2座洞身平導，1號斜井平長1 799 m，斜井縱坡10%；2號斜井平長1 657 m，斜井縱坡10.3%；設計預測正洞最大涌水量42 994 m3/d，1號斜井最大涌水量Qmax=7 234 m3/d，2號斜井最大涌水量Qmax=7 216 m3/d。

2 涌水概況

紅豆山隧道2號斜井施工期間，先后發生5次大規模涌水，2018年8月17日，平導施工至PDK121+661突發大規模涌水，瞬時最大涌水量達3 500 m3/h，造成淹井，至8月20日16時，水位上升至斜井X2DK0+470，已經開挖的平導、正洞全部被淹沒，抽排水時間長達1個月。自2018年8月17日至今，平導長期處于大規模強涌水段落施工，累計涌水量達到2 000萬m3。

2018年3月14日，2號斜井涌水量超過設計值，調整為14 000 m3/d。2018年8月17日，2號斜井平導突發涌水后，對剩余工程涌水量重新預測，將紅豆山隧道最大涌水量調整為59 860 m3/d。

3 分階段排水系統

3.1 涌水前排水系統設計

3.1.1 排水階段劃分

紅豆山隧道2號斜井全長1 657 m，洞口至井底高差150 m，承擔2 210 m反坡平導、2 594 m反坡正洞和706 m順坡正洞施工任務。2號斜井反坡排水采用多級泵站接力方式，排水線路為正洞（平導）→斜井→洞外沉淀池→既有河溝（見圖1）。

圖1 反坡排水線路圖

根據施工任務，將2號斜井排水系統設計和投入劃分為斜井施工和平導、正洞施工2個階段：

第1階段為斜井施工。本階段根據斜井設計最大涌水量的1.2倍數值設計反坡排水設備、管路及電力供應系統；為減少資金占用，在設備投入時，只投入斜井最大涌水量所需要的排水設備、管路及電力系統，預留第2階段排水設備和管路的空間位置。

第2階段為平導、正洞施工。本階段根據斜井實際揭示的涌水量和正洞預測涌水量，按需求投入斜井和正洞需補充的排水設備、管路及供電系統。因平導與正洞中線水平距離30 m，距離較近，設計涌水量只考慮正洞涌水量。

3.1.2 排水系統分階段布置

2號斜井工區施工段落設計最大涌水量之和為26 431 m3/d，其中斜井最大涌水量為7 234 m3/d，正洞及平導最大涌水量19 197 m3/d。按照工區最大涌水量的1.2倍數值進行排水系統設計。采用分級接力排水系統：

一級固定泵站：設置在斜井距離隧道洞口1 km處，距離洞口高差103 m，安裝256 kW水泵5臺，排水能力為1 750 m3/h，揚程為120 m，5套φ200 mm排水管路，在一級泵站對面安裝1 000 kW+800 kW變壓器為泵站供電。第1階段斜井施工期間配備2套256 kW水泵和1套65 kW水泵、3套管路；剩余水泵及管路在進入正洞前配置到位。

二級固定泵站：設置在斜井底，與一級泵站高差50 m。斜井施工至二級泵站處時，斜井的穩定涌水量為4 000 m3/d；根據實際涌水量，將2號斜井工區最大涌水量調整為23 197 m3/d，并對排水系統進行優化，安裝132 kW水泵4臺，揚程為60 m，排水能力為1 620 m3/h，配備φ200 mm排水管道4套。在二級泵站對面安裝1 000 kW變壓器，為二級泵站和正洞、平導臨時泵站供電。在對二級固定泵站排水能力進行調整后，同時對一級泵站排水能力進行相應調整，排水管路由5根優化為4根，優化后一級泵站總排水能力為1 152 m3/h。

在平導每間隔1 000 m左右設置臨時泵站，根據前方1 000 m需要承擔的設計最大涌水量和已開挖揭示段落實際穩定涌水量之和確定排水設備和管路。正洞涌水采用小型水泵通過橫通道抽排至平導后排出。

3.2 涌水后排水系統調整

2號斜井平導突發大規模涌水后，為加快涌水抽排，對排水系統調整。

調整后的排水系統見圖2，一級泵站增加2臺256 kW水泵、1臺220 kW水泵、1臺64 kW水泵，增設5根φ200 mm排水管（其中1根備用），一級泵站增加排水能力1 026 m3/h，總排水能力為2 220 m3/h，增加1臺800 kW變壓器。二級泵站在2號泵站對面增加2-1號 泵站，增設3臺160 kW水 泵、3根φ200 mm排水管，增加排水能力972 m3/h，總排水能力為2 073 m3/h，增加800 kW變壓器。考慮隧道工程地下水出水點不確定性，平導內小型泵站設置間距由1 000 m調整為500 m。總體排水能力涌水后較涌水前提高了1.76倍。

圖2 紅豆山隧道2號斜井排水系統示意圖

3.3 水泵選型

紅豆山隧道2號斜井水泵參數見表1。固定泵站水泵在滿足流量、揚程的條件下，選擇小功率水泵；臨時泵站選擇型號統一的小功率、小揚程、大流量水泵。同一級泵站水泵的配置盡量統一，便于管理和維修。

3.4 供電系統

抽排水供電系統作為供電系統的重要組成部分，需24 h不間斷供電，2號斜井僅排水設備用電量達4 568 kW，采用傳統的發電機組在停電時很難在短時間內同時啟動，且隧道作業環境對發電機組的損害和運行效率影響較大。為保證抽排水的連續性，2號斜井配備了云縣、鳳慶2路10 kV電源，各泵站附近按需要配備變壓器，保證1路電源停電時可在短時間內切換供電系統。

表1 紅豆山隧道2號斜井水泵參數

4 涌水量監測

4.1 富水區域探測

采用TSP、瞬變電磁等物探手段探測富水區可能存在的空間位置和展布規律，利用超前鉆孔對物探結果進行驗證［6-7］。

（1）TSP：利用人工激發的地震波在不均勻地質體中所產生的反射波特性來預報隧道開挖工作面前方100～150 m的地質情況。重點通過波速、泊松比、密度、靜態楊氏模量的變化和反射截面的分布情況，判斷圍巖強度、完整性、裂隙發育程度和富水段落區間長度。

（2）瞬變電磁法：利用瞬變電磁法對低阻體反應敏感的特點，探測隧道前方及周邊100 m范圍內含水地質和不規則水體［8-10］。

2號平導迂回繞行導坑YPDK0+031—131段（100 m）與掌子面水平夾角0°視電阻率剖面見圖3，從圖中分析，YPDK0+070—110段為相對低阻異常帶，推斷水量較大。因瞬變電磁預報精度受周邊環境影響較大，從2號斜井瞬變電磁預報結果與開挖揭示的情況分析，瞬變電磁對前方及周邊第1個低阻體的預報結果準確性較高，穿過第1個低阻體后的預報結果存在一定偏差，因此瞬變電磁的預報長度應根據現場情況靈活調整。

圖3 掌子面水平夾角0°視電阻率剖面圖

（3）超前鉆探：超前鉆探的數量、長度、角度應根據物探分析結果針對性布置，一般孔深30～60 m，重點是對物探結果的驗證。鉆孔過程中，安排專人全程跟蹤記錄鉆進速度、出水點位置、水量變化點及變化量，是否有卡鉆、頂鉆等異常情況，為風險評估和施工方案確定提供依據。

4.2 涌水量監測

4.2.1 泄水孔涌水量監測

通過測量泄水孔深度、高度、水平噴射距離等參數，推算涌水速度和單孔涌水量，配備相應的抽排水設備，并用抽排水設備的抽排能力驗證計算結果的準確性。

根據現場動態監測的涌水量，評估現有抽排水能力下是否存在淹井的可能，并按幾何關系推測掌子面積水深度及可能淹沒的作業面長度與時間關系。

（1）當掌子面積水深度小于隧道高度時，近似認為積水體縱斷面上為三角形，掌子面淹沒前積水縱斷面見圖4。

圖4 掌子面淹沒前積水縱斷面

積水體積：

式中：h為掌子面積水深度，m；l為淹沒隧道水平長度，m；b為隧道寬度，m；Q涌為實測涌水量，m3/h；Q排為排水系統抽排水能力，m3/h；t為涌水時間，h。

根據圖4的三角函數關系：

式中：i為隧道縱坡，%。

由式（1）和式（2）可得到：

由式（3）和式（4）可得淹沒隧道的長度L：

（2）掌子面淹沒后積水縱斷面圖見圖5。

當掌子面積水深度超過隧道高度時，積水體積：

式中：V1為積水深度超過隧道高度段體積，m3；V2為積水深度未超過隧道高度段體積，m3；Q涌為實測涌水量，m3/h；Q排為排水系統抽排水能力，m3/h；t為涌水時間，h。

圖5 掌子面淹沒后積水縱斷面

其中：

式中：S為隧道斷面面積，m2；L為淹沒隧道長度，m；L1為積水深度超過隧道高度段淹沒長度，m；L2為積水深度未超過隧道高度段淹沒長度，m；H為隧道高度，m；i為隧道縱坡，%；b為隧道寬度，m。

淹沒隧道的長度L=L1+L2，其中：

得到：

紅豆山隧道2號平導斷面面積為42 m2，隧道高度為6.2 m、寬度為7.0 m、線路縱坡為2%。紅豆山隧道2號平導實際涌水量2 500 m3/h時，計算得到的24 h淹沒隧道的長度見表2，從計算結果分析，16 h積水即可淹沒掌子面，24 h淹沒隧道長度達到394 m。

實際涌水量超過排水能力時，增加排水系統往往無法在短時間內完成，因此預防淹井災害必須從控制實際涌水量著手。

4.2.2 整體涌水量監測

在排水管路上安裝流量計，并在洞口設置簡易導流槽，對整體涌水量進行動態監測。

2018年6月—2019年6月紅豆山隧道2號斜井涌水量監測結果見圖6，累計涌水量隨時間變化呈現出線形增長趨勢，單月涌水量在2018年8月出現最高值，9月、10月呈現逐漸降低趨勢，2018年10月—2019年2月水量無明顯變化，2019年3—5月明顯降低且保持穩定，2019年6月水量呈現增高趨勢。從涌水量總體變化趨勢看，除2018年8月突發涌水外，其余時間涌水量變化與當地氣候變化規律基本吻合，呈現雨季涌水量增大、旱季涌水量減少的規律。

表2 紅豆山隧道2號平導24 h淹沒長度計算

5 限量排放標準

限量排放是在對富水區域探測和涌水量實時監測的基礎上，實施超前鉆孔泄水，通過控制泄水孔的數量和單孔流量，保證總體涌水量低于現場實際抽排水能力的方法。可防止因突發性涌水量過大造成排水系統癱瘓而引發淹井災害。紅豆山隧道2號斜井針對不同涌水量的限量排放標準見表3。

表3 紅豆山隧道2號斜井不同涌水量的限量排放標準

6 基于水量監測和限量排放的反坡排水系統設計及安全運行體系

基于水量監測和限量排放的反坡排水系統設計及安全運行體系見圖7，分為排水系統設計、排水系統安裝運行、涌水量監測與限量排放3個模塊。

6.1 排水系統設計

（1）根據隧道勘察設計資料，結合區域水文地質條件，計算隧道分段涌水量。

（2）反坡排水系統設計包括泵站分級設計、水泵選擇、排水管路布置、供電系統設計。

6.2 排水系統安裝運行

（1）按照反坡排水系統設計方案，結合施工進度安排，分階段安裝排水系統，并根據實際涌水量分階段對排水系統進行優化設計。

（2）建立排水系統安全運行體系。成立排水系統專業班組，按泵站設置配備專業抽排水人員，每個泵站配備2人/班，每班工作8 h；配備專職清淤和管道維修人員，對泵站及排水管路進行日常清理、保養；建立排水系統專項檢查和供電系統專業檢查制度，每周檢查排水方案的落實情況和排水設備、供電系統的運轉狀態，及時排除隱患，保證排水系統和供電系統24 h正常運轉。

6.3 涌水量監測與限量排放

（1）建立隧道超前地質預報管理制度，落實TSP、瞬變電磁等物探手段和超前鉆孔卸壓排水措施，探測富水區域空間位置和分布規律。

（2）成立涌水量監測領導小組，安排專人每天對泄水孔及各排水管道出水量進行監測，形成涌水量變化曲線圖；專人對超前卸壓排水孔施工全過程盯控，對出水點、涌水量大小及變化點、水質變化、鉆速、突進及卡鉆等進行記錄，分析涌水量變化，指導施工。

（3）建立隧道安全風險預警機制，根據實際涌水量大小和水質變化分Ⅰ級紅色、Ⅱ級橙色、Ⅲ級黃色3級預警，由項目部、工區、架子隊分別按照不同預警級別，依據限量排放標準采取對應的技術和管理措施。

7 實踐效果

紅豆山隧道2號斜井自2018年8月17日發生大規模涌水淹井災害后，長期處于大規模涌水段施工，截至2020年4月，累計抽排水量達到2 000萬m3。采用基于水量監測和限量排放的反坡排水技術后未發生因涌水量超過排水能力造成的淹井災害，降低反坡排水隧道因突發涌水造成淹井的風險，保證隧道順利、快速施工。

8 結論

紅豆山隧道2號斜井采用基于水量監測和限量排放的大坡度長距離隧道分階段反坡排水技術，有效遏制了反坡排水隧道因突發涌水造成排水系統失效引發的淹井災害，通過1年多的現場實踐，取得了顯著效果。

（1）采用物探+超前鉆孔泄水的探測方式，動態監測涌水量變化，計算分析可能造成的淹井長度與時間關系，判定淹井風險程度，并根據不同涌水量，采用限量排放措施，可有效避免淹井災害發生。

（2）紅豆山隧道2號斜井施工期間，僅按斜井本身涌水量投入排水設備，轉入平導和正洞施工后，根據斜井實際揭示涌水量調整和優化排水系統的方法可行，可節約施工成本，減少資金占用。

（3）排水設備的選擇綜合考慮揚程、流量、功率等參數，選用統一型號，方便維修和管理。排水設備的供電系統采用2路電源，既能實現在1路電源停電時迅速切換，又能解決傳統備用電機組管理、維修難度大的問題。

（4）建立反坡排水安全運行管理體系，是保證各項技術措施落實的關鍵。

（5）突發涌水引起的排水系統調整，造成斜井凈寬減小給隧道交通組織帶來極大困難，勘察設計階段隧道最大涌水量的探測精度需進一步提高，同時斜井斷面設計時，應考慮排水系統布設預留富余量。

（6）長期抽排水可能改變地下水徑流關系，破壞地下水平衡，在富水隧道施工時，應考慮采用注漿堵水等措施，減少地下水抽排對環境的影響。