禹門口隧道反坡排水方案研究

楊勁生

（中鐵十二局集團第三工程有限公司，山西 太原030024）

1 概述

蒙華鐵路禹門口隧道需反坡排水施工段落為DK507+600～DK508+820，坡度為-9.0585‰，尤其在施工段落DK508+275～DK508+315 時預測正常涌水量為89.85 m3/d，最大涌水量為459.5 m3/d，在加強超前地質預報工作的同時，完善隧道反坡排水方案至關重要。

2 工程概況

2.1 隧道概況

蒙華鐵路禹門口隧道位于山西省河津市境內，進口位于黃河石門段東岸陡坡上，與龍門黃河大橋相接，出口位于清澗街道龍門村北側黃土斜坡上。隧道上部分布半坡村之碗窩、黃窯科及劉西咀等自然村，及中國鋁業山西分公司龍門山石灰石礦生產車間。隧道起訖里程為DK506+224.6～DK511+314，長5089.4m，為單洞雙線隧道。隧道最大埋深約為420m。1# 橫洞與正洞交叉里程為DK507+600，反坡施工段落主要為DK507+600～DK508+820，坡度為-9.0585‰。隧道地質主要為石炭系砂巖、泥巖及煤層；奧陶系及寒武系碳酸鹽巖類沉積巖。隧道穿越不良地質主要為斷層、人為坑洞和采石場、泥石流、巖溶、崩塌落石、巖爆、軟巖大變形等；其中隧道洞身穿越4 條斷裂帶，其中F1、F2 斷層受巖溶水影響易發生突泥突水，F3 逆斷層、F4 活動斷層易發生坍塌，防涌水突泥、防坍塌是安全管理的重點。

表1 隧道排水任務劃分表

2.2 水文地質

2.2.1 地表水

測區位于黃河東岸，為黃河石門至禹門口段。測區地表水系屬黃河水系，地表水不發育。

2.2.2 地下水

根據區域地質構造、地貌、地層巖性及其組合關系、地下水賦存條件和水力聯系，將測區地下水類型劃分為三類：第四系孔隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。與隧道關系密切的主要為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水，以潛水為主，局部具弱承壓性。其富水性主要受裂隙巖溶及構造發育程度控制，巖溶、裂隙發育或較發育時，則富水性強。受巖性組合及結構特征影響，測區裂隙巖溶水具有含水層段與相對隔水層段相間組合的特征，受斷裂及節理裂隙網絡的連通作用，各含水層上下溝通，形成一個空間上含水不均勻但又相互連通的統一含水體。該含水體具有區域380m穩定水位，但在裂隙不發育或裂隙導水性不良地段，由于水力聯系差，具有不同水位高程，鉆探揭示水位高程437.62～485.32m。

根據隧道鉆探水文地質資料，并參考區域水文地質資料，認為隧道區地下水主要為裂隙巖溶水。同時考慮隧道區域物探預測含水層的分布情況，對隧道分段涌水量進行了計算，經綜合分析后隧道區分段涌水量預測如下:

表2 禹門口隧道分段涌水量匯總表

同時通過隧道鉆探揭示水文地質特征并結合物探預測含水層分布情況，禹門口隧道DK507+990.0 ～DK508+275 段、DK508+275.0～DK508+355.0 段、DK508+940.0～DK508+980 段富水性較好，一般易出現集中涌水。在通過F1、F2 斷層及其影響帶時，在加強超前地質預報工作的同時，應做好當地氣象、水文資料調查工作。

3 反坡排水方案

3.1 總體方案

根據禹門口隧道施工組織情況，隧道排水相應分為1#橫洞進口段、出口段兩部分。由于出口段小里程方向、1#橫洞及橫洞段小里程方向為順坡排水，洞內涌水能夠通過邊溝自然排出，本方案主要考慮1#橫洞進入正洞后的反坡排水。

根據本隧道的實際出水量及現場水文調查情況，現場配備應急水泵及消防軟管，當掌子面出現涌水時在橫洞大里程布置排水管及泵站進行反坡排水。

3.2 排水方案設計原則

3.2.1 排水能力。為確保隧道施工安全，排水系統中應含工作泵和備用泵，工作泵應能滿足20h 排出24h 正常涌水；增加備用泵后應能滿足1h 排出2h 最大涌水。

3.2.2 綜合考慮泵站數量和水泵的選型，泵站數量應盡可能少設置；移動水箱水泵選用低揚程大流量污水泵；泵站水泵應選用合金耐磨型渣漿泵、揚程應按70%的利用率計算。

3.2.3 泵站水倉應高于水泵進水口，水倉底部應設置排泄口，方便清理淤積雜物。

3.2.4 電力配置應預留一定的富余量，電源應合理考慮采用高壓進洞方式。

3.3 設計水量情況

1#橫洞進入主洞后，向進出口兩個方向掘進，進口段地下水不發育，主要為橫洞大里程段反坡排水，根據設計圖紙橫洞大里程方向最大出水段落為DK508+275～DK508+315 段，正常涌水量為89.85 m3/d，最大涌水量為459.5 m3/d。

3.4 抽水參數計算

3.4.1 流量：工作泵應滿足20h 排出24h 最大涌水量，增加備用泵后應滿足1h 排出2h 最大涌水量。

正常涌水量情況下，每個泵站每小時排水流量為：Qh =3594/40/20=4.5 m3/h

最大涌水量情況下，每個泵站每小時排水流量為：Qhmax=18379/40/20=23 m3/h

3.4.2 管徑：排水管應能滿足工作泵在20h 內排出隧道24h 的正常涌水量。工作和備用泵應能滿足工作和備用泵在20h 內排出24h 的最大涌水量。正常涌水量時排水流量4.5m3/h；最大涌水量時23 m3/h。根據計算，查閱直管摩擦損失簡表一定管道最大直徑之最大流量限制表，掌子面為正常涌水量時掌子面積水采用移動水箱來收集，并通過Φ80mm消防軟管輸送至集水泵站內，泵站與橫洞水溝之間采用Φ100mm排水管長距離輸送，當掌子面出現大量涌水導致暫停施工時，將施工用風管、水管投入使用進行輔助抽排水。

3.4.3 揚程：

水泵揚程根據公式:

4 設備選型配套

4.1 抽水設備型號選型原則

禹門口隧道的排水主要為隧道滲水和施工用水。除了考慮排水流量外，還應考慮排水中含的雜質等。各級泵站排水能力應配備充分。因洞內排水量是逐段遞增，所以在各級泵站的水泵選型上應自下而上遞增選配。

4.2 需要配用的設備及位置表

根據計算結果，每個泵站設置采用渣漿泵2 臺，前期安裝1臺，洞內水量出現設計最大涌水量后再安裝1 臺。為方便維修，泵站應采用相同型號的水泵，掌子面移動泵站采用輕型的水泵。

表3 禹門口隧道進口1#泵站配置表

由于禹門口隧道主洞洞內涌水主要為裂隙水，掌子面水量較小，施工時移動水箱距離較近，所以掌子面集水宜選用大流量泥漿泵。

表4 掌子面集水泵配置

5 排水系統

5.1 管路

正常施工排水掌子面至移動水箱采用1 套Φ80mm 消防軟管（工作面上移動積水）、移動水箱至集水泵站采用1 套Φ80mm 消防軟管、泵站與橫洞水溝之間采用1 套Φ100mm 管路（可根據隧道施工后洞內涌水情況增加管路）。每級泵站出水管附近均安裝閘閥，方便檢修。

5.2 移動水箱設置

移動水箱設于洞內線路右側，洞內先設置一處移動水箱，根據掌子面水量情況靈活移動，同時根據洞內出水量情況適當加密（控制在250m 一處）。移動水箱的容量計算按不小于該段落掌子面5min 的滲水量再加上施工用水量的兩倍確定，移動水箱尺寸：3m（長）×1.2m（寬）×1.5m（深），容量5.4m3。

5.3 固定泵站設置

固定泵站設置在1#橫洞與正洞交叉口附近的二襯已完工地段，泵站水倉容量計算按不小于該段5min 的滲水量加上施工用水量的兩倍確定，尺寸為4m（長）×2m（寬）×1.5m（深），容量12m3＞5minQ max=23/60*5=1.9 m3，泵站統一設置在洞內右側。

5.4 排水供電

為確保洞內正常排水，不因電路問題影響排水工作，排水系統應設置備用電源和專用線路。泵站用電采用380V穩定電源，且抽排水設備除滿足施工需要外，還應滿足備用要求。

6 其他

由于洞內隧道施工中現場排放水主要來源于洞內不良地質產生涌水、施工設備產生廢水、噴射混凝土和注漿產生的廢水及基巖裂隙水等，直接排入附近水體，將會對水體造成物理、化學影響和生態影響。為避免附近水體受到影響，在洞外排水口下游設置三級沉淀池，沉淀池采用漿砌片石砌筑，為安全起見周圍設置護欄，并預留補強措施和場地，污水必須經沉淀池進行沉淀處理達標后排放，并定期對沉淀池進行清理。

結束語

隧道反坡地段排水處理是影響工程進度的大問題，方案得當、機械配置合理，可加快施工進度、降低成本。蒙華鐵路禹門口隧道實施本方案后，未出現掌子面積水影響整體施工進度情況，加之現場施工組織科學安排，各工序施工銜接緊密，使得隧道提前9 個月安全貫通。