單線大坡度鐵路隧道反坡排水施工技術(shù)

張 鐸, 孫 慕 楠

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610213)

1 概 述

某鐵路隧道為雙洞單線隧道,其線間距為30～50 m,左線正洞長度為17.77 km,右線正洞長度為17.76 km,最大埋深563 m,為特長山嶺隧道。為加快該隧道的施工進度,共計設(shè)計了4座輔助坑道且均為反坡,包括3座斜井和1座橫洞,總長度為4 337 m。其中橫洞的總長度為599 m,最大坡度為10%;3座斜井的長度分別為167 m,1 929 m和1 642 m,最大坡度達到10.77%,隧址區(qū)處年平均降雨量約為600 mm,隧址區(qū)巖溶現(xiàn)象多有發(fā)生且發(fā)育多條褶皺及斷層,巖體受其影響而破碎,易伴隨高壓富水情況發(fā)生,嚴重影響到施工安全及施工進度,制約工期[1]。

針對該工程輔助坑道距離長、坡度大的特點,采用反坡排水技術(shù)的處理難度與處理成本相對較高。本文闡述了該工程合理優(yōu)化水泵型號、動態(tài)調(diào)整泵站位置、有效解決大坡度隧道反坡排水施工技術(shù)存在的難題的過程,為隧道掘進安全、快速施工提供了有利保障。

2 大坡度鐵路隧道反坡排水施工技術(shù)

2.1 反坡排水的定義

在隧道掘進過程中,坡度呈現(xiàn)出向下的發(fā)展現(xiàn)象,施工用水以及圍巖內(nèi)部的滲(涌)水全部匯集至掌子面積聚,圍巖長期受水浸泡將會影響到其穩(wěn)定及人員的安全。而采用機械抽排的方式可以將掌子面方向的積水通過排水管道及時抽排至洞外,進而保證反坡隧道正常施工。

鑒于該鐵路隧道涌水量巨大,針對隧道地下水處置采取的總體原則為“防排結(jié)合、適量排放”[2]。若全部按污水加以處理,其處理難度與處理成本較高;同時,受地質(zhì)構(gòu)造影響,不同區(qū)段的涌水量差異很大,其部分為貧水段,部分為強富水段,巨大的涌水量波動將給廢水處理設(shè)施的運行帶來了極大的困難,并易引發(fā)局部環(huán)境污染事件或糾紛。因此,在隧道施工過程中有必要進行清污分流,從源頭減少隧道施工廢水的產(chǎn)生,以降低其對水環(huán)境的影響。

2.2 反坡隧道中輔助坑道的清污分流

反坡隧道中輔助坑道的清污分流分別采用清水溝、污水溝收集清水與污水。反坡排水隧道的清水溝設(shè)置在輔助坑道兩側(cè),水溝的斷面尺寸不小于30 cm×25 cm,用于收集本段及上游的清水。污水溝設(shè)置在輔助坑道單側(cè),為半圓槽水溝,其直徑不小于15 cm并設(shè)置了一定坡度(不小于2%),上游的施工廢水及路面的泥漿廢水均通過污水溝進行收集,其半圓槽水溝與鄰側(cè)水溝的間距不小于10 cm。

該工程在輔助坑道單側(cè)邊墻處設(shè)置了多級清、污泵站用于接力抽排,清、污泵站分別采用排水管道串聯(lián)布置。對于掌子面、初支段及二襯側(cè)溝未完成段、洞內(nèi)施工路面的散排水等積水采用移動式潛水泵將其抽至就近的污水泵站或臨時集水坑內(nèi);對于襯砌完成洞段的隧道滲(涌)水經(jīng)隧道內(nèi)側(cè)溝自然匯集到清水泵站內(nèi)或臨時集水坑內(nèi)。清、污水分別由相應的泵站逐級抽排至設(shè)置在洞外的清、污集水箱內(nèi),其中污水需經(jīng)污水處理站處理后排放并需滿足綠色施工要求[3]。

2.3 反坡排水的施工

在輔助坑道掘進過程中,分段開挖反坡排水溝,在每一個對應的位置設(shè)置清、污固定泵站,所設(shè)置的移動潛水泵隨掌子面移動,直接將掌子面的積水抽至鄰近的固定污水泵站內(nèi),由所設(shè)置的固定泵站往上一級固定泵站抽水,如此接力,分級抽水,最終將水排到設(shè)置在洞口的污水處理站,待其處理至符合水質(zhì)要求后排放。

(1)水泵的配置。反坡段水泵類型的選擇需根據(jù)水質(zhì)情況、排水量需求、排水揚程以及管理維修等多個方面加以考慮。

排水量需求以及排水揚程是選擇水泵類型的重要條件之一。根據(jù)該工程前期地質(zhì)情況調(diào)查以及現(xiàn)場超前地質(zhì)預報,水泵的選擇要以最大排水量的需求為依據(jù);同時,在最大排水量需求的基礎(chǔ)上需選擇15%的安全系數(shù)以防止隧道內(nèi)的突發(fā)涌水難以及時排出洞外。水泵按“工作泵+備用泵+檢修泵”成套配置[4],以防止因水泵損壞影響到隧道內(nèi)的正常施工。

由于該工程排水量需求較大,且因排水水質(zhì)較差,故水泵的選型直接關(guān)系到水泵的使用壽命以及維護維修成本。對于掌子面的臨時排水,可以選擇潛水泵,其體積小,通污能力強且材質(zhì)一般為鑄鐵、球鐵,但其排水能力與效率低,長時間使用磨損快。因泵站內(nèi)水流量較大,水泵可選擇單級雙吸耐磨離心泵,其轉(zhuǎn)速較低,殼體為鑄鋼,過流部件為耐磨不銹鋼材質(zhì),從而大大增加了易損件的使用壽命,降低了維護維修成本。

(2)泵站的設(shè)計。由于該工程屬于單線隧道,受空間限制影響,為避免隧道內(nèi)交通運輸?shù)母蓴_,在輔助坑道內(nèi)邊墻單側(cè)修建了臨時泵站。待輔助坑道開挖至泵站洞室邊線位置后,預留出泵站洞室邊廓線,在交叉口位置搭設(shè)永久門型鋼拱架(門架采用I20型鋼),將輔助坑道拱架支撐在門架上。待輔助坑道繼續(xù)向前掘進支護30 m后,方可開挖泵站洞室并及時完成初期鎖口支護。

該泵站內(nèi)水倉的容量須根據(jù)排水量以及水泵的型號確定,并應滿足單臺水泵15 min內(nèi)的水量抽排能力。水倉建立后,在水倉旁配置一個小型沉淀池用于處理后的清、污水流入水倉內(nèi),通過水泵將其分級抽排到洞外。隧道貫通且達到順坡排水要求后,采用C20片石混凝土將泵站回填。

輔助坑道泵站的洞室根據(jù)圍巖情況其開挖斷面尺寸不同:Ⅳ類圍巖的開挖斷面為6.46 m×5.43 m(寬×高),Ⅴ類圍巖的開挖斷面為6.5 m×5.5 m(寬×高)。Ⅳ類圍巖的初期支護厚度為23 cm;Ⅴ類圍巖的初期支護厚度為25 cm。

(3)在掌子面修建臨時集水坑。當掌子面涌水量較小時,開挖微型集水坑用于收集污水并統(tǒng)一抽排。當掌子面涌水量較大時,采用10 mm厚不銹鋼板或其他材料(不透水、不銹蝕)配合?10 mm角鋼焊接制作臨時集水倉,集水倉的尺寸為1 m(長)×1 m(寬)×1 m(高),布置在距掌子面10 m范圍內(nèi),沿隧道邊墻放設(shè),可跟隨掌子面進行移動。通過潛水泵將水抽入集水倉內(nèi),以避免其大面積浸泡墻腳。隨后通過Φ100 mm軟管將其抽排到鄰近掌子面的固定污水泵站內(nèi),統(tǒng)一分級排出洞外。

由于臨時集水倉在清淤過程中不能保證連續(xù)抽水,因此,在現(xiàn)場的每個掌子面配置了2座集水倉。

(4)洞口集水倉。在輔助坑道洞口處均設(shè)置了一座清、污集水倉,用于收集洞內(nèi)排出的清、污水,該集水倉采用10 mm厚不銹鋼鋼板配合?75 mm×75 mm×10 mm角鋼焊接制作。其中清水倉連接Φ350 mm管道,可將其直接排放至自然渠溝;污水倉連接2個Φ300 mm管道,將污水排放至污水處理設(shè)備中,并將處理達標后的污水排放至自然溝渠。

(5)排水管道的布置。根據(jù)洞內(nèi)涌水量情況選配水泵的性能,合理選擇排水管道。管材的標準長度為9 m且均為焊接鋼管,采用法蘭連接。除此之外,每個工作面額外配置1套Φ100 mm,長50 m的消防軟管以配合臨時水倉及水泵的使用。

為保證輔助坑道與正洞交叉口處的機械設(shè)備能夠正常通行,同時不影響隧洞內(nèi)的正常排水,在交叉口仰拱部位設(shè)置了鋼棧橋,將排水管道敷設(shè)在鋼棧橋內(nèi),待隧道貫通后進行回填處理。

為減少水流對管道的沖擊、保證管道的使用性能,按照管道長度每45 m設(shè)置了一個伸縮節(jié)(補償器);同時,為防止反坡排水過程中水倒流,在其相應位置設(shè)置了單向閥。

為方便排水管道清淤的施工,在施工現(xiàn)場配置了直徑為300 mm的軟管作為備用污水管道,該軟管隨掌子面延伸。在排水管道清淤過程中,可接通軟管作為臨時排水管道進行施工。

①排水管道壁厚的計算。參照《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》GB50316-2015中的計算公式,按照直管的壁厚小于管子外徑的1/6時進行計算后得到管徑為350 mm的焊接鋼管,其設(shè)計管壁厚度為4 mm;對于管徑為300 mm的焊接鋼管,其設(shè)計管壁厚度為3.5 mm;管徑為100 mm及以上的焊接鋼管,其設(shè)計管壁厚度為3 mm。

②排水管道的安裝。將排水管道布設(shè)在輔助坑道單側(cè)邊墻處,上下分級布設(shè)。為方便隧道拱腳處排水溝的作業(yè),在水管距隧道底板50 cm左右處架空安設(shè)。

當供水管道鋪至距工作面50 m左右時,采用橡膠水管將其連接到開挖臺車的分水器上,水管與臺車之間采用專用膠皮管連接。供水管隨著隧道的開挖方向不斷向前延伸。

由于Φ300 mm和Φ350 mm的排水管加上水的重量導致其整體較重,考慮到水泵啟停造成的動載荷,最終選用結(jié)構(gòu)強度高的型鋼托架對管道進行支撐。該方案選用?75 mm×75 mm×10 mm角鋼焊制托架,采用膨脹螺栓將其安裝在襯砌混凝土上,沿隧道縱向每6 m布設(shè)一個。

(6)排水設(shè)施的供電。為確保洞內(nèi)排水的正常施工,使其不因電路問題導致抽排水工作間斷,按照“雙電源、雙回路”的原則設(shè)置獨立的供電系統(tǒng)并配備應急供電設(shè)備,裝設(shè)專用電表獨立計量抽水用的電量,杜絕其它一切與反坡排水無關(guān)的用電設(shè)備接入反坡排水專線。

供電線路一:因該工程排水供電線路較長,最終采取10 kV高壓進洞供電方案。在洞口設(shè)置高壓開關(guān)柜,將高壓電纜懸吊于洞壁支架上,在水泵泵站旁安裝箱式變壓器,將電壓降低為380 V后為水泵供電。

供電線路二:各工區(qū)配設(shè)相應數(shù)量的柴油發(fā)電機,在隧道洞口設(shè)置380 V變10 kV升壓變壓器和電源切換柜,并使多臺發(fā)電機自動同步。將發(fā)電機組和主電源共同接入排水用電系統(tǒng),通過自動化控制進行主電源和備用電源的相互切換。

在反坡排水施工過程中,必須加強施工供電線路的維護、管理和檢修,配置自發(fā)電及備用供電系統(tǒng),避免因停電或供電線路出現(xiàn)故障時造成洞內(nèi)排水的中斷。

3 預防突泥涌水的措施

(1)因該隧道圍巖地質(zhì)條件復雜,需綜合超前地質(zhì)預報手段探測掌子面前方巖溶的發(fā)育情況(規(guī)模、性質(zhì)及位置等)、地下水賦存情況(水量及水壓等),及時反饋信息用以指導施工,并用超前探孔進行驗證,據(jù)此進行涌水、突泥危險性判別。

(2)當探水(泥)孔穿越斷層且段落范圍內(nèi)突涌水風險高時,對該段落范圍內(nèi)采用超前周邊預注漿設(shè)計;當該段落為灰?guī)r等可溶巖和含炭質(zhì)板巖(非可溶巖)接觸帶時,段落范圍內(nèi)突涌水風險高,針對該段落范圍采用超前帷幕預注漿設(shè)計。

(3)設(shè)置自動化智能控制系統(tǒng),用以自動監(jiān)控隧道內(nèi)地下水及水倉內(nèi)的水位變化,根據(jù)不同的水位發(fā)出控制信號自動控制泵組啟停以實現(xiàn)智能化抽排,合理降耗。

4 結(jié) 語

長距離大坡度鐵路隧道反坡排水是該工程施工的重點,直接關(guān)系到隧道建設(shè)的安全生產(chǎn)和施工進度。通過對排水管管徑進行計算、優(yōu)化水泵選型、合理設(shè)計泵站洞室、確定反坡排水的技術(shù)參數(shù)、確定總體反坡排水方案并將其成功地應用于該隧道施工,順利地完成了施工任務[5],所取得的經(jīng)驗值得類似隧道工程參考借鑒,以提高反坡排水施工的技術(shù)水平。