大坡度斜井輔助富水隧道排水施工技術(shù)

摘要 該文以陜西省安嵐高速ALC19標(biāo)大巴山特長隧道為背景，結(jié)合工程實(shí)例，圍繞如何解決特長富水隧道掌子面涌水的問題，通過安全風(fēng)險(xiǎn)及技術(shù)可行性分析，提出“隧道多元勘探匹配技術(shù)+大型集中抽排水泵站+信息化監(jiān)控指揮中心+隧道應(yīng)急防控體系及預(yù)案”一體化綜合排水技術(shù)，有效防控了特長富水隧道涌水突泥災(zāi)害，實(shí)現(xiàn)了隧道順利施工及應(yīng)急處置“精、準(zhǔn)、快”的要求。該研究成果對(duì)類似工程施工具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 富水隧道；斜井；突泥涌水；排水施工技術(shù)

中圖分類號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0109-03

0 引言

在基建行業(yè)蓬勃發(fā)展的大背景下，國內(nèi)隧道建設(shè)正在快速發(fā)展。隧道施工中，經(jīng)常發(fā)生滲漏、突水、涌水等水害，影響著隧道施工安全。因此，在復(fù)雜的水文地質(zhì)條件下，為保障隧道施工質(zhì)量及安全，研究富水隧道排水施工技術(shù)是非常有必要的。

1 工程概況

1.1 工程簡介

大巴山隧道位于安康市嵐皋縣滔河鎮(zhèn)，穿越山梁，分為左、右線，隧道全長13 577 m，設(shè)計(jì)為分離式隧道，具有“單向掘進(jìn)長、埋深大、縱坡長、地質(zhì)復(fù)雜、涌水量大、生態(tài)敏感”等工程特點(diǎn)。該隧道陜西境內(nèi)左線起訖樁號(hào)為ZK81+357.0～ZK89+574.219，全長8 217.219m；右線起訖樁號(hào)為YK81+359.0～YK89+554.354，全長8 195.354 m，軸線總體走向約242°，左線最大埋深約112.0 m，右線最大埋深約111.0 m。

1.2 地質(zhì)水文條件

1.2.1 地形地貌

隧道穿越的主山脊呈近東北—西南向延伸。該區(qū)山高谷深，地形起伏較大。溝谷一般為狹窄的“V”形谷；區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，地貌單元屬中山區(qū)。隧道與山脊近于直交，垂直隧道軸向兩側(cè)低，中部高[1]。隧道進(jìn)口地形較陡，坡角40～45°，地表植被較茂密。

1.2.2 地層巖性

地層主要有新生界第四系全新統(tǒng)坡殘積、沖洪積，寒武系灰?guī)r。其主要巖性為灰?guī)r、中厚層狀白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、砂質(zhì)灰?guī)r，中至上部夾炭質(zhì)、鈣質(zhì)、粉砂質(zhì)板巖，底部為深灰、灰黑色炭泥質(zhì)頁巖，產(chǎn)透鏡狀、似層狀石煤。

1.2.3 水文及地質(zhì)水文

隧道涌水量采用大氣降水入滲估算法、達(dá)西定律計(jì)算法、柯斯嘉科夫方法計(jì)算，估算右線涌水量為23 897.16 m3/d，左線涌水量為24 926.31 m3/d，整體隧道洞室估算涌水量為48 823.47 m3/d。隧道洞身下穿大漳河，拱頂最大埋深25 m，河中有長流水。隧道地下水主要來源有第四系松散層孔隙潛水、基巖裂隙水[2]。

1.3 大巴山隧道涌水經(jīng)過

2022年5月2日晚上11時(shí)，項(xiàng)目為探明前方富水情況，在斜井區(qū)段重慶方向掌子面左下方進(jìn)行超前水平探孔，鉆進(jìn)3 m后突涌高壓水成股狀噴涌，項(xiàng)目立即撤出了現(xiàn)場所有人員及機(jī)械設(shè)備，暫停了掌子面施工，第一時(shí)間啟動(dòng)大型應(yīng)急排水泵站系統(tǒng)及突涌水應(yīng)急預(yù)案。

為進(jìn)一步探明掌子面前方圍巖地質(zhì)水文情況，項(xiàng)目綜合應(yīng)用地質(zhì)調(diào)查法、地質(zhì)雷達(dá)法、TSP法、瞬變電磁法等多元匹配超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)對(duì)掌子面前方圍巖情況作出綜合分析。經(jīng)過探測(cè)表明隧道掌子面前方圍巖地下水豐富，極易出現(xiàn)突涌水現(xiàn)象。

5月16日晚11點(diǎn)，項(xiàng)目采用潛孔鉆又先后在掌子面增設(shè)了3個(gè)超前探孔，其中1號(hào)孔位深6 m，呈滿水流出、壓力較大，2號(hào)孔位深11 m，呈少量水滲出，3號(hào)孔位深18 m未見出水。5月17日以后，根據(jù)掌子面出水情況及專家意見，隧道采用兩臺(tái)階開挖工法，嚴(yán)格按照“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)”的原則組織施工，開挖支護(hù)一個(gè)循環(huán)后未見其他異常[3]。

此次掌子面突涌水累計(jì)抽排水量400余萬立方米。經(jīng)調(diào)查，初次涌水掌子面處，其洞頂上方105 m、左偏距960 m處為大漳河，該范圍為斷層破碎帶影響區(qū)，地表有大型長流水下切沖溝，存在沖溝水流補(bǔ)給或者大漳河河流水通過斷層破碎帶補(bǔ)給的可能，地勘資料表明該范圍存在層間構(gòu)造裂隙水和脈狀構(gòu)造裂隙水及涌水。

2 突涌水排水施工組織

隧道斜井作業(yè)區(qū)排水分為兩個(gè)階段：

（1）第一階段：右洞未貫通，反坡排水（2020年12月—2022年9月）

應(yīng)急排水：

1）左線大樁號(hào)掌子面涌水由中心水溝順坡直排至應(yīng)急泵站，最后經(jīng)應(yīng)急泵站抽排至斜井洞外沉淀池處理后排放至自然水系。

2）右線大樁號(hào)掌子面涌水由中心水溝及YK83+678車行橫洞水溝順坡直排至應(yīng)急泵站，其他措施與左線大樁號(hào)排水方式相同。

正常施工階段排水：掌子面設(shè)置臨時(shí)集水坑采用水泵抽排至中心水溝，其他措施與反坡應(yīng)急排水相同。

（2）第二階段：順坡排水（2022年9月—2023年4月）

大巴山隧道進(jìn)口端右洞至斜井右洞區(qū)間施工貫通后，掌子面涌水或者施工排水順坡排出至隧道進(jìn)口端洞外。

3 突涌水排水施工技術(shù)

經(jīng)過充分調(diào)查論證，大巴山隧道進(jìn)口作業(yè)區(qū)主洞施工均為上坡施工，順坡排水，采用掌子面集水坑+機(jī)械抽排至設(shè)計(jì)中心排水溝+洞口污水處理池等方式；大巴山隧道斜井輔助正洞作業(yè)區(qū)為反坡排水，采用掌子面集水坑+機(jī)械抽排（大揚(yáng)程水泵直接出洞）+洞口污水處理池的方式。排水施工要保證洞內(nèi)無散排水、積水現(xiàn)象，并有效應(yīng)對(duì)隧道突涌水風(fēng)險(xiǎn)，確保現(xiàn)場施工安全。洞內(nèi)排水經(jīng)洞口五級(jí)沉淀池沉淀處理后進(jìn)行施工二次利用或排出洞外水系。

根據(jù)隧道涌水量分為正常施工階段排水和應(yīng)急階段排水，按照最不利工況及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，斜井作業(yè)區(qū)反坡突涌水狀況的應(yīng)急排水是排水施工的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

每個(gè)排水施工階段轉(zhuǎn)換之前，對(duì)應(yīng)階段施工范圍的隧道仰拱、二襯、中心排水溝、調(diào)平層等同步施作完畢，為洞內(nèi)排水創(chuàng)造條件。其中，無仰拱段順坡排水采用中心水溝將洞內(nèi)水進(jìn)行引排處理，有仰拱段順坡排水采用在仰拱開挖段附近設(shè)置臨時(shí)集水坑，采用水泵將集水坑中的水抽排至中心水溝，再利用中心水溝將洞內(nèi)水進(jìn)行引排處理。

同時(shí)，建立大型應(yīng)急排水泵站，要特別注意泵站安裝時(shí)要預(yù)留空位，以備抽排特大涌水時(shí)增設(shè)水泵。管路安裝要平順，拐彎處要圓順，彎頭角度應(yīng)大于90°，且固定牢固，便于檢修。抽排水系統(tǒng)必須由專業(yè)工班安裝、管理，定期檢查維修。要確保排水用電的可靠性，定期對(duì)線路進(jìn)行檢查，在各變電站備用消防器材。所有變電站安裝保險(xiǎn)系統(tǒng)。抽排水用電必須由專職電工負(fù)責(zé)，定期檢查絕緣情況[3]。

3.1 涌水量測(cè)算

大巴山隧道全線主洞右線涌水量為23 897.16 m3/d，左線涌水量為24 926.31 m3/d，整體隧道洞室估算涌水量為48 823.47 m3/d。大巴山隧道ALC19標(biāo)施工段主線預(yù)測(cè)涌水量22 914.74 m3/d，1#施工斜井預(yù)測(cè)涌水量1 516.15 m3/d，合計(jì)預(yù)測(cè)涌水量24 430.89 m3/d。

斜井作業(yè)區(qū)施工段落最大涌水量為5 059.4 m3/d，右洞段落最大涌水量為5 123.32 m3/d，合計(jì)預(yù)測(cè)涌水量12 156.28 m3/d。

3.2 應(yīng)急泵站設(shè)備選型計(jì)算

固定式抽水泵站和集水池：斜井接入正洞后，在左線向小里程80～100 m處設(shè)固定式排水泵站，泵站至斜井口高差69 m。該階段設(shè)計(jì)涌水量為12 156.28 m3/d。

（1）流量計(jì)算

考慮水泵的損壞維修、集水坑的清淤以及抽水能力不應(yīng)小于最大涌水量，故每天有效的抽水時(shí)間設(shè)定為20 h，則集水坑每小時(shí)的最大排水量按公式（1）計(jì)算：

Qjhmax=Qmax 20 （1）

=（12 156.18×1.2）/20=729.4 m3/h

式中：Qjhmax——集水坑每小時(shí)的最大排水量（m3/h）；Qmax——隧道每天的最大涌水量（m3/h）。

（2）管徑選取

鋼管流速為2.0～3.0 m/s。根據(jù)《給水排水工程快速設(shè)計(jì)手冊(cè)》管徑按公式（2）計(jì)算：

（2）

式中：Qhmax——管道每小時(shí)的最大排水量（m3/h）；Vp——管道流速，取值為2.5 m/s；N——排水管的排數(shù)，取整。

經(jīng)計(jì)算：d=0.3 m，N=729.4/635.85=2

當(dāng)大巴山隧道為最大涌水量時(shí)，最大涌水量流速0.202 m3/s，根據(jù)計(jì)算得出管道輸水能力為0.176 m3/s，單根水管不滿足涌水量排水能力，因此隧道斜井工區(qū)涌水排水管擬選取2根內(nèi)徑為300 mm的管道。

3.3 應(yīng)急泵站配置設(shè)計(jì)

（1）水泵選型

隧道施工反坡排水，井下工作水泵的排水能力應(yīng)不小于1.2倍正常涌水量，并配備排水能力不小于工作水泵排水能力70%的備用水泵。如表1、2所示。

（2）集水池設(shè)置

在斜井左洞小樁號(hào)處下挖仰拱斷面作為應(yīng)急排水泵站集水池，尺寸為長×寬×高=18 m×10 m×2.5 m。

（3）泵站供電系統(tǒng)

根據(jù)排水系統(tǒng)最大抽排能力及水泵配置情況，供電系統(tǒng)按高壓雙回路進(jìn)洞、雙電源、3臺(tái)變壓器進(jìn)行配置，確保抽排水安全有效運(yùn)行。

（4）泵站自動(dòng)啟動(dòng)設(shè)備

斜井端所有泵站均采用自動(dòng)啟動(dòng)裝置，在泵站集水坑頂面40 cm處設(shè)置水位限位器，水位接觸到限位器之后，水泵開始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)行機(jī)械抽排。

（5）排水能力驗(yàn)算

固定泵站抽水設(shè)備考慮風(fēng)險(xiǎn)儲(chǔ)備，按照1.5倍配置，即配備7套抽水泵的基礎(chǔ)上，備用2套抽水泵，其中1臺(tái)500 kW、720 m3/h、揚(yáng)程160 m，1臺(tái)220 kW、280 m3/h、揚(yáng)程172 m。

配置水泵總流量=（155×4+280×4+720）×0.6=1 476 m3/h。

隧道最大涌水量=（12158.63×1.2）/20=729.5 m3/h。

富余系數(shù)=配置水泵總流量/隧道最大涌水量=1476/

729.5=2.0。

綜上所述：配備7套抽水泵，其中3臺(tái)220 kW、280 m3/h、揚(yáng)程172 m；4臺(tái)132 kW、155 m3/h、揚(yáng)程180 m。備用2套抽水泵，分別為1臺(tái)500 kW、720 m3/h、揚(yáng)程160 m；1臺(tái)220 kW、280 m3/h、揚(yáng)程172 m。采用3排DN300 mm、1排DN200 mm、1排DN150 mm的排水管滿足施工要求，洞內(nèi)涌水可實(shí)現(xiàn)一級(jí)直接排出洞外。

3.4 應(yīng)急排水泵站布置

應(yīng)急排水泵站位于左洞緊急停車帶加寬段（ZK83+597～ZK83+667處），泵站設(shè)置集水池、水泵安裝區(qū)、變電站、應(yīng)急物資存放區(qū)、備用電源存放區(qū)、值班室等。

3.5 一體化綜合排水技術(shù)

針對(duì)具有高突涌水風(fēng)險(xiǎn)的隧道工程施工，必須將應(yīng)急排水納入工序管理，建立信息化隧道動(dòng)態(tài)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控指揮系統(tǒng)，集成超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、自動(dòng)化監(jiān)控測(cè)量、自動(dòng)化檢測(cè)、視頻監(jiān)控、人員定位、設(shè)備運(yùn)行故障報(bào)警等安全預(yù)警系統(tǒng)等管理功能。打造一體化綜合排水技術(shù)，排水泵站系統(tǒng)的運(yùn)行由專業(yè)隊(duì)伍操作、維護(hù)、管理[4]。

4 結(jié)束語

（1）反坡排水系統(tǒng)的排水能力要充分，并應(yīng)具有一定的儲(chǔ)備能力。安裝水泵總排量根據(jù)最大涌水量設(shè)計(jì)，排水系統(tǒng)管路及設(shè)備一次性布局到位。泵站設(shè)置具有沉淀功能，避免雜物對(duì)水泵及管道連接件的損壞。

（2）水泵的型式和性能需符合裝置流量、揚(yáng)程、壓力、溫度、汽蝕流量、吸程等工藝參數(shù)的要求，同時(shí)要考慮水泵的維修周期及安裝維護(hù)要求；備用水泵的數(shù)量應(yīng)根據(jù)泵站匯水區(qū)域內(nèi)設(shè)施的重要性予以確定。

（3）排水管道設(shè)置應(yīng)避免對(duì)斜井運(yùn)輸能力造成影響，盡量減少抽排水管道的數(shù)量。

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