郝 利 軍

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

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淺談隧洞內(nèi)長距離高揚程抽排水方案的制定與實施

郝 利 軍

(中國水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

介紹了朝陽二標5#支洞工作面的排水特點、施工方案的總體思路、抽排水設備配置情況、計算及附屬排水設施配置情況，可供類似工程參考。

朝陽二標；隧洞施工；排水方案；制定與實施

1 工程概述

朝陽二標項目位于遼寧省北票市和朝陽市雙塔區(qū)境內(nèi)，主體工程為引水隧洞和地下泵站，包括壓力引水隧洞、地下廠房洞室群及其附屬洞室、交通洞、機電設備和金屬結構安裝等工程。

引水隧洞為有壓洞，全長約12 km。開挖斷面為圓拱斜墻，開挖面積約20 m2，屬于小斷面，平均坡度為0.007 6%，成洞直徑3.9 m。另外，分別布置了5#、6#、7#、8#四條施工支洞，長度分別為1 245 m、880 m、1 120 m、1 215 m。支洞斷面為圓拱直墻型，開挖斷面尺寸為5.2 m×5.25 m (寬×高)，均為倒坡，坡度約11%～13.7%。

洞室部位除中生代沉積的復成分礫巖、礫巖、砂巖、頁巖外，大部分洞室部位的弱風化～新鮮狀巖石均為中硬巖～堅硬巖。

工程穿越地區(qū)地下水主要為松散類孔隙水、基巖裂隙水，賦水性較差，基巖裂隙水地下水活動微弱；穿越斷層破碎帶等構造發(fā)育部位為構造裂隙水，其賦水性較好，滲透性較強，易產(chǎn)生涌水或突水，影響洞室穩(wěn)定。

2 排水特點

2.1 排水揚程大

5#支洞口底板高程為216 m，支洞與主洞交叉口底板高程為72 m，高差為144 m，支洞縱坡坡比為13.7%?？紤]到排水管路的水頭損失，水泵的實際揚程遠大于地形揚程。

2.2 排水距離長

5#支洞長度為1 245 m，采用兩級排水，兩臺泵水平距離超過620 m。

2.3 涌水量較大

工程穿越地區(qū)的地下水主要為松散類孔隙水、基巖裂隙水，賦水性較差，基巖裂隙水地下水活動微弱；穿越斷層破碎帶等構造發(fā)育部位為構造裂隙水，其賦水性較好，滲透性較強，易產(chǎn)生涌水或突水，影響洞室穩(wěn)定。各支洞及控制主洞段滲水量見表1 。

表1 各支洞及控制主洞段滲水量計算表

3 抽排水方案設計的總體思路

3.1 抽排水分期

根據(jù)對支洞與主洞坡度、設計出水量、供電線路負荷及排水費用等方面考慮，朝陽二標隧洞施工主要分兩個階段安排：

第一階段，支洞開挖排水期水量較少，可以采用兩級或三級排水，采取移動泵站與固定泵站結合的形式進行接力排水。

第二階段，主洞開挖排水期水量逐漸增加，采用兩級排水，在支洞與主洞交叉口附近設置較大的集水坑，中部設中轉集水坑，采取固定的泵站進行接力排水。

鑒于主洞內(nèi)的坡度特別緩，故抽排水方案的整體思路主要考慮支洞部分。5#支洞排水系統(tǒng)縱斷面布置情況見圖5。

圖1 5#支洞排水系統(tǒng)縱斷面布置簡圖

3.2 抽排水方案選擇的難點

(1)在設計過程中，每個隧洞對應的涌水值是一個估算值，實際施工時可能水量較大，若選擇排水能力小則可能導致安全隱患；實際施工時，也可能水量較小，若選擇排水能力大則導致施工成本增加。

(2)設計圖中僅給出正常水量，而未給出最大涌水量。因此，如何確定水量的基本參數(shù)，只能根據(jù)相關工程經(jīng)驗。

(3) 一次性投入泵站、管路及相關配件的成本大，因此，必須經(jīng)過反復比選才能確定比較經(jīng)濟、合理的方案。

3.3 抽排水方案的比選

根據(jù)隧洞內(nèi)涌水及抽水泵站位置的設計，項目部進行了方案論證比選，提出了3種不同方案，并對方案進行了經(jīng)濟比選。

方案一：一主一備一管路。該方案是采用一臺水泵滿足排水量及揚程要求；一臺作為備用，只在更換、維修設備時使用；設一條排水管路。該方案的特點是泵站排水能力大，安裝使用方便，但設備功率大，啟動電壓大，負荷集中，對變壓器及供電線路要求高且浪費嚴重。

方案二：兩泵兩管路。該方案是2臺水泵同時開啟時滿足排水量及揚程要求，每一個水泵設置一條管道。該方案的特點是1臺水泵不滿足要求、需2臺水泵同時開啟，安裝時間較長，且使用時需同時關注2臺泵的運行工況。在最大排水量時，如遇設備故障維修則耽誤現(xiàn)場施工，需配備備用水泵，但該設備功率較小，啟動電壓低，對變壓器及供電線路要求較低，前期水量較小時一臺水泵開啟即可滿足要求，節(jié)約用電量及水泵成本。

方案三：兩泵一管路。該方案是2臺水泵同時開啟時滿足排水量，且單臺水泵開啟滿足揚程要求，2臺水泵共用一條管道。該方案的特點是1臺水泵不滿足要求、需2臺水泵同時開啟，管道內(nèi)流速較快，對安裝精度及水管質量要求較高，且使用時需注意開啟的先后時間；在最大排水量時，如遇設備故障維修則要耽誤現(xiàn)場施工，需配備備用水泵，但設備功率較小，啟動電壓低，對變壓器及供電線路要求較低，前期水量較小時，一臺水泵開啟即可滿足要求，節(jié)約用電量及管路成本。

通過對三種方案進行經(jīng)濟比選，最終確定采用方案三。根據(jù)方案三的思路選擇管道類型和尺寸、水泵型號、水泵揚程及排水量。

4 排水設備配置計算

4.1 抽水能力

抽水設備的抽水能力計算按照正常排水量的120%考慮。5#支洞抽水設備的抽水能力為1.2×132.4=158.8(m3/h)。

4.2 水泵排水能力(流量)

水泵排水能力Q的計算公式為：

Q=c/m×q

式中c為涌水不均勻系數(shù)，取 值 范 圍 為1.3～

1.5，取1.4；m為水泵時間利用系數(shù)，取值范圍為0.8～0.85，取0.85；q為涌水量。

Q=1.4/0.85×158.8=262(m3/h)。經(jīng)計算，泵站總排水量需大于262 m3/h，并有一定富裕量為宜。

4.3 水泵揚程

水泵揚程H的計算公式為：

H=(L1+L2)×sina(1+K)

式中L1為排水管長度，采用兩級排水，取1 245/2=622.5(m)；L2為吸水管長度，取2 m；K為管路阻力換算揚程系數(shù)，取0.2；a為排水管路傾角，取6°。

H=(622.5+2)×sina(1+0.2)=78.33(m)，經(jīng)計算，水泵額定揚程需大于79 m，并有一定富裕高程為宜。

4.4 水泵的選擇

通過上述計算并考慮到洞內(nèi)水泵的運行環(huán)境及維修更換方便程度，在支洞與主洞交叉口附近的較大集水坑和中部中轉集水坑各配置4臺55 kW離心泵(揚程103 m，流量112 m3/h，效率70%)，其中1臺備用；2臺37 kW離心泵(揚程87 m，流量60 m3/h，效率70%)，其中1臺備用。

4.5 排水管的選擇

3臺55 kW水泵和1臺37 kW水泵為一組，并聯(lián)一根排水管，水泵效率取值0.7。

排水管D=232 mm，選取φ250排水管。

若出現(xiàn)超出最大涌水量的情況，可以考慮利用供風管應急排水。抽水設備隨主洞施工進度、涌水量的增加，逐步由小到大配置到位，以滿足施工抽排水的需要。

根據(jù)隧洞寬度及風水管布置高度與寬度情況，考慮到在洞內(nèi)施工時、特別是行車出渣對管路的影響以及重復利用率，最終選擇采用螺旋焊接管作為排水管路。

5 附屬排水設施

5.1 水泵自動化裝置

水泵自動化裝置主要采用三相微電腦水位控制器控制水泵運行，其具有的主要功能與優(yōu)點：

(1)集水坑水深達到設定高度水泵自動啟動，水位下降到一定高度水泵自動停止運行。

(2)集水坑有兩臺水泵時，在設定第一水位時，較小功率水泵運行，或者兩臺較大功率水泵自動輪換工作。一臺工作水泵出故障時自動切斷電源，另一臺水泵自動投入工作。當水位上升到設定的第二水位時，兩臺水泵自動啟動，同時工作。

(3)具有短路、過流、過熱等保護裝置。

(4)具有各種工作狀態(tài)、水位及各種事故信號。

(5)自動化系統(tǒng)安全可靠，節(jié)省勞動力，提高抽水效率。

5.2 集水坑的設置

(1)支洞與主洞交叉口集水坑的設置。考慮到周邊鋼支撐防護，預留不少于50 cm的保護距離，開挖長條形集水坑，深度不小于2 m，儲水容積按照設計出水量30 min計算，132×0.5=66(m3)，設計尺寸為8 m×3 m×3 m(長×寬×高)，設計容量為72 m3；中轉集水坑儲水容積按照設計出水量15 min計算，132×0.25=33(m3)，設計尺寸為6 m×3 m×2.5 m(長×寬×高)，設計容量為45 m3。

(2)根據(jù)洞內(nèi)寬度及行車要求，集水坑占用了行車寬度。為解決上部通車問題，特別設計了集水坑保護蓋板(型鋼骨架作為支撐，上部鋪設0.8 cm厚鋼板防護蓋板，鋼板上部焊接螺紋鋼做防滑處理)，防護蓋板靠近水泵一側上部安裝了型鋼及鋼筋篦子，以便于安裝吸水管、水泵自動化裝置并觀察集水坑使用狀態(tài)。

(3)集水坑周圍設置防護欄桿、安全警示標志及警示彩帶。

(4)為便于后期清理、避免淤泥堵塞水泵進水口，集水坑按照3級沉淀池設計。

5.3 排水管路的安全保證措施

(1)鋼管連接采用法蘭盤加橡膠密封墊。

(2)排水管每隔300 m設置閘閥及止回閥并預留抽排水接口，以備超大涌水時使用。

(3)洞內(nèi)風水管路在集水坑處預留排水接口，以備應急使用。

5.4 供電保證措施

(1)備用一趟鋁芯電纜2×240+120，以備超大涌水時供電使用。

(2)在支洞與主洞交叉口集水坑前部設置三相全自動補償電力穩(wěn)壓器SBW-500 kVA一臺，當電壓降低至304 V時仍能維持穩(wěn)定輸出電壓380 V，保證大功率用電器穩(wěn)定電力的供應。

(3)在洞口配置備用發(fā)電機組，發(fā)電機容量不小于630 kW，與主變壓器設置自動轉換開關，緊急停電時，以方便及時轉換為備用發(fā)電。

(4)所有電源啟動均采用相匹配的啟動柜和開關柜，所有水泵采用一泵、一線、一箱、一閘、一漏和三項五線制。

5.5 排水溝

按照設計圖紙布置排水溝，尺寸為400 mm×150 mm(寬×深)，排水管路及集水坑布置在排水溝一側，所有排水溝最終均與集水坑相連。

6 注意事項

(1)排水系統(tǒng)由專人負責運行、維護、管理，24 h值班。要求水泵廠家專業(yè)技術人員做專門培訓，合格后方可上崗并定期現(xiàn)場指導服務。

(2)做好抽排水泵站的設備保養(yǎng)及集水坑日常清理工作，定期檢查、維修水泵及管路。

(3)對水泵進水口包裹鐵窗紗，距集水坑底板高度不小于50 cm，可以防止污泥及雜物進入而發(fā)生堵塞。

(4)定期檢查抽排水供電線路，盡量避免因供電線路問題導致的抽水中斷，抽排水人員隨時關注用電安全。

(5)施工時隨時存在突發(fā)大涌水的可能，應備有足夠的移動式潛水泵，隨時準備應急。

(6)洞外應設置三級沉淀池，洞內(nèi)抽排出的污水經(jīng)沉淀后排放。

(7)應做好突發(fā)涌水的應急預案并進行應急演練，加強施工人員的安全培訓。

7 結 語

朝陽二標項目隧洞施工排水方案采用移動泵站與固定泵站相結合、分期分段多種方式相結合的抽排方式，對洞內(nèi)排水系統(tǒng)提前籌劃、為主洞正常施工提供了有利保障，同時很好地保證了施工安全，滿足了施工進度要求。目前朝陽二標5#支洞施工已完成，正在施工主洞。支洞出水量約為30 m3/h，小于設計給出的50 m3/h滲水量，僅開啟一臺37 kW水泵即可滿足抽排水要求。目前看：施工排水系統(tǒng)水泵排水能力設計富裕量偏大，但抽排水系統(tǒng)發(fā)揮作用明顯。隧洞內(nèi)抽排水方案既需要理論計算，也要參考類似工程經(jīng)驗，排水能力既不能過大，也不能過小，隧洞抽排水必須備用一定量的水泵以備更換維修或突然涌水時使用。

[1] 鐵道部第二工程局.鐵路工程施工技術手冊[M].北京：中國鐵道出版社，1995.

[2] 鐵路隧道輔助坑道技術規(guī)范，TB10109-95[S].

[3] 鐵路隧道防排水技術規(guī)范，TB10119-2000[S].

(責任編輯：李燕輝)

2017-04-23

TV554;TV51；TV52

B

1001-2184(2017)03-0087-04

郝利軍(1982-),男，山西渾源人，項目總工程師，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.