馬時坤

摘? 要：為有效消除水害對隧道施工的安全威脅，必須采取合理有效的施工技術(shù)。該文以某高鐵富水隧道為例，結(jié)合其水文地質(zhì)條件復(fù)雜、涌水量大等情況，制定相應(yīng)的斜井反坡排水施工方案，根據(jù)總體方案確定科學(xué)合理的設(shè)備選型和排水系統(tǒng)構(gòu)建，并提出相應(yīng)的排水管理和方案實施管控措施，確保隧道施工安全。該文旨在為類似隧道施工提供參考。

關(guān)鍵詞：富水隧道；斜井；反坡排水；施工技術(shù)；排水系統(tǒng)

中圖分類號：U455.4? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）10-0161-04

Abstract： In order to effectively eliminate the safety threat of water damage to tunnel construction， reasonable and effective construction technology must be adopted. Taking a high-speed railway water-rich tunnel as an example， according to its complex hydrogeological conditions and large water inflow， the corresponding inclined shaft reverse slope drainage construction scheme is formulated. According to the overall scheme， the scientific and reasonable equipment selection and drainage system construction are determined， and the corresponding drainage management and scheme implementation control measures are put forward， to ensure the safety of tunnel construction. The purpose of this paper is to provide reference for similar tunnel construction.

Keywords： water-rich tunnel; inclined shaft; reverse slope drainage; construction technology; drainage system

高鐵特長隧道施工區(qū)域存在構(gòu)造裂隙水、地表水發(fā)育等含水條件，會導(dǎo)致隧道圍巖發(fā)生浸泡、降低圍巖應(yīng)力強(qiáng)度，破壞隧道應(yīng)力拱效應(yīng)，并且增加施工難度，提升隧道施工安全風(fēng)險，在隧道施工穿越該水文地質(zhì)條件區(qū)域時，受到施工干擾極易發(fā)生透水事故，對安全生產(chǎn)造成極大威脅，為此隧道采用反坡排水施工極為重要[1-3]。由于反坡隧道，各種作業(yè)之間相互干擾大，這不僅對運(yùn)輸和通風(fēng)提出新的要求，而且在富水區(qū)排水的難度也將加大，如何處理這些問題，保證施工安全和進(jìn)度，是隧道反坡段施工的重點和難點[3]。

1? 工程概況

某高鐵隧道全長4 373 m，設(shè)置1平導(dǎo)+1斜井的輔助坑道方案，按進(jìn)口斜井、出口平導(dǎo)2個工區(qū)2個工作面組織平行施工。隧道穿越地層為粉砂質(zhì)頁巖、凝灰質(zhì)砂巖、炭質(zhì)頁巖等。地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，不良地質(zhì)為重力不良地質(zhì)（危巖落石、巖堆、滑坡、巖爆和邊坡順層），且為低微瓦斯隧道，安全風(fēng)險高、施工難度大，是本標(biāo)段的重難點工程。本隧道進(jìn)口斜井需反坡施工抽水將正洞內(nèi)水接力排至洞外。

考慮隧道洞身地下水以垂直向補(bǔ)給為主。用地下徑流模數(shù)法、大氣降水滲入法、地下水動力學(xué)法3種算法計算城口隧道涌水量數(shù)值，根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)及氣候條件等實際情況結(jié)合隧址區(qū)地形地質(zhì)條件、底層巖性、構(gòu)造間相互關(guān)系及植被發(fā)育情況，并從安全角度考慮，隧道斜井工區(qū)正洞反坡施工段最大涌水量為8 330 m3/d，施工過程中應(yīng)加強(qiáng)抽排水和生產(chǎn)管理，應(yīng)用備用抽水設(shè)備及2個獨立的供電系統(tǒng)、及時將水抽出。抽排水設(shè)備及管路要求能力應(yīng)不小于預(yù)測最大涌水量的1.2倍，并應(yīng)根據(jù)施工實測水量進(jìn)行調(diào)整，集水坑、水倉的設(shè)置可根據(jù)實際涌水量。抽水設(shè)備的揚(yáng)程進(jìn)行合理調(diào)整。

2? 施工方案設(shè)計

2.1? 反坡排水

反坡排水施工方案的設(shè)計應(yīng)當(dāng)以符合實際的圖紙及相關(guān)設(shè)計為依據(jù)，充分結(jié)合現(xiàn)場施工的實際情況，進(jìn)行超前規(guī)劃和全局考慮，并提出有針對性的合理施工方案規(guī)劃，而在實際施工過程中，必須根據(jù)現(xiàn)場施工情況對方案進(jìn)行及時優(yōu)化調(diào)整。施工從斜井進(jìn)入主洞后，對涌水量進(jìn)行定期實測和分析，根據(jù)涌水量觀測結(jié)果實施方案的動態(tài)調(diào)整和施工現(xiàn)場的動態(tài)管理，以及在隧道的施工中總結(jié)的經(jīng)驗，綜合考慮施工環(huán)境及施工條件的影響，制定如下方案，以保證安全生產(chǎn)。

反坡排水，需要采用多級泵站進(jìn)行接續(xù)排水，為了滿足排水要求，根據(jù)涌水量預(yù)測結(jié)果選擇合理的排水機(jī)械，為了有效保證在有限空間內(nèi)掌子面積水的外排，水泵的選擇應(yīng)當(dāng)滿足移動式、大流量、低揚(yáng)程等特點，通過水泵將掌子面積水抽排至設(shè)計的臨近中轉(zhuǎn)集水井或泵站，為此，中轉(zhuǎn)集水井或泵站必須滿足掌子面一定時間內(nèi)的積水外排要求，而中轉(zhuǎn)集水井或泵站再通過水泵將水向上一級集水井或泵站進(jìn)行抽排，接力進(jìn)行。除掌子面外的隧道涌水從已設(shè)置的排水溝外排至臨近的集水井或固定泵站，接力外排。而水外排至變坡點后，對水進(jìn)行沉淀處理后集中外排。為了滿足涌水外排要求，施工現(xiàn)場按照5用1備抽水系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)備，并根據(jù)涌水量實測結(jié)果及時增補(bǔ)工作水泵，以滿足排水需求。

在隧道施工過程中，根據(jù)已有圖紙設(shè)計和涌水量對排水管的壓力、揚(yáng)程等進(jìn)行綜合考慮，設(shè)計增大管路排水能力，固定給水站的間距按照500 m 4個、618 m 1個進(jìn)行考慮設(shè)計，用于對涌水進(jìn)行外排至變坡點水溝內(nèi)，最終接力抽排到洞外污水池沉底后排放。而仰拱至掌子面區(qū)間設(shè)計的相鄰集水井，利用隧道坡度挖掘排水溝將積水引流至集水井，而集水井和固定水泵站之間通過水泵、抽水鋼絲軟管、鋼質(zhì)水管抽排積水。反坡排水及積水站布置平面圖，如圖1所示。應(yīng)急抽水時，啟動備用抽水泵組，水泵直接布置在出水點，將高壓風(fēng)管改裝成排水管路。

2.2? 排水供電布置

為確保洞內(nèi)排水正常進(jìn)行，不因電路問題導(dǎo)致抽排工作的間斷，設(shè)置2條供電系統(tǒng)，一路運(yùn)行，一路備用。交叉口處均設(shè)置1臺500 kVA升壓器供抽排水使用。當(dāng)停電后，應(yīng)急電源的能力應(yīng)能夠滿足排水、洞內(nèi)照明需要。根據(jù)以上計算，結(jié)合洞內(nèi)施工需要，設(shè)置雙回路電源，每個抽水點各備用1臺500 kW的發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源。

圖1? 反坡排水及積水站布置平面圖

3? 設(shè)備選型及排水系統(tǒng)構(gòu)建

3.1? 設(shè)備選型

3.1.1? 排水管管徑計算

工作水泵的能力，應(yīng)能在20 h內(nèi)排出洞內(nèi)24 h的正常涌水量，根據(jù)涌水量取值14 071 m3/d計算：流速估算V=2.5 m/s；單位時間流量Q=A×V×T=10 821.6 m3/d，管徑計算r=■=0.15 m，管徑取值為Φ=300 mm。而綜合考慮涌水量的變化幅度，排水管管徑要保證有至少20%的富裕量，固定積水站間選擇管道直徑為Φ=300 mm，布置2條管路。

為了滿足排水要求，要根據(jù)掌子面積水區(qū)域變化及時移動水泵，但考慮到水泵自身重量及工作具體的難易程度，隧道施工最前端水泵至設(shè)置的臨時集水坑區(qū)間考慮連接多道軟管，便于進(jìn)行管路調(diào)節(jié)，而集水坑與固定設(shè)置的泵站區(qū)間布置多道鋼管進(jìn)行抽排水，除此之外，綜合考慮管路堵塞、水泵維修等排水系統(tǒng)故障，以及掌子面涌水量突變等情況，需要預(yù)留一條獨立的應(yīng)急備用排水系統(tǒng)，以便在發(fā)生突發(fā)情況時進(jìn)行應(yīng)急反應(yīng)。而出現(xiàn)涌水量變大且超過排水系統(tǒng)排水能力的70%，應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工實際情況以及涌水量觀測結(jié)果適當(dāng)調(diào)整排水系統(tǒng)或增加排水設(shè)施設(shè)備。

3.1.2? 揚(yáng)程計算

水泵揚(yáng)程應(yīng)當(dāng)綜合考慮排水管路排水能力和管路材質(zhì)等要求，以及現(xiàn)場集水坑、水泵間距和排水路線坡度等，通過計算，得出揚(yáng)程H=39.5 m，具體公式為

式中：？姿-水管摩阻系數(shù)，采用的水管為普通鋼管，取值0.024；L-水管長度，m；d-水管內(nèi)徑，m；Z-管道進(jìn)出口高程，m；V-管內(nèi)流速，取2.5 m/s；g-重力加速度，取10 m/s2。

3.1.3? 水泵型號選擇

水泵型號選擇主要是水泵電機(jī)設(shè)備的選型，要結(jié)合排水設(shè)計、排水量大小、電機(jī)的功效、隧道施工對電機(jī)安全系數(shù)的要求以及水泵揚(yáng)程等進(jìn)行綜合考慮。

在水泵電機(jī)的選型，應(yīng)綜合考慮能量利用、電機(jī)功效、電機(jī)安全系數(shù)及揚(yáng)程等，按以下經(jīng)驗公式配備電機(jī)功率：電機(jī)功率=流量（m3/h）×揚(yáng)程（m）×10÷（3 600×功效）電機(jī)功效取值為0.5～0.75，水泵越大，功效越高。電機(jī)功率=14 071/20×39.5×10÷（3 600×0.6）=128.6 kW。綜合考慮，最終選擇污水泵的型號為132 kW。臨時集水井內(nèi)采用35、20 kW水泵，掌子面附近采用7.5、15 kW低揚(yáng)程大流量的水泵。

3.2? 排水系統(tǒng)構(gòu)建

3.2.1管路

根據(jù)洞內(nèi)最大水量情況，結(jié)合選配的抽水設(shè)備，管路均為鋼管，管路尾端布設(shè)至反坡排水最高點后再向大里程延長20 m，即將掌子面的積水抽至DK94+340處邊水溝內(nèi)，水通過順坡流出洞外。突發(fā)較大涌水時采用備用管路和高壓風(fēng)管作為應(yīng)急排水管路。

3.2.2? 臨時集水井及掌子面集水井

洞內(nèi)臨時集水坑設(shè)置在仰拱與掌子面之間。為保證正常出渣作業(yè)，結(jié)合匯水段匯水量大小確定，臨時積水坑尺寸：8 m（長）×2 m（寬）×1.5 m（深），容量24 m3。利用7.5、15 kW水泵將掌子面附近積水抽至臨時集水坑，再抽至固定積水站。隨著整平層向前施工，臨時集水坑也向前移動。掌子面排水采用移動式水泵，管路為消防軟管，抽排至臨時集水坑內(nèi)，再用潛水泵和管路為Φ200鋼管，抽排至固定積水站。

3.2.3? 固定積水站

固定積水站設(shè)置在隧道高壓電纜一側(cè)，利用電纜室余腔作為積水站，尺寸為5 m×3 m×2 m，以余長電纜腔硐室為主，容量30 m3。第一個固定積水站設(shè)置在距離反坡排水最高點425 m左右，在施工至第一個固定積水站前先采用臨時集水坑加排水管道抽排水方案，掌子面與臨時集水坑之間采用污水泵加消防軟管抽水，污水泵隨著掌子面向前推移，臨時集水坑在不影響后面整平層施工的情況下定期向前推移，確保掌子面基本無積水。1號固定積水站施工完成投入使用后排水布置：排水管尾端至1號積水站之間布設(shè)Φ300水管，通過該站內(nèi)的水泵將積水抽排出，該站與掌子面之間通過臨時集水坑、污水泵連接，不斷將掌子面積水抽排至該站內(nèi)。污水泵、臨時集水坑隨掌子面向前推移。

3.2.4? 水泵配置及相關(guān)損耗

水泵使用過程中需根據(jù)掌子面工序變動而進(jìn)行移動，因此會導(dǎo)致水泵損耗較嚴(yán)重，而位于固定積水站中的水泵則相對損耗較少，具體損耗以實際為準(zhǔn)。水泵配置見表1，水泵管道及主要配件見表2。

4? 排水管理和實施

在排水施工上不僅需要完善、合理的排水系統(tǒng)，還需在管理上予以加強(qiáng)，才能達(dá)到預(yù)期的效果。

4.1? 人員配置

為做好隧道抽排水工作，必須進(jìn)行科學(xué)合理的人員配置。

4.2? 機(jī)械配置

因水泵質(zhì)量較重，施工現(xiàn)場活動空間較小，人工無法實現(xiàn)水泵等設(shè)備的移動，水泵移動過程中需要機(jī)械設(shè)備作為輔助，因此，為滿足施工需要，需配置裝載機(jī)1臺用于水泵移動；同時，掌子面附近的臨時集水站因出渣等工序，容易淤積碎石等，需要隨時進(jìn)行清理，需配備挖掘機(jī)1臺配合清理臨時集水井。

4.3? 運(yùn)行和檢修

確保電路安裝的正確，檢查轉(zhuǎn)向是否正確；為了消除電泵因長時間高功率運(yùn)轉(zhuǎn)高溫?fù)p害，采用下級泵站抽水對水泵進(jìn)行冷卻處理；為了避免所抽排混水損害設(shè)備、沉淀造成管路擁堵等情況，在水泵與管路的接口處安設(shè)Φ20 mm出水口，利用抽水的高壓水對進(jìn)水口處進(jìn)行高壓沖攪，同時采用高壓風(fēng)對進(jìn)水口進(jìn)行不間斷沖吹，除此之外，施工人員定期對集水井、泵站集水坑等進(jìn)行沉淀物清理；在水泵進(jìn)水口處裹鐵窗紗，同時把水泵（工作面移動式）或進(jìn)水口放置在竹筐內(nèi)，可以防止污泥及雜物進(jìn)入水泵而發(fā)生堵塞；當(dāng)水位下降超過水泵底座，水泵間歇出水時，應(yīng)立即停機(jī)進(jìn)行檢查；運(yùn)行一定時間后，須進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。定期保養(yǎng)和維修是確保設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的必要措施；每日對設(shè)備進(jìn)行檢修，同時做好檢修記錄，對現(xiàn)場故障及問題水泵與附屬配套設(shè)備及時更換修理。

5? 結(jié)論

1）富水隧道斜井反坡排水施工的重點在于反坡排水方案的合理制定，以及根據(jù)排水方案選擇滿足排水要求的排水設(shè)備和排水系統(tǒng)。不僅可以將富水進(jìn)行有效外排，消除安全隱患，還可以提高隧道施工效率，保證施工安全。

2）除此之外，為保證可能在隧道施工過程中發(fā)生突泥涌水事故，必須制定有效的技術(shù)保證措施和安全保證措施，以及應(yīng)對突發(fā)事故的應(yīng)急救援預(yù)案。

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