关角隧道长大斜井反坡抽排水技术

刘海荣

(中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300)

0 引言

在隧道建设中，一旦地下水发育，施工排水的压力将非常巨大，例如秀宁隧道及中天山隧道等。目前对隧道抽排水的研究有:冯艺［1］将煤矿抽排水水舱设计与施工引入到隧道抽排水系统中;卢申斯［2］论述了某电站建立分段集水井和泵房，设置了发电机及水泵等设备，保障了抽排水施工的需要;李建军［3］介绍了雅沪公路隧道卧式离心泵、潜水泵组成的泵站，高压进洞供电设备等方面的抽排水系统，降低了工程投资;秦昊斌［4］结合重庆沿江高速公路抽排水施工，介绍了施工组织、人员及机械配置等施工方案;高志强［5］介绍了云中山特长隧道竖井抽排水设备选型、水舱建设、井底排水等方面的抽排水施工技术，加快了竖井施工进度，降低了投资。以上研究主要针对采取设置独立的固定泵站，逐级抽排水，最终排放至洞外的方式;卧式离心泵、潜水泵的选型配置，以及独立的高压进洞供电系统。但在实际操作过程中，容易出现固定泵站内杂物积累较多，抽水距离增加、投入增加，多条管路叠放的情况，维修的困难较大且电力供应一旦出现问题，不能及时进行抽排［6］。根据以往排水技术的研究，针对泵站容量、形式，水泵的维修与寿命周期对比分析，多条管道综合设置形式及双电路并网供电系统等方面研究的较少。

关角隧道具有大水量、长距离、高扬程的排水特点，本文采取双联拱式固定泵站、水泵配置选型、多条管路串并联及供电电源并网等技术措施，及时排除了隧道内积水，有效地解决了突涌水对施工的影响。

1 工程概况

新建关角隧道位于既有铁路天棚至察汗诺车站之间，全长32.645 km，进口标段由正洞进口及7座辅助斜井(5座斜井在1 000 m以上，最长斜井2 808 m)展开施工，斜井综合坡度为11.9%，垂直落差均超过100 m(最长为6号斜井，达300 m)。隧道通过22.5 km岩溶富水区域，施工全部处于进口标段，受构造影响局部裂隙、溶隙较发育，为地下水向斜井的排泄提供了较好的通道。通过地表水流量监测、水文地质连通试验、洞内涌水调查等工作，确定了地表水是隧道内突涌水主要的补给来源。施工过程中最大涌水量为28万m3/d，正常涌水量为24万m3/d(曾单个斜井连续4个月涌水量超过13万m3/d)，单个斜井正常涌水量为3万～9万m3/d。如此大的涌水给工程施工带来了极大的影响，最为突出的问题是隧道内地下水补给及处治问题［7］。

因此，针对关角隧道反坡排水的这些特点，快速有效地排除斜井施工阶段和正洞隧道施工阶段的积水对隧道的正常施工影响重大。

2 反坡排水系统设计

关角隧道地处高原，斜井长、坡度大、涌水量大，在抽排水系统设计时主要考虑以下因素。

1)水与人员安全、施工进度直接相关，重点考虑方案的安全性和可靠性。

2)需满足输运介质特性的要求。斜井中的水主要为裂隙水、岩溶管道水以及施工用水，水中可能混杂砂土、岩石颗粒、泥浆及喷射混凝土的回弹物掺杂物等，要求泵站设置具有沉淀功能，避免杂物对水泵及管道连接件的损坏，同时选择的水泵要耐磨、耐腐蚀、使用时间长。

3)各级泵站的排水能力要充分，并应具有一定的储备能力。安装水泵总排量根据最大涌水量设计，兼顾正常流量。

4)所选水泵的型式和性能需符合装置流量、扬程、压力、温度、汽蚀流量、吸程等工艺参数的要求［8］，同时要考虑水泵的维修周期长，使用寿命长及安装简单、便捷、易于维护和更换的要求，避免频繁维修和更换对正常施工造成不利的影响。

5)排水管道设置应考虑避免对斜井运输能力造成影响。关角隧道斜井采用单车道及每隔200 m设置20 m错车道断面形式，应尽量减少抽排水管道的设置，避免占用大量空间，影响正常运输通道。

6)供电主电源及备用电源的设置，要考虑供电主电源出现异常情况时，备用电源能够及时启动，满足抽排水设备的需要。同时避免设置多条供电线路，造成供电线路凌乱，维修、更换复杂，安全风险高。

综合以上反坡抽排水系统的影响因素，在施工过程中不断地研究、改进，最终确定了双联拱式固定泵站，进口水泵为主、国产水泵为辅，2种排水管道串并联及供电主电源与备用电源并网的长距离反坡抽排水系统。

3 长大斜井排水系统设计

3.1 双联拱式固定泵站设计

固定泵站设置以满足施工阶段的正常抽水需要，考虑一定的发生风险后的应急处理能力为原则进行设计［9］。在隧道一侧每间隔约300 m设置1座固定泵站，相邻2个固定泵站垂直落差35 m，每个固定泵站设置2个洞室(M洞，每个洞室尺寸为8 m×8 m，隔墙1 m的拱形洞室)，一个洞室作为沉淀池，另外一个洞室安装固定水泵。每个泵站的2个洞室底板均低于隧道底板，且沉淀洞室底板低于水泵洞室底板，利于排水过程中水中沉淀物的清理;在两级固定泵站中间设置截流泵站，截流泵站洞室设置在固定泵所在隧道一侧，截流泵站内安装水泵，将水直接抽至上一级泵站，缩短抽水距离，降低投入(见图1)。

图1 双联拱式固定泵站排水示意图Fig.1 Sketch of drainage by double-tunnel pump stations

双联拱式固定泵站的设置，起到了沉淀杂物与水泵相互分离的目的，避免了沉淀物清理时对水泵正常运转的影响，同时增加了突涌水发生异常变化后泵站的储水量，提供了应急响应时间，降低了淹井风险。另外，截流泵站的设置除起到了截断两级泵站间顺坡流水、杂物外，还能作为双联拱式固定泵站的备用泵站，在排水量出现异常增大的情况下，可以立即启动，缓解固定泵站的排水压力。

3.2 泵站配置设计

3.2.1 水泵选型

在高原、高寒、富水条件下，设备性能和效率的发挥受到了很大影响［10］。结合关角隧道的设计抽排水方案，对国产的新津、熊猫、连成、泰丰等国产大功率水泵共236台进行现场试验。通过统计分析国产水泵排水量只能达到理论排水量的50%;其次在连续抽排水情况下使用寿命基本在8个月之内，维修、更换水泵洞内作业时间长且劳动强度高。在抽排水方案的不断改进过程中，采用进口格兰富水泵进行现场试验，排水量能够达到理论排水量的83%，使用寿命长(在关角隧道7年建设时间里未进行更换)，维修频率低，不易损坏，基本上在6个月到1年进行一次维修(见表1)。因此，在关角隧道长距离反坡抽排水采用了以进口格兰富为主、国产设备为辅的抽排水方案。

表1 水泵技术参数选型对比表Table 1 Technical parameters of different pumps

3.2.2 泵站抽排水能力配置

施工中应加强超前地质预报的管理，尤其对已经预测的可能集中涌水段进行准确的超前水平钻探，提前实施堵水措施后，能大大减少施工中的涌水量，但工程中发生风险事故往往不能完全避免，需要有足够的抽水能力，以尽量减小或缩短风险事件的危害程度和影响时间［11］。关角隧道通过采取超前预测技术、注浆堵水处治技术后，对需要排出的涌水进行了泵站抽排水能力配置。

1)考虑到目前的超前地质预报技术尚达不到将风险完全预报准确的水平，风险事件往往不能避免，因此，主洞施工仍然需要考虑发生一次最大涌水后的抽水能力，排水数量即为Q1(主洞内预测的多个突水段中涌水量最大段落的最大涌水量)。

2)斜井施工中采取帷幕注浆或通过后对一些集中涌水点进行注浆堵水，可以大大减少涌水量。根据各斜井注浆的效果(集中涌水堵水效果可达70%)，斜井堵水效果按70%考虑，排水数量即为Q2(预测的斜井的稳定涌水量)×0.3。

3)对各斜井预测的主洞的集中出水段(除Q2段)，也可以实施注浆堵水，主洞中主要的任务是掘进，堵水效果要求可以适当放低，因此，主洞堵水效果按60%考虑，排水数量即为Q3(主洞中预测的多个突水段中除涌水量最大的段落(Q2段)外的稳定涌水量之和)×0.4。

4)其余段落的涌水量预测值，即Q4。

泵站抽水能力按照以上4项涌水量之和进行配置，即:Q=Q1+Q2×0.3+Q3×0.4+Q4。

通过对各斜井施工区域内岩溶裂隙水发育情况、涌水处治情况进行分析计算，确定了3#斜井按照5.5万 m3/d、4#斜井按照 9.5 万 m3/d、5#斜井按照 5 万m3/d、6#斜井按照3万m3/d对泵站抽排水系统进行抽排水能力配置(见表2)。以4#斜井为例，各级泵站抽排水能力配置见表3。

表2 各斜井泵站配置表Table 2 Pumps allocated for different inclined shafts

表3 4号斜井各级泵站水泵配置表Table 3 Pumps allocated for different pump stations of No.4 inclined shaft

3.3 排水管路设置

根据关角隧道各斜井洞内涌水量，结合选用的抽水设备，将排水管路由原方案全部采用DN200无缝钢管优化为采用DN400，DN200无缝钢管串并联排水管路的方案，即将DN400无缝钢管作为主管路，DN200钢管作为辅助管路(见图2)。泵站内每2台水泵对应一条DN400主管路将水抽排至上一级泵站;泵站内每1台水泵对应一条DN200管路将水抽排至上一级泵站。

图2 管路设置Fig.2 Pipe lines

同时为避免管路对接部位不牢，密封效果不佳，出现频繁维修、更换连接件，管路变形损坏等问题，管路接头除了采用常规的连接方式外，采用钢板自制加工了钢圈和橡胶垫圈进行密封加固的措施［12］(见图3)。

图3 加固钢圈及橡胶垫圈Fig.3 Steel ring and rubber ring

3.4 泵站供电系统

关角隧道主电源供电采用双系统，由天棚110/35 kV临时变电所向隧道进口及1#—5#斜井供电，察汉诺110/35 kV临时变电所经出口标段向6#斜井供电。当任一变电所检修或电源故障时，合上35 kV施工电源线路6#斜井处分段开关，由另一变电所向所有斜井及进口的重要电力设备供电。

各斜井抽排水电力设备作为关角隧道主要电力设备的组成部分，需每天24 h持续运转。与正常隧道施工工序中用电设备共用一套供电系统时，易出现电压不稳，造成供电线路损坏，淹井事故风险较高，因此泵站电力设备需配置独立的供电系统。同时关角隧道洞外供电线路较长，难免会出现线路故障，抢修期间同样会出现淹井事故，因此还需配置备用电源。

经过调查研究，最终确定了备用电源与供电电源并网、高压进洞的抽排水泵站供电系统(见图4)。

图4 泵站供电系统Fig.4 Power supply system

1)正常情况下，泵站供电系统以35 kV主电源经洞外箱式变电站降压至10 kV，利用高压电缆输送至洞内各泵站对应的变电站，经变电站降压至0.38 kV后为泵站电力设备供电。

2)主电源线路出现故障时，启动箱式柴油发电机组备用电源、经0.38/10 kV升压变压器升压后通过高压电缆输送至洞内各级泵站对应的变电站，再经变电站降压至0.38 kV后为泵站电力设备供电。

4 效果分析

关角隧道在前期施工中发生过8次淹井事故，在改进抽排水系统后未发生淹井事故，同时在施工期间满足了每日最大抽排水量28万m3/d(曾单个斜井连续4个月抽排水量为13万m3/d)的抽排水要求，降低了隧道施工风险，保证了隧道顺利、快速施工。

5 结论与建议

通过对关角隧道长距离反坡抽排水系统进行研究，主要采取了双联拱式固定泵站、进口水泵与国产水泵结合使用(进口水泵为主、国产水泵为辅)、抽排水管路串并联、双系统供电及配置备用电源的综合排水方案，有效地消除了隧道突涌水对施工的影响。同时针对今后富水隧道抽排水施工，双联拱式固定泵站的设置可根据隧道断面形式进行调整，以满足抽排水容量要求为原则。水泵的配置选型一般以隧道反坡坡度确定的扬程、供电系统的容量及抽排水量来确定。供电系统的选择要与工程施工供电系统分开设置，避免相互干扰，造成供电系统出现故障影响施工。在今后长距离反坡抽排水施工中，可针对泵站自动开启、关闭装置进一步研究，以解决抽排水成本过高的问题。

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