公路隧道陡坡长距离通风斜井抽排水施工技术

李建军

(中铁十二局集团第三工程有限公司,太原 030024)

随着我国隧道施工技术和机械化程度的不断提高,我国公路特长山岭隧道越来越多,在特长山岭隧道设计中,采用斜井等形式作为运营通风或运输通道越来越普遍。由于西南地区雨水较多,地表水丰富,增大了通风斜井的施工难度,严重制约了隧道施工的进度,为此，在确保安全的前提下,通过对抽排水系统进行设计、分析、论证,解决了陡坡富水斜井抽排水难题,加快了隧道施工进度,减少了工程投资,为以后运营通风富水斜井施工提供一点参考[1]。

1 工程概况

大相岭隧道2号通风斜井是雅泸高速公路大相岭特长隧道的运营专用通风巷道,工程位于四川省雅安市汉源县境内。斜井左线全长909.378 m,倾角17.28°,开挖断面面积55.86～72.13 m2；右线全长912.698 m,倾角16.49°,开挖断面面积55.86～72.13 m2。

斜井井身主要为弱风化的流纹岩,洞口段岩体受F6断层破碎带影响严重,节理裂隙较发育,部分呈碎石状压碎结构或角(砾)碎(石)状松散结构,洞身开挖后地下水呈点滴状、浸润状产出,部分段落可能呈淋水状,局部可能呈涌水状,根据斜井地质勘查资料,斜井井身正常涌水量为3 010 m3/d,最大涌水量达9 050 m3/d,实际施工检测发现,局部日最大涌水量达27 000 m3。

2 陡坡富水斜井抽排水施工技术[2～3]

2.1 陡坡富水斜井抽排水施工技术主要研究问题

针对陡坡曲线斜井施工中的排水问题,如果不能得到及时解决,将严重影响隧道施工进度,除加大工程投入外,还将严重影响企业的信誉。针对此情况,必须解决好陡坡富水斜井抽排水问题,通过对大相岭隧道2号通风斜井进行的抽排水系统施工技术的实践验证,解决好抽排水问题必须处理好以下3个问题。第一,水泵型号及泵站建设；第二,抽排水管道的选型；第三,供电方案的选择。

2.2 处理办法

以大相岭隧道2号通风斜井为例,针对上述3个具体问题就陡坡富水斜井抽排水施工技术进行论述。

2.2.1大相岭隧道斜井排水设计[4～5]

(1)大相岭隧道斜井水泵型号及管道设计

大相岭隧道斜井左线长909.378 m,坡度为-31.5%,右线长912.7 m,坡度为-30%。因左、右线长度及坡度相差不大,误差小,在论述大相岭隧道斜井排水设计时,以左线进行讨论。

由于斜井总长度为909.378 m,倾角为17.28°,综合涌水量、斜井坡度、水泵扬程和集水难度、排水可靠程度等因素考虑,大相岭隧道斜井设置5个固定泵站(图1),即泵与泵之间的距离都为160 m。

图1 泵站及变压器位置示意(单位：m)

由于泵站与泵站之间的相对距离是一样的,则整个排水系统泵站处水泵及管道型号也都一样,下面具体以1号泵站和2号泵站进行计算。

根据地质勘探资料,大相岭隧道斜井正常涌水量为3 010 m3/d,最大涌水量为9 050 m3/d,虽然在实际施工中,局部最大涌水量达到27 000 m3/d,但是我部在进行泵站建设时,仍以地质勘探资料最大涌水量进行计算。根据《煤矿安全规程》第278条,水泵必须有工作、备用和检修水泵。工作水泵的能力,应能在20 h内排出矿井24 h的正常涌水量(包括充填水及其他水)。备用水泵的能力应不小于工作水泵能力的70%。工作和备用水泵的总能力,应能在20 h内排出矿井24 h的最大涌水量。检修水泵的能力应不小于工作水泵能力的25%,得：

正常涌水量时,每个泵站排水流量为：Qh=150.5 m3/h(按20 h工作计算)；

最大涌水量时,每个泵站排水流量为：Qhmax=452.5 m3/h(按20 h工作计算)。

此外,在陡坡富水斜井抽排水过程中管道的选型也至关重要,正确选择管道型号将直接影响水在管道内的流速,即水泵的扬程。根据《煤矿安全规程》第278条,水管必须有工作和备用的水管。工作水管的能力应能配合工作水泵在20 h内排出矿井24 h的正常涌水量。工作和备用水管的总能力,应能配合工作和备用水泵在20 h内排出矿井24 h的最大涌水量。

正常涌水量时,每个泵站排水流量为150.5 m3/h=41.8 L/s,查阅直管摩擦损失简表中一定管道最大直径之最大流量限制表,选择管道直径150 mm,根据公式

q=v·A

式中q——液体的流量；

V——通流截面上的平均流速；

A——通流管道的截面积。

得通流截面上的平均流速V=2.375 m/s<2.45 m/s，符合要求。

最大涌水量时,每个泵站排水流量为452.5 m3/h=125.7 L/s,查阅直管摩擦损失简表一定管道最大直径之最大流量限制表,选择管道直径250 mm。

根据公式：q=v·A，得通流截面上的平均流速

V=2.565 m/s<2.72 m/s，符合要求。

但是从原材料的重复利用率等因素上考虑,仍选择直径150 mm的管道,数量由原来的一路增加为三路。

根据此计算结果,对泵站水泵进行选择。选择了2台55 kW卧式离心泵和1台30 kW污水潜水电泵,详细参数见表1。

表1 泵站水泵参数

通过计算,则总的排水量为：Qh=192×2+80=464 m3/h>Qhmax。

泵站所配置的水泵总扬程除必须大于泵站与泵站之间的相对高差外,还得考虑管道摩擦损失值,计算过程如下。

泵站与泵站的相对高差：h=160×sinα=47.52 m

通过查阅直管摩擦损失表计算得：两种流量下水泵的管损值

Qh=192 m3/h,150 mm直管每100 m的损失为9.4 m，则管损值为1.6×9.4=15.04 m；

Qh=80 m3/h,150 mm直管每100 m的损失为1.6 m，则管损值为1.6×1.6=2.56 m。

弯头和阀门损失按3 m计。

因此,泵站所配置的两种水泵总扬程应分别不低于：

47.52+15.04+3=65.56 m<73 m；

47.52+2.56+3=53.08 m<80 m。

通过计算并对照所选水泵的型号,泵站所配置的水泵可以满足使用要求。

(2)大相岭隧道斜井泵站设计

建设泵站是将掌子面处的裂隙水通过接力的方式排向洞外,并对井身各泵站间的裂隙水进行截流,防止水倒流,所以泵站水仓容量的大小建设至关重要。结合齐岳山隧道和乌鞘岭隧道抽排水施工经验,进行泵站水仓容量建设。由于每个泵站最大排水量为464 m3/h,为保证水不形成倒流,短时间内,水泵必须启动,实现循环抽水,结合现场施工经验,考虑一定的富裕时间,每个泵站储水时间按2 min考虑,计算得,每分钟储水量为：464/60=7.73 m3,则2 min储水量为：7.73×2=15.46 m3,按18 m3设计,如图2所示。

图2 斜井泵站水仓示意(单位：m)

泵站水仓为一个沿隧道开挖方向长3 m、高2.5 m、深2.5 m的深坑,储水容量为18.75 m3,在隧道侧壁开挖后,以挖掘机施工为主,人工为辅的原则开挖至设计尺寸。开挖后,对围岩进行挂网喷混凝土,视围岩具体情况进行加强支护(格栅或钢拱架),设计基线以上的部位用双层网片支撑喷射混凝土,厚度20 cm,防止水溢出泵站水仓。

由于泵站与泵站之间间距为160 m,在该段距离内,开挖后的断面还存在裂隙水,为了防止裂隙水向掌子面流,在泵站位置处设置一截水沟,把开挖后的断面裂隙水引至水仓内,如图3所示。

图3 截水沟示意(单位：m)

(3)大相岭隧道斜井掌子面排水设计

由于大相岭隧道斜井是反坡开挖,掌子面局部涌水量大,在放炮、出砟过程中掌子面会出现大量囤积水,为快速进行抽排水,尽快使掌子面具备施工条件,为隧道施工的下一工序节约时间,在掌子面处采用两种型号的水泵,作为掌子面抽水专用水泵,如表2所示。

表2 掌子面水泵配置情况

每1台水泵安装1趟管道,管道采用φ80 mm管,通过法兰盘连接。

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此外,施工中除根据掌子面实际涌水量确定水泵启动台数外,还另配置了2台水泵及1趟管道,用于水泵故障和涌水量增大时,避免突发情况。

在掌子面与临近固定泵站之间,设置1个移动泵站,将掌子面处抽上来的水在水箱内进行临时储存,水箱大小可根据洞内可利用场地确定,这里按6 m3考虑,水箱内的水在通过2台55 kW卧式离心泵和1台30 kW污水潜水电泵排向固定泵站,如图4所示。

图4 掌子面抽排水示意

2.2.2供电系统设计[6～7]

(1)负荷计算及变压器选择

在确定了泵站数量和水泵的数量及型号后,还必须对抽排水供电系统进行设计,根据《煤矿安全规程》第278条：配电设备应同工作、备用以及检修水泵相适应,并能够同时开动工作和备用水泵。

正常涌水量时,每个泵站只需要投入使用1台55 kW卧式离心泵即可,则泵站抽排水用电负荷为55×5=275 kW。

最大涌水量时,每个泵站将投入2台55 kW卧式离心泵和1台30 kW污水潜水电泵,则泵站抽排水用电负荷为：2×55×5+30×5=700 kW。

因此,大相岭隧道斜井抽排水供电系统按最大用电负荷进行配备。在隧道内抽水时,除原有的隧道240 mm2铝芯进洞线外,又架设了一条抽水线路,线径大小为240 mm2,供前2个泵站抽水使用。

由于水泵负荷大,原有的抽水专线只能同时供2个泵站的水泵使用,在隧道掘进至450 m时,将实施高压进洞技术。

(2)线路布置及变压器室

①线路布置

低压电缆及高压电缆布置如图5所示,具体安装过程如下。

图5 洞内电缆布置(单位：cm)

a.安装电缆支架

洞内电缆距地面的高度不得小于4 m,由于洞内已架设了1条专用抽水线路,且安装高度在4 m左右,为此,在安装高压电缆时,抽水线路必须与高压电缆保持一定的距离,至少不得小于0.5 m。

电缆支架由φ12 mm螺纹钢(长度为20 cm,)构成,电缆支架与衬砌表面形成一定的角度α(α<90°),以防止电缆脱落,电缆直接放在支架上,支架的间距为3～4 m。

b.敷设电缆前要对电缆进行认真检查,确认电缆没有扭绞、损伤、绝缘电阻符合要求后,方准敷设。敷设电缆时应注意:施工前要做好技术交底工作,施工中人员布局要合理,所有施工人员必须听从统一指挥；不准将电缆在地面上拖拉,以免造成磨损;拉引电缆速度要均匀,挂缆时不要破坏其绝缘。

c.高压电缆接头采用冷缩接头,经过训练的熟练技工制作,制作过程中严格遵守制作工艺规程,从开剥到制作完毕必须一气呵成,以免受潮。

②变压器室设计

根据变压器配置情况,设备洞净空尺寸为：深×宽×高=4.5 m×3.5 m×2.5 m,洞室采用挂网锚喷支护,如图6所示。

图6 变压器洞内布置(单位：m)

3 注意事项

通过对大相岭隧道斜井抽排水施工技术的应用,在陡坡富水斜井抽排水过程中,必须注意以下几点[8～9]。

(1)针对陡坡富水斜井,排水管路的设计除能满足隧道正常施工的情况下,还应考虑突水因素,在突水情况下,同直径的风管也可以作为排水管使用。

(2)隧道内增加截流措施,通过设置隧底集水仓、横向截水沟可有效阻止已施工段渗水流到掌子面。

(3)按照一用一备的原则,泵站水泵必须有备用水泵,并采用三通将主备2台水泵同时与φ150 mm主排水管路连接。

(4)掌子面水泵按大流量低扬程原则进行选择,至移动水箱的排水管采用φ80 mm或φ100 mm的钢丝软管,不易采用消防管。

(5)各级泵站排水管路均需设置双进水口,一个与主设备连接,一个与备用设备连接。

(6)排水管路设置逆止阀。

(7)电力配置必须满足主设备、备用设备同时工作的需求,洞外应配足备用电源。

(8)建立掌子面排水作业工班,必须实现出砟时能同步抽排水,减小掌子面抽水作业时间。

4 结语

通过对大相岭隧道斜井抽排水施工技术的论述,采用“固定高扬程大抽水泵站、低压接力泵站与移动泵站”相结合的排水系统,由每月进尺40 m提高到每月进尺90 m,大大提高了隧道的施工进度,缩短了施工工期。此外，在隧道掌子面掘进至280 m处时,发生涌水现象,日最大涌水量达27 000 m3,针对此情况,立即启动了应急抽排水方案。由于隧道掌子面离洞口位置近,采用两级抽排水方案,一级采用2台110 kW大流量大扬程单机单吸式卧式离心泵(扬程：125 m,流量200 m)由掌子面直接抽向洞口,另一级采用8台55 kW大流量大扬程单机单吸式卧式离心泵接力向洞外排水,架设6趟管道,并配置2台55 kW备用水泵。

此外,深深的体会到,抽排水工作在陡坡富水斜井施工中的重要性,只有解决好抽排水工作才能加快隧道施工进度,为隧道各项工序的正常进行提供强有力的保障,才能为企业创造可观的经济效益。因此在陡坡富水斜井施工中,除采取合理的抽水设备配置外,抽水设备节能问题有待进一步研究和探讨。

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