基于涌水量预估和动态监测的公路隧道长距离反坡排水施工技术及其应用

李方东

(中铁十四局集团第五工程有限公司， 山东 兖州　272100)



基于涌水量预估和动态监测的公路隧道长距离反坡排水施工技术及其应用

李方东

(中铁十四局集团第五工程有限公司， 山东 兖州272100)

摘要：常规的隧道反坡排水方案都是基于设计涌水量制定的，往往由于对涌水量判断不准确而导致排水能力不足或过剩，造成涌水灾害或资源配置浪费。为此，在“提前整体配置，过程局部优化”设计理念的基础上，提出基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术。该技术采用瞬变电磁、激发极化超前探测技术，对掌子面前方含水区位置及水量进行较准确的定位和预估；提出成本最小化排水优化公式，优化泵站分级设计及水泵功率选择；同时，动态监测涌水量，根据监测结果进行排水设置，提出了增级截流集水坑技术，有效解决2级泵站之间的排水问题。在宁夏东毛高速公路六盘山隧道中对该技术进行了应用，通过对反坡排水方案的优化，较好地完成了反坡排水任务，节约了排水成本，保证了隧道施工安全，取得了良好的应用效果。

关键词：公路隧道； 六盘山隧道； 反坡排水； 涌水量预估； 动态监测； 成本最小化

0引言

长大隧道往往是公路工程的关键性和控制性工程。随着我国交通建设环境向地质条件复杂的西部山区转移，一些特长公路隧道不断涌现。在长大隧道建设中，存在大量的长距离反坡施工状况，长距离反坡施工一旦遭遇突涌水灾害，排水能力不足，易造成隧道被淹，轻则影响工期，造成经济损失，重则造成人员伤亡。湖北沪蓉西齐岳山隧道出口段落反坡施工中，在雨季穿越马槽洞地下暗河和超大断层时遭遇大型涌水，由于排水系统能力有限，导致超过700 m的洞身被淹，工期延误超过半年[1-2]。

为解决隧道施工期反坡排水问题，大量科技工作者进行了相关研究。左玉杰[2]论述了隧道出口段抽排水系统的设置方法，强调了隧道排水管理的重要性；陈冉[3]提出了一种基于抽水列车设备的追踪排水技术；张胜[4]从乌鞘岭隧道6#斜井方案设计、设备型号选择、排水作业管理、洞外排水及施工效果等方面，系统介绍了隧道反坡排水方案；周国龙[5]提出了一套适用于特长隧道反坡排水的快速施工技术；李鸿杰[6]论证了有效快捷的排水作业对保证施工质量和安全的重要性；高文涛等[7]提出了采用静水压力的隧道反坡排水施工工艺，避免涌水对隧道施工的影响；冯艺[8]重点研究了煤矿大型抽排水系统，验证其设计满足隧道反坡排水需要；王静[9]根据对水泵及管路的数学计算进行水泵选型，进而对整个隧道反坡排水进行设计；傅俊[10]提出一套基于盲沟排水、排水管排水、适用于官山隧道及类似工程的反坡排水方法；刘牛生[11]研究制订了一整套基于涌水量变化的排水设置及方案。

但总体来说，目前反坡排水技术基本沿袭常规技术。对隧址区域范围内的地质特征、环境特点、施工情况进行勘察，进行涌水风险评估、反坡排水设计时，参照设计涌水量并依据经验进行机械排水工区的划分、集水池与水泵的选型，采用备用水泵及辅助泵站的设计。由于常规方法是基于设计涌水量的排水方案，设计涌水量往往与实际涌水量有较大偏差，特别是隧道施工揭露充水溶洞、导水断层等含水体时，其实际涌水量具有很大的随机性和未知性，往往远高于设计涌水量，排水系统难以满足排水要求，造成隧道被淹，危及隧道施工安全。

因此，十分有必要对基于涌水量的动态预估和监测进行长距离反坡排水方案的信息化设计和布设，在此基础上发展和完善现有长距离反坡排水技术，为隧道施工安全提供支撑。

1常规的反坡排水技术

根据目前的研究现状，常规反坡排水技术涌水量预测是基于设计涌水量，采用地质分析法，通过收集分析地质资料、地表详细调查等方法，了解隧道所处地段地质条件，运用地质学理论，对比、论证、推断和预报隧道施工前方的工程及水文地质情况。

在此基础上，根据隧道的突涌水情况，排水方案主要采用以下2种。

1)长距离水管配合小型集水坑抽排。长距离反坡施工段，在较长距离处开挖固定集水坑作为排水泵站，将掌子面突涌水用移动式水泵抽取到附近的集水坑内，再用大功率水泵将水抽到顺坡排水段，排水原理见图1。该方法的优点是所需抽水泵、集水坑、泵站都较少，缺点是所需安装的排水管较长，移动式抽水机需要跟随掌子面的开挖而前移。

图1　长距离水管配合小型集水坑抽排布置

Fig. 1Drainage by means of long-distance water pipeline and small sump pit

2)集水坑接力式反坡排水。该方法设置多个集水坑进行分段抽排水施工作业，施工过程中分段开挖排水沟渠，在每一段排水沟渠的终点设置集水坑，并设水泵，水泵把积水抽排至反坡的最后部位，以此类推，一级接一级地抽水，最后的水泵将积水抽排至顺坡排水段，将隧道涌水排至洞外的处理池。排水原理见图2。

图2　集水坑接力式反坡排水布置

总体来看，目前常规的长距离反坡排水技术存在以下主要问题。

1) 在以往的隧道反坡排水系统设计中，通常采用初勘资料的涌水量数据，难免会与实际开挖揭露的涌水量有误差，往往导致系统排水能力不足或过剩，致使涌水灾害或资源配置浪费；因此，亟待研究基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术。

2) 在以往的反坡排水方案设计中，水泵的分级和功率选择往往只对水泵的工作能力进行要求，并未对实际的市场单价及工作消耗进行考虑，往往会造成排水能力过剩及排水成本较高；因此，亟待提出一种泵站分级及功率选择的计算方法。

2基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术

反坡排水技术路线见图3。

图3基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术

Fig. 3Reverse slope drainage technology for long tunnel based on water inflow prediction and dynamic monitoring

1)第1阶段。整体配置设计。

①对隧址区勘察资料进行分析，必要时补充勘察，进行各段落的涌水风险评估。

②通过最小成本优化，计算泵站最优分级数与水泵功率。

③反坡排水方案的设计，包括泵站位置、水泵选型、管路设置及供电设计。

2)第2阶段。过程局部优化。

①采用瞬变电磁与激发极化技术进行地质探测，确定含水区并预估含水量，采用超前钻探验证探测结果。根据水量情况进行处理措施选定(堵/排，文中主要介绍排水处理方法)，并通过钻孔安置导排水装置，根据探测数据，提前调用排水设备。

②在排水施工中对涌水量进行实时动态监测，通过涌水量的大小选择适当的排水设置，避免排水功率的不足或浪费。

2.1基于成本最小的反坡排水优化方法

对隧道全段各区段涌水量估算后，提出成本最小优化公式进行泵站的分级计算，在满足排水要求的条件下，对水泵购买成本及使用成本进行深入研究。通过对水泵单价、排水运营消耗以及水泵功耗的计算，选取最佳的水泵功率，提出了优化计算公式。

(1)

式中： G为排水系统总成本； W为单级水泵功率； X为分级数； f1为单级做功花费,元/(kW·h)； f2为单级泵站制作成本，包含水泵购置价格与泵站制作费用，元/级； w为不同功率水泵对应的功率损耗率； t为隧道反坡排水时间。

由于选型安装简便及购置统一，采用同一型号水泵，在正常排水阶段采用伺服抽水技术，排水系统需管理人员1人即可。

其推导过程如下：

已知单级泵站的正常工作功率为W，单级泵站工作功率损耗为w×W，单级泵站工作成本

(2)

单级泵站制作成本

(3)

泵站工作总成本

(4)

由式(1)—(4)可知，在满足排水能力的情况下，将不同水泵的扬程与功率代入后，当总费用最小时，可对应得出分级数及分级功率。对于长距离反坡施工，由于施工工期较长，泵站使用时间较长，除了水泵等设备一次性投入费用之外，后期维护费用较高，故当泵站成本最优化时较为经济。

2.2涌水量预估技术

为了在隧道施工中对涌水量进行较为准确的动态预估，采用对含水体响应敏感的地球物理探测方法来确定掌子面前方的含水体位置，并预估涌水量。基于上述目的，采用瞬变电磁技术和激发极化技术相互补充、相互验证的优势(瞬变电磁技术探测距离较远(60～80m)，可识别地质构造是否含水并确定其空间位置； 激发极化技术属于近距离精细探测技术(30～40m)，可对含水体进一步三维定位，并估算涌水量)，对含水区位置进行较为准确的定位及涌水量估算，据此进行适时的方案优化与排水准备，达到工程施工安全生产的要求。

2.2.1TEM瞬变电磁技术

瞬变电磁(TransientElectromagnetic，简称TEM)原理为： 利用不接地回线向隧道掌子面前方发射一次脉冲磁场，当发射回线中的电流突然断开，介质中将会激发起二次涡流场，以维持在断电前回线产生的磁场(即一次场)，二次涡流场的大小及其衰减特性与周围介质的电性分布有关，在一次场间歇观测二次场随时间的变化特征，可了解地下介质的电性、规模、产状等，从而完成对目标体的探测任务。其原理如图4所示。

图4　瞬变电磁工作原理[12]

2.2.2激发极化技术

激发极化(Induced Polarization，简称IP)是电法勘探的一个重要分支，原理(见图5)为： 向地下输入稳定电流，不同测量电极之间的电位差随时间变化，经一段时间后，变化逐渐减小并趋于稳定的饱和值；但在断开电流后，测量电极电位差在最初的一瞬间快速下降，而后随时间缓慢下降并趋于零。激发极化法正是以不同地质介质之间的激电效应差异为基础，通过观测和研究被测对象的激电效应进行地质探查的一种电法。

该方法以定点源三极法为测量装置布置形式，向地下供入大电流与小电流2种电流，将大电流作用下的二次场半衰时减去小电流作用下的二次场半衰时得到半衰时之差。通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构。有研究通过对试验数据的分析得到了半衰时之差对于水量的响应特征[13-15]，主要有： 1) 当含水构造不含自由水时，半衰时之差为负值； 2)当含水构造中注水后，曲线开始出现正值，且曲线的正值部分与坐标轴的包络面积随水量的增加而增加。

图5　时间域激发极化现象示意图[13]

2.2.3超前钻探技术

在隧道工作面进行平行轴线方向钻进，控制钻孔数量、钻孔角度以及钻孔深度，根据钻进速度的变化、钻孔岩芯情况、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及其他资料来进行预报，能较直观地反映出岩体情况。在本实验方案中，可通过钻孔出水情况判断前方有无地下水和前方何处有地下水。

2.3动态监测涌水量的抽排水设置

隧道施工实践证明，初勘工作对各段落涌水量的预估通常与实际涌水情况有较大差别，导致反坡排水预案不一定与实际涌水情况相契合，易出现排水能力不足或过高，从而导致隧道被淹或功率浪费。为解决该问题，动态监测隧道涌水量，动态修正洞内各段落的实际涌水量，合理进行抽排水设置。在隧道中出现涌水情况时，需按照不同的涌水量进行抽水泵及集水坑的调拨安排，具体方式如表1所示。

表1　基于动态监测的抽排水设置

3宁夏东毛高速公路六盘山隧道反坡排水技术应用

3.1工程概况

宁夏东毛高速公路六盘山隧道设计为单洞分离式(双车道)隧道，左右线间隔31～48 m，隧道全长9 490 m，属超长隧道、长距离反坡施工。左线隧道起止于R=3 060 mm的圆曲线上，右线隧道起止桩号为K6+230和K15+710，隧道长度9 480 m，右线进口位于直线上，出口位于半径为R=3 080 mm的圆曲线上，隧道纵坡为-2.7%和1.68%。项目区地势中间高两侧低，六盘山主脉地势最高，海拔2 900 m左右，南北走向，为中低山岭地段，区内峰峦叠嶂、沟谷纵横、山大沟深，路线经过处宽度约10 km。六盘山隧道除右线出口段210 m、左线出口段183 m为顺坡排水外(隧道纵坡为-2.7%)，其余段落全部为反坡排水，隧道纵坡为1.68%，施工至本标起点落差达50.4 m，坡长长达3 000 m。

隧道区位于祁吕贺山字型构造体系的脊柱—贺兰山褶皱带南段、陇西系旋卷构造六盘山旋回褶皱带的中部及伊陕盾地的西南部，属六盘山大断裂(和尚铺—泾源)与月亮山—六盘山西麓断裂带的相挟部位。隧址区地质构造主要表现为褶皱及断裂。隧址区地处六盘山腹地，地下水赋存主要受地质构造、地貌、岩性、气候和古地貌条件的控制。根据地下水的赋存状态和水力特征，可将地下水分为第四系松散岩类孔隙水(砂砾石层潜水)、碎屑岩风化裂隙水(白垩系)、基岩裂隙水(白垩系)、

碎屑岩裂隙(孔隙)水(第三系)、断裂带构造裂隙水5种含水类型。

隧址区地表水不发育，进口端沟谷具常年流水，地下水以泉的形式补给，出口端多为无水干沟。六盘山隧道处于弱透水性岩层中，伴有干湿、冻融交替作用。

经初勘资料计算分析，预测隧道通过地段一般涌水量为Q=17 427.6 m3/d，最大涌水量为37 999.4 m3/d。根据隧址区工程地质与水文地质条件，对隧道涌突水地段进行预测，发生涌突水可能性较大的段落主要为： 隧道在K12+980～K13+180处穿越大峡河谷地段以及隧道穿越褶皱构造带(受向斜、背斜影响，隧道有可能发生涌突水现象)。

3.2成本最优化的确定方法

成本最优化中的最大涌水量为初勘设计涌水量，经计算分析，A4标段设计预测隧道一般涌水量为Q=5 501.4 m3/d，即最大涌水量为15 847.9 m3/d。出水段落预估涌水量见表2。隧道在右线K12+980～K13+180、左线ZK12+940～ZK13+180处穿越大峡河谷地段时，发生突涌水事故的可能性高。

综合初勘资料和其他资料，隧道排水量统计如表3所示。

表2　预估涌水量分段统计表

表3　排水量统计表

采用涌水量设计为： 六盘山隧道左线累计一般涌水量取值为2 920.3 m3/d，雨季累计最大涌水量取值为8 425.7 m3/d；右线累计一般涌水量取值为2 581.1 m3/d，雨季累计最大涌水量取值为7 422.2 m3/d。正常抽排水能力应为1.2倍设计涌水量，应急排水能力大于2倍最大设计涌水量，备用水泵的抽水能力应不小于0.7倍正常涌水的要求。

根据要求，水泵满足243.4 m3/h的排水要求，故以此为基本对水泵进行市场调研，调研内容包括单价、功率、功耗、扬程等。水泵排水工作总时间以1年为例，对排水系统总成本进行计算。

此处以200ZW300-18型号水泵为例，排水时间为1个月。将数据与排水所需功率代入式(1)可以得到：t=1×30 d×20 h=600 h，w=5%，f1=1 (元/kW·h)，f2=14 000元。

根据水泵的配置(扬程)要求，可得在该型号水泵情况下，当分级数为4时，其总成本为G=149 240元。

采用其他水泵调研参数代入式(1)，可求得当采用200ZW300-18型号水泵，且泵站分级数为4时，其排水系统总成本最小。下文将在3.5.2中进一步验算该型号水泵的排水能力。

3.3抽排水方案设计

长距离反坡排水的各级泵站抽水功率需满足相互匹配的要求，以实现低成本与高效排水的双重目标。各级泵站功率设置与隧道实际出水量对应，最新一级泵站功率满足尚未施工段落预估排水量的要求。泵站的功率Wi+1设置应在其下一级泵站功率Wi+2的基础上，相应增加该泵站与其上一级泵站(功率为Wi)间的隧道已施工段落出水的排水能力。考虑到六盘山隧道的施工条件，右线排水系统布置在左侧，左线排水系统布置在右侧。通过成本最小优化，设置3处固定泵站，最后一级泵站将水排至顺坡排水段。同时，在ZK14+400、ZK13+330、K14+415和K13+345水量较大处增设增级截流集水坑。

以隧道左线为例，其泵站里程设置见图6，其中，增级截流集水坑可根据雨季涌水量大小进行相应设置，灵活拆卸与安装。洞口配备2台400 kW发电机，作为应急电源。停电期间备用电路及时发挥功能，以达到停电期间排水系统正常作业的要求。

图6六盘山隧道左线抽排水方案示意图

Fig. 6Schematic diagram of pumping and drainage in left tube of Liupanshan tunnel

3.4反坡排水布置

六盘山隧道出口3 210 m施工段，除出口段210 m为顺坡排水外，其余段落均为反坡排水。隧道洞内设“人”坡，K15+710～+500、ZK15+760～+577段隧道为顺坡排水，在隧道一侧开挖40 cm×40 cm排水沟。洞内水可通过排水沟自流出洞外，在洞外修建污水处理池，经沉淀净化后排入沟谷中。

隧道K15+500～K12+500和ZK15+577～ZK12+500段为反坡排水，路面坡度为1.68%。反坡排水距离超过3 000 m。采用机械排水，设置多级泵站接力排水。施工工作面积水采用移动式潜水泵抽至就近泵站或临时积水坑，其余已施工地段出水经中心管沟临时集水坑自然汇积到泵站池内。

工作水泵按使用1台、备用1台、检修1台配备，为防止断层突水，设置1套应急排水系统,设专业队伍进行管理和操作。

3.5设备选型及配套

3.5.1选型原则

1) 隧道排水主要为排除地层中的地下水，同时需要考虑施工用水(20～30 m3/d)、掌子面突发涌水、已开挖段落涌水。地下水中混有岩石石屑、泥浆、喷射混凝土的回弹物等掺杂物。

2) 随着集水井的后移和水量的增加，要求水泵的排水能力亦要增加，考虑在管理、操作维修上的方便，选择型号相同的水泵，只在数量上相应增加。

3.5.2水泵排水计算

本隧道左右线坡度约为1.68%，考虑现场实际施工情况和设计地质勘察资料，选用大流量的潜水泵。每个泵站配备3台水泵，工作水泵按使用1台、备用1台、检修1台的方式配备。经排水能力计算，具体泵站配置见表4。

表4　泵站配置

3.5.3排水系统

1) 管路。根据洞内水量、选配的抽水设备，本隧道的集水井固定水泵管路采用φ200 mm的钢管，隧道掌子面开挖集水井位置前移，掌子面及集水坑采用φ80 mm的消防软管。

2) 泵站集水坑。在洞内一侧间隔950 m设置集水坑，集水坑尺寸为4 m ×3 m×1.5 m(长×宽×深)，容量18 m3。

3) 临时集水坑。主洞2个集水井之间可根据具体地下水发育情形设置多个临时集水坑，尺寸为2 m×

1 m×1.0 m(长×宽×深)，容量2 m3，通过移动式水泵将水抽至泵站集水坑，管路采用φ80 mm消防软管。

3.6优化排水方案

由初勘资料可知，隧道在K12+980～K13+180处穿越大峡河谷地段以及褶皱构造带，在YK13+265～YK14+165处一般涌水量为802.9 m3/d，有可能发生涌突水现象。为保证对隧道含水段落以及含水量的精确探测，分别采用TEM瞬变电磁法和激发极化法对隧道该含水段落含水区进行精确定位，并对含水量进行预估。

3.6.1瞬变电磁超前地质探测

在隧道里程K13+265处进行瞬变电磁超前地质探测，由于隧道内地质与电磁环境限制，此次瞬变电磁探测的工作装置选用同点装置，发射线框为2 m×2 m×64匝。接收装置为空心线圈，有效接收面积为31.4 m2，测点数为10个，点距0.9 m，采用Protem EM47-Hp瞬变电磁仪(见图7)。

(a)

(b)

瞬变电磁测线布置如图8所示。掌子面后方钢拱架等金属构件和汽车及洞内照明电缆等对瞬变电磁数据有一定干扰，且由于关断时间不为零，探测深度具有盲区，根据本次实际情况，掌子面前方10 m为探测盲区。

图8　掌子面测线布置示意图[16-17]

图9为视电阻率等值线断面图，反映掌子面前方视电阻率随不同深度的变化情况，横坐标为测线长度，纵坐标为探测距离。从图9可以看出，存在较大的低阻区域。结合隧道所处的地质情况，在探测范围内，可推断如下结论： 1)隧道正前方10～42 m范围内，围岩相对较好； 2)隧道正前方42～50 m范围内岩溶裂隙发育，局部区域(图9虚线区域)充水充泥； 3)开挖到40 m时，应加强防护措施，并开展进一步的探测工作。

图9　视电阻率等值线断面图

3.6.2激发极化超前地质探测

激发极化超前探测采用了山东大学自主研发的激发极化超前探测仪器[18-20]，主要采集视电阻率、半衰时差等参数。

根据实验数据可知，激发极化半衰时之差数据包络线的正值部分与坐标轴之间包络面积和水量成正比，二者具有良好的线性关系(如图10所示)。根据瞬变电磁探测结果，在K13+240进行直流电流激发极化法地质探测。利用定点源三极法测量方式，因场地有限，在左边墙布置测线，测线距地面1.3 m，采用激发极化时差仪器，通过现场操作采集了视电阻率、半衰时之差等数据。

探测到的激发极化半衰时之差数据如图11所示，三维成像如图12所示。图12中，X方向表示水平方向，Y方向表示掌子面竖直方向，Z方向表示隧道开挖方向。设掌子面中心位置为坐标原点，探测结果显示，在K13+221～+217范围内围岩电阻率较低，在半衰时之差曲线图中存在正值部分，且其包络面积为100 m·s，是前期探测包络面积的20倍左右。因此，推断掌子面前方上述范围内发育裂隙等导水构造，存在含水体或富水区域。根据此次和前期包络面积的比值，推测此次涌水量约为30 m3/h。

Fig. 10Correlation between envelope area of difference of half-decay time and water volume

图11　激发极化半衰时之差数据

图12　三维电阻率反演成像结果(单位： Ω·m)

3.6.3超前地质钻机探测

根据以上探测结果，在K13+230处采用地质钻机进行超前地质探测，钻机为非取芯钻机，钻孔直径为80 mm，当钻机钻进到10.4 m位置处时，有水从钻孔中流出，即确认在里程K13+219.6处有富水区域，与激发极化探测方法所得结果误差为1.4 m。

3.7涌水量的动态监测

在隧道掌子面上利用超前地质钻探打通含水构造的钻孔，设置排水管，并在排水管末端安装流量计，对涌水量进行动态监测。实时监测涌水量如图13所示。含水构造打通初期，单位时间涌水量有较快的增长，由23 m3/h上升到29.7 m3/h，之后逐渐减小；总涌水量呈持续线性增长状态，在涌水35 d后，总涌水量逐渐趋于稳定值。

图13　隧道涌水动态监测数据

3.8基于涌水量预估和动态监测的反坡排水方案调整

已知掌子面施工用水量为20～30 m3/d，由于不同施工作业用水量不同，按最大用水量计算，水量约为2.3 m3/h(每天用水13 h)；另外根据实时监测所获得的涌水量为25.3 m3/h，为安全考虑采用26 m3/h，故排水总要求为28.3 m3/h，小于常用水泵最大抽水量(300 m3/h)。调整水泵抽排水设置，由原来的水泵恒定功率抽水改为分时抽水作业。集水井容量为18 m3，预留3 m3安全容量，计算可得每集水0.53 h，集水量为15 m3，水泵功率为300 m3/h，故设定每隔0.5 h，水泵自动抽水3 min，采用分时抽水技术实现水泵自动伺服抽水。

根据对隧道涌水量及其变化速率的实时监测，推断掌子面前方导水构造为大范围含水裂隙，总水量约为20 000 m3以上，继续采用分时抽水方案，共排水49 d，平均排水量为518 m3/d，共排水25 390 m3，顺利地完成了排水工作，保证了隧道各部分的正常施工，为规避施工风险提供了强有力的技术保证。

4结论与讨论

本文以“提前整体配置，过程局部优化”的设计理念为基础，基于涌水量预估与动态监测的公路隧道长距离反坡排水技术，有效地解决了常规反坡排水技术的不足。

1)采用瞬变电磁及激发极化探测技术对掌子面前方含水区位置做精确定位，并预估涌水量，通过超前钻孔技术进行含水区的验证，做好排水工作前期准备。

2)该技术采用了成本最小优化方法，在满足排水需求的前提下，选择最佳泵站分级以及最小功率水泵，节约了反坡排水的施工成本。

3) 采用动态监测涌水量的抽排水设计，在动态监测涌水量的前提下，采用不同抽排水方法，极大地节约了排水经费，即使面对紧急大突水，也能做好排水工作。

本文设计方案中，在超前探测技术方面尚有不足，不能精确探测水量，需进一步研究含水体定量探测方法。在成本最小化公式方面，除市场价格以外，还需对环境因素及再利用效果做进一步的评定研究工作。

参考文献(References)：

[1]胡子平. 宜万铁路齐岳山隧道选线、施工与管理[J]. 铁道标准设计, 2010 (8): 12-19.(HU Ziping. Route selection,construction and management of Qiyueshan tunnel on Yichang-Wanzhou railway[J].Railway Standard Design,2010 (8): 12-19.(in Chinese))

[2]左玉杰. 反坡富水岩溶隧道抽排水系统的设置和应用[J]. 铁道建筑技术, 2007 (4): 26-29.(ZUO Yujie. Arrangement and application of the tunnel drainage system in the reverse-slope stratum with abundant water [J]. Railway Construction Technology, 2007 (4): 26-29. (in Chinese))

[3]陈冉. 马鹿箐隧道长距离反坡追踪排水施工技术研究[J]. 山西建筑, 2010, 36(15): 300-302.(CHEN Ran. Study on the Maluqing tunnel long-distance reverse slope tracking drainage construction technology [J]. Shanxi Architecture,2010, 36(15): 300-302. (in Chinese))

[4]张胜. 乌鞘岭隧道 6 号斜井工区反坡排水设计与施工[J]. 铁道标准设计, 2005 (9): 106-108.(ZHANG Sheng. The design and construction of reverse slope drainage in the working area of inclined shaft 6#in Wushaoling tunnel [J]. Railway Standard Design, 2005 (9): 106-108. (in Chinese))

[5]周国龙. Ⅰ 级高风险特长隧道反坡排水方法探析[J]. 交通标准化, 2011 (16): 141-144.(ZHOU Guolong. Ⅰ-class high-risk long tunnel anti-slope drainage method analysis [J]. Communications Standardization, 2011 (16): 141-144. (in Chinese))

[6]李鸿杰. 麻崖子隧道涌水反坡排水技术[J]. 公路交通科技: 应用技术版, 2012 (8): 310-312.(LI Hongjie.Reverse slope drainage technology in Mayazi tunnel[J]. Highway Traffic Science and Technology: Application Version, 2012 (8): 310-312. (in Chinese))

[7]高文涛, 吴志刚. 反坡排水技术在隧道涌水处理中的应用[J]. 土工基础, 2012, 26(2): 16-18.(GAO Wentao, WU Zhigang. Counter slope drainage applications in mitigating of groundwater and mud gushing in the tunnel construction[J].Soil Engineering and Foundation,2012, 26(2): 16-18. (in Chinese))

[8]冯艺. 大型抽排水系统在富水反坡隧道施工中的应用[J]. 国防交通工程与技术, 2011, 9(5): 57-60. (FENG Yi. The application of the heavy-duty draining system to the construction of the rich-watered, adverse grade tunnel[J]. Traffic Engineering and Technology for National Defence, 2011, 9(5): 57-60. (in Chinese))

[9]王静. 格咪底隧道进口反坡排水设计与施工[J]. 内江科技, 2011(6): 92.(WANG Jing. Drainage design and construction of reverse slope in Gemidi tunnel import[J]. Neijiang Keji, 2011(6): 92. (in Chinese))

[10]傅俊. 浅谈富水隧道反坡排水施工技术[J]. 中国科技信息, 2011 (9): 64.(FU Jun. Introduction to the rich water tunnel slope drainage construction technology[J]. China Science and Technology Information, 2011 (9): 64. (in Chinese))

[11]刘牛生. 特长隧道涌水综合反坡排水施工技术[J]. 建筑, 2010(12): 44.(LIU Niusheng.Extra-long tunnel water gushing integrated reverse slope drainage construction technology[J]. Architecture and Construction, 2010(12): 44. (in Chinese))

[12]孙怀凤. 隧道含水构造三维瞬变电磁场响应特征及突水灾害源预报研究[D]. 济南： 山东大学, 2013.(SUN Huaifeng.Three-dimensional transient electromagnetic responses of water bearing structures in tunnels and prediction of water inrush sources[D].Jinan： Shandong University, 2013. (in Chinese))

[13]刘斌. 基于电阻率法与激电法的隧道含水地质构造超前探测与突水灾害实时监测研究 [D]. 济南: 山东大学, 2010.(LIU Bin. Study on the water-bearing structure advanced detection and water in tunnel based on the electrical resistivity method and induced polarization method[D]. Jinan： Shandong University,2010. (in Chinese))

[14]李术才, 刘斌, 李树忱, 等. 基于激发极化法的隧道含水地质构造超前探测研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011, 30(7): 1297-1309.(LI Shucai，LIU Bin，LI Shuchen, et al. Study of advanced detection for tunnel water-bearing geological structures with induced polarization method[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011, 30(7): 1297-1309.(in Chinese))

[15]刘斌, 李术才, 张庆松, 等. 隧道地质灾害预警体系中岩溶裂隙水综合预报技术研究[J]. 山东大学学报: 工学版, 2009, 39(3): 115-121.(LIU Bin, LI Shucai, ZHANG Qingsong, et al.Study of the prediction of karst fractured groundwater in prediction and early warning system of tunnel geologic hazards[J]. Journal of Shandong University： Engineering Science, 2009, 39(3): 115-121. (in Chinese))

[16]孙怀凤, 李术才, 苏茂鑫, 等. 基于场路耦合的隧道瞬变电磁超前探测正演与工程应用[J]. 岩石力学与工程学报, 2011 (增刊1): 3362-3369. (SUN Huaifeng，LI Shucai，SU Maoxin, et al. Forward of transient electromagnetic method for geological prediction in tunnels based on field-circuit coupling and its engineering application[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011 (S1): 3362-3369.(in Chinese))

[17]苏茂鑫, 李术才, 薛翊国, 等. 隧道掌子面前方低阻夹层的瞬变电磁探测研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2010(增刊1)： 63-68.(SU Maoxin，LI Shucai，XUE Yiguo, et al.Research on detection of low resistivity interbed in front of tunnel face by means of transient electromagnetic method[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010(S1): 63-68.(in Chinese))

[18]刘斌, 李术才, 李树忱, 等. 隧道含水构造直流电阻率法超前探测研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(10): 3093-3101. (LIU Bin, LI Shucai, LI Shuchen, et al.Study of advanced detection of water-bearing geological structures with DC resistivity method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(10): 3093-3101. (in Chinese))

[19]刘斌, 李术才, 李树忱, 等. 隧道含水构造电阻率法超前探测正演模拟与应用[J]. 吉林大学学报： 地球科学版, 2012, 42(1): 246-253.(LIU Bin, LI Shucai, LI Shuchen, et al. Forward modeling and application of electrical resistivity method for detecting water-bearing structure in tunnel[J]. Journal of Jilin University： Earth Science Edition, 2012, 42(1): 246-253. (in Chinese))

[20]刘斌, 李术才, 聂利超, 等.隧道含水构造直流电阻率法超前探测三维反演成像[J].岩土工程学报, 2012, 34(10): 1866-1876. (LIU Bin, LI Shucai, NIE Lichao, et al. Advanced detection of water-bearing geological structures in tunnels using 3D DC resistivity inversion tomography method[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2012, 34(10): 1866-1876. (in Chinese))

Reverse Slope Drainage Technology Based on Water Inflow Prediction and

Dynamic Monitoring and Its Application in Long Tunnel

LI Fangdong

(TheFifthEngineeringCo.,Ltd.,ChinaRailway14thConstructionBureauGroup,Yanzhou272100,Shandong,China)

Abstract:The design of conventional reverse slope drainage is based on the design water inflow. However, due to the inaccurate estimation on the water inflow, the capacity of the drainage facilities designed is often inadequate or surplus, which may result in water gushing disaster or resource waste. In the paper, the concept of long-distance reverse slope drainage based on the prediction and dynamic monitoring of the water inflow is proposed on basis of the design concept “providing an integrated drainage system in advance and making local optimization during tunneling”. The technology described in the paper can position and forecast the water bearing zone and the water inflow ahead of the working face accurately by using the transient electromagnetic technology and induced polarization technology. Furthermore, an optimized drainage formula based on the drainage cost is proposed, and the classification of the pumping stations and the selection of the pump power are optimized. Meanwhile, the water inflow is monitored dynamically, the drainage facilities are arranged based on the monitoring data, and the technology of the enhancement of pumping station is proposed. The technology has been applied in the construction of Liupanshan tunnel on Dong-Mao highway in Ningxia autonomous region and satisfactory effect has been achieved.

Keywords:highway tunnel; Liupanshan tunnel; reverse slope drainage; water inflow prediction; dynamic monitoring; cost minimization

中图分类号：U 459.2

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2015)12-1321-10

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2015.12.014

作者简介：李方东(1974—)，男，山东东平人，2007年毕业于兰州交通大学，工程管理专业，本科，高级工程师，主要从事铁路、公路工程施工组织和技术管理方面的研究工作。

收稿日期：2015-05-20; 修回日期: 2015-07-26