青云山特长隧道涌水段反坡排水技术

王俊和

（中国土木工程集团有限公司，北京100038）

青云山特长隧道涌水段反坡排水技术

王俊和*

（中国土木工程集团有限公司，北京100038）

基于江西向塘至福建莆田铁路隧道工程施工中的反坡排水问题，根据隧道的线型、地质和涌水量情况，提出了一套完整的适用于隧道施工反坡排水的处理方案，并对排水设备相关参数进行了计算，可为建设环境类似的工程提供借鉴。

特长隧道；斜井；涌水；反坡排水

1　概述

长大隧道由于地质、水文条件复杂的特点，大多穿越富水断层带，且由于受到进出口地表高程或者线路纵坡等其他因素的限制，正洞或辅助坑道常采用反坡排水［1-3］。秦猛［4］就反坡排水施工组织及管理做出了详细的论述。刘艳霞［5］以实际工程为例，采用多级泵站接力技术成功地解决了高反坡、长距离排水。吴建斌［6］基于古田隧道的反坡排水，经过相应的计算分析，对防排水方案进行了研究。

2　工程概况

2.1工程情况

青云山隧道为新建铁路江西向塘至福建莆田段最长的隧道，分为左线和右线2座单线隧道，其中隧道左线全长22.175km，隧道右线全长21.837km，为特长铁路隧道，隧道纵断面线形详见表1。

表1　青云山隧道纵断面线形

全隧设置4座斜井和1座通风竖井，其中2#斜井全长2608.71m，斜井内综合坡度7.005%，整座斜井的高差有182.75m，采用的是反坡开挖和排水。

2.2涌水情况

2#斜井进入正洞后向进口方向将分别穿越F7、F8、F9三个断层，其中首先穿越F9断层破碎带，该断层属压扭性断层，内部为碳酸盐化蚀变及石英岩脉填充，隧道通过含水体的长度为55m，渗透系数为1.1m/d，设计预测涌水量为12196m3/d，最大单位涌水量为221.75m3/d·m，该断层在地貌上形成了深切的冲沟，地表汇水面积大，冲沟上下游数量变化较大，导水性极好，属强富水段。

隧道左线进口因突发特大涌水淹没斜井交叉口以后，根据水位标高计算隧道内的淹没面积，计算隧道内所有水库容量，确定实时涌水量。经监测结果表明，隧道出现涌水量峰值达到2300m3/h，之后涌水量出现回落，水量基本保持在850～1000m3/h之间。

3　排水设备选取

3.1排水管的设计

根据2#斜井的涌水状况和出现隧道突发涌水的情况，最大应急排水能力应达1666m3/h。采用钢管作为所有泵站的排水管，斜井高差为182.75m，配备水泵则需考虑抽水高差和水头损失，按照如下公式计算水头损失［7］：

式中：λ——水管摩阻系数（普通钢管为0.024）；

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L——水管长度；

dj——水管内径；

v——管内流速，取1.5m/s；

g——重力加速度，取9.81。

采用上述公式计算，当直径为200mm时，水管的水头损失是100m为1.38m，除此之外，还需考虑局部水头损失，通过计算得出排水理论所需扬程为244m，再乘以1.1以上的扬程保证系数，则配备水泵需保证268m以上的扬程。

通过对隧道涌水情况的分析，需保证紧急排数能力在1666m3/h以上，因此，在斜井内以布设大管道为主。对于钢管，其流速为2.0～3.0m/s，应急抽排水时，流速为2.5m/s，管道总断面积应有0.186m2；正常排水时，需保证排水能力为744m3/h，取流速为1.5 m/s，管道面积至少应为0.14m2。

抽水钢管直径d的选取应满足考虑一定的富裕系数的隧道昼夜涌水量，同时结合技术和经济2方面。

VP——管道允许流速，m/s，一般钢管流速为2.0～3.0m/s。

采用上述公式，其计算结果如表2所示。

表2　管道直径选取计算表

在确保抽水设备及管道有一定的富裕系数的同时，也需考虑利用率。在斜井内采用1排Ø300mm、4 排Ø200mm、3排Ø150mm的不同管径钢管搭配使用，突发涌水时，将高压供水管和高压供风管也作为排水管使用。在正洞左右线的正常排水管采用1排Ø150mm 和2排Ø200mm的钢管，同时为了减少管道重复布置和对左线施工的影响，利用距掌子面最近的横通道将左线进口的涌水全部抽排至右线进口方向集水井，这样可以保证左线先于右线贯通的要求。

3.2泵站的设计

在水泵电机的选型，应综合考虑能量利用、电机功效、电机安全系数及扬程等，按以下经验公式配备电机功率：

电机功率=流量（m3/h）×扬程（m）×9.81/（3600×功效）

式中，功效为0.5～0.75，水泵功率越大，功效取值越大。

为了保证较短的作业循环时间，采取将主泵站随着水位下降而移动的措施，直到水位降至安全水位。3组轮胎行走式移动泵站平台的移动泵站的建立是由同类型水泵配置情况来考虑建立的，而且除此之外，在每个作业面还有5.5kW的水泵2～4台，主要是用以配合主泵站和抽排一些小坑洼处的积水。表3是主泵站具体配置。

表3　泵站设备配置表

4　总体排水方案

4.1抽水方案

排水方案的制定是在充分利用既有的水泵和管路设备的同时，再考虑涌水情况和斜井段深积水的特性，总体分为2个抽水阶段。在斜井段的涌水，分级抽排至洞外；正洞的涌水，直接抽排出洞外。

第一阶段：抽排交叉口地面以上积水，水泵及管路布置如图1所示。在这个阶段，主要是随着水位变化移动抽水泵站。先恢复既有设备的部分抽水能力，加强涌水量的监测，通过检测获得的涌水量的变化规律来确定抽排水设备配备及布置方案。首先恢复斜井内既有梯级泵站的抽水工作，设置2处一级泵站，初步水泵配置：1台188m3/h，扬程150m。然后逐步加大设备投入，直至达到抽排能力1800m3/h，具体水泵配置为：2台110kW、150m3/h，为分级固定泵站；4台220kW、188m3/h，3台360kW、288m3/h，采用移动泵站的方式，随时根据水位变化情况调整移动泵站安装里程。4台220kW、188m3/h备用，抽排能力为7500m3/h。

第二阶段：抽排正洞进口方向积水及涌水，水泵及管路布置如图2所示。洞内稳定涌水量为650m3/h，再考虑不小于1.2倍的富裕系数，在斜井底的抽水泵配置为：5台220kW、188m3/h。左线进口方向抽水泵配置为：4台180m3/h，这样可以将涌水抽排至斜井交叉口处的主泵站再排出洞外。由于左右线未连通，右线进口方向又没有涌水，所以只需将洞内积水抽排，抽水泵配置为：2台55kW、180m3/h。设置临时集水坑在距离掌子面100m左右处，然后集中抽至斜井交叉口处再排出。

图1　抽排水第一阶段泵站布置示意图

图2　抽排水第二阶段泵站布置示意图

4.2排水系统

（1）管路。根据洞内最大水量情况，除按表2和表3内容要求进行布置外，还需其他的应急排水管，可由1 排Ø150mm的高压供风管和2排Ø200mm的高压供水管组成。为了防止遭遇特大涌水或管路出现故障，在永久集水坑处，供风水管路需要设置闸阀及接头，可以作为应急处理。

（2）临时集水坑。斜井内临时集水坑的设置是：间隔100m或集中涌水段，位于洞内右侧，容量的确定应考虑施工涌水量和该段15min的汇水量，通常的集水坑容量设置为15m3，具体尺寸为：4m（长）×2.5m（宽）× 1.5m（深）。

5　结语

基于江西向塘至福建莆田铁路的隧道工程，提出了隧道施工中的反坡排水技术。首先采用既有设备恢复抽水能力，同时加强涌水量监测，通过涌水量变化规律确定抽排水方案，其中抽水泵站以随水位变化移动为主。

青云山隧道2号斜井成功的反坡排水的排水方案，利用短短的一个月时间，安全地控制住了洞内水位，为后期帷幕注浆工作的及时开展抢得了时间。同时确保了青云山隧道通过富水断层及涌水时的施工安全，加快了施工进度，确保了青云山隧道的顺利贯通。

［1］奚成.青云山隧道一号斜井反坡排水优化施工方案研究［J］.铁道建筑技术，2015（12）：83-85.

［2］解师尚，梁世俊.康家楼隧道1号斜井反坡排水施工技术［J］.公路，2014（5）：161-163.

［3］张兆杰，郭鹏，林国进，田志宇.长大隧道反坡施工排水技术研究［J］.北方交通，2015（7）：111-113.

［4］秦猛.反坡排水在地下水丰富的下坡隧道中的应用［J］.西部交通科技，2010（6）：109-112.

［5］刘艳霞.山岭特长隧道斜井高反坡长距离排水施工技术［J］.国防交通工程与技术，2013（1）：47-49.

［6］吴建斌.古田隧道斜井反坡施工技术［J］.现代隧道技术，2012（增刊）：365-369.

［7］黄东.高寒地区隧道富水段反坡排水施工技术［J］.铁道建筑技术，2011（12）：48-50.

Reverse Slope Drainage Technology in Water Inflowing Section of Qingyunshan Extra Long Tunnel

WANG Jun-he
（ChinaCivilEngineeringConstructionCorporation，Beijing 100038，China）

Based on the reverse slope drainage problem in construction of railway tunnel engineering from Xiangtang，Jiangxi to Putian，Fujian，a complete set of treatment scheme for reverse slope drainage in the tunnel construction is proposed according to linear type，geology and water inflow condition of the tunnel，related parameters of drainage facilities are calculated.It can be as reference for projects with similar construction environment.

extra long tunnel；inclined shaft；water Inflow；reverse slope drainage

U455

B

1004-5716（2016）08-0206-03

2016-04-13

2016-04-19

国家自然科学基金项目资助（51178399，51478392）。

王俊和（1976-），男（汉族），山西寿阳人，高级工程师，现从事交通土建工程技术（隧道与地下工程）工作。