公路隧道长距离反坡排水及其优化技术

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福州350000)

公路隧道长距离反坡排水及其优化技术

■董健

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福州350000)

本文结合福建省南平至顺昌高速公路项目的大窠山2#隧道工程，试分析当前公路隧道长距离反坡排水技术的实施及优化策略，旨在为今后的建设发展提供理论支持。

公路隧道工程长距离反坡排水技术优化

0 前言

在公路隧道的施工过程中，由于施工建设的特殊性会出现很多特殊的具有危险性的情况，如果不能全面应对这些情况，就会严重影响到施工建设的工程质量与效率，甚至会危及到施工人员的生命安全。为此，要保障公路隧道的质量，尽可能地避免灾情的发生，就需要大力加强各项技术工艺的优化工作，提高建设施工技术的水平将具有十分深远的现实意义。其中，长距离反坡排水技术能够有效地防止公路隧道发生突涌水灾害，确保施工的顺利与质量安全。为探讨公路隧道长距离反坡排水及其技术优化问题，笔者以福建省南平至顺昌高速公路项目的大窠山2#隧道为实例试进行分析。

1 工程概况

大窠山2#隧道位于南平市延平区境内，采用双向四车道分离式双洞隧道设计，隧道建筑限界净宽10.25m，净高5.0m。施工起讫桩号为左洞ZK4+949～ZK7+943，右洞YK4+929～YK7+920，左洞长2994m，右洞长2991m，为长隧道，由A1、A2两个合同段双向掘进施工，为南平延顺高速控制性工程。其中A1合同段由隧道的小里程向大里程方向施工，左洞的施工里程为ZK4+949～ZK7+ 026，洞长2077m，纵坡为-1.58%，进洞口至合同段终点最大高差为32.82m；右洞的施工里程为YK4+929～YK7+ 000，洞长2071m，纵坡为-1.57%，进洞口至合同段终点最大高差为32.51m。

2 基于涌水量动态实时监测的长距离反坡排水技术

相较于其他地处穿越大峡河谷地段以及构造带褶皱的公路隧道而言，大窠山2#隧道总体地表水资源贫乏，但这并不意味着其不需要进行长距离反坡排水施工，尽管没有大量的地表水资源，但是其所处址区内蕴藏着水量丰富的地下水，且为基岩裂隙水。如果不进行良好的排水处理，很可能会发生突涌水现象，导致隧道被淹、工期延误或者累及他人生命财产安全的情况。为此，必须要将长距离反坡排水问题纳入到大窠山2#隧道的修建工程重点中，“建立起基于涌水量动态监测的长距离反坡排水设计与优化技术，并提出‘监测先行、动态调整、安全高效、经济环保’的长距离反坡排水原则。”[1]

2.1 前期涌水量预估工作

首先，要提前做好隧洞涌水量的预估工作。为确保能够得到精准、有效的隧洞涌水量预估值，需要对隧洞的地质情况、水文条件进行全面、细致的考察，得出施工所需的详细数据信息，并细心搜集大量关于区域水文气象的资料，以此为主要依据判断分析隧道的涌水量数值。在进行涌水量计算预估时，工作人员可以应用地下径流模数法或降水入渗法，地下径流模数法是对地下径流模数的求解，在实际测得水面流量后做出的计算。而降水入渗法主要是利用大气降水的入渗量来进行预估，两种方法都较为简便，在预估时会存在一定程度上的偏差。大窠山2#隧道在结合了施工图纸计算及现场实测对照后推算出，左洞总计正常涌水量为7915m3/d，总计最大涌水量为10949m3/d；右洞总计正常涌水量为5616.8m3/d，总计最大涌水量为7040.6m3/d。

2.2 长距离反坡排水预行方案制定

为保障反坡排水设计的质量与安全，须对隧洞各段落的涌水量进行分析预估，在得到相应的较为精准的预估值后制定反坡排水方案，方案的制定原则应具有针对性、全面性、合理性、可操作性，方案涉及到的主要内容为施工设备的筹划与选型、排水系统的要求与布置、以及预测各种可能发生的突涌水风险，并做好相应的安全对策。

2.3 实时动态监测工作

反坡排水技术是一个长期的、任重道远的工作，在制定了较为合理的预行方案后，应采取地质预报技术对大窠山2#隧道进行动态观察与监测，监测时主要针对隧洞的涌水点受地质情况或天气变化影响的实时动态情况。并根据其实时动态情况做进一步的方案调整，以期能够达到优先排水、防治结合、经济高效、安全无患的排水目的。

2.4 长距离反坡排水实施

针对大窠山2#隧道的具体情况，反坡排水方案采用机械排水，设置多级泵站接力排水，固定泵站和移动泵站相结合的方式。首先，在掌子面位置开挖下断面，与仰拱之间在隧道中线每隔50m设置1处临时汇水坑，先将掌子面渗流水经水沟汇集至坑内，再就近抽至移动泵站或固定泵站，直至将洞内积水抽至隧道外污水池并经三级处理后进行排放，同时洞口需设置截水沟，防止洞外水倒流。大窠山2#隧道设置移动泵站和固定泵站各2处，临时泵站集水坑采用钢板加工水箱，排水机械为排污泵，固定泵站设置于紧急停车带位置，采用混凝土结构，排水机械为单级双吸中开泵。

3 公路隧道长距离反坡排水系统的技术

公路隧道长距离反坡排水，可采用长距离管道配合小型水泵与集水坑接力式反坡排水两种技术方法进行实施。

3.1 长距离管道配合小型水泵

大窠山2#隧道采用的是较长距离开挖固定式集水坑作为泵站，用小集水泵将开挖面的积水抽到最近的集水坑内，再用大功率的泥浆泵通过排水管道将水排至移动泵站、固定泵站后排到洞外。如图1所示：

图1 隧洞内平面布置示意图

将积水利用小集水泵抽到集水坑内可以有效地减少能源的消耗，提高排水施工的效率，是基于功率最优化的长距离排水设计。

3.2 集水坑接力式反坡排水

在进行长距离反坡排水时，由于距离较长，所以对抽水泵有着很高的要求，需要其具有足够的扬程。为此，可以采用增加集水坑、分段抽排水的方式，将积水通过一级一级的水泵最终抽至排水段，再排至隧道洞外的处理池。如图2所示：

图2 集水坑接力式反坡排水

以上两种技术方法应结合实地情况建设排水系统，做到“因地制宜、综合治理”，不能一味追求经济成本而忽略了排水系统的质量，对人们生命财产安全失责，也不能一味治理排水大患而肆意挥霍成本，最终得不偿失。治理要谨遵“防、排、截、堵”的四字原则，通过对反坡排水技术的精心设计与优化加强，力求做到排水量的大幅增加与经济成本的有效减少，实现效益与质量的双赢。

4 常规长距离反坡排水积水存在的问题

长距离管道配合小型水泵与集水坑接力式反坡排水两种技术方法都是较为常规的公路隧道长距离反坡排水技术，在设计应用的过程中能起到非常良好的排水效果，但是仍存在一些不容忽视的问题，亟待解决及优化。

4.1 数据误差

“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，了解隧道所处地段的地质条件，运用地质学理论，对比、论证、判断和预报隧道施工前方的工程及水文地质情况。”[2]这也就意味着，涌水量预估的数据值可能与实际开挖过程中的涌水量有出入，一旦误差过大，就会出现排水系统能力不足或过强的情况，如果涌水量比预估数据值大，排水系统能力不足，就会导致涌水灾害的发生，给施工的效率、质量，甚至人身安全带来严重的影响，如果涌水量比预估数据值小，排水系统能力过强，就会导致资源配置的极大浪费，造成能源、资金成本的大量消耗，不利于工程的经济效益与国家的可持续发展战略实施。目前，基于涌水量预估和动态监测的隧道长距离反坡排水技术尚处在不完全成熟的阶段，有很大的优化发展空间，公路隧道施工应进一步提高动态监测的实时性和准确性，为获取更为精准的涌水量预估值发挥效用。

4.2 设计方案不全面

常规长距离反坡排水技术确实存在许多可取之处，但是在其方案的设计中，往往只针对水泵的工作能力做出要求，来选择水泵的分级以及功率，却忽略了市场上水泵的单位价格与实际工作中水泵功率的能源消耗量，大功率水泵有着良好的抽排水效果，但是在单位价格与能源消耗上也比较大，小功率水泵的抽排水效果不及大功率水泵，但是其单位价格与能源消耗上也相对较小，如果只考虑工作能力，却不将市场价格与能源的消耗考虑在内的话，就会造成水泵功率与实际工程排水及成本控制的不对应，导致水泵排水能力过剩，以至于浪费了大量的能源和资金成本，对于我国公路隧道建设的长远发展极其不利。

要想有效解决这些问题，就必须加强对长距离反坡排水设计以及技术施工的优化，切实将排水问题考虑得更加全面、充分、合理，以追求经济、质量、效率的三重达标。

5 长距离反坡排水设计与技术优化

5.1 实时动态监测技术的优化

为了随时对隧洞的各段落涌水风险做出较为准确的评估，应对实时动态监测技术作出优化，在进行地质探测时，采用瞬变电磁与激发极化技术，瞬变电磁技术利用的是不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，并在地下导电岩矿体中产生感应电流的原理，具有施工效率高、异常响应强、不影响地形情况的优势，可以较为迅速、精准地探测出水文地质情况。而激发极化技术是寻找金属和解决水文地质、工程地质等问题最常用的电法勘探方法，利用的是岩石、矿石的激化极化效应，具有操作简便、效果明显等优势。这样可以有效获取地下水区的位置，并根据地下水区的大小预估地下水的含水量。

5.2 超前钻探技术

在确定了含水区位置及大小，预估了地下水含量后，可以采用超前钻探技术来进行进一步的判断分析，继而得到更加精准有效的结果。

超前钻探是为了查明隧道开挖前方的地质状况，从开挖面附近朝掘进方向钻水平孔进行探察的技术，这种技术具有良好的控制性，造成的破坏小，获得的信息明确，通过钻孔，可以根据钻探获得的岩芯、岩粉进行观察，以及钻孔时的进展方向、地下水压力的变化等都可以作为获取数据来源的资料，能够预测地下水情况，以此来推测出涌水量的数据值。

5.3 动态监测涌水量的抽排水设置

“在隧道施工过程中，富水隧道的排水，特别是长距离反坡排水是必须解决的难题”[3]，只有及时排出隧道内汇集的水源，才能有效避免施工过程中的突涌水情况带来的安全隐患。然而在实际施工过程中，常常会出现抽排水设置与涌水情况不相符的问题，必须采取有力的设计与技术优化来进行改善。为此可以根据涌水量的实时动态监测来设置安排抽排水设施的方法，如涌水量不同时，抽水泵与集水坑的安排设置也有所不同。具体操作如表1所示：

表1 基于动态监测的抽排水设置

5.4 长隧道反坡风压排水技术

由于我国现有反坡长隧道的排水技术始终存在着一定程度上的缺陷与问题，所以要反复进行优化，不断做出改良。在目前的改进措施中，风压排水技术能够更好地利用资源，进行整合，提高排水的效果与效率。图3为风压排水技术所需的装置，在进行排水施工时，要确保高压气的进气管口与进水口安装准确，并在各储气罐体底部设置与之对应的排污管口和排水管口，利用隧道中的高压风对抽入罐中的水进行排放，继而满足长隧道反坡排水的需要。

图3 风压排水装置

6 结论

大窠山2#隧道的建设施工过程中,在进行反坡排水设计时，致力于将“有效的长距离隧道反坡排水优化，实现更好的运输和通风排水”[4]作为工作重点，以期解决隧道修建区域内存在的地下水发生突涌现象的问题，进而保障工程质量安全，严格贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的方针原则，树立良好的工程企业形象，为国家的长远建设发展作出贡献。

[1]李占先.公路隧道长距离反坡排水及其优化技术[J].铁道建筑技术, 2015(12):59-63.

[2]李方东.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[J].隧道建设,2015(12):1321-1330.

[3]宋煜堃.富水隧道长距离反坡排水设施配置[J].城市建设理论研究, 2012(16).

[4]陈彪.长大隧道反坡排水优化措施[J].中外企业家,2015(11):259+ 267.